不同土工合成材料與再生混凝土骨料界面動剪切特性研究

吳建奇， 李 磊， 王 軍

(1.江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省環境巖土與工程災害控制重點實驗室，江西 贛州 341000；3.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

廢舊混凝土的再生利用是響應國家可持續發展的基本戰略，所以就如何使廢舊混凝土在實際工程領域高效利用的問題成為現階段研究重點之一。國外許多學者對廢舊混凝土直剪特性進行了研究，Arulrajah等[1]發現建筑垃圾中的廢舊混凝土具有較高的抗剪強度，可在加筋結構中作為填料使用。Poon等[2-3]發現C&D中的再生混凝土骨料(RCA)在實際工程中是良好的替代材料。而土工格柵作為加筋墊層材料在路基工程、支護擋墻工程中應用較為廣泛[4-5]，且加筋界面的相互作用對實際工程的安全及穩定性有顯著影響[6]。趙雨朦等[7]分析不同格柵數量和格柵分布方式對加筋土界面力學特性的影響，抗剪強度與節點厚度及相對開孔面積正相關，與肋條的長度寬度負相關。Ybriancon等[8]用一種稱為“標準位移程序”的新方法對描述斜面確定土工合成材料界面摩擦角的方法進行改進。黃大維等[9]用高爐渣改良填料進行大型直剪試驗分析發現法向應力小于150 kPa時黏聚力很小,法向應力大于150 kPa時表現出較好的黏聚力。Arulrajah等[10]通過使用改進的大型直剪儀研究了RCA與土工合成材料的界面抗剪性能。研究表明改進的直剪試驗裝置下土工格柵加筋混凝土與界面抗剪強度高于常規試驗方法，且在不同加筋填料中RCA的抗剪強度最高。

但在實際工程，有些加筋土結構通常會受到地震、交通荷載、機械引起的震動等動力作用的影響，因此研究者對筋土界面作用特性的研究不再局限于靜載作用，開始關注循環荷載等動力作用的影響。Vieira等[11]通過單調直剪試驗和循環直剪試驗，對應力控制與位移控制下砂土與土工織物界面剪切試驗結果進行了對比分析，研究發現位移控制循環直剪試驗的剪切剛度和阻尼比稍高。劉飛禹等[12-14]對不同剪切速率、填料密實度、循環剪切幅值等因素下筋土界面的剪切特性進行了研究，研究表明剪切速率對循環剪切后的筋土界面剪切特性有較大影響，對單調直剪的筋土界面的剪切特性影響不大。密實度對循環剪切后的筋-土界面剪切特性影響顯著，密實度越大，剪縮量越小。王軍等[15]對不同顆粒級配砂土-格柵進行了界面靜，動剪切特性對比研究，研究表明顆粒級配良好的筋土界面抗剪強度最大，循環剪切后砂土的筋土界面抗剪強度顯著提高，界面似黏聚力減小，內摩擦角增加。

綜上所述，RCA的研究主要集中在材料本身的直剪特性，且研究都在靜力試驗方面。關于不同土工合成材料對RCA-加筋界面的靜力與動力特性的影響還未見報道。為更好了解不同土工合成材料對RCA-加筋界面的靜、動力特性的影響，采用室內大型直剪儀，對RCA與不同土工合成加筋種類進行了不同剪切幅值條件下的單調直剪試驗、循環剪切試驗和循環剪切后單調直剪試驗，探討了不同土工合成材料，不同剪切幅值對RCA與筋材界面靜、動力特性的影響，為工程應用提供科學依據。

1 試驗設備與材料選取

1.1 試驗設備

本次試驗研究所用設備為美國Geocomp公司制造的ShearTrac III室內大型直剪儀，直剪儀的上盒及下盒的尺寸大小及設備內部構造如圖1(a)所示,加載波形如圖1(b)所示。下剪切盒在剪切方向上的長度較上剪切盒長，采取此不同直剪盒大小是保障剪切面積不變的同時以避免剪切面積減小而產生的試驗影響。剪切位移運行范圍為0～100 mm，可調控的最大剪切速率為15 mm/min。試驗數據由機載軟件實時自動讀取,記錄儲存并生成相關圖表。

(a) 直剪儀內部構造詳圖

(b) 循環剪切加載波形圖圖1 室內大型直剪儀(mm)Fig.1 Large-scale direct shear apparatus(mm)

1.2 試驗材料

本次試驗所用的廢舊混凝土通過人工翻撿的方式取自茶山鎮附近的拆遷現場，將廢舊混凝土運至試驗場地風干，初步的篩選之后進一步使用破碎機進行破碎，以減小廢舊混凝土的顆粒尺寸增大其均勻程度。根據JTJF10—2006《公路路基施工技術規范》[16]，將破碎后的廢舊混凝土進行篩分，并取4.75～26.5 mm作為試驗樣本，簡稱再生混凝土骨料(RCA)。根據GBT 20123—1999《土工試驗方法標準》[17]，將不同粒徑區間的RCA按一定比例配制成級配良好的材料S1，RCA的級配曲線如圖3所示，物理參數見圖3。試驗所用土工合成材料如圖4所示，包括5種不同種類的土工合成材料，筋材的技術指標見表1。

2 試驗方案

本次試驗分別進行了在不同法向應力(60 kPa、90 kPa、120 kPa)，剪切幅值(5、10、15 mm)條件下，針對RCA與5種不同土工合成材料界面進行單調直剪(MDS)，循環剪切(CDS)和后循環單調直剪(PCDS)試驗，如表2所示。根據JTG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗規程》和劉博等[18]的研究來看,設定各組試驗的剪切速率設定為1 mm/min。為減少RCA與剪切盒壁之間的摩擦影響，試驗前在盒壁四周涂凡士林。試驗材料RCA的密實度控制是一個關鍵點。根據相對密實度Dr的分類標準，選取90%密實度的RCA試樣進行研究。由于直剪盒的體積不變，所以可以通過控制裝入直剪盒內的RCA的質量來控制，采用分層裝填法來控制填料密實度。將總質量一定的試樣分5層(每層2 cm)，控制每層填入相同質量的RCA，并用普式錘夯實至標定高度，就可使每次試驗具有同樣的密實度。土工合成材料通過下剪切盒前后的鋼板、螺栓等固定在裝好填料的下剪切盒上。

圖2 試驗所用RCA試樣Fig.2 RCA specimens for testing

(a) PG

(b) FG

(c) WK

(d) WG

(e) GT圖4 試驗用土工合成材料Fig.4 Geosynthetics for testing

表1 土工合成材料的技術指標

表2 試驗方案

3 試驗結果及分析

3.1 循環剪切試驗結果及分析

圖5在法向應力90 kPa、剪切幅值15 mm、剪切速率為1 mm/min的循環剪切試驗條件下5種不同加筋界面剪應力-剪切位移關系曲線，RCA作為對比組。由圖可以看出，在循環剪切過程中，5種不同加筋界面的剪應力-剪切位移滯回曲線隨循環剪切圈數的增加由內逐漸向外擴大，表現出明顯的界面剪切硬化現象，并且在同一循環圈數下，5種加筋界面在初始剪切方向上的峰值抗剪強度大于相反方向上的峰值抗剪強度。這表明不同土工合成材料與RCA的界面循環特性在不同剪切方向上是不同的，這種現象可能與初始剪切過程中RCA的各向異性有關。在CDS的試驗中，最后一個循環滯回圈中5種加筋界面與RCA界面的界面抗剪強度從大到小依次為PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、RCA、WG-RCA界面，其值大小依次為294.5 kPa、265.4 kPa、242.4 kPa、222.5 kPa、211.7 kPa、199.6 kPa。分析原因可能為PG、GT、FG、WK等加筋材料在循環剪切過程中發生明顯的顆粒-孔徑互鎖，加筋材料的橫肋提供了良好的“被動阻力”作用，顯著加強了筋土界面的抗剪強度，而WG的加入阻礙了顆粒與顆粒的互鎖，且沒有格柵橫肋的“被動阻力”作用，導致加筋效果不明顯。

圖5 不同土工合成材料與RCA界面剪應力-剪切位移曲線Fig.5 Shear stress-shear displacement curve at the interface between different geosynthetics-RCA interface

圖6為法向應力90 kPa下5種不同加筋界面的界面剪切位移與豎向位移關系曲線，RCA作為對照組。由圖6可知，5種加筋界面在CDS試驗中表現出明顯的剪縮現象，在每次循環周期中，RCA、PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA界面的剪縮與剪脹現象交替出現，在前期循環圈數下，界面剪縮量非常明顯，隨后在后后期的循環剪切作用下，5種加筋界面的剪縮量的增長速率在逐漸降低。5種加筋界面的剪縮量比RCA界面的剪縮量都明顯減小，表明土工合成材料的加入能明顯改善RCA界面的剪切變形，且PG-RCA界面改善效果最好。5種加筋界面與RCA界面在CDS試驗中界面豎向位移與循環圈數的關系曲線如圖7所示。由圖7可知，RCA、PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA界面的界面最大收縮值(λC)依次為14.62、10.57、13.79、12.94、12.89、11.63 mm。加筋材料之所以能改善RCA的剪切變形的直接原因就是能很好的限制RCA自由運動，減小爬坡效應。

3.2 循環剪切作用對加筋界面的剪切剛度與阻尼比的影響

土的剪切動態響應通常由割線剪切模量和阻尼比來表示，Desai等[19]對該方法進行了修改，使其適用于砂和混凝土界面。本試驗用相似方法對5種不同加筋界面與RCA界面循環響應進行表征。引入割線剪切剛度與阻尼比的概念[20]，定義剪切剛度K值為

(1)

(2)

式中:D1，D2分別為第一個和第二個半周期的阻尼比;A為滯回圈圍起來的總面積;A1，A2為圖8中定義的面積。

利用式(1)與(2)得到了5種加筋界面與RCA界面的剪切剛度和阻尼比，5種加筋界面與RCA界面的剪切剛度和阻尼比隨循環次數的變化規律如圖9所示。RCA界面的剪切剛度隨循環次數的增加數值變化不大，而5種不同加筋界面的界面剪切剛度隨循環次數的增加而呈現出整體上升趨勢，界面剪切剛度有升有降，可能原因是由于RCA的破損與顆粒的重新排列所導致界面抗剪強度的變化有關。比較5種加筋的界面剪切剛度可知，剪切硬化程度大小依次為PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、RCA界面。對于阻尼比而言，它通常隨循環次數的增加而逐漸減小。如圖9(b)所示，從PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA 5種加筋界面測得的第1圈與第10圈的界面阻尼比之差的大小分別為0.016、0.038、0.037、0.22、0.049、0.02。5種加筋界面的阻尼比整體趨勢減小，相比于RCA界面，5種加筋界面的阻尼比大小變化更加明顯，最大的為WG-RCA界面，其次是PG-RCA界面，最小的為GT-RCA界面。產生此現象的原因為CDS試驗中加劇了RCA顆粒的剪碎與重排，而土工合成材料中格柵橫肋提供的“被動阻力”作用更加明顯，從而導致5種加筋界面的阻尼比相較于RCA界面變化更明顯。

圖6 不同土工合成材料與RCA剪切位移-豎向位移曲線Fig.6 Shear displacement-vertical displacement curves of different geosynthetics-RCA interface

3.3 循環剪切幅值對RCA加筋界面的影響

圖10顯示了不同循環剪切幅值(Δa)下CDS試驗中PG-RCA界面的剪切位移-剪應力關系圖，PCDS試驗中Δa值為5、10、15 mm的界面峰值剪應力分別為241.9 kPa、270.6 kPa、316.27 kPa。試驗結果表明，幅值從5 mm增加到15 mm，PG-RCA界面的PCDS階段的界面峰值剪應力隨剪切位移幅值的增大而增大。同時還表明當Δa值越大時，PCDS階段的界面峰值剪應力出現在越大的剪切位移處。圖11顯示了CDS試驗中Δa值為5、10、15 mm的剪切位移-豎向位移關系曲線，由圖11可知，對于每個Δa值，PG-RCA界面在CDS試驗中表現出整體收縮的現象，并且在每個循環直剪中收縮和膨脹交替出現，并且當Δa值越大，收縮與膨脹交替程度更加明顯。當Δa值為5、10、15 mm時，CDS試驗階段中PG-RCA界面的整體收縮量為8.53 mm、9.46 mm、10.57 mm，收縮量隨循環剪切幅值增大時增幅分別為18.6%，22.2%。這意味著CDS試驗作用引起的收縮量隨Δa值增加而顯著增大。這種現象的可能原因為當Δa值越大時，RCA的磨損與啃斷效應更加明顯。

(a)

(b)

圖10 不同循環剪切幅值下PG-RCA界面剪應力-剪切位移曲線Fig.10 Shear stress displacement curves of PG-RCA interface under different cyclic shear amplitudes

圖11 不同循環剪切幅值下PG-RCA界面剪切位移-豎向位移曲線Fig.11 Shear displacement-vertical displacement curve of PG-RCA interface under different cyclic shear amplitude

3.4 循環剪切歷史對RCA加筋界面的影響

圖12 MDS和PCDS試驗剪切應力-剪切位移曲線的比較Fig.12 Comparison of the MDS and the PCDS tests for the shear stress-shear displacement curves

圖13 MDS和PCDS試驗中不同土工合成材料與不同法向應力對c和θ的影響Fig.13 Influence of different geosynthetics on c and θ in MDS and PCDS tests under various normal stresses

表3 MDS與PCDS測試的界面似黏聚力和摩擦角比較結果Tab.3 Comparison of the MDS and PCDS tests for the interface apparent adhesion and for the friction angle

4 結 論

(1) 在CDS試驗中，5種不同加筋界面均明顯出現循環剪切硬化現象，基于不同加筋界面的剪切剛度值，界面硬化程度從大到小依次為PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA界面。5種加筋界面的界面剪切剛度隨循環次數的增加而逐漸增大，阻尼比隨循環次數的增加而整體趨勢減小。在循環剪切初期，5種加筋界面的剪縮量增加明顯，隨著循環次數增加剪縮量的增長速率在逐漸降低。土工合成材料的加入能明顯改善RCA界面的剪切變形，且PG材料改善效果最好。

(2) 在CDS試驗中，從循環剪切幅值因素影響來看，當Δa值逐漸增大時，PG-RCA界面在PCDS階段的界面峰值剪應力隨Δa值的增大而增大。CDS試驗階段中PG-RCA界面表現出整體收縮的現象，每個循環圈中收縮和膨脹交替出現，Δa值越大收縮與膨脹交替程度更加明顯，并且PG-RCA界面在CDS試驗作用引起的收縮量隨Δa值的增大而顯著增加。

(3) 在MDS與PCDS試驗階段中，5種不同加筋界面均出現明顯的峰后剪切軟化的現象，PCDS試驗中的軟化現象比MDS試驗更加明顯，且達到峰值剪應力所需的剪切位移更小，且PG-RCA界面最為明顯。對比PCDS和MDS試驗結果，5種加筋界面的峰值、殘余似黏聚力與內摩擦角在循環剪切作用后均增大。