土工格柵加筋土大型直剪試驗分析

黃培敏（中鐵二院成都公司，四川　成都　610081）

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·巖土工程·地基基礎·

土工格柵加筋土大型直剪試驗分析

黃培敏
（中鐵二院成都公司，四川成都610081）

摘要：通過大型直剪試驗，研究了不同密實度及不同鋪設角度下土工格柵加筋土的界面特點，并分析了直剪試驗數據，結果表明，土工格柵加筋土體能有效增強加筋工程的穩定性，提高結構的抗震能力。

關鍵詞：加筋土，土工格柵，直剪試驗，壓實度

0　引言

加筋土的應用歷史已悠久［1］。隨著加筋材料的發展，目前土工格柵已在路基加固、軟土地基處理等工程中被廣泛應用。土工格柵加筋土中土工格柵與土界面性能是影響加筋技術應用的主要因素，目前國內外測定土工格柵與土界面性能主要方法是直剪試驗和拉拔試驗［2］。而現場施工時，一般對土的壓實度做了相關的要求，而這方面的土工格柵加筋土相關試驗研究較少。本研究通過不同密實度下及不同鋪設角度下土工格柵加筋土大型直剪試驗，研究不同密實度及不同鋪設角度下土工格柵加筋土界面特性。

1　試驗內容及方法

1.1試驗儀器

本試驗采用的是應變控制式大型直接剪切儀，其剪切盒為圓形，如圖1，圖2所示。此套儀器由四個主要部分組成，分別為剪切設備、操作臺、油源控制設備和數據采集系統。其主要技術參數見表1。

圖1　大型直剪儀工作狀態

圖2　大型直剪儀上、下圓形剪切盒

表1　大型直接剪切儀主要技術參數表

1.2試驗材料

1）加筋材料——土工格柵。試驗所用加筋材料——土工格柵，由西南某公司生產。其主要技術性質見表2。

表2　土工格柵主要技術性質

2）試驗土樣填料。試驗土樣為風化花崗巖填料。經試驗分析，該填料為級配良好的B組填料，最大顆粒不大于15 mm，滿足大型直接剪切儀的試驗要求。每做一組試驗換土樣一次，以盡量保證土樣原狀態。

1.3試驗方案和方法

按土樣填料壓實度達到90%和95%兩種工況，及土工格柵與剪切面鋪設角度（按與剪切面平行、成順時針45°、垂直），本次試驗共有8組，見表3。大型直接剪切儀試驗時，每組試驗分別采用200 kPa，400 kPa，600 kPa，800 kPa法向應力。

表3　大型直剪試驗方案

試驗方法：在上、下圓形剪切盒中按壓實度裝好填料，同時按不同角度要求鋪設好加筋；試驗準備就緒后，先按要求加載法向應力，再進行剪切試驗和數據采集。試驗采用應變控制，剪切速率按1 mm/min控制，當試樣在剪切過程中出現峰值時，即認為土樣被剪損，若沒有峰值出現時，則當水平剪切變形達到50 mm（試樣直徑的1/10）時停止試驗。

2　試驗數據與分析

2.1試驗采用計算公式

1）假設圓形剪切盒內的土樣在上覆垂直荷載的作用下產生的法向應力p均勻分布，即：

其中，F為垂直方向的力，kN；A為圓形剪切盒的截面面積，m2。

2）假設直剪盒內土與土工格柵的剪應力：

其中，T為施加在下剪切盒上的水平荷載。

3）設加筋中土與土工格柵之間的抗剪強度符合庫侖定律［3］。

其中，τ為土與筋界面抗剪強度，kPa；p為法向壓力，kPa；c為等效粘聚力，kPa；φ為綜合內摩擦角，（°）；f為界面摩擦系數。

2.2試驗數據分析

通過對直剪試驗數據的分析，容易得到如圖3～圖6為代表的剪應力τ和剪切位移s關系曲線（τ—s曲線）。

通過上述計算公式，容易得到圖7～圖10為代表剪應力τ與法向應力p關系曲線。

通過對所有τ—s曲線和τ—p曲線分析，得到表4的分析結果。

表4　壓實度90%與95%大型直剪抗剪指標分析結果表

圖3　壓實度為90%下土工格柵45°鋪設τ—s曲線

圖4　壓實度為90%下土工格柵垂直鋪設τ—s曲線

圖5　壓實度為95%下普土（無格柵鋪設）τ—s曲線

圖6　壓實度為95%下土工格柵水平鋪設τ—s曲線

圖7　壓實度為90%土工格柵45°鋪設τ—p曲線

從表4中容易得出：

1）隨著土樣壓實度的提高，對普土（無格柵加筋），其直剪試驗抗剪指標（主要為綜合內摩擦角和等效粘聚力）都增大；同樣，加筋土下土工格柵與剪切面成不同角度鋪設，它們的直剪試驗抗剪指標也都增大，見表5。

圖8　壓實度為90%土工格柵垂直鋪設τ—p曲線

圖9　壓實度為95%普土（無格柵鋪設）τ—p曲線

圖10　壓實度為95%土工格柵水平鋪設τ—p曲線

表5　不同壓實度下抗剪指標比較表

2）同一壓實度下，土工格柵與剪切面成不同角度鋪設與普土（無格柵加筋）比較：a.等效粘聚力，普土（無格柵加筋）很小，土工格柵加筋鋪設后，其等效粘聚力有明顯增大幅度；b.綜合內摩擦角，格柵與剪切面成45°鋪設比普土（無格柵加筋）少，格柵與剪切面水平或垂直鋪設，都有所提高，見表6。

表6　不同壓實度下不同格柵角度鋪設與普土抗剪指標比較表

3）同一壓實度下，按不同角度鋪設下土工格柵加筋土的試驗抗剪指標比較：a.等效粘聚力，隨著鋪設角度（從水平至成45°至垂直鋪設），等效粘聚力越來越大；b.綜合內摩擦角，格柵與剪切面成45°鋪設最小，平行鋪設最大，垂直鋪設次之。

3　結語

通過不同密實度下及不同鋪設角度下土工格柵加筋土大型直剪試驗的研究，得出以下主要結論：

1）隨著土樣壓實度的提高，無論是普土（無格柵加筋）還是加筋土下土工格柵與剪切面成不同角度鋪設，其大型直剪抗剪強度指標都隨著土樣壓實度的提高而提高。這就要求現場施工時，要高度重視土體填料壓實度問題，應嚴格按設計壓實度施工，尤其對于加筋土來說是保證其加筋效果的有效方法。

2）與普土（無格柵加筋）比較，在使用土工格柵加筋土樣后，其等效粘聚力大幅度增大，由此可見，使用土工格柵加筋土體，能有效提高土體抗剪能力，即能有效增強加筋工程的穩定性、整體性，起到良好加固作用。在工程實際中，位于不良地質地段的基底、高邊坡地段的邊坡等處鋪設土工格柵，是提高工程穩定性確實有效方法。對于位于高烈度地區的高路堤，進行土工格柵加筋設計，是其提高抗震能力措施之一，因為從抗震的角度看，提高工程的穩定性、整體性就可以增強其抗震能力［4］；另外，從對地震區路堤震害調查結果來看，加筋路堤在地震中表現出了較好的抗震效果。

3）與剪切面成45°鋪設土工格柵的加筋土，其綜合內摩擦角最小，而平行鋪設最大，垂直鋪設次之，可見水平鋪設土工格柵加筋既有利于施工，又保證了加筋效果。這就要求現場施工時，應保證土工格柵鋪設面平整平順，鋪設面盡量與剪切面平行，以提高加筋效果。

參考文獻：

［1］楊果林.現代加筋土技術應用與研究發展［J］.力學與實踐，2002，24（1）：9-17.

［2］鄧昌中，鄧衛東，嚴秋榮.土工格柵加筋土體界面性能綜述［J］.公路交通技術，2007（3）：29-31.

［3］趙樹德.土力學［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］黃培敏.土工格柵加筋土特性實驗與抗震技術研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

Analysis on large-scale direct shear test of geogrid reinforced soil

Huang Peimin
（China Railway 2nd Institute Chengdu Company，Chengdu 610081，China）

Abstract：Through large-scale direct shear test，the paper studies geogrid reinforced soil interface features under different compactness and paving angles，and analyzes direct shear test data.Results show that：geogrid reinforced soil can effectively increase the stability of reinforced engineering and improve structural seismic resisting capacity as well.

Key words：reinforced soil，geogrid，direct shearing test，compactness

中圖分類號：TU411

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0063-03

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：黃培敏（1975-），男，碩士，工程師