土工格室加筋砂土大型疊環(huán)式剪切試驗(yàn)研究

李 丹,董 建 剛,胡 波,李 波

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065; 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430010)

0 引 言

土工合成材料因其良好的技術(shù)性能、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于道路、堤壩、地基墊層等基礎(chǔ)設(shè)施工程[1-3]。土工格室是一種三維立體形狀的土工合成材料,相比一般的土工合成材料,具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大及整體強(qiáng)度高等特點(diǎn)[4-6],而被廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)中。土工合成材料與土體界面特性可直接影響加筋土工程的安全性及穩(wěn)定性,因此許多學(xué)者對(duì)土工合成材料開(kāi)展了一系列界面特性研究,但目前對(duì)土工格室與土體界面剪切特性的研究成果相對(duì)較少,尤其是對(duì)加筋原型土工格室在剪切過(guò)程中應(yīng)力分布及加筋影響范圍的研究。

筋-土界面特性的變化規(guī)律可通過(guò)直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)得到[7]。目前許多學(xué)者[8-10]主要對(duì)土工格柵與土體界面的剪切特性進(jìn)行了大量的研究,但對(duì)土工格室-砂土界面特性研究較少,這主要是由于土工格室三維結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)拉拔儀器要求較高,因此目前主要通過(guò)直剪試驗(yàn)研究土工格室與土體的界面剪切特性。左政等[11]開(kāi)展了不同規(guī)格土工格室室內(nèi)直剪試驗(yàn),研究了條帶高度、結(jié)點(diǎn)間距及法向應(yīng)力對(duì)土工格室-礫砂剪切力學(xué)特性的影響。李麗華等[12-13]前期對(duì)廢舊輪胎、土工格室、土工格柵3種不同土工合成材料的筋-土界面抗剪特性進(jìn)行了研究,后期研究了土工格室與三向土工格柵的剪切性能,發(fā)現(xiàn)土工格室加筋效果優(yōu)于三向土工格柵。劉煒等[14]采用大尺寸直剪儀,對(duì)土工格室加筋剪切性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)土工格室可以顯著提高加筋土黏聚力。晏長(zhǎng)根等[15]采用微型土工格室進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),研究了土工格室加筋黃土的剪切性能。上述文獻(xiàn)主要以土工格室單元體及微型土工格室為研究對(duì)象進(jìn)行剪切特性的研究,而使用原型土工格室開(kāi)展剪切試驗(yàn),并分析土工格室應(yīng)力分布、加筋影響范圍的研究較少。

疊環(huán)式剪切試驗(yàn)可以看作為單剪試驗(yàn)的一種。單剪試驗(yàn)相比于直剪試驗(yàn),不存在人為限定剪切面的位置,能更好地模擬不同材料之間的接觸特性[16-17]。目前土工合成材料疊環(huán)式剪切試驗(yàn)研究成果較少。朱順然等[18]采用大型疊環(huán)式剪切儀進(jìn)行土工織物與砂土的界面剪切試驗(yàn),研究了土體剪脹性的變化規(guī)律、筋-土影響范圍等。劉飛飛[19]利用大型單剪儀研究粗粒料的剪切特性。張茜等[20]采用疊環(huán)式剪切儀研究了粗粒土剪切試驗(yàn)中剪切帶變形特征。上述文獻(xiàn)主要使用疊環(huán)儀研究了土工合成材料加筋和不加筋粗粒土的界面剪切特性,而以土工格室為加筋材料開(kāi)展界面疊環(huán)式剪切試驗(yàn)的研究較為少見(jiàn)。

綜上所述,目前對(duì)于土工格室加筋砂土界面的剪切特性及變形特征研究較少,因此本文采用大型疊環(huán)剪切設(shè)備開(kāi)展原型尺寸土工格室的界面剪切試驗(yàn)研究。研究不同法向應(yīng)力下土工格室-砂土界面的剪切特性、加筋影響范圍,同時(shí)本試驗(yàn)通過(guò)在土工格室粘貼應(yīng)變片采集應(yīng)變值,來(lái)分析土工格室在剪切過(guò)程中的變形規(guī)律。

1 設(shè)備和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次大型疊環(huán)剪切試驗(yàn)設(shè)備使用的是長(zhǎng)江科學(xué)院DW1280L電液伺服直剪拉拔試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)裝置及原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要用于模擬填土工程試樣在垂直和水平荷載作用下產(chǎn)生的形變,適用于格室、格柵等工程材料。其系統(tǒng)主要有以下幾部分組成:試驗(yàn)主機(jī)、伺服作動(dòng)器、垂直作動(dòng)器及多通道伺服控制器等。主要技術(shù)指標(biāo):最大靜態(tài)試驗(yàn)力400 kN,最大動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力±200 kN,剪切速率范圍0～30.0 mm/min,最大剪切位移可達(dá)到300 mm。下剪切盒內(nèi)部尺寸(長(zhǎng)×寬×高)1 200 mm×1 000 mm×200 mm,上剪切盒內(nèi)部尺寸1 000 mm×1 000 mm×800 mm,其中上剪切盒采用分層疊環(huán)式結(jié)構(gòu),疊環(huán)之間使用滾針排消除摩擦,疊環(huán)上下共12件,每層疊環(huán)高度為50 mm,最底層疊環(huán)預(yù)留土工布或格柵出口。電液伺服直剪拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)越性主要表現(xiàn)在:較大的剪切盒可減少試樣的尺寸效應(yīng),同時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可在試驗(yàn)過(guò)程中顯示試驗(yàn)全過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖形。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用填料采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂。為獲得填料的基本物理指標(biāo),根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試驗(yàn)填料進(jìn)行了一系列室內(nèi)土工試驗(yàn),包括烘干法測(cè)含水率、顆粒分析試驗(yàn)及相對(duì)密度試驗(yàn),測(cè)得填料物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。

表1 砂土物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of sandy soil

試驗(yàn)所用土工格室為預(yù)應(yīng)力注塑型整體式土工格室,并按GB/T19274-2003《塑料土工格室規(guī)范》分別對(duì)格室片和格室結(jié)點(diǎn)以拉伸速度50 mm/min進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)得其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

表2 土工格室主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators of the geocell

1.3 加筋材料的拉伸標(biāo)定試驗(yàn)

對(duì)加筋材料進(jìn)行拉伸標(biāo)定試驗(yàn),如圖2所示。土工格室應(yīng)變片粘貼時(shí)選擇粘結(jié)效果較好的復(fù)合型膠粘劑,試驗(yàn)設(shè)備選用SANS CMT4304微機(jī)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),數(shù)據(jù)采集儀選用JZ-2001動(dòng)態(tài)采集儀。試驗(yàn)方法如下:

圖2 加筋材料拉伸標(biāo)定試驗(yàn)Fig.2 Tensile calibration test of reinforced material

(1) 裁取寬度為20 mm,長(zhǎng)度為180 mm的土工格室條帶,劃好測(cè)點(diǎn)位置并用砂紙進(jìn)行打磨,打磨后用酒精擦拭干凈。

(2) 使用萬(wàn)能表檢查應(yīng)變片的電阻值是否準(zhǔn)確,并對(duì)格室條帶測(cè)點(diǎn)位置和乳膠膜均勻涂抹復(fù)合型膠粘劑,貼好應(yīng)變片并用乳膠膜進(jìn)行覆蓋。乳膠膜不僅使應(yīng)變片粘結(jié)效果變得更好,還能起到保護(hù)應(yīng)變片的作用。

(3) 選擇半橋外補(bǔ)償?shù)倪B接方式,將貼好應(yīng)變片的格室條帶連接動(dòng)態(tài)采集儀,用動(dòng)態(tài)采集儀數(shù)據(jù)線連接電腦,同時(shí)在拉力機(jī)系統(tǒng)設(shè)置好試樣數(shù)據(jù)的錄入。

(4) 采用厚夾持帶將格室條帶緩慢夾在拉力機(jī)的夾具上,避免拉伸過(guò)程中夾持端應(yīng)力集中。同時(shí)操作拉力機(jī)和應(yīng)變采集儀,并監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中條帶的力-時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系。

通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到格室的軸力與應(yīng)變關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3),可看出軸力與應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,軸力隨應(yīng)變變化關(guān)系回歸為y=0.018 7x+1.272。

圖3 條帶抗拉強(qiáng)度與應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between tensile strength and strain of strips

1.4 疊環(huán)剪切試驗(yàn)方案

為了系統(tǒng)研究土工格室在不同法向應(yīng)力作用下筋材與砂土界面的相互作用機(jī)理、格室應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律及加筋影響范圍,共設(shè)計(jì)3種不同的法向應(yīng)力100,150,200 kPa,然后在上述法向應(yīng)力下固結(jié)穩(wěn)定,之后以剪切速率1.0 mm/min進(jìn)行水平加載。當(dāng)試驗(yàn)水平剪切應(yīng)力到達(dá)峰值并趨于穩(wěn)定后即可結(jié)束剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)前,需要在土工格室上粘貼應(yīng)變片。本試驗(yàn)側(cè)重研究的是土工格室在荷載作用下主要沿剪切方向的變形,所以應(yīng)變片布置如圖4所示。剪切盒中填料每隔10 cm高度進(jìn)行分層裝填,并刮平擊實(shí),且控制相對(duì)密度為0.7。將貼好應(yīng)變片的土工格室放入下剪切盒中(見(jiàn)圖5),為了讓土工格室充分展開(kāi),用鐵絲做成U型卡固定在剪切盒外端,并分別對(duì)土工格室單元格填筑砂土,并確保擊實(shí)抹平后的土工格室表面與下剪切盒表面齊平。然后將上剪切盒內(nèi)側(cè)鋪設(shè)塑料薄膜,用以阻止剪切過(guò)程中砂粒進(jìn)入疊環(huán)層間,從而阻塞疊環(huán)的運(yùn)動(dòng)。疊環(huán)的水平位移采集使用德國(guó)Sensopart激光位移傳感器,將激光位移傳感器綁定在疊環(huán)位移傳感器架上,并分別照射1,3,5,7,9,11層疊環(huán)位移傳感器卡口中間位置(見(jiàn)圖6)。土工格室應(yīng)變片與疊環(huán)水平位移的數(shù)據(jù)采集選用16通道的dataTakerDT85G采集儀,以每秒1次的頻次進(jìn)行采集,同時(shí)數(shù)據(jù)采集到PC端。

圖4 土工格室應(yīng)變片布置平面(尺寸單位:mm)Fig.4 Layout plan of geocell strain gauge

圖5 土工格室及應(yīng)變片布置Fig.5 Layout of geocells and strain gauge

圖6 激光位移傳感器布置(尺寸單位:cm)Fig.6 Layout of the laser displacement sensor

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 法向應(yīng)力對(duì)剪切力學(xué)特性的影響

純砂、土工格室在不同法向應(yīng)力條件下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線如圖7所示。由圖7(b)可知,不同法向應(yīng)力條件下土工格室-砂土界面剪切應(yīng)力與剪切位移呈非線性關(guān)系。取剪切試驗(yàn)中最大剪切應(yīng)力值,與相應(yīng)工況下的法向應(yīng)力進(jìn)行線性擬合,擬合系數(shù)均大于0.97,并得到純砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為φ=24.5°,c=30.1 kPa,加筋土工格室的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為φ=28.4°,c=35.8 kPa。與純砂抗剪強(qiáng)度相比,加筋土工格室的內(nèi)摩擦角增量為3.9 °,黏聚力增量為5.7 kPa。

圖7 疊環(huán)式剪切試驗(yàn)強(qiáng)度曲線及參數(shù)擬合Fig.7 Laminated ring shear test strength curve and parameter fitting

2.2 疊環(huán)水平位移變化規(guī)律分析

在疊環(huán)式剪切試驗(yàn)中,可通過(guò)軸向位移變化反映出土體體積的應(yīng)變,進(jìn)而得到土體的剪脹性變化規(guī)律[17-18]。如圖8所示,隨著剪切試驗(yàn)進(jìn)行,土體出現(xiàn)了較明顯的剪切體積變化,且在不同法向應(yīng)力條件下均呈現(xiàn)先剪縮后剪脹的形態(tài)。隨著法向應(yīng)力的變化,剪切體變也在發(fā)生變化,法向應(yīng)力越小剪脹性越明顯,隨著法向應(yīng)力的增大剪脹性變?nèi)?。剪切位移?～17 mm之間,由于在法向應(yīng)力作用下,砂顆粒被壓縮密實(shí),此時(shí)土體體積變小呈現(xiàn)剪縮形態(tài),隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行,土體被壓縮到最密實(shí)狀態(tài)。隨著剪切位移的繼續(xù)增大,砂顆粒開(kāi)始由固結(jié)密實(shí)狀態(tài)向松散狀態(tài)過(guò)渡,砂顆粒以向上轉(zhuǎn)動(dòng)、爬升為主,此時(shí),軸向位移逐漸變大,表現(xiàn)出較強(qiáng)的剪脹性。當(dāng)剪切試驗(yàn)出現(xiàn)剪切強(qiáng)度最大值后,剪切面附近的砂顆粒已較為松散,顆粒位移以水平翻滾為主,剪切體變出現(xiàn)降低并趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖8 軸向位移-剪切位移曲線Fig.8 Axial displacement-shear displacement curve

上剪切盒是由12層疊環(huán)組成,且疊環(huán)之間有多組滾針排,當(dāng)進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí),下剪切盒受到水平荷載會(huì)產(chǎn)生剪切位移進(jìn)而帶動(dòng)疊環(huán)產(chǎn)生水平滑移。如圖9所示,在法向應(yīng)力分別為100,150,200 kPa下,1號(hào)疊環(huán)靠近剪切面在剪切試驗(yàn)中產(chǎn)生的水平位移值最大分別為31.5,34.8,35.3 mm,而11號(hào)疊環(huán)遠(yuǎn)離剪切面產(chǎn)生的水平位移值最小分別為8.6,9.4,10.7 mm。每層疊環(huán)的水平位移會(huì)隨剪切試驗(yàn)進(jìn)行而增大,且疊環(huán)位置隨距離剪切面高度的增加,其水平位移值會(huì)減小,同時(shí)疊環(huán)水平位移變化規(guī)律與法向應(yīng)力呈正相關(guān)。當(dāng)剪切試驗(yàn)出現(xiàn)剪切強(qiáng)度峰值后,疊環(huán)水平位移增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩并趨于穩(wěn)定。

圖9 疊環(huán)水平位移隨界面剪切位移的變化曲線Fig.9 Variation curve of horizontal displacement of stacked ring with shear displacement of interface

2.3 土工格室加筋影響范圍

朱順然等[18]在疊環(huán)剪切儀開(kāi)展了土工織物-砂土界面剪切試驗(yàn),認(rèn)為筋-土剪切影響范圍遠(yuǎn)大于厚度,試驗(yàn)中加筋影響范圍超過(guò)7層疊環(huán)的總厚度,且每層疊環(huán)厚度為 30 mm。本試驗(yàn)研究土工格室-砂土界面疊環(huán)剪切試驗(yàn),其剪切變形可通過(guò)疊環(huán)水平位移反映出,試驗(yàn)過(guò)程中可觀察到11號(hào)疊環(huán)仍有較大的水平位移發(fā)生(見(jiàn)圖9)。為了研究剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)土工格室與土工織物的加筋影響范圍,對(duì)比兩種土工合成材料加筋效果,并分別對(duì)其疊環(huán)水平位移結(jié)果進(jìn)行線性擬合(見(jiàn)圖10)。土工織物、土工格室在不同法向應(yīng)力下疊環(huán)高度與疊環(huán)水平位移呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,且擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.95。

圖10 不同法向應(yīng)力下疊環(huán)水平位移及參數(shù)擬合Fig.10 Horizontal displacement of stacked rings under different normal stresses and parameter fitting

土工織物在法向應(yīng)力為100,150 kPa的作用下影響疊環(huán)的高度分別為358.95,400.46 mm。而土工格室在法向應(yīng)力為100,150 kPa的作用下影響疊環(huán)的高度分別為734.39,765.34 mm,相對(duì)土工織物,加筋影響疊環(huán)高度分別提高了105%和91%。在不同法向應(yīng)力下,剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí),砂土-格室比砂土-土工織物的剪切位移差值小。土工格室加筋影響范圍要比土工織物更大,這與其三維立體式結(jié)構(gòu)相關(guān):立體式結(jié)構(gòu)筋材與內(nèi)部填料相互作用,能夠?qū)μ盍咸峁┹^強(qiáng)的側(cè)向約束力和摩擦力,從而提高了土體整體性,因此加筋效果較好。

2.4 土工格室應(yīng)變的變化規(guī)律

對(duì)土工格室粘貼應(yīng)變片,并在法向應(yīng)力為150 kPa下進(jìn)行疊環(huán)式剪切試驗(yàn),試驗(yàn)中采集到的應(yīng)變值與剪切位移關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11(b)可知,土工格室在法向應(yīng)力作用下受力變形為非均勻分布,且隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行,土工格室應(yīng)變值也在逐漸增大,當(dāng)?shù)竭_(dá)剪切強(qiáng)度峰值后,土工格室應(yīng)變值增長(zhǎng)變緩并趨于穩(wěn)定。在剪切試驗(yàn)中,靠近水平加載位置的土工格室應(yīng)變值在剪切過(guò)程中變形最大,如1～3號(hào)的應(yīng)變片的值要比4～6號(hào)值大,且3號(hào)應(yīng)變片的值比2號(hào)應(yīng)變片的值大,5號(hào)應(yīng)變片的值比4號(hào)應(yīng)變片的值大。這是由于土工格室應(yīng)變片布置的方向不同,如圖4所示,1、3、5、7號(hào)應(yīng)變片方向相同,方向用x表示,2、4、6號(hào)應(yīng)變片方向相同,用y表示,且不同位置的應(yīng)變片在剪切試驗(yàn)中應(yīng)變值均是靠近水平加載位置的大,如圖11所示。未出現(xiàn)7號(hào)應(yīng)變片的值,是因?yàn)樵诩羟性囼?yàn)過(guò)程中應(yīng)變片發(fā)生了損壞,未采集到應(yīng)變值。

圖11 格室應(yīng)變隨剪切位移的變化曲線(法向應(yīng)力150 kPa)Fig.11 Curve of geocell strain vs. shear displacement

在剪切試驗(yàn)中,靠近水平加載位置的土工格室的變形較大,且隨著到水平加載位置距離的增大,對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變值逐漸減小。對(duì)其原因進(jìn)行分析,在剪切試驗(yàn)中土工格室發(fā)揮的加筋作用主要有水平摩擦力、豎向摩擦力及環(huán)向約束力[11],且靠近水平加載位置的土工格室受到荷載時(shí)先發(fā)揮其加筋作用,其變形較大,如1～3號(hào)應(yīng)變片,隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行,中間位置的土工格室也逐漸發(fā)揮出加筋效果,其應(yīng)變值也在增大。

根據(jù)不同法向應(yīng)力條件下砂土-土工格室剪切試驗(yàn),得到剪切位移分別為20,40,60 mm時(shí)應(yīng)變片的應(yīng)變值,并對(duì)其換算可得到剪切試驗(yàn)中的土工格室的拉應(yīng)力如圖12所示。從圖 12可知剪切位移為20 mm時(shí),每個(gè)應(yīng)變片序號(hào)對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力值的變化均不大,隨著剪切位移的增大,對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力值也在增大,說(shuō)明土工格室的加筋效果是隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行而逐漸體現(xiàn)。剪切位移約60 mm時(shí),達(dá)到剪切峰值強(qiáng)度,這時(shí)格室受到的拉應(yīng)力接近最大值。

圖12 不同剪切位移時(shí)應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力值Fig.12 Tensile stress values for strain gauges at different shear displacements

在法向應(yīng)力為150 kPa下,剪切位移分別為20,40,60 mm時(shí),土工格室不同位置應(yīng)變值見(jiàn)表3。根據(jù)圖3格室條帶拉伸標(biāo)定試驗(yàn)得到的公式y(tǒng)=0.018 7x+1.272可進(jìn)行換算得到剪切試驗(yàn)過(guò)程的格室拉應(yīng)力值。從表3可以看出,隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行,格室的拉應(yīng)力值在增大,剪切位移為60 mm時(shí)接近到達(dá)剪切強(qiáng)度峰值,1號(hào)應(yīng)變片的拉應(yīng)力值最大,為27.3 kN/m,6號(hào)應(yīng)變片的拉應(yīng)力值最小,為6.5 kN/m。

表3 不同剪切位移對(duì)應(yīng)的不同格室的應(yīng)變與拉應(yīng)力Tab.3 Different shear displacements corresponding to different geocell strain and tensile stresses

3 結(jié) 論

(1) 在剪切試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)軸向位移的變化并結(jié)合砂粒位移方式對(duì)土體的剪切體變進(jìn)行了研究。不同法向應(yīng)力條件下土體均呈現(xiàn)先剪縮后剪脹直至趨于穩(wěn)定的狀態(tài),且軸向位移變化值與法向應(yīng)力大小呈負(fù)相關(guān)。

(2) 在筋-土剪切的影響范圍內(nèi),疊環(huán)水平位移隨離剪切面距離的增大而減小,但加筋影響范圍遠(yuǎn)大于剪切帶高度,在本試驗(yàn)中影響范圍超過(guò)了11層疊環(huán)的總高度。對(duì)比分析砂土-土工織物、砂土-土工格室加筋影響范圍,可知土工格室的加筋影響范圍更廣。

(3) 由采集到的土工格室應(yīng)變值可知,在剪切試驗(yàn)中,靠近水平加載位置的土工格室受到荷載時(shí)先發(fā)揮加筋作用,隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行,其他位置的土工格室加筋效果逐漸發(fā)揮。