土工格柵-粗粒土界面考慮尺寸效應直剪試驗研究

張 珂，姚小平

(1.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學，河南 焦作 454000)

0 引 言

加筋土技術具有提高經濟效益、施工效率高、外觀美觀、減小建筑面積等優勢[1]，在短短幾十年時間，該技術得到長足發展。加筋土結構依靠土工格柵-粗粒土界面互鎖機制減小變形、增強其結構穩定性及抗震性，在公路、鐵路及巖土工程領域應用廣泛[2-5]。影響這種互鎖機制的因素很多，其中填料顆粒粒徑與土工格柵網孔尺寸（粒孔比d50/La）的影響較為顯著，在設計時候常常作為重要設計參數。

通過調研，國內外有關土工格柵-粗粒土界面抗剪特性的研究成果較為豐碩，特別是試驗方面。閻鳳翔等[6]開展雙向和三向格柵直剪摩阻試驗，研究筋土界面特性。試驗表明格柵類型、填料級配決定了筋土界面抗剪強度特性，其中三向格柵筋與中、細礫土界面的似粘聚強度最大，而雙向格柵筋與粗礫土界面的似粘聚強度最大。趙雨朦等[7]借助大型直剪儀研究了加筋土結構物的力學特性及穩定性，重點考慮土工格柵的物理幾何特性的影響，如土工格柵相對開孔面積等。劉飛禹等[8-9]為研究土工格柵與粗粒土相互作用，借助大型直剪設備開展了不同粒徑的粗粒加筋土在循環剪切荷載下的力學特性。唐曉松等[10]基于試驗模型建立數值仿真分析手段研究加筋土抗剪特性。結果發現網格尺寸應該達到筋土接觸總面積的30%，才能有效發揮加筋作用。劉希鵬[1]通過改進的大型直剪和拉拔試驗，研究了粗粒土與土工格柵界面靜、動力特性及變形強度特性。試驗發現土工格柵可有效提高筋土界面摩擦角，從而提高加筋結構整體抗剪強度，且表現為先剪縮后剪脹的規律。劉飛禹等[9]采用動態直剪儀研究了粗顆粒形狀對筋土界面剪切特性的影響，得出不同剪切幅值（除了15 mm幅值外）循環加載下碎石格柵界面抗剪強度較未經循環加載的界面抗剪強度有明顯提高。Sweta等[11]開展室內直剪試驗探討土工格柵開口尺寸與粗顆粒平均粒徑之比對加筋土結構物剪切力學特性的影響。結果表明土工格柵的網格尺寸與土顆粒平均粒徑之比存在一個最優值范圍，使得加筋土結構物抗剪性能最優。Gongora等[12]采用試驗手段研究了土工格柵尺寸與粗粒土粒徑比值對加筋路基的動力響應的影響規律，試驗結果表明：上述比值取1.8時，加筋路基的動力特性最佳。然而以上研究土工格柵與填土界面剪切特性主要以靜力作用為主，在實際工程中動力作用無處不在，如地震力、交通荷載等。為此，本文采用大型直剪儀，對不同孔粒比下（土工格柵網格尺寸與粗粒土平均粒徑之比）筋土界面抗剪特性進行研究，以期在合理選用土工格柵尺寸方面指導工程實踐及設計。

1 循環剪切試驗概況

1.1 試驗設備及材料

本次循環剪切試驗采用廣州歐美大地儀器科技有限公司生產的ShearTrac III-大型直剪儀（如圖1所示），主要由計算機控制系統和微步進馬達組成，其主要技術參數：加載能力50 kN，速度范圍為0.000 03～7 mm/min，水平和垂直行程為90 mm。

圖1 ShearTrac III-大型直剪儀

試驗填料采用的粗粒土為石英砂，為了研究不同孔粒比對筋土界面剪切特性的影響，通過固定土工格柵開口尺寸而改變填料平均粒徑的方法，采用篩網孔徑分別為 0.5，1.18，2.36，4.75，8 mm 對石英砂進行篩分，進而獲得4種不同粒徑組成的粗粒土樣，對應土試樣代碼分別為T1（0.5～1.18 mm）、T2（1.18～2.36 mm）、T3（2.36～4.75 mm）、T4（4.75～8 mm）。這4種粗粒土的物性指標見表1、圖2。

圖2 粗粒土土樣

表1 試驗用粗粒土物性指標

試驗采用的土工格柵為聚丙烯材料，其技術指標及參數：單位面積質量 280 g/m2，網格尺寸長×寬=30 mm×30 mm，縱橫肋尺寸為5 mm，極限延伸率為15%，極限抗拉強度為20 kN/m。

1.2 試驗方法及步驟

圖3為試驗裝置示意圖。剪切設備的核心部件為上、下剪切盒。上剪切盒始終保持固定，下剪切盒則沿著圖中所示的路徑進行水平剪切運動（Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ）。

圖3 直剪試驗裝置示意圖（單位：mm）

試驗時將篩分好的粗粒土填料按密實度控制分6層填入上、下剪切盒，并達到試驗設計的高度。然后將土工格柵兩端固定在下剪切盒，同時平鋪在其表面。上剪切盒尺寸：長×寬×高=300 mm×300 mm×100 mm，下剪切盒尺寸：長×寬×高=400 mm×300 mm×100 mm。

剪切試驗工況共4組，4種孔粒比值，分別為0.04（T1）、0.08（T2）、0.12（T3）及 0.20（T4），對應 4組不同粒徑的粗粒土填料。施加的豎向應力均為60 kPa。循環剪切總周次n為10。為了反映孔粒比對筋土界面循環剪切特性的影響，需要統一其他試驗條件，控制試驗變量因素。參照規范[13]，粗粒土試樣相對密實度Dr為55%，而任意循環周次下剪切速率V均為1 mm/min，剪切的位移幅值為3 mm。試驗時加載的波形如圖4所示，T為一個加載周期。試驗中重點關注筋土界面宏觀的力學指標，如界面剪應力、剪位移等。

圖4 試驗加載波形圖

2 試驗結果與分析

2.1 筋土界面循環剪切特性

圖5為孔粒比d50/La=0.04不同循環回次下剪切滯回圈對比圖。從圖中可以看出，不同循環回次下界面剪切滯回曲線呈現相似的形狀，即呈近似“菱形”（傾斜角度約20°，菱形延伸方向為一、三象限），且隨著剪切循環回次的增加，剪切滯回曲線存在逐漸重疊的趨勢。同時，隨著循環剪切回次的增加，界面剪應力峰值逐漸增大，意味著筋土界面存在剪切硬化現象。這是由于在循環剪切作用下，筋土界面粗粒土發生相對位移，土粒空間形態和位置不斷發生調整，從而使其重新排列，土顆粒密實度增大，抗剪特性增強。

圖5 孔粒比d50/La=0.04不同循環回次下剪切滯回圈對比圖

另外注意到，不同剪切方向上筋土界面最大剪應力大小存在一定的差異，并非完全中心對稱。這是由于沿著初始剪切方向，在土工格柵的約束下界面土顆粒發生明顯定向排列，土骨架發生剪脹現象；而反方向剪切下，界面附近土顆粒更多發生滑移、偏轉，因此出現剪切特性的異向性。

圖6為不同孔粒比d50/La下筋土界面最終（n=10）剪切滯回圈對比圖。從圖中可以看出，不同d50/La下界面最終剪切滯回曲線均呈現相似的形狀，即呈近似“菱形”，最大剪應力出現在剪切位移最大處。從圖中還可以看出，不同孔粒比d50/La的最終剪切滯回曲線存在差異，特別是在兩端剪切位移幅值處（剪切方向發生180°變化），這說明孔粒比d50/La對筋土界面剪切特性有一定影響。

圖6 不同孔粒比d50/La下剪切滯回圈（n=10）對比圖

圖7為一定試驗條件下（Dr=55%，V=1 mm/min）不同循環次數n下筋土界面峰值剪應力與孔粒比d50/La的關系曲線圖。峰值剪應力的定義為在一個剪切滯回圈中最大的剪應力。從圖中可以看出，任一循環剪切次數下，界面峰值剪應力隨孔粒比d50/La呈現先增后減的變化趨勢，這意味著在循環剪切試驗中存在一最佳孔粒比（d50/La=0.08），使得筋土界面峰值剪應力最大。且隨著剪切次數的增加，峰值剪應力有繼續增大的趨勢，這稱為“剪切硬化”現象[14]，由于粗粒土在循環剪切過程中不斷調整方位形態，出現了重新排列，從而使界面處粗粒土的密實度提高，其抗剪能力隨之提高。

圖7 不同循環次數下孔粒比與界面峰值剪應力的關系曲線圖

圖8為孔粒比d50/La=0.04時加筋粗粒土豎向位移與剪切位移關系曲線圖（限于篇幅，這里只給出孔粒比d50/La=0.04的曲線圖）。在循環剪切試驗中，加筋土樣豎向位移的差值稱為剪縮。從圖中看出，在設定的試驗條件下，從整體來看土工格柵-粗粒土加筋土試樣在循環剪切過程發生剪縮變形，最終剪縮變形為2.6 mm，且相鄰循環圈剪縮變形的增量與剪切循環次數呈負相關關系，即隨著循環剪切周次的增加，加筋土試樣剪縮增量逐漸減小。在每一個循環剪切圈中均兩次交替出現了剪脹和剪縮現象，且同一組次剪脹變形量總是小于剪縮變形量。

圖8 孔粒比d50/La=0.04時豎向位移與剪切位移關系曲線圖

圖9為不同剪切循環回次n下加筋土剪縮量與孔粒比的關系曲線圖。從圖中可以得出，不同剪切回次n下加筋土剪縮量隨孔粒比d50/La大體上呈正相關關系，只是d50/La在0.04～0.12區間剪縮量隨孔粒比d50/La的增大增速緩慢，而d50/La在0.12～0.20區間剪縮量隨孔粒比d50/La增大增長顯著。另外，同一d50/La下，隨著剪切循環回次n的增加，加筋土剪縮量逐漸增大，且其增大速率逐漸減小。

圖9 加筋土剪縮量與孔粒比的關系曲線圖

2.2 筋土界面動力剪切特性

Nye等[15]在研究加筋土格柵構筑物動力性能時，選用2個關鍵參數，即剪切剛度和阻尼比，來表征筋-土界面動力循環剪切特性。這里用以分析土工格柵-粗粒土界面動力特性同樣適用。圖10表示筋土界面單個循環剪切滯回圈示意圖，剪切剛度和阻尼比的物理意義可由此圖形象示出。

圖10 界面剪切滯回圈示意圖

筋-土界面剪切剛度可由下式表示：

式中：K——循環剪切下筋土界面抗剪剛度，kPa/m；

τ1、τ2——互為反向的峰值剪應力，Pa；

Δa——循環剪切試驗中剪切位移幅值（最大剪切位移），mm，具體如圖10所示。

筋土界面阻尼比的計算公式如下：

式中：D1、D2——互為剪切反向上的界面阻尼比；

A——剪切循環滯回圈的總面積；

A1、A2——不同剪切方向上陰影部分的面積。

圖11表示一定試驗條件下（Dr=55%，V=1 mm/min）不同孔粒比下剪切剛度與循環剪切次數的關系曲線圖。從圖中可以看出，筋土界面抗剪剛度與剪切循環次數呈正相關關系，這意味著隨著循環剪切過程的發展，界面附近的土體密實度提高，筋土間咬合度增強，從而表現為界面剛度增大，出現循環剪切硬化現象。容易看出，當d50/La=0.08時，在任意循環剪切次數下筋土界面剪切剛度均最大，說明在此孔粒比下筋土界面抗剪切變形的能力最強。另外，當d50/La=0.2時，隨著循環次數的不斷增加，筋土界面抗剪剛度的增幅最大，意味著在此孔粒比下粗顆粒與筋材間咬合調整空間較大。

圖11 不同孔粒比下剪切剛度與循環剪切次數的關系曲線圖

圖12表示一定試驗條件下（Dr=55%，V=1 mm/min）不同孔粒比下筋土界面阻尼比與循環剪切次數的關系曲線圖。從圖中可以看出，筋土界面阻尼比與剪切循環次數呈負相關關系，即隨著循環剪切次數的增加，界面阻尼比逐漸減小，且在循環剪切次數n＜4時阻尼比減小速率大，阻尼比的減小意味著筋土界面在剪切作用下能力耗散變慢。在任一循環剪切次數下，阻尼比從大到小對應的孔粒比d50/La為：0.2、0.12、0.04、0.08。結合圖 11可知，當d50/La=0.2時，筋土界面抗剪剛度最小而阻尼比最大；當d50/La=0.08時，筋土界面抗剪剛度最大而阻尼比最小。

圖12 不同孔粒比下阻尼比與循環剪切次數的關系曲線圖

3 結束語

本文通過開展室內循環直剪試驗，探討了土工格柵-粗粒土界面抗剪特性受不同孔粒比d50/La（0.04，0.08，0.12及0.2）影響規律，得到主要結論如下：

1）同一試驗條件下（剪切循環次數、剪切速率及粗顆粒填料密實度均相同），土工格柵-粗粒土界面峰值剪應力隨d50/La的增加呈現先增后減的變化規律，在d50/La=0.08時存在一個最大值，使得峰值剪應力最大。

2）土工格柵-粗粒土界面剪切剛度隨d50/La的增加呈現先增后減的變化規律，在d50/La=0.08時剪切剛度最大，此時筋土界面抗剪切變形能力最強。

3）土工格柵-粗粒土界面阻尼比隨d50/La的增加表現為先減后增的變化規律，在d50/La=0.08時阻尼比最小，而當d50/La=0.2時阻尼比最大，受循環剪切作用時筋土界面能量耗散得最快。