填料級配對筋土界面特性的影響

郭鐘群，林 旭， 潘 濤，潘尚昆，金解放，趙 康

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州341000；2.連云港職業技術學院建筑工程學院，江蘇 連云港222006；3.南京市市政公用工程質量安全監督站，南京210036）

填料級配對筋土界面特性的影響

郭鐘群1，林 旭2， 潘 濤3，潘尚昆3，金解放1，趙 康1

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州341000；2.連云港職業技術學院建筑工程學院，江蘇 連云港222006；3.南京市市政公用工程質量安全監督站，南京210036）

不同填料級配對筋土界面特性的影響直接關系到工程的穩定性.通過室內大型直剪試驗，研究了顆粒級配、密實度、筋材種類等對于界面強度的影響，深入了解筋土界面抗剪強度以及界面剪脹特性.試驗結果表明，粗顆粒和細顆粒土分別與筋材的界面強度要明顯大于級配較好的標準砂與筋材的界面強度.密實砂土界面強度具有類似混凝土材料強度高韌性低脆性破壞的特性.對于土工格柵，粗顆粒砂粒由于粒徑較大達到峰值強度需要較大的剪切位移.

填料級配；筋土界面；抗剪強度

0引言

一般來說，加筋材料中應用最多的有兩種：土工格柵和土工織物，分別用來加強土體整體性和排水隔離的效果；格柵依靠開口肋條對土體進行側向約束，而土工織物則僅依靠與土體表面的摩擦阻力相互作用.筋土界面的抗剪強度是加筋土施工中重要的控制指標，因此研究土工格柵與織物的界面特性顯得尤為重要，能夠對工程施工給予一定的指導.

在筋土界面研究方面較早的有 Jarret和Bathurst（1985）[1]研究了土工格柵與土體之間相互作用特性，分析了格柵提高土體強度的作用機理.近幾年，不少學者開始研究土工格柵與土相互作用的界面特性[2-4]，研究范圍包括試驗方法、試驗設備、測試手段以及填料和材料的本身特性對界面性能的影響[5-10]，取得了一定的成果，但仍然有很多因素沒有考慮到或者研究不夠深入.一直以來，關于砂土本身顆粒級配等對于筋土界面抗剪強度影響的文獻少有報道.本試驗使用較大尺寸的剪切盒，滿足相關規范要求，從一定程度上削弱了邊界效應，較為詳細地研究了幾種因素對筋土界面特性的影響，深入了解了筋土界面特性，為工程實際應用提供參考依據.

1 試驗設備與材料選取

1.1 試驗設備

本次研究所采用的試驗裝置為美國Geocomp公司生產的ShearTracⅢ大型直剪儀，可進行土與土工合成材料之間的界面特性試驗研究，該設備的操作面板可對剪切試驗過程中的荷載位移進行調整.

直剪試驗上剪切盒的有效尺寸為305 mm× 305 mm×100 mm，下剪切盒比上剪切盒長，采用不同上下剪切盒尺寸可以避免試驗過程中試樣面積不斷減小而引起的誤差.水平及豎向位移通過LVDT進行測量，運行位移最大值為100 mm.數據采集采由機載軟件自動讀取、記錄并生成相關報告.試驗裝置如圖1所示.

圖1 室內大型直剪儀

1.2 試驗材料

本次使用的填料為福建標準砂，其原始顆粒級配較好.為了研究顆粒級配對于筋土界面抗剪強度的影響，筆者將其篩分為粗顆粒級配不良砂、細顆粒級配不良砂以及原始標準砂3種不同類型填土，相關的級配曲線如圖2所示，3種砂土的物理性質指標如表1所示.根據地基基礎設計行業規范可將上述3種砂分別定義為細砂、中砂和粗砂3類，具體土樣如圖3所示.

圖2 砂土顆粒級配曲線

表1 砂土的物理性質指標

圖3 試驗用砂：細砂、標準砂和粗砂

試驗所用的土工合成材料包括：聚丙烯（PP）雙向拉伸土工格柵、滌綸經編土工格柵（簡稱經編土工格柵）和機織有紡土工布兩種，格柵具體式樣如圖4所示；相關技術指標如表2所示.

圖4 試驗用土工合成材料

表2 土工合成材料技術指標

2 方案選定

本文所研究的直剪試驗包含兩種不同的筋土界面，經編格柵-砂土界面和有紡土工布-砂土界面.每種界面類型施加3種不同的豎向應力，分別為54 kPa、108 kPa、162 kPa；試驗過程將兩者的剪切速率分別定為1.5 mm/min和1.2 mm/min，保持試驗過程中土工合成材料不產生褶皺扭轉.密實度根據地基基礎設計規范中相關標準貫入試驗錘擊數N來控制.具體試驗方案見表3.

表3 試驗方案匯總表

3 試驗結果分析

本文重點研究的顆粒級配、密實度等因素對筋土界面特性的影響，通過對試驗結果的分析，揭示了不同種類砂土與筋材之間的作用機理和抗剪強度特性.

3.1 不同顆粒級配下筋土界面強度特性

考慮到本文的著眼點在于研究不同顆粒級配砂土對于加筋土接觸面強度及過程中土體的剪脹性，分別進行了堅向應力σ=54 kPa、108 kPa、162 kPa 3種不同豎向荷載作用下砂土與土工格柵的直剪試驗，其不同級配密實砂土剪應力-后移曲線如圖5所示.堅向應力σ=108 kPa下不同級配密實砂土與格柵界面的剪脹性曲線如圖6所示.

圖5 54～162 kPa下不同級配密實砂土剪應力-位移曲線

由圖5可以看出，3種顆粒級配的砂土在與土工格柵相互作用的界面特性上表現出了明顯的差異性，在3種豎向應力σ=54 kPa、108 kPa、162 kPa下，標準砂的界面強度明顯低于另外兩種級配砂（粗顆粒與細顆粒砂），主要是由于標準砂筋土界面發生了較大的剪切膨脹，使得顆粒之間的嵌擠與咬合力降低，故表現出較低的剪切強度.另外在較高的豎向應力如σ=215 kPa作用下剪縮性程度逐漸變大，剪脹程度逐漸被削弱，這與WOOD[11]的研究結果是一致的.由圖6可以看出，在較低壓力σ= 108 kPa時，粗顆粒砂強度略微高于細顆粒砂，粗顆粒砂的峰值剪切強度和殘余剪切強度分別比細顆粒砂要高2.72%和11.64%.

圖6 108 kPa下不同級配密實砂土與格柵界面的剪脹性曲線

3.2 密實度對于筋土界面特性的影響

為了研究密實度對筋土界面強度以及剪脹特性的影響，進行了兩組不同密實度的試驗，設計了粗顆粒砂54 kPa壓力下的密實和松散兩種工況；另外標準砂則采用了3種不同豎向應力水平54 kPa、108 kPa和162 kPa下密實和松散工況的直剪試驗.

圖7給出了54 kPa豎向應力作用下粗顆粒砂的密實與松散狀態與土工布界面的剪切應力-應變曲線，可以看出密實狀態下的砂土表現出了非常明顯的高強度特點，峰值強度較松散狀態下高出了135.3%，但是密實狀態下的砂土也表現出了較強的“強度軟化”特性，即峰值強度和殘余強度之間相差較大，從而也說明了巖土類材料具有混凝土類材料的強度高韌性差的“脆性破壞”特點.因此，在地基處理或者路堤工程施工中有效地控制填料的密實度，將減少工程結構的失效或脆性破壞.

圖7 54 kPa下粗顆粒砂密實、松散狀態與土工布的剪應力-剪切位移關系曲線

圖8給出了標準砂在3種不同的豎向應力情況下的強度曲線圖，分析可知除了具備圖7所表現出的規律性外，隨著應力水平的提高，界面抗剪強度也隨之成比例提高，由于應力水平和路堤的填筑高度有關，即應力水平越高路堤的填筑高度越高，故結合工程施工中成本的預算支出，需提出經濟合理的施工方案.

圖8 3種不同豎向應力下松散、密實標準砂與土工布界面的剪應力-位移曲線

3.3 不同筋材對于筋土界面特性的影響

試驗選用了兩種工程中常用的典型土工合成材料，經編土工格柵和機織土工布.兩者的本質區別在于材料表面是否具有開口，對于顆粒狀材料的砂土來說，土工材料表面的開孔涉及橫肋對于土顆粒的“嵌擠”作用，從而會改變筋土界面強度特性，這當然包括界面抗剪強度和界面的剪脹性.

前述我們已經得出級配相對較好的標準砂對于經編土工格柵的界面強度遠遠低于相同情況下的粗顆粒砂和細顆粒砂，因此這里根據需要僅對粗細兩種顆粒砂土進行分析，研究顆粒大小對于界面強度以及剪脹性的影響，總結分析不同類型的加筋材料對于界面特性產生的差異性，以便對工程實際給予一定的指導.

圖9給出了54 kPa、162 kPa應力作用下粗顆粒砂與土工格柵、土工布相互作用的界面強度曲線，可以看出砂性土與土工格柵界面強度要高于砂性土與土工布界面強度；圖10給出了同樣情況下細顆粒砂的強度曲線，亦可得出同樣的結論.究其原因，砂土與格柵界面存在3種作用力：土與格柵表面摩擦力、格柵開口處土體顆粒之間的咬合力以及格柵橫肋對顆粒間的被動阻力；而砂土與土工布之間存在兩種的作用力：土與格柵表面的摩擦力和土工布表面紋理對于顆粒的嵌擠力 （很微?。?國外學者Liu C N等[12-13]研究過格柵橫肋對土顆粒的嵌擠作用力提供6.3%的土-格柵界面強度，與本文的試驗結果有一定的相似性.另外，仔細觀察可以發現：粗顆粒土和細顆粒土分別與格柵和土工布作用時達到峰值強度的最大剪切位移不同，粗顆粒土與格柵界面達到峰值強度的剪切位移要大于土-土工布界面，即粗砂-格柵界面峰值強度有一定的滯后性；而細顆粒土與土工布界面達到峰值強度的剪切位移卻又明顯大于細砂-土工格柵界面.這可以說明填料與土工格柵作用界面顆粒粒徑越大，界面強度來的越久，即可以經受較大的剪切位移而不立即破壞；而填料與土工布作用界面顆粒粒徑越小，界面強度來的越久，亦可以經受較大的剪切位移而不立即失效.

圖9 54 kPa、162 kPa粗顆粒砂密實狀態與 兩種土工材料的界面強度曲線

圖10 54 kPa、162 kPa細顆粒砂密實狀態與兩種土工材料的界面強度曲線

4結論

本文通過對3種不同顆粒級配的砂土以及兩種實際工程中常用的加筋材料進行室內大型直剪試驗，分析了顆粒級配、密實度、筋材類型以及豎向應力等因素對筋土界面抗剪強度以及剪脹特性的影響，得出以下結論：

（1）粗顆粒土和細顆粒土與筋材的界面剪切強度明顯高于級配較良好的標準砂，這是因為在剪切過程中標準砂-筋材界面發生了較大的剪切膨脹，導致顆粒間咬合力與摩擦力降低，故表現出較低的界面強度.

（2）密實砂土具有較高的界面強度，但卻表現出了類似混凝土材料的高強度韌性差的 “脆性破壞”的特點.另外松砂剪切過程中的只有剪縮效應的存在，但密實砂土表現出了明顯的剪脹過程，且高應力下剪脹過程較低應力時要長.

（3）粗顆粒砂土與土工格柵界面達到峰值強度需要比與土工布界面更大的剪切位移，而細顆粒砂與土工布界面則需要較大的剪切位移來達到峰值強度，說明對于不同的格柵峰值強度具有一定滯后性.對于界面剪切性能而言，粗顆粒砂的剪脹性能對筋材種類較為敏感，高應力水平下剪脹過程經歷較長一些，這是由于土體內部顆粒間的調整引起的；而細顆粒砂界面剪脹性能則對應力水平較為敏感，高應力水平限制了細顆粒之間的滾動與調整，故未引起較大的剪切膨脹.

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The effects of fillers gradation on reinforced soil interface properties

GUO Zhong-qun1，LIN Xu2，PAN Tao3，PAN Shang-kun3，JIN Jie-fang1，ZHAO Kang1(1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China；2.Institute of Civil Engineering,Lianyungang Technical College,Lianyugang 222006,China；3.Nanjing Municipal Engineering Quality Supervision Station，Nanjing 210036,China)

The effects of different fillers gradation on reinforced soil interface properties would affect the stability of the engineering.This paper has studied the grain composition,compaction,reinforcement type effect on the interface strength,and researched the shear strength and interfacial shear dilatancy characteristics of reinforced soil through lab large-scale direct shear test.The test results show that the interface strength,coarse and fine grain soil and reinforced material is obviously higher than the standard sand well graded.The interface strength of dense sand properties is similar to concrete material with high strength and low brittleness damage.The geo-grid,coarse sand reached peak intensity which need larger shear displacement due to the larger particle size.

fillers gradation;reinforced soil interface;shear strength

TU476.4

A

2095-3041（2014）00-0029-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.01.005

2013-09-22

國家自然科學基金資助項目（51104068）；江西省教育廳科技項目（GJJ13406）；江西省科技支撐計劃項目（20132BBG70106）作者簡介：郭鐘群(1987- )，男，碩士，助教，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail:guozhongqun_jxust@163.com.