高強土工格室加筋砂土性狀的三軸試驗

彭艾鑫,張孟喜,朱華超

(上海大學土木工程系,上海200444)

高強土工格室加筋砂土性狀的三軸試驗

彭艾鑫,張孟喜,朱華超

(上海大學土木工程系,上海200444)

通過三軸試驗方法研究了高強土工格室加筋土的強度及其變形破壞特性,探論了在不同加筋情況下,土工格室加筋土強度影響因素及其變化規律,分析了在筋材用量相同的情況下,如何選擇更合理、更經濟的加筋形式.試驗結果表明:加筋后土體的強度和抵抗變形的能力明顯增強;在圍壓一定的情況下,格室高度的提升對加筋土強度的提升程度遠遠大于節點間距減小的影響;在筋材用量相同時,選擇格室高度高但是相對層數少的加筋方式更合理;對加筋效果系數和強度參數分析發現,隨著圍壓的增加,加筋效果系數降低,土工格室加筋有助于提高土體的黏聚力和增大內摩擦角,其中黏聚力的提高更顯著.

三軸試驗;高強土工格室;加筋土;筋材用量

加筋土概念是20世紀60年代初,由法國工程師Henri Vidal首先提出的.他通過三軸試驗研究了土中摻入纖維的材料,發現可提高土體強度,從此將這種復合材料取名為加筋土,并提出了加筋土的新理念.目前,使用最廣泛的研究加筋土加筋機理的方法是三軸壓縮試驗.

Schdosser等[1]首先用三軸壓縮試驗研究了金屬條加筋砂土.陳昌富等[2]對草根加筋土的強度特性進行了三軸試驗研究,提出草根加筋土主要提高了土的黏聚力,而對內摩擦角的影響較小.施利國等[3]等則研究了聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強度特性.陳群等[4]分別研究了玻纖塑料窗紗與有紡土工織物加筋土強度特性,這兩種不同材料加筋土樣的黏聚力與內摩擦角均有明顯提高,只是提高的程度不同.劉芳等[5]進行的三軸試驗研究了玻璃纖維土的加筋效果,認為玻璃纖維土的加筋效果與玻璃纖維的摻入量、玻璃纖維的密實度、試樣的密實度以及圍壓等因素有關.魏紅衛等[6]對土工合成材料加筋黏性土進行了三軸試驗,認為加筋對土體強度的增強作用存在滯后現象,而且加筋能夠明顯抑制土體的剪脹變形.雷勝友[7]以滌綸布為加筋材料,研究了加筋黃土的強度特性.趙川等[8]進行了大型三軸試驗,探討了土工格柵加筋碎石土的強度及力學特性.吳景海[9]為了比較5種國產土工合成材料的加筋效果,分別對其進行了三軸試驗.張孟喜等[10-12]通過室內三軸試驗對立體加筋方式進行了較為全面的研究和探討,結果表明立體加筋對比于傳統的水平加筋,其強度有了很大幅度的提高.Latha等[13]則研究了水平纖維加筋層、分散的纖維條、纖維土工格室3種加筋砂土的強度特性.Chen等[14]通過三軸試驗研究了紙質土工格室對加筋砂力學特性和強度的影響.Rajagopal等[15]研究了單層加筋和多層加筋砂土的強度特性.Nair等[16]通過大直徑三軸試驗研究了土工格柵加筋土在靜力和循環荷載作用下的強度和剛度特性,結果發現平面加筋在達到3層后,如果再增加加筋層數不會再取得額外的加筋效果.這為實際工程設計提供了最優選擇的試驗支持.

對于土工格室這種立體的新型土工合成材料,其加筋機理與傳統的平面加筋材料有很大區別.目前,對土工格室加筋體的研究還不夠完善,針對這種高強土工格室的研究也很缺乏,因此深入研究土工格室加筋土具有重要的理論價值和實際意義.本工作以高強土工格室作為主要研究對象,通過三軸試驗對不同形式的土工格室加筋砂的強度特性進行了研究,探討了加筋土應力-應變關系、加筋效果系數以及在相同筋材用量下如何選擇更經濟更合理的加筋形式,為加筋土理論研究和施工設計奠定了堅實的基礎.

1 試驗方案

1.1 試驗設備與流程

三軸剪力儀采用南京電力自動化設備總廠生產的SJ-1A型應變控制式三軸剪力儀.該設備由實驗機、壓力室、測控系統、試樣制備工具4個部分組成.

把制備好的試樣用橡皮膜包裹好安放在壓力室的試樣座上,使其與測量系統連接,周圍壓力的大小由調節旋鈕調節.試驗時,實驗機經齒輪傳動系統,使壓力室以一定的速率上升,從而使試樣在活塞桿作用下產生軸向壓縮應變.根據量力環的變形量,即可確定對試樣施加的軸向應力的大小.同時體變管可測體積變化量,通過空隙壓力測量單元測讀試樣內部空隙壓力的變化,直至試樣剪損破壞為止.

1.2 試驗材料

(1)砂樣.試驗選用土樣為福建砂,為了減少填料水分對試驗結果的影響,控制砂土的含水率w=5%,砂土的物理性質指標如表1所示,其顆粒級配分布曲線如圖1所示.

表1 砂樣的物理特性參數Tab le 1 Physical parameters of the sand sample

圖1 砂樣的顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of the sand sample

(2)筋材.試驗所用的高強土工格室為儀征市佳和土工材料有限公司特殊加工的土工格室.格室的條帶材質為改性聚乙烯,格室的抗拉強度高于一般的土工格室,但其延伸率相對有所下降.由于格室的尺寸較小,所以條帶采用類似訂書釘的釘子連接而成(見圖2),網帶厚度為0.45±0.10mm.

圖2 高強土工格室及節點圖F ig.2 High-strength geocell and nodes

1.3 試驗方法和工況

在試樣制備過程中,將制作好的土工格室放置于砂中.由于土工格室為柔性結構,因此在安裝過程中需要用小木棒將每個網格單元完全撐開,并在規定位置上固定,以保證三層筋材在試樣中上下位置對齊.土工格室在試樣中的位置如圖3所示.為控制試樣有相同的密實度,用天平稱量4份相同質量的砂分層放入護筒中,每層用相同的擊實方法擊實相同的次數.達到高度標準后,將砂層整平刮毛放入土工格室.裝樣完成后,用真空泵(連接孔壓閥門)將試樣內部抽成真空,使試樣在護筒拿下之后能夠豎立.試樣制備完成后,注水,加圍壓.當圍壓增加到30～40 kPa后,將試樣孔壓閥門打開卸真空,使試樣處于土層自然狀態.當圍壓到達指定值后,關上孔壓及排水閥門,使試樣處于不固結、不排水狀態.

圖3 筋材安裝及布置示意圖Fig.3 Rein forcement installation and layout diagram

本工作共設計了5種試驗工況(見表2).各工況以格室高度、格室焊距、筋材層數為變量.設工況2的土工格室材料用量為M,工況4與工況2的筋材用量相同.設工況3的土工格室材料用量為N,工況5與工況3的筋材用量相同.工況2和工況3的試樣都均勻布置3層筋材,3層筋材上下對齊、位置統一,筋材間距為55 mm.工況4和工況5的試樣均勻布置2層筋材.為保證相同的埋置深度,選擇埋置最靠近試樣頂面的2層筋材.

表2 試驗工況Tab le 2 Test conditions

工況2,3和工況4,5是為了比較格室焊距對加筋效果的影響,工況2,4和工況3,5是為了研究加筋率基本相同的情況下,格室高度和筋材層數對加筋效果的影響.每種工況均在50,100和200 kPa 3種圍壓下進行三軸試驗.

試樣破壞標準如下:①當存在峰值時,以σ1-σ3的峰值點為破壞點;②當無峰值時,取15%軸向應變時的主應力差確定破壞點.

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變曲線及分析

2.1.1 節點間距d的影響

為了研究不同節點間距對加筋土應力-應變的影響,分析了工況2～工況5在相同圍壓不同節點間距時土工格室的應力-應變,結果如圖4和5所示.

圖4 加筋砂應力-應變曲線(h=2 cm)F ig.4 Stress-strain curves of the rein forced sand(h=2 cm)

圖5 加筋砂應力-應變曲線(h=3 cm)Fig.5 Stress-strain curves of the rein forced sand(h=3 cm)

從圖4和5可以看出,土工格室加筋土的峰值應力是隨著格室高度的增加而增大的.當格室高度相同時,在不同圍壓下,純砂和不同節點間距的土工格室加筋土的應力-應變曲線的基本趨勢相同,并且節點間距越小峰值應力越大,只是差距不明顯.特別是當圍壓很低時,這種差距幾乎不存在.在格室高度為2 cm,圍壓為50 kPa時,節點間距為5.0 cm的土工格室加筋土應力-應變曲線在出現峰值后軟化特別明顯,承載力最終降低到與純砂相似.這是因為格室在達到極限承載力時,已經遭到了破壞.但當圍壓升高時并沒有出現這種現象,這說明土工格室在高圍壓下更能發揮出約束土壤的作用.

2.1.2 格室高度h及層數n的影響

在保證筋材用量相同的情況下,對比了格室節點間距相同,而格室高度和加筋層數不同時對應力-應變的影響,結果如圖6所示.可以看出,在筋材用量相同時,格室的高度在提高土工格室加筋土峰值應力中起到了關鍵的作用.即使少加了一層土工格室,格室高的加筋土的峰值應力較格室低的加筋土的極限承載力提高了200 kPa左右.與此同時,節點間距起到的作用就不是特別明顯了.特別地,當圍壓升高時,節點間距減小對峰值應力的提高效果更不明顯.這一結果說明,在筋材使用量不變的情況下,可通過提高格室高度、減少加筋層數、簡化加筋步驟來提高加筋效果.

圖6 加筋砂應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of the reinforced sand

2.2 加筋效果系數分析

不同形式的土工格室加筋砂的峰值主應力在不同圍壓下均高于純砂的峰值主應力,但是提高程度不同.為了更好地對比不同形式的土工格室加筋后砂樣的強度變化,引入了加筋效果系數Rσ:

式中,Rσ為強度加筋效果系數,為加筋砂破壞時的主應力差,(σ1-σ3)f為無筋砂破壞時的主應力差.通過式(1)可計算出各組試樣的強度加筋效果系數,如圖7所示.

圖7 不同工況的加筋效果系數F ig.7 Reinforced eff ect coeffi cients of diff erent conditions

從圖7可以看出,不同形式的土工格室加筋砂的加筋效果系數均大于1(在1.218～1.995之間),低圍壓下的加筋效果系數高于高圍壓.綜合來看,格室高度為2 cm的土工格室加筋砂的加筋效果系數小于高度為3 cm的土工格室,但是節點間距為2.5和5.0 cm的土工格室加筋砂的加筋效果系數相差不大.在實際工程中,結合經濟性考慮,使用格室高度較高、加筋層數較少的加筋方式更為經濟.

2.3 強度特性分析

各種工況的p-q具體數值如表3所示,曲線如圖8所示,其中p=(σ1+σ3)/2,q= (σ1-σ3)/2.由p-q曲線得到線性擬合回歸方程和總離差平方和,通過計算得到加筋土的黏聚力c、內摩擦角φ(見表4).

表3 不同工況的峰值偏應力Tab le 3 Peak deviatoric stress of diff erent conditions

圖8 不同工況的p-q曲線Fig.8 p-q curves of diff erent conditions

表4 不同工況的強度參數Tab le 4 Strength parameters of diff erent conditions

從圖8和表4中的強度參數可以得出,無論何種形式的加筋都提高了純砂的c,φ值,其中對c值的提高較為明顯,從86.25 kPa提高至109.03 kPa,對φ值由0.80?提高至4.23?,相應的tanφ也從0.014提高到0.074.這主要是因為格室對土體提供的側向約束力大于摩擦力,所以土體的c值提升比φ值明顯.然而格室高度的變化對c,φ值的影響較節點間距的變化大很多.當節點間距相同時,格室高度增加,相應的c值會提高17 kPa左右.當格室高度相同時,節點間距減小,相應的c值只提高了5 kPa左右.格室高度增加對c值的提高程度是節點間距減小的300%以上.這再一次證明了格室高度在提高加筋土強度方面起到的關鍵作用.

2.4 破壞形態

純砂試樣與加筋砂試樣剪切破壞后的形態如圖9所示,其中純砂試樣破壞形態如圖9(a)所示,呈現塑性破壞,中間鼓脹、兩端變形較小;土工格室加筋砂試樣破壞形態如圖9(b)所示,可以看出上下層由于土工格室的約束作用,變形較純砂試樣小了很多,中間層的變形也呈現出幾個凸出點.這可能是因為在格室破壞的地方,砂體外部的約束力降低所造成的.

格室破壞形態(見圖10)均為節點破壞,在應力-應變曲線中體現在突變點處.筋材節點破壞時,軸向力會突然下降.隨著軸向應變的增加,軸向力會有一定幅度的回升,原因是破壞的土工格室基本都位于中間一層,上下兩層的土工格室未被破壞,而且破壞的筋材一般是節點逐個破壞,在其他節點還沒完全破壞時,整個加筋體還能繼續承受軸向力.

圖9 土樣破壞形態F ig.9 Failuremodes of the soil

圖10 筋材破壞形態Fig.10 Failuremodes of the rein forcementmaterials

3 結論

(1)高強土工格室加筋土的峰值應力與格室高度和格室的節點間距有關,并隨著高度的增加、節點間距的減小而提高,其中格室高度的影響更顯著.

(2)在土工格室用量相同的情況下,提高土工格室高度、減少加筋層數是更優的選擇.

(3)不同形式的土工格室在加筋后均提高了砂土的強度,不僅增強了黏聚力c,也增大了內摩擦角φ,但是增強的程度不同,其中土工格室加筋主要以增強砂土的黏聚力為主,對砂土的內摩擦角也有一定的提高.

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Triax ial test of high strength geocell rein forced soil

PENG Aixin,ZHANG Mengxi,ZHU Huachao
(Deptartment of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Strength and deformation characteristics of geocell reinforced soilwere studied in a triaxial test.Factors that aff ected strength and their variation pattern were investigated under diff erent reinforcement conditions.W ith the same amount of reinforcement, choice of reasonable and economical rein forcement forms was analyzed.The follow ing results are obtained.Strength and anti-deformation capacity of the soilare clearly intensified with reinforcement.Strength is farmore improved by increasing the height of geocell than reducing the node spacing when the confining pressure is constant.W ith the same amount of reinforcement,using large cellheight and low rein forced layers ismore reasonable.Analysis of the reinforcement eff ect coeffi cient and strength shows that the coeffi cient is reduced with the increasing of confining pressure.Cohesive strength and angle of internal friction of the soil are improved by geocell reinforcement.The improvement of cohesive strength is more significant.

triaxial test;high strength geocell;rein forced soil;amount of rein forcement material

U 211.3

A

1007-2861(2017)04-0590-10

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1721

2015-09-09

國家自然科學基金資助項目(41372280)

張孟喜(1963—),男,教授,博士生導師,博士,研究方向為新型土工加筋技術及地下結構.

E-mail:mxzhang@i.shu.edu.cn