張遠(yuǎn)航
(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司,重慶 401120)
加筋土是筋材和土體的復(fù)合體,在現(xiàn)代土木工程中受到越來越多的認(rèn)可。筋材和土體的結(jié)合有效改變了土體原有的應(yīng)力-應(yīng)變場,改善了土體變形條件,提高了土體的工程性能。前人研究多注重加筋的形式、材料,以及不同種類的土體對(duì)加筋土強(qiáng)度特性的規(guī)律研究。基于加筋形式的復(fù)雜和多樣性,對(duì)于加筋材料的尺寸研究還相對(duì)較少。本文通過黏土的三軸試驗(yàn),以土工格柵為加筋材料,分析了不同加筋尺寸的加筋土強(qiáng)度特性,以期找到加筋土材料的最佳尺寸。
試驗(yàn)采用GDS三軸試驗(yàn)儀,可精確控制應(yīng)變進(jìn)尺,使用其配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)詳細(xì)方法參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007),試驗(yàn)過程中應(yīng)變速率控制為1.5mm/min,每次采集后開展數(shù)據(jù)分析,為下次試驗(yàn)做調(diào)整。試驗(yàn)時(shí)以主應(yīng)力差峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn),選取3種圍壓開展試驗(yàn),分別為100kPa、200kPa和300kPa,目的是為確保試驗(yàn)后試樣繪制強(qiáng)度包絡(luò)線的完整性。
填料為黏性土,該土呈棕色,按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)測定該土體的物理性質(zhì)指標(biāo),包括容重、含水率、密度等,得到該黏土的比重為2.69%,最大干密度為2.01g·cm-3,最佳含水率為11.2%。根據(jù)三軸試驗(yàn)試件的尺寸(直徑10cm,高度20cm),結(jié)合土工格柵的材料特性,選用易于制樣的玻璃纖維土工格柵為試驗(yàn)筋材,其網(wǎng)眼尺寸為20mm×20mm。
三軸試驗(yàn)將土體作為單元。根據(jù)三軸儀的規(guī)格,試件直徑為10cm,高度為20cm。先將硬紙板以圓規(guī)畫作不同直徑的圓,并將之剪切備用,再以硬紙圓作為模板覆蓋于土工格柵上,標(biāo)記出圓外輪廓并將土工格柵材料沿著外輪廓剪出,制備土工格柵試樣作為加筋材料。在剪切過程中,注意保持土工格柵結(jié)構(gòu)完整,盡可能減少對(duì)土工格柵的折疊。
由于土體強(qiáng)度對(duì)土中含水率的變化非常敏感,在制備土體試樣時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土體含水率的控制。土體在配置過程中,經(jīng)過篩分、噴灑拌勻后,裝入保鮮密封盒中靜置養(yǎng)護(hù),1天后再進(jìn)行試樣制備??刂茐簩?shí)度是制備試驗(yàn)試樣的關(guān)鍵,結(jié)合目前路基常用參數(shù)指標(biāo),參考公路路基規(guī)程,回填土一般控制壓實(shí)度為93%,因此試驗(yàn)的制樣壓實(shí)度控制為93%。
試樣制備時(shí)筋材分3層加入,呈對(duì)稱布置。采用分層填筑的方式,將每層土體盡量均勻地放入模具中,在擊實(shí)過程中及時(shí)測量進(jìn)尺深度,嚴(yán)格控制壓實(shí)度并在每層土體填筑完成時(shí)施行刨毛處理,保證土體之間的咬合摩擦。而對(duì)于筋材的加入位置亦要施行刨毛處理,保證土體與筋材之間的相互結(jié)合。
試驗(yàn)的目的是研究不同直徑加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?,設(shè)計(jì)4種不同加筋直徑,得出4種工況。工況M1為普通土樣,沒有加筋;工況M2~M4采用與M1相同的土樣,保證具備可對(duì)比性。經(jīng)過調(diào)研,結(jié)合試件尺寸,加筋方式采用分層加筋,分為三層。豎直方向上盡量與試件模具中軸線重合,水平方向盡量保證水平,呈對(duì)稱布設(shè)狀,減少筋材在試件中的錯(cuò)層和傾斜。不同的加筋直徑用以測定加筋直徑大小對(duì)土體的其抗剪強(qiáng)度的影響。每組測試經(jīng)過多次試驗(yàn),剔除干擾試驗(yàn),保證數(shù)據(jù)的真實(shí)和有效性。
篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù),剔除干擾數(shù)據(jù),整理分析有效數(shù)據(jù),得出三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。從該圖中可以得出,加筋土和土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一致,在一定應(yīng)變范圍內(nèi),應(yīng)力都隨著應(yīng)變的增加而增加,特別是在應(yīng)變2%以內(nèi)時(shí),應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性變化。
從該圖中還可以得出,在軸向應(yīng)變達(dá)到4%之前,應(yīng)力在急劇攀升后,達(dá)到最大值。加筋土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后,應(yīng)力隨應(yīng)變的變化情況有所區(qū)別,應(yīng)力不再隨著應(yīng)變的增加而增大,而是逐漸減小。研究認(rèn)為,這與土體的材料特性有關(guān),土體作為一種特殊材料,其粒狀結(jié)構(gòu)特性是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因,同時(shí)這也符合土體的強(qiáng)度特性。從試驗(yàn)結(jié)果還可以得出,土體中筋材的加入不僅提升了土體的峰值抗剪強(qiáng)度,也提升了土體的殘余強(qiáng)度。
由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,加筋土的抗剪強(qiáng)度增長速率是高于土體本身的,并沒有出現(xiàn)前人研究中所出現(xiàn)的加筋土強(qiáng)度較土體本身的延后情形。筋材與土體的結(jié)合隨加筋土的強(qiáng)度提升是從試驗(yàn)一開始就貫穿至試驗(yàn)結(jié)束的。研究認(rèn)為,這與試樣的制作流程有關(guān),由于是分層填筑,試樣在制作過程中,已經(jīng)對(duì)筋材和土體實(shí)施了擠密和壓實(shí)措施,筋材與土體之間的相互結(jié)合已經(jīng)施加了應(yīng)力,筋材一開始就能和土體牢牢咬合,使之一起發(fā)揮作用,實(shí)現(xiàn)土體強(qiáng)度的提升。
筋材的直徑大小與加筋土抗剪強(qiáng)度的提升密切相關(guān)。從直徑4cm~8cm的過渡過程中,無論圍壓大小,加筋材料的直徑越大,筋材的峰值應(yīng)力及殘余應(yīng)力也越大,同時(shí)加筋土材料的抗剪強(qiáng)度增長速率也越快。隨著圍壓提升,加筋土的抗剪強(qiáng)度提升與土體規(guī)律保持一致,但加筋直徑與強(qiáng)度提升幅度有所區(qū)別。從圖中可以得出,直徑從4cm增大到6cm時(shí),相較于直徑從6cm增大到8cm,加筋土抗剪強(qiáng)度的提升幅度相對(duì)較大。這種現(xiàn)象在低圍壓下(100kPa)表現(xiàn)明顯,這說明低圍壓有利于發(fā)揮出筋材與土體的共同作用,而高圍壓下,筋材不容易發(fā)揮出與土體的共同作用。因此,如何合理有效且最大限度的發(fā)揮加筋土的強(qiáng)度特性,需要恰當(dāng)選擇加筋材料直徑,避免不必要的浪費(fèi),最終確定試驗(yàn)中的加筋最佳直徑為6cm。
土體是一種彈塑性材料,區(qū)別于彈性和塑性材料,其強(qiáng)度特性同時(shí)具有彈性和塑性兩種材料的特性。土體的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高,抗拉強(qiáng)度較低,土體的強(qiáng)度指標(biāo)一般指抗剪強(qiáng)度。因此,對(duì)筋材土體結(jié)合后的復(fù)合土體-加筋土的抗剪強(qiáng)度研究,有利于研究筋材在土體中的共同作用效果,是研究加筋土的重要方法。
結(jié)合加筋土的三軸試驗(yàn)結(jié)果,將有效數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中整理分析。根據(jù)土體三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度理論和試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
結(jié)合加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知:
對(duì)黏聚力c,加筋土黏聚力比無筋土黏聚力高,并且加筋土黏聚力隨著筋材直徑的增大而逐漸增大。對(duì)內(nèi)摩擦角φ,加筋土內(nèi)摩擦角φ大于無筋土,內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律有別于黏聚力。加筋土內(nèi)摩擦角并沒有隨筋材直徑的增大而增大,只在一定程度內(nèi)有所增加。因此,筋材的加入有利于土體抗剪強(qiáng)度提高,改善了土體的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角。
加筋土的黏聚力上升速率與筋材直徑有關(guān),隨著筋材直徑的增加,雖黏聚力值一直在增大,但黏聚力上升速率并非一直增加,在筋材直徑4cm~6cm時(shí),黏聚力增長速率最大,這與前面分析的存在最佳加筋筋材直徑的結(jié)果相符。
加筋土內(nèi)摩擦角的變化相對(duì)較小,但出現(xiàn)在筋材直徑為6cm時(shí),加筋土內(nèi)摩擦角最大,由此可見,加筋土內(nèi)摩擦角的增加有限。
筋材不僅提升了土體的峰值強(qiáng)度,也提升了土體的殘余強(qiáng)度;加筋土的抗剪強(qiáng)度增長速率高于普通土體,其抗剪強(qiáng)度的提升沒有延后性;加筋土的抗剪強(qiáng)度隨著筋材直徑的增加而增大,但提升幅度并不隨著直徑的增大而增大,存在一個(gè)最佳直徑為6cm;加筋土在低圍壓下有利于發(fā)揮筋材與土體的相互作用,提升加筋土抗剪強(qiáng)度;筋材的加入提高了土體抗剪強(qiáng)度,改善了土體的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角;加筋土隨著筋材直徑的增加,黏聚力上升速率并不是一直增加,在筋材直徑6cm時(shí),黏聚力增長速率最大,內(nèi)摩擦角增長有限。