循環前后不同顆粒粒徑下sandwich形加筋土筋土界面單調直剪特性

劉飛禹,張端陽, 王 軍

(1.上海大學土木工程系,上海200444;2.溫州大學建筑與土木工程學院,浙江溫州325035)

筋土界面強度是加筋土工程的重要控制指標,近年來倍受學術界和工程界的重視,對其力學特性的研究也成為筋土界面相互作用研究中的重要課題.國內外已經有很多學者,如Liu等[1-2]、Vangla 等[3]、Sayeed 等[4]、Jewell等[5]、徐超等[6]、劉飛禹等[7]和鄭俊杰等[8]分別對不同的豎向應力、填料、顆粒粒徑、格柵網孔大小、筋材以及顆粒級配多種條件下筋土界面在靜力作用下的力學特性進行了研究.

隨著加筋土結構在實際工程中的廣泛應用,有關交通荷載與地震作用等對筋土界面剪切特性影響的研究也日益增多.Moraci等[9]研究了不同循環次數對筋土界面力學特性的影響;馮大闊等[10]研究了初始剪應力對粗粒土與鋼板接觸面的剪切強度及體變規律;Giuseppe等[11]在常剛度條件下,研究了砂土與鋼板接觸面在循環荷載的加載條件下剪應力的變化趨勢以及循環后界面強度的特性;徐超等[12]研究了石英砂和土工格界面在法向循環荷載與靜荷載下的筋土界面力學特性;Abdel-Rahman等[13]研究了土工格柵和砂土界面在豎向循環荷載的作用下筋土界面的強度特性,并將其與靜載條件下的試驗結果進行了對比.

Sandwich形加筋土是一種在黏土加筋的基礎上,分別在土工合成材料的兩側置入薄砂層而形成的新型混合填料的加筋土結構(見圖1),這種新型加筋土結構結合了黏土價格低廉、取材方便以及全砂土加筋界面的剪切強度較高等優點.Abdi等[14-15]研究了在靜力作用下sandwich形加筋土的界面剪切特性,尤其是薄砂層厚度對sandwich形加筋土界面剪切特性的影響.

圖1 Sandwich形加筋土Fig.1 Sandwich reinforced earth

可見,目前關于顆粒粒徑對加筋土界面特性的影響主要集中在靜力條件下顆粒粒徑對格柵-砂土界面上,而關于顆粒粒徑對sandwich形筋土界面剪切特性影響的研究還比較缺乏.本工作基于室內大型循環剪切試樣,研究了顆粒粒徑、薄砂層厚度對sandwich形加筋土筋土界面的剪切特性,并對試驗中所產生的現象進行探討分析,得出了幾個有益的結論.

1 試驗設備與材料選取

1.1 試驗設備

本試驗采用美國Geocomp公司的ShearTracⅢ室內大型直剪儀(見圖2).直剪儀上剪切盒的有效尺寸為305 mm×305 mm×100 mm(長×寬×高),下剪切盒有效尺寸為405 mm×305 mm×100 mm.該大型直剪儀能進行在位移和應力2種控制條件下的直剪試驗,本試驗采取位移控制.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,該儀器可控制的水平向剪切速率范圍為0.000 03～15 mm/min.水平及豎向位移通過位移傳感器原理(linear variable diあerential transformer,LVDT)進行測量,運行位移最大值均為100 mm.試驗數據由機載軟件自動讀取、記錄并生成相關報表.水平力和豎向力由測力傳感器測量.豎向荷載通過油壓千斤頂和反力架施加,并通過試樣上方的剛性板將力傳遞至土體.

圖2 室內大型直剪儀Fig.2 Large-scale indoor direct shear apparatus

1.2 試驗材料及試樣制作

本試驗所使用的黏土取于溫州市洞頭區,軟黏土的基本物理參數如表1所示.在試驗前,將土樣粉碎并加水攪拌,制成含水率為30%的重塑土樣,密閉靜置24 h以保證土樣含水率分布均勻,這樣完成土樣的制備.土工編織布的各項技術指標如表2所示,試驗所用加筋材料采用土工編織布(見圖3).

表1 軟黏土基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of soft clay

表2 土工編織布技術指標Table 2 Technical indices of woven geotextile

圖3 土工編織布Fig.3 Woven geotextile

本試驗所使用的土樣為石英砂,其密度為2.65 g/cm3.為了研究在不同顆粒粒徑下sandwich型加筋土筋土界面循環剪切后的直剪特性,將石英砂分別通過1,2,4和8 mm孔徑的篩,并將粒徑小于1 mm和大于8 mm的土顆粒剔除,從而得到3種不同的石英砂試樣:顆粒粒徑1～2,2～4和4～8 mm石英砂試樣(見圖4,圖中由左至右依次為對應顆粒粒徑1～2,2～4和 4～8 mm).

圖4 試驗用石英砂Fig.4 Testing sand

在剪切盒下放置鐵塊,將裁剪好的土工編織布平鋪在鐵塊上表面,然后通過下剪切盒前后的鋼板及螺栓完成對土工編織布的固定.在完成下剪切盒和土工編織布裝樣后,依次在上剪切盒內填裝石英砂和黏土.在黏土填裝過程中,為保證不同黏土試樣具有相同的密實度,以2 cm厚度為一層,控制每層厚土土樣,使其具有相同的質量并將其壓至標定標高.

2 試驗方案

在本試驗中共設計了3種試驗方案(見表3),分別研究了不同顆粒粒徑、薄砂層厚度對sandwich形加筋土的筋土界面剪切特性的影響.由于試驗儀器自身的限制,所有試驗均只進行了10次循環剪切.每個方案中不變量值的設定都參照了《公路工程土工合成材料試驗規程》的要求,并借鑒了前期試驗所得結果[16].

表3 剪切試驗方案Table 3 Direct shear testing programs

3 試驗結果分析

3.1 顆粒粒徑對sandwich形加筋土界面單調直剪特性的影響

圖5(a)～(c)依次為薄砂層顆粒粒徑為1～2,2～4和4～8 mm的sandwich形加筋土在豎向應力為60 kPa、剪切速率為1.0 mm/min的單調直剪過程中,在不同薄砂層厚度條件下的筋土界面剪應力-剪切位移關系曲線圖.

圖5 在不同薄砂層厚度下筋土界面剪應力-剪切位移關系曲線Fig.5 Relation curves between shear stress and displacement on sand/woven-geotextile interface under diあerent thicknesses of thin sand layers

從圖5中可以看出:①3幅圖中的剪應力-剪位移曲線呈相同的發展規律,即剪應力隨著剪切位移的增大先迅速增大然后趨于平緩,這說明在直剪過程中,筋土界面強度不斷增大,以剪切硬化為主;②當顆粒粒徑相同時,在同等剪切位移下,sandwich形加筋土筋土界面的剪應力隨著薄砂層厚度的增大先增大后減小,即對顆粒粒徑相同的sandwich形加筋土來說,存在一個最優薄砂層厚度,可以使筋土界面內剪應力最大,產生這種現象的原因可能是由于在單調直剪過程中存在一個位于筋材兩側一定范圍內的剪切區域,這個區域內土體性質對筋土界面強度影響較大,當薄砂層厚度較薄時筋土界面附近砂顆粒較少;剪切主要發生在筋材與砂土-黏土的接觸面上,砂顆粒間的鎖嵌作用不明顯,導致筋土界面剪應力較小;當薄砂層厚度過大時,砂土-黏土界面遠離了剪切區域,筋土界面內受到的黏土對砂顆粒的粘接作用影響變小,導致了在單調直剪過程中界面內剪應力的下降;③當顆粒粒徑依次為1～2,2～4和4～8 mm時,其對應的使筋土界面強度最大的薄砂層厚度分別為8,10和14 mm,可以看出對sandwich形加筋土來說,顆粒粒徑越大其最優薄砂層厚度越大.

3.2 顆粒粒徑對sandwich形加筋土界面循環剪切特性的影響

圖6(a)～(c)依次對應了sandwich形加筋土筋土界面在顆粒粒徑為1～2,2～4和4～8 mm時,在豎向應力為60 kPa、剪切速率為1.0 mm/min、幅值為3 mm、薄砂層厚度為10 mm時,筋土界面循環剪切的剪應力-剪切位移曲線關系.

圖6 在不同顆粒粒徑的情況下的筋土界面剪應力-剪切位移關系曲線Fig.6 Relation curves between shear stress and displacement on sand/woven-geotextile interface under diあerent particle sizes

從圖6中可以看出:①在不同顆粒粒徑條件下,循環剪切作用下的筋土界面剪切位移-剪應力發展關系大體上呈現出一樣的趨勢,即在整個循環剪切過程中相鄰滯回圈趨于重合;②在循環剪切過程中,當顆粒粒徑為1～2,2～4和4～8 mm時,筋土界面在正向上剪應力峰值分別為29.12,35.78和30.77 kPa,負向上剪應力峰值分別為?27.03,?27.8和?25.14 kPa,筋土界面在正方向上的峰值剪應力始終大于負方向上峰值剪應力,2個剪切方向上筋土界面存在一定差異,這種剪切異性的產生主要是初始剪切階段在筋材和黏土間的砂顆粒排列導致.

考慮到筋土界面內在剪切過程中存在明顯的剪切異性,取每個循環內正方向上峰值剪應力與負方向上峰值剪應力絕對值的平均值,作為每個循環內筋土界面平均最大剪應力(見圖7).從圖7可以看出,當顆粒粒徑在1～2和2～4 mm時,隨著循環剪切的進行,筋土界面最大剪應力不斷增大,呈剪切硬化特征;當顆粒粒徑為4～8 mm時,界面內最大剪應力先減小后增大,即筋土界面先發生剪切軟化后呈剪切硬化.另外,還可以看出在循環剪切過程中顆粒粒徑為2～4 mm時,界面內最大剪應力大于其他2種顆粒粒徑,這說明隨顆粒粒徑的變大,sandwich形加筋土筋土界面強度先增大后減小.

圖8(a)～(c)依次對應了在薄砂層厚度為10 mm時,在不同顆粒粒徑下sandwich形加筋土筋土界面在循環剪切過程中豎向位移-剪切位移曲線關系.

從圖8中可以看出:①在3種顆粒粒徑下的sandwich形加筋土筋土界面豎向位移整體上以增大為主,即土體都以剪縮為主,同時隨著顆粒粒徑的增大,最終豎向位移不斷增大,即當顆粒粒徑越大sandwich加筋土體越大;②在相同顆粒粒徑條件下,前幾個循環周次中豎向位移不斷增大,土體呈剪縮現象,在剪切位移相同時,相鄰循環次數所對應的豎向位移差值更小,即筋土界面剪縮增量不斷減小,從第2個循環周次開始,顆粒粒徑為1～2和2～4 mm的sandwich形加筋土筋土界面豎向位移開始在循環剪切方向改變位置出現減小現象,從第4個循環開始,在保持剪切方向時豎向位移也會出現變小現象,即筋土界面在每次剪縮交替狀態,而顆粒粒徑為4～8 mm的筋土界面從第5個循環周次開始才出現剪脹現象,這表明顆粒粒徑越大土體剪脹需要進行循環剪切的次數越久,這主要是在顆粒粒徑較大時筋土界面完成重新定向排列至充分密實所需要的循環次數更多.

圖7 在不同顆粒粒徑的情況下筋土界面平均最大剪應力和循環次數關系曲線Fig.7 Relation curves between average maximum shear stress and cyclic numbers on sand/woven-geotextile under diあerent particle sizes

3.3 顆粒粒徑對sandwich形加筋土界面循環后直剪特性的影響

圖9 (a)～(c)依次對應了sandwich形加筋土在顆粒粒徑為1～2,2～4和4～8 mm時,在豎向應力為60 kPa、剪切速率為1.0 mm/min的循環后直剪過程中,筋土界面的剪應力-剪切位移關系.

圖9 在不同薄砂層厚度下筋土界面剪應力-剪切位移關系曲線Fig.9 Relation curves between shear stress and displacement on sand/woven-geotextile interface under diあerent thicknesses of sand layers

從圖9中可以看出:①在循環后直剪過程中,筋土界面剪應力不斷增大,主要呈剪切硬化特征;②當顆粒粒徑依次為1～2,2～4和4～8 mm時,薄砂層厚度對應為8,10和14 mm時,筋土界面內剪應力最大,即在循環后直剪過程中,同樣存在一個最優薄砂層厚度,使sandwich形加筋土筋土界面強度最大,且對顆粒粒徑不同的sandwich形加筋土而言,顆粒粒徑越大最優薄砂層厚度越大;③當薄砂層厚度為10和12 mm時,3種顆粒粒徑下筋土界面內相同剪切位移對應的剪應力隨顆粒粒徑的增大呈先增大后減小趨勢,但當顆粒粒徑為2～4和4～8 mm時,筋土界面內剪應力差值遠小于1～2和2～4 mm顆粒粒徑間的差值,在不同顆粒粒徑所對應的最優薄砂層厚度條件下,sandwich形加筋土筋土界面內剪應力隨顆粒粒徑增大而增大.

3.4 循環剪切應力歷史對sandwich形加筋土界面的影響

將sandwich形加筋土在單調直剪及循環后的直剪過程中剪應力的最大值作為其筋土界面最大剪應力.圖10為當顆粒粒徑不同時sandwich形加筋土在單調直剪試驗和循環后直剪試驗中筋土界面最大剪應力-薄砂層厚度關系對比.

圖10 在不同顆粒粒徑情況下單調直剪試驗與循環后單調直剪試驗最大剪應力-薄砂層厚度關系對比Fig.10 Comparisons of maximum shear stress and cyclic number curves in monotonic direct shear tests and post-cyclic direct shear tests under diあerent particle sizes

從圖10中可以看出:①在單調直剪和循環后后直剪過程中,同樣的顆粒粒徑下筋土界面內的最大剪應力整體上隨薄砂層厚度增大而先增大后減小,當顆粒粒徑和薄砂層厚度相同時,循環后直剪過程中最大剪應力大于單調直剪過程中的最大剪應力;②在單調直剪和循環后直剪過程中,當薄砂層厚度為10 mm時,筋土界面內最大剪應力隨顆粒粒徑增大而先增大后減小;當薄砂層厚度為12 mm及不同顆粒粒徑所對應的最優厚度時,顆粒粒徑為2～4和4～8 mm時的筋土界面最大剪應力差值較小,且大于顆粒粒徑為1～2 mm時界面內最大剪應力;③在經歷循環剪切作用后,不同顆粒粒徑下的最優薄砂層厚度沒有發生改變.

圖11在不同顆粒粒徑情況下單調直剪試驗與循環后單調直剪試驗豎向位移-剪切位移關系對比Fig.11 Comparisons of vertical displacement-shear displacement curves in monotonic direct shear tests and post-cyclic direct shear tests under diあerent particle sizes

圖11 為當顆粒粒徑不同時,薄砂層厚度為10 mm的sandwich形加筋土在單調直剪試驗和循環后直剪試驗中筋土界面豎向位移-剪切位移關系的對比.從圖10中可以看出,在受到循環剪切作用后,筋土界面的豎向位移小于單調直剪下的豎向位移,這說明循環后直剪過程中筋土界面的剪縮量更小,這種現象產生的主要原因是在經歷循環剪切后,薄砂層中砂顆粒與黏土接觸部分的砂顆粒完全嵌入黏土,砂顆粒與砂顆粒相互嵌鎖,土體更加密實;另外,在單調直剪過程中和循環后直剪過程中筋土界面的豎向位移的差值,隨著顆粒粒徑的增大呈先增大后減小的趨勢.

4 結論

本工作對sandwich形加筋土筋土界面進行了室內單調直剪及循環后直剪試驗,并對比分析了筋土界面的剪應力變化及體變規律,得到了如下結論.

(1)在單調直剪和循環后直剪過程中存在一個最優厚度,使得sandwich形加筋土筋土界面強度最大.

(2)在單調直剪和循環后直剪過程中,sandwich形加筋土中砂層顆粒粒徑越大,最優薄砂層厚度越大.

(3)在循環剪切過程中,隨顆粒粒徑增大界面強度呈先增大后減小的趨勢.

(4)和單調直剪相比,在循環后直剪過程中不同顆粒粒徑下的最優薄砂層厚度和單調直剪保持一致,經過循環剪切作用后筋土界面強度大于單調直剪過程中的界面強度,其土體的體變小于單調直剪時的體變.

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