土工格柵與飽和細(xì)砂的界面特性試驗研究

，,，

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島 266590； 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350116)

1 研究背景

20世紀(jì)60年代初法國工程師Vidal根據(jù)三軸試驗結(jié)果首先提出加筋土的概念和原理后，土工加筋技術(shù)在公路、鐵路、機場、港口等重大工程建設(shè)中逐漸得以廣泛應(yīng)用[1]。土工合成材料作為巖土工程領(lǐng)域內(nèi)的一種新型材料，是以合成纖維、合成塑料、合成橡膠為原料制成的各類產(chǎn)品，其質(zhì)量輕、體積小，且柔軟性能適應(yīng)建筑物和地基的較大變形，具有加強土體的作用[2-5]。20世紀(jì)70—80年代土工合成材料被引入我國，之后被廣泛應(yīng)用于路堤、擋土墻、邊坡等結(jié)構(gòu)中。加筋土界面特性(如界面摩擦特性)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要技術(shù)指標(biāo)，將直接影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前測定加筋土界面特性的室內(nèi)試驗主要有直剪試驗和拉拔試驗。加筋體為土工格柵、土工織物、土工膜等。加筋土的填料為砂土、黏性土。

國內(nèi)外已有學(xué)者對筋土界面特性進(jìn)行了研究，也取得了一定成果。Zhou等[6]通過拉拔試驗對土工格柵與砂土界面特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著豎向應(yīng)力的增大，剪切帶厚度逐漸增加，并提出了界面剪切強度與網(wǎng)孔尺寸有關(guān)。Arulrajah等[7]基于大型直剪試驗研究了土工格柵-土界面靜力特性，指出土工格柵顯著增加了土體的抗剪強度。劉飛禹等[8]采用室內(nèi)大型直剪儀研究了不同剪切速率對砂土與土工格柵界面剪切特性的影響，研究結(jié)果表明：剪切速率對單調(diào)直剪條件下筋土界面的剪切特性影響不大，對循環(huán)剪切后的筋土界面直剪特性影響較明顯。吳海等[9]通過大型直剪試驗討論了不同豎向應(yīng)力下不同種類加筋材料對Sandwich型加筋土界面直剪特性的影響，認(rèn)為筋土界面抗剪強度隨著豎向應(yīng)力的增加而提高，且土工格柵的加筋效果最佳。趙占軍[10]通過拉拔試驗研究了豎向荷載對土工格柵加筋土的影響規(guī)律，認(rèn)為豎向應(yīng)力越大，土工格柵拉拔位移對剪脹力的影響越小，土工格柵在拉拔過程中剪脹力增幅越小。

土工合成材料加筋土具有良好的抗剪強度，并且具有優(yōu)良的抗震性能[11-17]。但是以上研究成果都是通過直剪試驗和拉拔試驗得到的，這2種試驗方法對研究筋土界面特性都有一定的局限性，如直剪試驗過程中，剪切面限定在上下剪切盒之間，而不是沿土樣最薄弱面剪切破壞；拉拔試驗在試樣制作過程中，加筋體不可避免地在土中發(fā)生凹凸變形。而GDS界面剪切儀可直接進(jìn)行加筋體與土體界面剪切試驗，且試驗過程中加筋體不會發(fā)生凹凸變形，克服了上述2種試驗方法的不足。因此，本文通過一系列界面剪切試驗，研究了剪切速率、豎向應(yīng)力及網(wǎng)孔尺寸對土工格柵與飽和細(xì)砂界面特性的影響，以期得到有參考價值的結(jié)論。

2 試驗設(shè)備與材料選取

2.1 試驗設(shè)備

試驗所用儀器為英國GDS公司生產(chǎn)的界面剪切儀，如圖1所示。該儀器能夠進(jìn)行土工格柵與飽和細(xì)砂界面剪切試驗，試驗過程中可以保持剪切面積不變，線性或跳躍性增加扭矩、軸向應(yīng)力和剪切速率，進(jìn)行扭矩、剪切位移及剪切速率控制，無限轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)足夠大的剪切位移，能夠進(jìn)行大變形分析，故GDS界面剪切儀在一定程度上克服了直剪試驗、拉拔試驗的局限性，在分析研究加筋土界面特性方面具有較大的優(yōu)勢。該界面剪切儀環(huán)刀直徑70 mm，高度22 mm，剪切面積38.48 cm2。施加的扭轉(zhuǎn)力與軸向應(yīng)力由精密電機控制，其中扭轉(zhuǎn)力矩最大可達(dá)200 N·m，軸向應(yīng)力最大可達(dá)5 kN。試驗過程由計算機控制精密電機運行，并自動記錄試驗時間、扭轉(zhuǎn)力、軸向力、軸向變形等試驗數(shù)據(jù)。

圖2 砂土顆粒級配曲線Fig.2 Grain size distributioncurve of test sand

2.2 試驗材料

試驗所采用的砂取自青島黃海海域金沙灘，用篩析法對砂土進(jìn)行了顆粒分析試驗，得到該砂土的顆粒級配曲線如圖2所示，物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。試驗所采用的土工合成材料為玻纖土工格柵，其具體樣式如圖3所示，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of test sand

圖3 試驗用土工格柵試樣Fig.3 Geogrid specimens for test

土工格柵網(wǎng)孔類型單位面積質(zhì)量/(g·m-2)網(wǎng)孔尺寸/(mm×mm)極限延伸率/%極限抗拉強度/(kN·m-1)橫向縱向橫向縱向小網(wǎng)孔1175×5332525大網(wǎng)孔58.510×10332525

3 理論分析原理與試驗方案

3.1 理論分析原理

利用定積分原理將界面剪切試驗直接得到的扭矩和剪切角位移分別換算為剪應(yīng)力和水平位移。圓形剪切面半徑為R，在距離圓心r處取微小圓環(huán)，寬度為dr，則該圓環(huán)面積dS=2πrdr。因剪應(yīng)力均勻分布，故作用于圓環(huán)上的剪力dF=2πrτdr，扭矩dM=2πr2τdr，則剪應(yīng)力為

(1)

式中：M為扭矩(N·m)；R為軸向應(yīng)力桿圓形剪切面半徑(mm)。

水平位移為

(2)

其中，

(3)

式中：rave為平均半徑(mm)；v為剪切角速度(deg/s)；t為剪切時間(s);R=34 mm。

通過界面內(nèi)摩擦角和黏聚力對比分析不同試驗條件下界面的抗剪強度特性，同時引入界面摩擦系數(shù)f，以描述界面摩擦特性的差異。

摩擦系數(shù)f為

(4)

式中：τ為剪應(yīng)力(kPa)；σ為豎向應(yīng)力(kPa)。

由式(4)可知，摩擦系數(shù)f為變量，與界面剪應(yīng)力和豎向應(yīng)力有關(guān)。

3.2 試驗方案

為了研究不同剪切速率、豎向應(yīng)力及網(wǎng)孔尺寸對土工格柵與飽和細(xì)砂界面特性的影響，試驗過程中預(yù)設(shè)了6種剪切速率(0.1，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mm/min)、4種豎向應(yīng)力(50，100，200，300 kPa)及2種網(wǎng)孔尺寸(5 mm×5 mm，10 mm×10 mm)。為防止試驗過程中砂樣溢出，裝樣高度取20 mm，干密度為1.56 g/cm3，根據(jù)試樣體積稱取120 g砂樣。為保證每個試樣具有相同的密實度，減少試樣密實度對試驗結(jié)果的干擾，裝樣過程中砂土試樣采用分層填裝法分4層填入，每層厚5 mm，控制每層裝入相同質(zhì)量的砂樣，至裝樣預(yù)定高度20 mm。軸向應(yīng)力桿底面直徑68 mm，高度128 mm，將玻纖土工格柵用液體膠粘結(jié)在軸向應(yīng)力桿底面，如圖4所示。在恒定速率下進(jìn)行剪切試驗，待剪切位移達(dá)到8 mm時停止剪切，剪切后砂土界面如圖5所示。

圖4 軸向應(yīng)力桿Fig.4 Axial stress barin shear test圖5 剪切后砂土界面Fig.5 Sand interfaceafter shear test

4 試驗結(jié)果分析與討論

4.1 剪切速率對筋土界面抗剪強度的影響

圖6 不同剪切速率下界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between horizontal displacement and shear stress of interface under different shear rates

圖6為土工格柵與飽和細(xì)砂界面在剪切速率分別為0.1，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mm/min下的剪應(yīng)力與剪切位移(水平位移)關(guān)系曲線。從圖6中可以看出：

(1)不同剪切速率下筋土界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線都呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即剪應(yīng)力都是隨著剪切位移的增大而增加，到達(dá)峰值后剪應(yīng)力減小，減小到一定值后又趨于穩(wěn)定。

(2)在任一豎向應(yīng)力作用下，當(dāng)剪切速率從0.1 mm/min增加至1.0 mm/min時，界面剪應(yīng)力峰值強度波動幅度為3%，峰值強度對應(yīng)的剪切位移在1 mm內(nèi)，剪切速率對土工格柵與飽和細(xì)砂界面抗剪強度影響不大。

(3)剪切速率由1.0 mm/min增加至2.0 mm/min時，豎向應(yīng)力50,100,150,200 kPa對應(yīng)的界面剪應(yīng)力峰值強度分別提高了16%，9%，4%，8%；剪切速率由2.0 mm/min增加至5.0 mm/min時，界面剪應(yīng)力峰值強度分別提高了11%，20%，16%，19%。

(4)剪切速率由5.0 mm/min增加至10 mm/min時，豎向應(yīng)力50,100,150,200 kPa對應(yīng)的界面剪應(yīng)力峰值強度分別降低了46%，51%，46%，40%，即界面剪應(yīng)力峰值強度隨著剪切速率增加而減小，峰值強度對應(yīng)的剪切位移有相應(yīng)的增加，增加幅度在1～2 mm范圍內(nèi)。這是由于剪切速率過快導(dǎo)致土體顆粒未能及時運動調(diào)整造成抗剪強度減小。

圖7 不同剪切速率下界面抗剪強度曲線Fig. 7 Curves of shear strength of interface underdifferent shear rates

圖7為不同剪切速率下土工格柵與飽和細(xì)砂界面抗剪強度曲線，該曲線是對界面剪應(yīng)力峰值強度與豎向應(yīng)力兩者關(guān)系的線性回歸擬合，即運用摩爾-庫倫公式τ=σtanφ+c描述，其中c，φ分別為線性回歸擬合后得到的界面黏聚力和內(nèi)摩擦角。

不同剪切速率下界面抗剪強度指標(biāo)如表3所示。結(jié)合表3發(fā)現(xiàn)：土工格柵植入飽和砂土后，使其界面產(chǎn)生了一定的凝聚力。剪切速率由0.1 mm/min增加至10.0 mm/min時，黏聚力先減小后增大再減小，而內(nèi)摩擦角先增大后減小再增大。這是因為剪切速率過快，砂粒無法充分嵌入筋體孔隙中，嵌鎖咬合效應(yīng)減弱，導(dǎo)致黏聚力迅速喪失，而較大的剪切速率使砂粒定向排列時間不充分，孔隙水壓力來不及消散，摩擦效應(yīng)增強，內(nèi)摩擦角增大。

表3 不同剪切速率下界面抗剪強度指標(biāo)Table 3 Shear strength parameters of interface underdifferent shear rates

圖8 不同豎向應(yīng)力下界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between horizontal displacement and shear stress of interface under different vertical stresses

4.2 豎向應(yīng)力對筋土界面抗剪強度的影響

圖8為豎向應(yīng)力分別為50，100，200，300 kPa豎向應(yīng)力下土工格柵與飽和細(xì)砂界面剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。從圖8中可以看出，同一剪切速率下的界面剪應(yīng)力峰值強度隨著豎向應(yīng)力的不斷增加而增大，當(dāng)豎向應(yīng)力由100 kPa增加至200 kPa時，界面剪應(yīng)力峰值強度在0.1，1.0，10.0 mm/min剪切速率下分別提高了13%，16%，36%。這是因為隨著豎向應(yīng)力的增加，土體顆粒之間摩擦阻力增大，從而限制了土體顆粒之間相互調(diào)整，咬合作用加強，界面剪應(yīng)力峰值強度增大。

表4為不同豎向應(yīng)力下土工格柵與飽和細(xì)砂界面摩擦系數(shù)。由表4可以得出，同一剪切速率下，界面摩擦系數(shù)隨著豎向應(yīng)力的增加而減小，且豎向應(yīng)力越大，摩擦系數(shù)減小率越小。

表4 不同豎向應(yīng)力下界面摩擦系數(shù) Table 4 Coefficients of friction of interface underdifferent vertical stresses

由于試驗過程中剪切面的面積保持恒定，因此剪切面豎向位移的變化規(guī)律與剪切面的剪切體變規(guī)律是一致的，本文中規(guī)定剪切面體變以膨脹為正，壓縮為負(fù)。圖9表明，同一剪切速率下隨著豎向應(yīng)力的增大，筋土界面的豎向位移均相應(yīng)增加，剪切速率為0.1 mm/min時，此規(guī)律最顯著。

圖9 不同豎向應(yīng)力下界面剪切位移-豎向位移關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between horizontal displacement and vertical displacement of interface under different vertical stresses

4.3 網(wǎng)孔尺寸對筋土界面抗剪強度的影響

在剪切速率分別為0.1，1.0 mm/min，豎向應(yīng)力分別為50，100，200，300 kPa條件下，對比分析了不同網(wǎng)孔尺寸對筋土界面抗剪強度的影響，得到不同網(wǎng)孔尺寸下界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖10 不同網(wǎng)孔尺寸下界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between horizontal displacement and shear stress of interface in the presence of geogrids of different mesh sizes

由圖10可知，剪切速率為1.0 mm/min，豎向應(yīng)力為50 kPa和100 kPa時，小網(wǎng)孔尺寸界面剪應(yīng)力峰值強度明顯高于大網(wǎng)孔尺寸界面剪應(yīng)力峰值強度，且其峰值強度分別提高了15%和14%，說明豎向應(yīng)力較小(50～100 kPa)時，小網(wǎng)孔尺寸土工格柵加筋效果更明顯；剪切速率為0.1 mm/min，豎向應(yīng)力為200 kPa和300 kPa時，大網(wǎng)孔尺寸界面剪應(yīng)力峰值強度明顯高于小網(wǎng)孔尺寸界面剪應(yīng)力峰值強度，且其峰值強度分別提高了12%和20%，說明豎向應(yīng)力較大(200～300 kPa)時，大網(wǎng)孔尺寸土工格柵加筋效果更明顯。

圖11 不同網(wǎng)孔尺寸下界面抗剪強度曲線Fig.11 Curves of shear strength of interface in the presence of geogrids of different mesh sizes

圖11為不同網(wǎng)孔尺寸下界面抗剪強度曲線，結(jié)合表5不同網(wǎng)孔尺寸下界面抗剪強度參數(shù)可以看出，剪切速率在0.1～1.0 mm/min范圍內(nèi)時，小網(wǎng)孔尺寸界面黏聚力高于大網(wǎng)孔尺寸界面黏聚力，而內(nèi)摩擦角則相反，說明大網(wǎng)孔尺寸土工格柵對砂土顆粒的嵌鎖作用更加顯著，阻礙了砂土顆粒的重新排列布置。

表5 不同網(wǎng)孔尺寸下界面抗剪強度參數(shù)Table 5 Shear strength parameters of interface inthe presence of geogrids of different mesh sizes

5 結(jié) 論

(1)土工格柵與飽和細(xì)砂界面特性受到剪切速率的影響。剪切速率較小(≤1.0 mm/min)時，對界面抗剪強度影響不大；剪切速率在1.0～5.0 mm/min范圍內(nèi)時，界面抗剪強度隨著剪切速率的增大而增大；剪切速率較大(>5.0 mm/min且≤10.0 mm/min)時，界面抗剪強度隨著剪切速率的增大而減小。

(2)剪切速率在0.1～10.0 mm/min范圍內(nèi)，界面抗剪強度隨著豎向應(yīng)力的增加而增大，特別是豎向應(yīng)力從100 kPa增加至200 kPa時，界面抗剪強度在3種剪切速率下分別提高了13%，16%，36%。同一剪切速率下，界面摩擦系數(shù)隨著豎向應(yīng)力的增加而減小，且豎向應(yīng)力越大，摩擦系數(shù)減小率越小。

(3)不同試驗條件下，網(wǎng)孔尺寸對土工格柵摩擦加筋效果影響不同。剪切速率為1.0 mm/min，豎向應(yīng)力較小(50～100 kPa)時，小網(wǎng)孔尺寸土工格柵加筋效果更明顯；剪切速率為0.1 mm/min，豎向應(yīng)力較大(200～300 kPa)時，大網(wǎng)孔尺寸土工格柵加筋效果更明顯。剪切速率在0.1～1.0 mm/min范圍內(nèi)時，小網(wǎng)孔尺寸界面黏聚力高于大網(wǎng)孔尺寸界面黏聚力，而內(nèi)摩擦角則相反。

(4)利用GDS界面剪切儀研究土工格柵與飽和細(xì)砂的界面特性，與傳統(tǒng)的直剪試驗相比，實現(xiàn)了直剪試驗剪切過程中豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力在剪切面上均勻分布的假設(shè)，使試驗結(jié)果更加精確可靠，具有重要的工程意義，也進(jìn)一步說明了GDS界面剪切儀對分析研究加筋土界面特性具有較大的優(yōu)勢。