不同直徑的加筋土三軸試驗

張遠航

（信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，重慶 401120）

加筋土是筋材和土體的復合體，在現代土木工程中受到越來越多的認可。筋材和土體的結合有效改變了土體原有的應力-應變場，改善了土體變形條件，提高了土體的工程性能。前人研究多注重加筋的形式、材料，以及不同種類的土體對加筋土強度特性的規律研究。基于加筋形式的復雜和多樣性，對于加筋材料的尺寸研究還相對較少。本文通過黏土的三軸試驗，以土工格柵為加筋材料，分析了不同加筋尺寸的加筋土強度特性，以期找到加筋土材料的最佳尺寸。

一、試驗設計

（一）試驗儀器

試驗采用GDS三軸試驗儀，可精確控制應變進尺，使用其配套的數據采集系統，可實現試驗過程中實時自動采集、存儲數據。試驗詳細方法參照《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007），試驗過程中應變速率控制為1.5mm/min，每次采集后開展數據分析，為下次試驗做調整。試驗時以主應力差峰值點為破壞點，選取3種圍壓開展試驗，分別為100kPa、200kPa和300kPa，目的是為確保試驗后試樣繪制強度包絡線的完整性。

（二）試驗材料

填料為黏性土，該土呈棕色，按《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）測定該土體的物理性質指標，包括容重、含水率、密度等，得到該黏土的比重為2.69%，最大干密度為2.01g·cm-3，最佳含水率為11.2%。根據三軸試驗試件的尺寸（直徑10cm，高度20cm），結合土工格柵的材料特性，選用易于制樣的玻璃纖維土工格柵為試驗筋材，其網眼尺寸為20mm×20mm。

（三）試件制備

三軸試驗將土體作為單元。根據三軸儀的規格，試件直徑為10cm，高度為20cm。先將硬紙板以圓規畫作不同直徑的圓，并將之剪切備用，再以硬紙圓作為模板覆蓋于土工格柵上，標記出圓外輪廓并將土工格柵材料沿著外輪廓剪出，制備土工格柵試樣作為加筋材料。在剪切過程中，注意保持土工格柵結構完整，盡可能減少對土工格柵的折疊。

由于土體強度對土中含水率的變化非常敏感，在制備土體試樣時應加強對土體含水率的控制。土體在配置過程中，經過篩分、噴灑拌勻后，裝入保鮮密封盒中靜置養護，1天后再進行試樣制備。控制壓實度是制備試驗試樣的關鍵，結合目前路基常用參數指標，參考公路路基規程，回填土一般控制壓實度為93%，因此試驗的制樣壓實度控制為93%。

試樣制備時筋材分3層加入，呈對稱布置。采用分層填筑的方式，將每層土體盡量均勻地放入模具中，在擊實過程中及時測量進尺深度，嚴格控制壓實度并在每層土體填筑完成時施行刨毛處理，保證土體之間的咬合摩擦。而對于筋材的加入位置亦要施行刨毛處理，保證土體與筋材之間的相互結合。

（四）試驗方案

試驗的目的是研究不同直徑加筋材料對土體強度特性的影響規律。根據試驗目的，設計4種不同加筋直徑，得出4種工況。工況M1為普通土樣，沒有加筋；工況M2～M4采用與M1相同的土樣，保證具備可對比性。經過調研，結合試件尺寸，加筋方式采用分層加筋，分為三層。豎直方向上盡量與試件模具中軸線重合，水平方向盡量保證水平，呈對稱布設狀，減少筋材在試件中的錯層和傾斜。不同的加筋直徑用以測定加筋直徑大小對土體的其抗剪強度的影響。每組測試經過多次試驗，剔除干擾試驗，保證數據的真實和有效性。

二、加筋土應力-應變特性分析

篩選試驗數據，剔除干擾數據，整理分析有效數據，得出三軸試驗的應力-應變曲線圖。從該圖中可以得出，加筋土和土體的應力-應變曲線一致，在一定應變范圍內，應力都隨著應變的增加而增加，特別是在應變2%以內時，應力隨應變呈線性變化。

從該圖中還可以得出，在軸向應變達到4%之前，應力在急劇攀升后，達到最大值。加筋土的抗剪強度達到峰值強度后，應力隨應變的變化情況有所區別，應力不再隨著應變的增加而增大，而是逐漸減小。研究認為，這與土體的材料特性有關，土體作為一種特殊材料，其粒狀結構特性是導致這種現象的原因，同時這也符合土體的強度特性。從試驗結果還可以得出，土體中筋材的加入不僅提升了土體的峰值抗剪強度，也提升了土體的殘余強度。

由應力-應變曲線可知，加筋土的抗剪強度增長速率是高于土體本身的，并沒有出現前人研究中所出現的加筋土強度較土體本身的延后情形。筋材與土體的結合隨加筋土的強度提升是從試驗一開始就貫穿至試驗結束的。研究認為，這與試樣的制作流程有關，由于是分層填筑，試樣在制作過程中，已經對筋材和土體實施了擠密和壓實措施，筋材與土體之間的相互結合已經施加了應力，筋材一開始就能和土體牢牢咬合，使之一起發揮作用，實現土體強度的提升。

筋材的直徑大小與加筋土抗剪強度的提升密切相關。從直徑4cm～8cm的過渡過程中，無論圍壓大小，加筋材料的直徑越大，筋材的峰值應力及殘余應力也越大，同時加筋土材料的抗剪強度增長速率也越快。隨著圍壓提升，加筋土的抗剪強度提升與土體規律保持一致，但加筋直徑與強度提升幅度有所區別。從圖中可以得出，直徑從4cm增大到6cm時，相較于直徑從6cm增大到8cm，加筋土抗剪強度的提升幅度相對較大。這種現象在低圍壓下（100kPa）表現明顯，這說明低圍壓有利于發揮出筋材與土體的共同作用，而高圍壓下，筋材不容易發揮出與土體的共同作用。因此，如何合理有效且最大限度的發揮加筋土的強度特性，需要恰當選擇加筋材料直徑，避免不必要的浪費，最終確定試驗中的加筋最佳直徑為6cm。

三、加筋土抗剪強度變化規律

土體是一種彈塑性材料，區別于彈性和塑性材料，其強度特性同時具有彈性和塑性兩種材料的特性。土體的抗壓強度相對較高，抗拉強度較低，土體的強度指標一般指抗剪強度。因此，對筋材土體結合后的復合土體-加筋土的抗剪強度研究，有利于研究筋材在土體中的共同作用效果，是研究加筋土的重要方法。

結合加筋土的三軸試驗結果，將有效數據導入Excel中整理分析。根據土體三軸試驗抗剪強度理論和試驗結果，計算加筋土的抗剪強度指標。

結合加筋土的應力-應變曲線可知：

（一）筋材對土體的黏聚力c和內摩擦角φ有著不同影響

對黏聚力c，加筋土黏聚力比無筋土黏聚力高，并且加筋土黏聚力隨著筋材直徑的增大而逐漸增大。對內摩擦角φ，加筋土內摩擦角φ大于無筋土，內摩擦角的變化規律有別于黏聚力。加筋土內摩擦角并沒有隨筋材直徑的增大而增大，只在一定程度內有所增加。因此，筋材的加入有利于土體抗剪強度提高，改善了土體的黏聚力c值和內摩擦角。

（二）匯總加筋土各個工況的黏聚力和內摩擦角值

加筋土的黏聚力上升速率與筋材直徑有關，隨著筋材直徑的增加，雖黏聚力值一直在增大，但黏聚力上升速率并非一直增加，在筋材直徑4cm～6cm時，黏聚力增長速率最大，這與前面分析的存在最佳加筋筋材直徑的結果相符。

加筋土內摩擦角的變化相對較小，但出現在筋材直徑為6cm時，加筋土內摩擦角最大，由此可見，加筋土內摩擦角的增加有限。

四、結語

筋材不僅提升了土體的峰值強度，也提升了土體的殘余強度；加筋土的抗剪強度增長速率高于普通土體，其抗剪強度的提升沒有延后性；加筋土的抗剪強度隨著筋材直徑的增加而增大，但提升幅度并不隨著直徑的增大而增大，存在一個最佳直徑為6cm；加筋土在低圍壓下有利于發揮筋材與土體的相互作用，提升加筋土抗剪強度；筋材的加入提高了土體抗剪強度，改善了土體的黏聚力c值和內摩擦角；加筋土隨著筋材直徑的增加，黏聚力上升速率并不是一直增加，在筋材直徑6cm時，黏聚力增長速率最大，內摩擦角增長有限。