不同角度土工格柵加筋剪切特性的試驗(yàn)研究

李 岑，張孟喜，王 東

(1.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

近年來(lái)，加筋土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于水利、公路、鐵路、市政等領(lǐng)域，而加筋土結(jié)構(gòu)的加筋效果的是通過(guò)筋-土界面特性反映出來(lái)，因此研究筋-土界面力學(xué)特性具有十分重要的意義。在加筋土結(jié)構(gòu)中，筋-土界面之間的相互作用非常復(fù)雜，加筋土結(jié)構(gòu)的種類不同或者同一類型加筋土結(jié)構(gòu)中的不同位置處，筋-土界面相互相互作用的機(jī)理就有所不同，因此也就導(dǎo)致相應(yīng)的測(cè)試方法有所不同。國(guó)內(nèi)外測(cè)試筋-土界面特性的室內(nèi)試驗(yàn)方法主要有：直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)以及斜板試驗(yàn)[1]，而其中，直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)是研究筋-土界面特性的最有效試驗(yàn)手段。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者多年來(lái)在筋土界面特性研究上取得了大量成果。大部分研究都是針對(duì)圖1中A(破壞面沿著筋材)、C(筋材從土中拔出)兩種情況進(jìn)行：吳景海[2]、張嘎[3]、徐超[4-5]、劉文白[6]等都對(duì)土工合成材料與土界面作用特性開(kāi)展了研究。但對(duì)于情況B，潛在破裂面和土工合成材料有一定夾角時(shí)的研究還有所缺乏，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)此種情況的試驗(yàn)方法也并未涉及[7]。

圖1 加筋土邊坡筋土界面作用形式

國(guó)外的McGown等人[8]通過(guò)平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，沿主拉伸應(yīng)變方向布置金屬或者纖維等相對(duì)不可拉伸的材料，會(huì)抑制土體內(nèi)部拉伸應(yīng)變的發(fā)展。Jewell[9]通過(guò)在純砂中布置不同角度的纖維、鋼筋等材料進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)60°加筋時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大。Gray和Ohashi[10]通過(guò)改變纖維加筋面積、加筋角度、纖維剛度、填砂的密實(shí)度等來(lái)開(kāi)展直剪試驗(yàn)，得出和Jewell類似的結(jié)論。Palmeira[11]等人運(yùn)用大型直剪儀對(duì)不同類型的材料進(jìn)行加筋直剪，發(fā)現(xiàn)不同縱向剛度或者彎曲剛度的金屬網(wǎng)格的試驗(yàn)結(jié)果之間沒(méi)有顯著差異。Sieira[12]采用有限元軟件Plaxis2D對(duì)斜向加筋直剪試驗(yàn)進(jìn)行了模擬分析，但僅模擬了30°、60°和90°加筋的情況。

綜上所述，在實(shí)際加筋土結(jié)構(gòu)中，確實(shí)存在破裂面與土工合成材料成一定角度的情況，對(duì)于此種情況，并沒(méi)有開(kāi)展過(guò)不同角度土工格柵加筋的大型直剪試驗(yàn)，而僅僅是將土工合成材料放置于上下剪切盒之間開(kāi)展界面特性直剪試驗(yàn)。本文通過(guò)HM-5780大型直剪儀對(duì)土工格柵與剪切面呈一定角度時(shí)的情況開(kāi)展了試驗(yàn)研究，并分析了土工格柵加筋角度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料選取

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器采用美國(guó)Humboldt的大型直剪儀，型號(hào)為HM-5780，該試驗(yàn)機(jī)器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量測(cè)并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，儀器的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 HM-5780直剪儀性能參數(shù)

大型直剪儀由剪切盒，剪切腔、控制面板組成，試驗(yàn)采用了位移控制式，下剪切盒通過(guò)高精度電機(jī)來(lái)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取并記錄。剪切盒為方盒，相比傳統(tǒng)直剪盒較為容易開(kāi)展試驗(yàn)，下剪切盒的長(zhǎng)度大于上剪切盒，是為了保證在剪切過(guò)程中剪切面積保持不變，并且通過(guò)螺栓固定。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用土樣為福建標(biāo)準(zhǔn)砂，通過(guò)篩分試驗(yàn)測(cè)得顆粒粒徑主要集中在0.5～2 mm，顆粒級(jí)配如圖2所示，不均勻系數(shù)為2.78，曲率系數(shù)為1.14。最大干密度為1.87 g/cm3，最小干密度為1.45 g/cm3。通過(guò)大型直剪試驗(yàn)測(cè)得內(nèi)摩擦角為31.5°，黏聚力為6 kPa。

圖2 砂土顆粒級(jí)配

試驗(yàn)所用土工格柵為雙向聚丙烯土工格柵，如圖3所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示，格柵網(wǎng)孔尺寸為40 mm×40 mm，因?yàn)榧羟泻袑挾裙潭?，所以每次試?yàn)縱肋為8條，中間網(wǎng)孔為7個(gè)。

圖3 試驗(yàn)用土工格柵

表2 土工格柵技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)布置

為了探究土工格柵在不同角度加筋情況下的剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系，本文在50、100、150 kPa及200 kPa的垂直壓力下對(duì)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)?zāi)M，土工格柵布置角度及剪切方向如圖4所示。5種加筋角度的直剪試驗(yàn)布置如圖5所示。

圖4 筋材布置示意

圖5 不同角度試樣布置

2.2 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

圖6分別列出了4種豎向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，土工格柵大部分角度加筋直剪的剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加而增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后，剪切應(yīng)力逐漸回落直至逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，而90°加筋則在剪切過(guò)程中出現(xiàn)“翹尾”現(xiàn)象，是因?yàn)殡S著下剪切盒的位移，下部格柵在砂土的作用下逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，格柵從受壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，加筋角度逐漸接近最大拉應(yīng)變方向，因此強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。

圖6 不同σ下剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

加筋角度30°、60°的格柵在剪切過(guò)程中主要為受拉狀態(tài)，起到拉緊周圍土體的作用，因此抗剪強(qiáng)度比較高。加筋角度為120°、150°的格柵在剪切過(guò)程中主要為受壓狀態(tài)，且格柵水平分量對(duì)下剪切盒起到阻礙作用，因此抗剪強(qiáng)度上升速度比較大，但豎向分量卻并未能夠加強(qiáng)豎向應(yīng)力，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度低于30°、60°加筋狀態(tài)。

繪制不同豎向應(yīng)力下的峰值強(qiáng)度并擬合，如圖7所示，R2都在0.99以上，擬合程度較好，根據(jù)擬合曲線求出內(nèi)摩擦角和黏聚力，如表3所示。從圖7及表3可以看出，相比于無(wú)筋砂土，30°、60°、90°加筋的內(nèi)摩擦角和似黏聚力都有一定程度的提升，60°加筋時(shí)內(nèi)摩擦角提升最大，黏聚力提升了19 kPa，120°加筋時(shí)黏聚力降低了3 kPa，而內(nèi)摩擦角和未加筋時(shí)大致相同。

圖7 不同角度加筋的強(qiáng)度擬合

表3 不同抗剪角度強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

2.3 格柵變形分析

已有學(xué)者[13]基于力的平衡推出了纖維在不同初始加筋角度下的強(qiáng)度公式，分為初始角度為90°的豎直加筋，以及其他角度的傾斜加筋，如圖8所示。

圖8 筋材受力分析

對(duì)這兩種情況進(jìn)行受力分析，加筋材料與土體之間的摩擦力可以提高加筋土的抗剪強(qiáng)度，而格柵又具有良好的抗拉性能，因此可以提升土的黏聚力，基于力的平衡可以推出這兩種情況下加筋效果提供的黏聚力。

加筋土的剪切強(qiáng)度可以表示為

τr=τ+cr

(1)

式中，τr為加筋土的抗剪強(qiáng)度，kPa；τ為不加筋時(shí)的抗剪強(qiáng)度，kPa；cr為加筋作用貢獻(xiàn)的黏聚力，kPa。

筋材中的拉應(yīng)力可以表示為

σr=T/As

(2)

對(duì)于豎直加筋

cr=σr[sinα+cosαtanφ]

(3)

對(duì)于傾斜加筋

cr=σr[cosβ+sinβtanφ]

(4)

公式(1)由兩部分組成，對(duì)于剪切過(guò)程中受拉的筋材，正如本文試驗(yàn)中的30°、60°、90°加筋，筋材拉力的垂直分量會(huì)增強(qiáng)剪切強(qiáng)度，對(duì)于剪切過(guò)程受壓的筋材，如120°、150°加筋，筋材的拉力不能發(fā)揮出來(lái)，豎向分量還會(huì)導(dǎo)致豎向應(yīng)力降低，所以剪切強(qiáng)度減小。

為了對(duì)比與纖維在不同角度下加筋的剪切特性，定義抗剪強(qiáng)度增量比為

(5)

式中，Δτ為筋材貢獻(xiàn)的抗剪強(qiáng)度；η為僅筋材在法向平面上的等效面積比(筋材表面積在法向平面上的投影面積)；σy為對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力。

選取100 kPa下的不同角度加筋的結(jié)果，將不同角度加筋下的抗剪強(qiáng)度增量比隨角度變化的關(guān)系如圖9所示。結(jié)合Gray的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由加筋引起的抗剪強(qiáng)度增量趨勢(shì)大致相同，這和加筋面積、加筋材料、筋土界面摩擦特性有關(guān)，相比于纖維加筋，土工格柵加筋提升較多，這是由于格柵的抗拉性能較強(qiáng)，且格柵對(duì)土體有一定咬合作用。

圖9 加筋角度-抗剪強(qiáng)度增量比

3 結(jié) 論

本文通過(guò)開(kāi)展大型直剪試驗(yàn)對(duì)土工格柵多角度加筋直剪試驗(yàn)進(jìn)行了探究，并結(jié)合格柵剪后的變形特性，分析了該試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度特性，得到如下結(jié)論：

(1)不同布置角度的格柵在直剪過(guò)程中，受力狀態(tài)不同，是抗剪強(qiáng)度不同的主要原因。土工格柵剪切開(kāi)始前都呈受壓狀態(tài)，隨著剪切位移逐漸增大，30°、60°、90°加筋格柵開(kāi)始呈受拉狀態(tài)，120°、150°加筋格柵則一直呈受壓狀態(tài)。

(2)土工格柵布置角度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度有著較為顯著的影響。當(dāng)加筋角度為60°時(shí)，內(nèi)摩擦角和黏聚力都提升較大，抗剪強(qiáng)度提升最大。土工格柵與土體剪切方向成120°時(shí)，黏聚力有所降低，內(nèi)摩擦角基本不變，土體抗剪強(qiáng)度低于無(wú)筋試樣。

(3)在剪切過(guò)程中，90°加筋會(huì)出現(xiàn)“翹尾現(xiàn)象”；隨著剪切位移增大，抗剪強(qiáng)度不斷上升，150°加筋會(huì)出現(xiàn)“翹頭”現(xiàn)象，剪切剛開(kāi)始時(shí)格柵的初始剛度會(huì)阻礙剪切盒的移動(dòng)。

(4)基于抗剪強(qiáng)度增量比，可以得到不同材料在不同角度下的加筋剪切特性的趨勢(shì)大致相同。