不同土工合成材料加筋土界面的靜動力直剪特性

劉飛禹,沈春春,王軍,王攀

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海　200072；

2.溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江溫州　325035；

3.溫州大學(xué)浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室,浙江溫州　325035)

不同土工合成材料加筋土界面的靜動力直剪特性

劉飛禹1,沈春春1,王軍2,3,王攀1

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200072；

2.溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江溫州325035；

3.溫州大學(xué)浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室,浙江溫州325035)

為研究不同加筋材料對筋-土界面在靜力、動力作用下的剪切特性的影響,采用大型直剪儀對土工編織布、土工無紡布、土工膜加筋的加筋土界面進行了一系列單調(diào)直剪試驗、循環(huán)直剪試驗和循環(huán)后單調(diào)直剪試驗,并將單調(diào)直剪試驗與循環(huán)后單調(diào)直剪試驗的結(jié)果進行對比分析.結(jié)果表明：單調(diào)直剪試驗中,界面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系由于加筋筋材力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特征不同,呈現(xiàn)出較大差別,其中筋材在較大豎向應(yīng)力的剪切過程中容易發(fā)生變形；在循環(huán)剪切過程中,土工編織布、土工無紡布界面抗剪強度發(fā)生了軟化現(xiàn)象,而土工膜界面抗剪強度則發(fā)生了硬化現(xiàn)象.

筋土界面；筋材類型；單調(diào)直剪；循環(huán)剪切

目前,土工合成材料加筋土技術(shù)已經(jīng)在土木工程、道路工程、水利工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,例如加筋擋土墻、加筋邊坡、軟基上的加筋路堤等.筋-土界面的抗剪強度是加筋土技術(shù)中的重要指標(biāo).界面剪切試驗是研究土與土工合成材料接觸面受力變形規(guī)律的重要途徑之一.

國內(nèi)外已有很多學(xué)者對筋土界面的相互作用進行了研究.在筋土界面的靜力特性方面：Triplett等[1]、Esmaili等[2]、Hatami等[3]和劉煒等[4]對土工膜-土、土工布-土和土工格室-土界面的相互作用進行了研究.包承綱[5]針對界面特性,提出一種新的綜合性加筋機制：直接加筋和間接加固.隨著加筋土技術(shù)的發(fā)展,關(guān)于筋土界面動力特性的研究也逐漸引起廣大學(xué)者重視.Nye等[6]通過一系列單調(diào)和循環(huán)直剪試驗,研究了位移幅值、循環(huán)次數(shù)、加載周期以及頻率對黏土與土工織物界面剪切特性的影響.Moraci等[7]通過動力下的多級拉拔試驗,討論了不同格柵的抗拉剛度、垂直側(cè)限應(yīng)力、循環(huán)荷載的幅值和頻率等對筋土界面的影響.Vieira等[8]對應(yīng)力和位移控制下的砂土與土工織物界面進行了單調(diào)直剪、循環(huán)直剪試驗,并對試驗結(jié)果進行了對比分析.Fox等[9]通過單調(diào)直剪試驗和循環(huán)直剪試驗,對土工膜與粗粒土界面的剪切剛度和阻尼比等參數(shù)進行了對比.王家全等[10]對動力作用下格柵-土界面的細觀及宏觀變化規(guī)律進行了研究.

筋材類型是影響筋-土界面加筋效果的一個重要因素.土工合成材料主要包括土工布、土工膜和土工格柵等.目前,已有許多學(xué)者利用直剪試驗、拉拔試驗及斜板試驗研究土工合成材料與填料的界面作用特性.De等[11]通過直剪試驗和振動臺試驗對3種不同土工合成材料(土工織物、土工膜、土工網(wǎng))、8種不同的筋土界面動力特性進行了研究,揭示了土工合成材料界面動摩擦角的重要特性.Kamalzare等[12]通過大型直剪試驗對3種材料(土工格柵、無紡?fù)凉げ己蜋C織土工布)和2種土(黏土和粗粒土)的筋土界面靜力特性進行了研究,結(jié)果表明不同的土工材料界面強度特性差異顯著.Lopes等[13]通過斜面測試研究了6種土工合成材料與2種粗粒土的界面特性,結(jié)果表明土工材料的類型和結(jié)構(gòu)會對界面摩擦角產(chǎn)生顯著影響.徐超等[14]采用土工格柵、土工織物為加筋材料,通過砂土的直剪試驗和拉拔試驗,研究了剪切速率和筋材性質(zhì)對筋-土界面強度的影響,結(jié)果表明加筋材料及砂土特性對筋-土界面強度影響較大.

綜上所述,目前有關(guān)筋材類型的研究大多僅限在靜力作用條件下,而對于不同筋材類型下筋土界面的動力特性以及在外界動力作用下界面特性的變化尚未見相關(guān)報道.本工作對3種土工合成材料加筋砂土的界面進行大型直剪試驗,研究分析砂土界面在外界動力作用下的表現(xiàn)及靜力特性的變化,以期對加筋機制和加筋-土的實際工程應(yīng)用有所裨益.

1　試驗設(shè)備與材料

1.1試驗設(shè)備

采用美國Geocomp公司生產(chǎn)的ShearTracⅢ室內(nèi)大型直剪儀(見圖1).剪切盒有效尺寸(長×寬×高)為上剪切盒305 mm×305 mm×100 mm；下剪切盒405 mm×305 mm×100 mm.下剪切盒沿剪切方向上的長度較上剪切盒長,從而保證了剪切過程中剪切面積的恒定.該直剪儀能進行位移和應(yīng)力兩種控制條件下的直剪試驗,在本次試驗中,采取位移控制條件.在剪切過程中,上剪切盒固定不動,下剪切盒通過高精度電機帶動一系列齒輪來控制其在剪切方向上的移動,水平方向最大剪切位移可達100 mm,可控制的剪切速率為3×10-4～15 mm/min.水平及豎向位移通過線性可變差動變壓器式(linear variable differential transformer,LVDT)位移傳感器進行測量,水平力和豎向力由測力傳感器測量.通過油壓千斤頂和反力架施加豎向荷載,并通過試樣上方的剛性板將力傳遞至土體.試驗數(shù)據(jù)由機載軟件自動讀取和記錄.

圖1　大型直剪儀Fig.1　Large-scale direct shear apparatus

1.2試驗材料

試驗采用3種加筋材料和中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,其中加筋材料為土工編織布(GT1)、土工無紡布(GT2)、土工膜(geomembrane,GM)(見圖2).3種加筋材料的各項技術(shù)指標(biāo)如表1所示.中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂的物理性質(zhì)如表2所示.

圖2　加筋材料試樣Fig.2　Samples of reinforcement materials

表1　土工合成材料的技術(shù)指標(biāo)Table 1　Technical indices of geosynthetics

表2　試驗砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2　Physical indices of testing sand

2　試驗方案

2.1試驗方法

為研究不同加筋材料對筋-土界面循環(huán)剪切及其后直剪特性的影響,本工作分別對法向應(yīng)力為30,60,90 kPa下的3種不同加筋材料與砂土界面進行了單調(diào)直剪試驗、循環(huán)剪切試驗和循環(huán)后單調(diào)直剪試驗.試驗方案如表3所示.

表3　剪切試驗方案Table 3　Shear testing programs

參照劉飛禹等[15-16]的研究成果以及《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》(JTG E50—2006),各組試驗的剪切速率為1 mm/min；循環(huán)剪切試驗中剪切幅值為3 mm,次數(shù)為10；循環(huán)剪切結(jié)束后,先將施加于土樣上的豎向荷載卸除,重新施加豎向荷載后用相同的試驗參數(shù)在原試樣上進行循環(huán)后單調(diào)直剪試驗；單調(diào)直剪試驗在重新裝填的試樣上進行.

2.2試樣制備

為了減少砂土密實度對試驗結(jié)果的影響,采用分層裝填法將砂土分5層填入剪切盒,每層厚度為2 cm；控制每層填入的砂土質(zhì)量相同,并將其夯實至標(biāo)定高度；保證各組試驗中砂土的相對密實度為52%.

下剪切盒放置剛性木塊.將剪裁好的加筋材料鋪平,用螺栓、鋼塊等工具將其固定在下剪切盒上,使材料與下剪切盒在剪切過程中不發(fā)生相對位移,保證試驗過程中剪切始終沿筋-土界面進行.圖3給出了循環(huán)剪切路徑示意圖.可以看出,循環(huán)剪切從平衡位置開始,沿路徑①—②—③—④—①進行循環(huán).定義①—②—③—④為一個完整的循環(huán)圈.

圖3　循環(huán)剪切路徑示意圖Fig.3　Schematic diagram of cyclic shear paths

3　試驗結(jié)果及分析

3.1單調(diào)直剪試驗

圖4是豎向應(yīng)力為30,60,90 kPa時單調(diào)直剪試驗中界面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線,取該曲線中的剪應(yīng)力峰值為界面的峰值剪應(yīng)力.從圖中可以看出：3種情況下界面的剪應(yīng)力均隨豎向應(yīng)力的增大而增大；在任一豎向應(yīng)力水平下,GT1-砂土界面剪應(yīng)力峰值最大,而GT2-砂土界面剪應(yīng)力峰值最小；GT2-砂土界面在試驗開始階段便存在較為明顯的峰值,而另外兩種材料并沒有出現(xiàn)明顯峰值.參考《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》(JTG E50—2006)及砂土的相關(guān)研究,剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值或拐點時,取峰值或拐點作為峰值剪應(yīng)力；關(guān)系曲線不出現(xiàn)峰值或拐點時,則取剪切位移的10%(本工作中為位移30 mm)處的剪應(yīng)力為峰值剪應(yīng)力.另外,受各種加筋材料力學(xué)特性的影響,剪應(yīng)力-剪切位移的變化規(guī)律存在較大差異,而且這種差異隨著豎向應(yīng)力的增大而變大.

圖4　單調(diào)直剪試驗中界面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.4　Interface shear stress-displacement curves in monotonic direct shear tests

3.2循環(huán)剪切試驗

圖5為循環(huán)剪切試驗中豎向應(yīng)力為60 kPa時不同界面的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線.從圖中可以看出：①隨著循環(huán)次數(shù)的增加,界面的剪應(yīng)力-剪切位移滯回曲線越來越相似,最終趨于同一曲線.GT1-砂土,GT2-砂土界面的滯回曲線發(fā)展呈現(xiàn)從外向內(nèi)收縮的趨勢,GM-砂土界面呈現(xiàn)從內(nèi)向外收縮的趨勢,而這兩種趨勢正分別對應(yīng)著界面剪切軟化和硬化的特點.②在不同剪切方向上,同一循環(huán)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系存在著一定程度的差異,其中GT1-砂土界面主要表現(xiàn)為沿初始剪切方向上的剪應(yīng)力峰值較反方向小,而GT2-砂土,GM-砂土界面主要表現(xiàn)為沿初始剪切方向上的剪應(yīng)力峰值較反方向大.剪切異向性的出現(xiàn)主要與剪切過程中結(jié)構(gòu)面附近砂土顆粒的排列有關(guān)[17].③受各種材料力學(xué)特性的影響,剪應(yīng)力-剪切位移曲線差別很大.GT1-砂土界面從平衡位置開始,剪應(yīng)力增加緩慢,在接近幅值3 mm處時快速增加,并在幅值處達到峰值剪應(yīng)力.GT2-砂土界面在加載段保持平緩,在卸載段距離位移幅值1 mm處達到峰值剪應(yīng)力.GM-砂土界面在加載段逐漸變陡,且與卸載段基本平行,在幅值處達到峰值剪應(yīng)力.

為了進一步研究3種加筋材料與砂土界面在循環(huán)剪切過程中的發(fā)展規(guī)律,參考強度劣化指標(biāo)的定義[18],引入界面抗剪強度發(fā)展系數(shù)Qτ,并將其定義為第N個循環(huán)圈中的剪應(yīng)力峰值與最后一個(本工作中為第10次循環(huán))循環(huán)圈中的剪應(yīng)力峰值的比值.圖6給出了3種不同材料加筋土界面強度發(fā)展系數(shù)的變化曲線.從圖中可以看出：①GT1-砂土界面在前幾次循環(huán)中,發(fā)展系數(shù)快速減小,而隨著循環(huán)次數(shù)的增加,曲線逐漸變得平緩,發(fā)展系數(shù)的增長速率不斷下降；②GT2-砂土界面的發(fā)展系數(shù)一直保持平穩(wěn)的速率減??；③與GT1-砂土界面、GT2-砂土界面不同,GM-砂土界面發(fā)展系數(shù)一直隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大,增長速率總體來說保持穩(wěn)定；④GT1-砂土界面和GT2-砂土界面的發(fā)展系數(shù)Qτ≥1,且GT1-砂土界面的Qτ的變化速率大于GT2-砂土界面的Qτ的變化速率,而GM-砂土界面的發(fā)展系數(shù)Qτ≤1,這與GT1-砂土, GT2-砂土界面剪應(yīng)力呈現(xiàn)剪切軟化,GM-砂土界面剪應(yīng)力呈現(xiàn)剪切硬化相對應(yīng).

圖5　循環(huán)剪切試驗中界面的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.5　Interface shear stress-displacement curves in cyclic shear tests

圖6　不同土工合成材料下的界面抗剪強度發(fā)展系數(shù)曲線Fig.6　Curves of interface shear strength development coefficient in different geosynthetic

圖7給出了豎向應(yīng)力為60 kPa時循環(huán)剪切試驗中界面剪應(yīng)力隨時間變化的曲線.可以看出：①GT1-砂土界面在界面循環(huán)剪切過程中發(fā)生明顯的軟化；②GT2-砂土界面中的第一個極值是正方向第一次到達幅值3 mm時的剪應(yīng)力,并非峰值,從第二個極值點到最后一個極值點為10次循環(huán)的峰值點,且表現(xiàn)出軟化的特性；③GM-砂土界面在循環(huán)剪切過程中發(fā)生了輕微的硬化；④受各種筋材力學(xué)特性的影響,3種材料和砂土界面的剪應(yīng)力-時間曲線均呈現(xiàn)出較大的差異性.

圖7　循環(huán)剪切試驗中界面剪應(yīng)力隨時間的變化Fig.7　Evolutions of shear stress with time in cyclic shear tests

3.3循環(huán)后單調(diào)直剪試驗

圖8給出了豎向應(yīng)力為30,60,90 kPa時循環(huán)后直剪試驗中界面的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線.從圖中可以看出：3種筋土界面的剪應(yīng)力均隨豎向應(yīng)力的增大而增大；在任一豎向應(yīng)力水平下,GT1-砂土界面剪應(yīng)力峰值最大,GT2-砂土界面剪應(yīng)力峰值最小.

圖9給出了單調(diào)直剪試驗與循環(huán)后直剪試驗中豎向應(yīng)力不同時的界面峰值剪應(yīng)力包絡(luò)曲線,其中R2為包絡(luò)曲線的相關(guān)系數(shù).由圖可以看出,R2的值均接近于1,表明界面峰值剪應(yīng)力τ同豎向應(yīng)力σ二者具有良好的線性相關(guān)性.利用摩爾-庫侖準(zhǔn)則進行描述,τ=c+σ tan?,其中c,?分別為界面的似黏聚力和摩擦角.將通過峰值剪應(yīng)力所得的似黏聚力記為峰值似黏聚力(cp),通過峰值剪應(yīng)力所得摩擦角記為峰值摩擦角(?p).經(jīng)線性擬合,可得單調(diào)直剪情況下GT1,GT2,GM與砂土界面的似黏聚力分別為8.07,3.45和0.24 kPa,界面摩擦角分別為29.1°,17.2°和28.5°.循環(huán)后直剪試驗中,GT1,GT2,GM與砂土界面的峰值似黏聚力分別為9.55,3.93和4.72 kPa,峰值摩擦角分別為29.7°,13.5°和25.7°.

圖8　循環(huán)后直剪試驗中界面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.8　Interface shear stress-displacement curves in post-cyclic direct shear tests

圖9　單調(diào)直剪試驗與循環(huán)后直剪試驗中界面峰值剪應(yīng)力包絡(luò)曲線Fig.9　Interface peak shear stress envelopes from monotonic and post-cyclic direct shear tests

3.4循環(huán)剪切過程對界面單調(diào)直剪特性的影響

為研究循環(huán)剪切對界面直剪特性的影響,將單調(diào)直剪試驗與循環(huán)后單調(diào)直剪試驗所得界面抗剪強度的峰值似黏聚力與峰值摩擦角列出,具體如表4所示.可以看出,在經(jīng)歷循環(huán)剪切之后,界面的峰值似黏聚力均有所增大,其最大增長量可達單調(diào)直剪時的幾十倍.界面峰值似黏聚力主要與筋材對土體的約束有關(guān),這表明在經(jīng)歷循環(huán)剪切之后筋材的約束作用得到了更好的發(fā)揮.與界面峰值似黏聚力不同,在經(jīng)歷循環(huán)剪切之后GT1-砂土界面的峰值摩擦角略有增大,而GT2-砂土界面、GM-砂土界面的摩擦角均有所減小.

表4　單調(diào)直剪與循環(huán)后單調(diào)直剪試驗中界面的c和?值Table 4　Values of c and ? in monotonic and post-cyclic monotonic direct shear tests

界面摩擦角主要與砂土顆粒之間以及砂土顆粒與加筋材料之間的滑動與咬合作用有關(guān).在經(jīng)歷循環(huán)剪切后,GT2-砂土界面、GM-砂土界面峰值摩擦角減小的原因有：①GT2和GM的抗拉強度較GT1低,經(jīng)歷循環(huán)剪切后的筋材更容易發(fā)生褶皺等劣化變形,削弱了這兩種材料對砂土的約束作用；②經(jīng)歷循環(huán)剪切后,砂樣中有些顆粒會破碎,這也在一定程度上造成了界面峰值摩擦角的減小.

圖10　單調(diào)直剪試驗與循環(huán)后單調(diào)直剪試驗的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.10　Interface shear stress-displacement curves in monotonic and post-cyclic monotonic direct shear tests

圖10給出了豎向應(yīng)力為60 kPa時單調(diào)直剪試驗與循環(huán)后單調(diào)直剪試驗的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線.可以看出：①GT2-砂土界面強度從剪切軟化型轉(zhuǎn)化為剪切硬化型,這可能與經(jīng)歷循環(huán)剪切過程后界面處砂土的密實度提高有關(guān),因為已有研究表明砂土密實度對界面的直剪強度有著重要的影響[19]；②GM-砂土界面在較小的剪切位移時達到一定的剪應(yīng)力,之后曲線一直保持平緩的趨勢；③相比GT2-砂土界面,GM-砂土界面和GT1-砂土界面表現(xiàn)出較大的剪切強度,這是因為土工編織布與砂土之間存在一定的嵌鎖作用；④GT1-砂土和GM-砂土界面抗剪強度在3種豎向應(yīng)力下都有明顯的提高,而GT2-砂土界面抗剪強度在3種豎向應(yīng)力下發(fā)生退化.

筋材與砂土界面在循環(huán)剪切過程中會發(fā)生一系列的物態(tài)變化,其中筋材本身的磨損是界面強度的弱化機制.砂土密實度的提高使得土顆粒間以及土顆粒與筋材之間的咬合作用加強,是界面強度的強化機制.砂土顆粒的破碎提高了界面處砂土的密實度,同時又降低了界面的滑動摩擦力,既是強化機制,又是弱化機制.本工作中GT1-砂土和GM-砂土界面強度的提高正是由上述強化機制占據(jù)主導(dǎo)地位所致,而GT2-砂土界面強度的退化則主要是由GT2抗拉強度較低導(dǎo)致剪切過程中筋材磨損更加嚴(yán)重所致.

4　結(jié)論

本工作對3種不同土工合成材料加筋土界面進行了室內(nèi)大型單調(diào)直剪試驗、循環(huán)剪切試驗和循環(huán)后單調(diào)直剪試驗,研究了不同材料加筋土界面的循環(huán)剪切特性及循環(huán)后單調(diào)直剪特性.研究結(jié)果表明：①在單調(diào)直剪試驗中,不同加筋材料界面的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)出較大差別,加筋材料在較大豎向應(yīng)力的剪切過程中容易發(fā)生變形；②在循環(huán)剪切過程中土工編織布、土工無紡布加筋土界面的抗剪強度發(fā)生了軟化現(xiàn)象,而土工膜加筋土界面的抗剪強度發(fā)生了硬化現(xiàn)象；③對經(jīng)過循環(huán)剪切的筋土界面再進行單調(diào)直剪時,3種加筋土界面的剪切特性變化呈現(xiàn)出不同的特點,土工編織布和土工膜的界面抗剪強度有所提高,土工無紡布的加筋土界面抗剪強度有所降低.

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Direct shear behavior of reinforcement soil interface in different geosynthetics

LIU Feiyu1,SHEN Chunchun1,WANG Jun2,3,WANG Pan1
(1.Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China；
2.College of Civil Engineering and Architecture,Wenzhou University, Wenzhou 325035,Zhejiang,China；
3.Key Laboratory of Engineering and Technology for Soft Soil Foundation and Tideland Reclamation of Zhejiang Province,Wenzhou 325035,Zhejiang,China)

To investigate the reinforcement soil interface cyclic and post-cyclic shear behavior in different geosynthetic materials(woven geotextile,nonwoven geotextile,geomembrane),a series of direct shear tests,cyclic shear tests and post-cyclic direct shear tests were performed through a large-scale direct shear device.Comparison and analysis were made between the results from direct shear tests and post-cyclic direct shear tests.In the direct shear tests,the interface shear stress-displacement curve presented large difference due to different material mechanical properties and structural characteristics.More evident deformation was observed in higher vertical stress.Cyclic shear stress degradation was observed in both woven and nonwoven geotextile-sand interfaces,whereas hardeningphenomenon appeared in the geomembrane-sand interface.

soil-geosynthetic interface；reinforced materials type；monotonic direct shear；cyclic shear

TU43

A

1007-2861(2016)05-0637-11

10.3969/j.issn.1007-2861.2016.01.016

2015-12-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51478255,51678352)；上海市自然科學(xué)基金資助項目(14ZR1416100)；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊資助項目(2011R50020)

王軍(1980—),男,教授,博士,研究方向為軟弱土動力學(xué)及地基處理學(xué). E-mail:wangjunx9s@zju.edu.cn