黃培敏(中鐵二院成都公司,四川 成都 610081)
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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·
土工格柵加筋土大型直剪試驗(yàn)分析
黃培敏
(中鐵二院成都公司,四川成都610081)
摘要:通過大型直剪試驗(yàn),研究了不同密實(shí)度及不同鋪設(shè)角度下土工格柵加筋土的界面特點(diǎn),并分析了直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果表明,土工格柵加筋土體能有效增強(qiáng)加筋工程的穩(wěn)定性,提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。
關(guān)鍵詞:加筋土,土工格柵,直剪試驗(yàn),壓實(shí)度
加筋土的應(yīng)用歷史已悠久[1]。隨著加筋材料的發(fā)展,目前土工格柵已在路基加固、軟土地基處理等工程中被廣泛應(yīng)用。土工格柵加筋土中土工格柵與土界面性能是影響加筋技術(shù)應(yīng)用的主要因素,目前國內(nèi)外測定土工格柵與土界面性能主要方法是直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)[2]。而現(xiàn)場施工時(shí),一般對土的壓實(shí)度做了相關(guān)的要求,而這方面的土工格柵加筋土相關(guān)試驗(yàn)研究較少。本研究通過不同密實(shí)度下及不同鋪設(shè)角度下土工格柵加筋土大型直剪試驗(yàn),研究不同密實(shí)度及不同鋪設(shè)角度下土工格柵加筋土界面特性。
1.1試驗(yàn)儀器
本試驗(yàn)采用的是應(yīng)變控制式大型直接剪切儀,其剪切盒為圓形,如圖1,圖2所示。此套儀器由四個(gè)主要部分組成,分別為剪切設(shè)備、操作臺、油源控制設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。
圖1 大型直剪儀工作狀態(tài)
圖2 大型直剪儀上、下圓形剪切盒
表1 大型直接剪切儀主要技術(shù)參數(shù)表
1.2試驗(yàn)材料
1)加筋材料——土工格柵。試驗(yàn)所用加筋材料——土工格柵,由西南某公司生產(chǎn)。其主要技術(shù)性質(zhì)見表2。
表2 土工格柵主要技術(shù)性質(zhì)
2)試驗(yàn)土樣填料。試驗(yàn)土樣為風(fēng)化花崗巖填料。經(jīng)試驗(yàn)分析,該填料為級配良好的B組填料,最大顆粒不大于15 mm,滿足大型直接剪切儀的試驗(yàn)要求。每做一組試驗(yàn)換土樣一次,以盡量保證土樣原狀態(tài)。
1.3試驗(yàn)方案和方法
按土樣填料壓實(shí)度達(dá)到90%和95%兩種工況,及土工格柵與剪切面鋪設(shè)角度(按與剪切面平行、成順時(shí)針45°、垂直),本次試驗(yàn)共有8組,見表3。大型直接剪切儀試驗(yàn)時(shí),每組試驗(yàn)分別采用200 kPa,400 kPa,600 kPa,800 kPa法向應(yīng)力。
表3 大型直剪試驗(yàn)方案
試驗(yàn)方法:在上、下圓形剪切盒中按壓實(shí)度裝好填料,同時(shí)按不同角度要求鋪設(shè)好加筋;試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后,先按要求加載法向應(yīng)力,再進(jìn)行剪切試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制,剪切速率按1 mm/min控制,當(dāng)試樣在剪切過程中出現(xiàn)峰值時(shí),即認(rèn)為土樣被剪損,若沒有峰值出現(xiàn)時(shí),則當(dāng)水平剪切變形達(dá)到50 mm(試樣直徑的1/10)時(shí)停止試驗(yàn)。
2.1試驗(yàn)采用計(jì)算公式
1)假設(shè)圓形剪切盒內(nèi)的土樣在上覆垂直荷載的作用下產(chǎn)生的法向應(yīng)力p均勻分布,即:
其中,F(xiàn)為垂直方向的力,kN;A為圓形剪切盒的截面面積,m2。
2)假設(shè)直剪盒內(nèi)土與土工格柵的剪應(yīng)力:
其中,T為施加在下剪切盒上的水平荷載。
3)設(shè)加筋中土與土工格柵之間的抗剪強(qiáng)度符合庫侖定律[3]。
其中,τ為土與筋界面抗剪強(qiáng)度,kPa;p為法向壓力,kPa;c為等效粘聚力,kPa;φ為綜合內(nèi)摩擦角,(°);f為界面摩擦系數(shù)。
2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
通過對直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,容易得到如圖3~圖6為代表的剪應(yīng)力τ和剪切位移s關(guān)系曲線(τ—s曲線)。
通過上述計(jì)算公式,容易得到圖7~圖10為代表剪應(yīng)力τ與法向應(yīng)力p關(guān)系曲線。
通過對所有τ—s曲線和τ—p曲線分析,得到表4的分析結(jié)果。
表4 壓實(shí)度90%與95%大型直剪抗剪指標(biāo)分析結(jié)果表
圖3 壓實(shí)度為90%下土工格柵45°鋪設(shè)τ—s曲線
圖4 壓實(shí)度為90%下土工格柵垂直鋪設(shè)τ—s曲線
圖5 壓實(shí)度為95%下普土(無格柵鋪設(shè))τ—s曲線
圖6 壓實(shí)度為95%下土工格柵水平鋪設(shè)τ—s曲線
圖7 壓實(shí)度為90%土工格柵45°鋪設(shè)τ—p曲線
從表4中容易得出:
1)隨著土樣壓實(shí)度的提高,對普土(無格柵加筋),其直剪試驗(yàn)抗剪指標(biāo)(主要為綜合內(nèi)摩擦角和等效粘聚力)都增大;同樣,加筋土下土工格柵與剪切面成不同角度鋪設(shè),它們的直剪試驗(yàn)抗剪指標(biāo)也都增大,見表5。
圖8 壓實(shí)度為90%土工格柵垂直鋪設(shè)τ—p曲線
圖9 壓實(shí)度為95%普土(無格柵鋪設(shè))τ—p曲線
圖10 壓實(shí)度為95%土工格柵水平鋪設(shè)τ—p曲線
表5 不同壓實(shí)度下抗剪指標(biāo)比較表
2)同一壓實(shí)度下,土工格柵與剪切面成不同角度鋪設(shè)與普土(無格柵加筋)比較:a.等效粘聚力,普土(無格柵加筋)很小,土工格柵加筋鋪設(shè)后,其等效粘聚力有明顯增大幅度;b.綜合內(nèi)摩擦角,格柵與剪切面成45°鋪設(shè)比普土(無格柵加筋)少,格柵與剪切面水平或垂直鋪設(shè),都有所提高,見表6。
表6 不同壓實(shí)度下不同格柵角度鋪設(shè)與普土抗剪指標(biāo)比較表
3)同一壓實(shí)度下,按不同角度鋪設(shè)下土工格柵加筋土的試驗(yàn)抗剪指標(biāo)比較:a.等效粘聚力,隨著鋪設(shè)角度(從水平至成45°至垂直鋪設(shè)),等效粘聚力越來越大;b.綜合內(nèi)摩擦角,格柵與剪切面成45°鋪設(shè)最小,平行鋪設(shè)最大,垂直鋪設(shè)次之。
通過不同密實(shí)度下及不同鋪設(shè)角度下土工格柵加筋土大型直剪試驗(yàn)的研究,得出以下主要結(jié)論:
1)隨著土樣壓實(shí)度的提高,無論是普土(無格柵加筋)還是加筋土下土工格柵與剪切面成不同角度鋪設(shè),其大型直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)都隨著土樣壓實(shí)度的提高而提高。這就要求現(xiàn)場施工時(shí),要高度重視土體填料壓實(shí)度問題,應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)壓實(shí)度施工,尤其對于加筋土來說是保證其加筋效果的有效方法。
2)與普土(無格柵加筋)比較,在使用土工格柵加筋土樣后,其等效粘聚力大幅度增大,由此可見,使用土工格柵加筋土體,能有效提高土體抗剪能力,即能有效增強(qiáng)加筋工程的穩(wěn)定性、整體性,起到良好加固作用。在工程實(shí)際中,位于不良地質(zhì)地段的基底、高邊坡地段的邊坡等處鋪設(shè)土工格柵,是提高工程穩(wěn)定性確實(shí)有效方法。對于位于高烈度地區(qū)的高路堤,進(jìn)行土工格柵加筋設(shè)計(jì),是其提高抗震能力措施之一,因?yàn)閺目拐鸬慕嵌瓤?,提高工程的穩(wěn)定性、整體性就可以增強(qiáng)其抗震能力[4];另外,從對地震區(qū)路堤震害調(diào)查結(jié)果來看,加筋路堤在地震中表現(xiàn)出了較好的抗震效果。
3)與剪切面成45°鋪設(shè)土工格柵的加筋土,其綜合內(nèi)摩擦角最小,而平行鋪設(shè)最大,垂直鋪設(shè)次之,可見水平鋪設(shè)土工格柵加筋既有利于施工,又保證了加筋效果。這就要求現(xiàn)場施工時(shí),應(yīng)保證土工格柵鋪設(shè)面平整平順,鋪設(shè)面盡量與剪切面平行,以提高加筋效果。
參考文獻(xiàn):
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[4]黃培敏.土工格柵加筋土特性實(shí)驗(yàn)與抗震技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.
Analysis on large-scale direct shear test of geogrid reinforced soil
Huang Peimin
(China Railway 2nd Institute Chengdu Company,Chengdu 610081,China)
Abstract:Through large-scale direct shear test,the paper studies geogrid reinforced soil interface features under different compactness and paving angles,and analyzes direct shear test data.Results show that:geogrid reinforced soil can effectively increase the stability of reinforced engineering and improve structural seismic resisting capacity as well.
Key words:reinforced soil,geogrid,direct shearing test,compactness
中圖分類號:TU411
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1009-6825(2016)06-0063-03
收稿日期:2015-12-18
作者簡介:黃培敏(1975-),男,碩士,工程師