彭艾鑫,张孟喜,朱华超

(上海大学土木工程系,上海200444)

高强土工格室加筋砂土性状的三轴试验

彭艾鑫,张孟喜,朱华超

(上海大学土木工程系,上海200444)

通过三轴试验方法研究了高强土工格室加筋土的强度及其变形破坏特性,探论了在不同加筋情况下,土工格室加筋土强度影响因素及其变化规律,分析了在筋材用量相同的情况下,如何选择更合理、更经济的加筋形式.试验结果表明:加筋后土体的强度和抵抗变形的能力明显增强;在围压一定的情况下,格室高度的提升对加筋土强度的提升程度远远大于节点间距减小的影响;在筋材用量相同时,选择格室高度高但是相对层数少的加筋方式更合理;对加筋效果系数和强度参数分析发现,随着围压的增加,加筋效果系数降低,土工格室加筋有助于提高土体的黏聚力和增大内摩擦角,其中黏聚力的提高更显著.

三轴试验;高强土工格室;加筋土;筋材用量

加筋土概念是20世纪60年代初,由法国工程师Henri Vidal首先提出的.他通过三轴试验研究了土中掺入纤维的材料,发现可提高土体强度,从此将这种复合材料取名为加筋土,并提出了加筋土的新理念.目前,使用最广泛的研究加筋土加筋机理的方法是三轴压缩试验.

Schdosser等[1]首先用三轴压缩试验研究了金属条加筋砂土.陈昌富等[2]对草根加筋土的强度特性进行了三轴试验研究,提出草根加筋土主要提高了土的黏聚力,而对内摩擦角的影响较小.施利国等[3]等则研究了聚丙烯纤维加筋灰土的三轴强度特性.陈群等[4]分别研究了玻纤塑料窗纱与有纺土工织物加筋土强度特性,这两种不同材料加筋土样的黏聚力与内摩擦角均有明显提高,只是提高的程度不同.刘芳等[5]进行的三轴试验研究了玻璃纤维土的加筋效果,认为玻璃纤维土的加筋效果与玻璃纤维的掺入量、玻璃纤维的密实度、试样的密实度以及围压等因素有关.魏红卫等[6]对土工合成材料加筋黏性土进行了三轴试验,认为加筋对土体强度的增强作用存在滞后现象,而且加筋能够明显抑制土体的剪胀变形.雷胜友[7]以涤纶布为加筋材料,研究了加筋黄土的强度特性.赵川等[8]进行了大型三轴试验,探讨了土工格栅加筋碎石土的强度及力学特性.吴景海[9]为了比较5种国产土工合成材料的加筋效果,分别对其进行了三轴试验.张孟喜等[10-12]通过室内三轴试验对立体加筋方式进行了较为全面的研究和探讨,结果表明立体加筋对比于传统的水平加筋,其强度有了很大幅度的提高.Latha等[13]则研究了水平纤维加筋层、分散的纤维条、纤维土工格室3种加筋砂土的强度特性.Chen等[14]通过三轴试验研究了纸质土工格室对加筋砂力学特性和强度的影响.Rajagopal等[15]研究了单层加筋和多层加筋砂土的强度特性.Nair等[16]通过大直径三轴试验研究了土工格栅加筋土在静力和循环荷载作用下的强度和刚度特性,结果发现平面加筋在达到3层后,如果再增加加筋层数不会再取得额外的加筋效果.这为实际工程设计提供了最优选择的试验支持.

对于土工格室这种立体的新型土工合成材料,其加筋机理与传统的平面加筋材料有很大区别.目前,对土工格室加筋体的研究还不够完善,针对这种高强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论价值和实际意义.本工作以高强土工格室作为主要研究对象,通过三轴试验对不同形式的土工格室加筋砂的强度特性进行了研究,探讨了加筋土应力-应变关系、加筋效果系数以及在相同筋材用量下如何选择更经济更合理的加筋形式,为加筋土理论研究和施工设计奠定了坚实的基础.

1 试验方案

1.1 试验设备与流程

三轴剪力仪采用南京电力自动化设备总厂生产的SJ-1A型应变控制式三轴剪力仪.该设备由实验机、压力室、测控系统、试样制备工具4个部分组成.

把制备好的试样用橡皮膜包裹好安放在压力室的试样座上,使其与测量系统连接,周围压力的大小由调节旋钮调节.试验时,实验机经齿轮传动系统,使压力室以一定的速率上升,从而使试样在活塞杆作用下产生轴向压缩应变.根据量力环的变形量,即可确定对试样施加的轴向应力的大小.同时体变管可测体积变化量,通过空隙压力测量单元测读试样内部空隙压力的变化,直至试样剪损破坏为止.

1.2 试验材料

(1)砂样.试验选用土样为福建砂,为了减少填料水分对试验结果的影响,控制砂土的含水率w=5%,砂土的物理性质指标如表1所示,其颗粒级配分布曲线如图1所示.

表1 砂样的物理特性参数Tab le 1 Physical parameters of the sand sample

图1 砂样的颗粒级配曲线Fig.1 Particle size distribution curve of the sand sample

(2)筋材.试验所用的高强土工格室为仪征市佳和土工材料有限公司特殊加工的土工格室.格室的条带材质为改性聚乙烯,格室的抗拉强度高于一般的土工格室,但其延伸率相对有所下降.由于格室的尺寸较小,所以条带采用类似订书钉的钉子连接而成(见图2),网带厚度为0.45±0.10mm.

图2 高强土工格室及节点图F ig.2 High-strength geocell and nodes

1.3 试验方法和工况

在试样制备过程中,将制作好的土工格室放置于砂中.由于土工格室为柔性结构,因此在安装过程中需要用小木棒将每个网格单元完全撑开,并在规定位置上固定,以保证三层筋材在试样中上下位置对齐.土工格室在试样中的位置如图3所示.为控制试样有相同的密实度,用天平称量4份相同质量的砂分层放入护筒中,每层用相同的击实方法击实相同的次数.达到高度标准后,将砂层整平刮毛放入土工格室.装样完成后,用真空泵(连接孔压阀门)将试样内部抽成真空,使试样在护筒拿下之后能够竖立.试样制备完成后,注水,加围压.当围压增加到30～40 kPa后,将试样孔压阀门打开卸真空,使试样处于土层自然状态.当围压到达指定值后,关上孔压及排水阀门,使试样处于不固结、不排水状态.

图3 筋材安装及布置示意图Fig.3 Rein forcement installation and layout diagram

本工作共设计了5种试验工况(见表2).各工况以格室高度、格室焊距、筋材层数为变量.设工况2的土工格室材料用量为M,工况4与工况2的筋材用量相同.设工况3的土工格室材料用量为N,工况5与工况3的筋材用量相同.工况2和工况3的试样都均匀布置3层筋材,3层筋材上下对齐、位置统一,筋材间距为55 mm.工况4和工况5的试样均匀布置2层筋材.为保证相同的埋置深度,选择埋置最靠近试样顶面的2层筋材.

表2 试验工况Tab le 2 Test conditions

工况2,3和工况4,5是为了比较格室焊距对加筋效果的影响,工况2,4和工况3,5是为了研究加筋率基本相同的情况下,格室高度和筋材层数对加筋效果的影响.每种工况均在50,100和200 kPa 3种围压下进行三轴试验.

试样破坏标准如下:①当存在峰值时,以σ1-σ3的峰值点为破坏点;②当无峰值时,取15%轴向应变时的主应力差确定破坏点.

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变曲线及分析

2.1.1 节点间距d的影响

为了研究不同节点间距对加筋土应力-应变的影响,分析了工况2～工况5在相同围压不同节点间距时土工格室的应力-应变,结果如图4和5所示.

图4 加筋砂应力-应变曲线(h=2 cm)F ig.4 Stress-strain curves of the rein forced sand(h=2 cm)

图5 加筋砂应力-应变曲线(h=3 cm)Fig.5 Stress-strain curves of the rein forced sand(h=3 cm)

从图4和5可以看出,土工格室加筋土的峰值应力是随着格室高度的增加而增大的.当格室高度相同时,在不同围压下,纯砂和不同节点间距的土工格室加筋土的应力-应变曲线的基本趋势相同,并且节点间距越小峰值应力越大,只是差距不明显.特别是当围压很低时,这种差距几乎不存在.在格室高度为2 cm,围压为50 kPa时,节点间距为5.0 cm的土工格室加筋土应力-应变曲线在出现峰值后软化特别明显,承载力最终降低到与纯砂相似.这是因为格室在达到极限承载力时,已经遭到了破坏.但当围压升高时并没有出现这种现象,这说明土工格室在高围压下更能发挥出约束土壤的作用.

2.1.2 格室高度h及层数n的影响

在保证筋材用量相同的情况下,对比了格室节点间距相同,而格室高度和加筋层数不同时对应力-应变的影响,结果如图6所示.可以看出,在筋材用量相同时,格室的高度在提高土工格室加筋土峰值应力中起到了关键的作用.即使少加了一层土工格室,格室高的加筋土的峰值应力较格室低的加筋土的极限承载力提高了200 kPa左右.与此同时,节点间距起到的作用就不是特别明显了.特别地,当围压升高时,节点间距减小对峰值应力的提高效果更不明显.这一结果说明,在筋材使用量不变的情况下,可通过提高格室高度、减少加筋层数、简化加筋步骤来提高加筋效果.

图6 加筋砂应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of the reinforced sand

2.2 加筋效果系数分析

不同形式的土工格室加筋砂的峰值主应力在不同围压下均高于纯砂的峰值主应力,但是提高程度不同.为了更好地对比不同形式的土工格室加筋后砂样的强度变化,引入了加筋效果系数Rσ:

式中,Rσ为强度加筋效果系数,为加筋砂破坏时的主应力差,(σ1-σ3)f为无筋砂破坏时的主应力差.通过式(1)可计算出各组试样的强度加筋效果系数,如图7所示.

图7 不同工况的加筋效果系数F ig.7 Reinforced eff ect coeffi cients of diff erent conditions

从图7可以看出,不同形式的土工格室加筋砂的加筋效果系数均大于1(在1.218～1.995之间),低围压下的加筋效果系数高于高围压.综合来看,格室高度为2 cm的土工格室加筋砂的加筋效果系数小于高度为3 cm的土工格室,但是节点间距为2.5和5.0 cm的土工格室加筋砂的加筋效果系数相差不大.在实际工程中,结合经济性考虑,使用格室高度较高、加筋层数较少的加筋方式更为经济.

2.3 强度特性分析

各种工况的p-q具体数值如表3所示,曲线如图8所示,其中p=(σ1+σ3)/2,q= (σ1-σ3)/2.由p-q曲线得到线性拟合回归方程和总离差平方和,通过计算得到加筋土的黏聚力c、内摩擦角φ(见表4).

表3 不同工况的峰值偏应力Tab le 3 Peak deviatoric stress of diff erent conditions

图8 不同工况的p-q曲线Fig.8 p-q curves of diff erent conditions

表4 不同工况的强度参数Tab le 4 Strength parameters of diff erent conditions

从图8和表4中的强度参数可以得出,无论何种形式的加筋都提高了纯砂的c,φ值,其中对c值的提高较为明显,从86.25 kPa提高至109.03 kPa,对φ值由0.80◦提高至4.23◦,相应的tanφ也从0.014提高到0.074.这主要是因为格室对土体提供的侧向约束力大于摩擦力,所以土体的c值提升比φ值明显.然而格室高度的变化对c,φ值的影响较节点间距的变化大很多.当节点间距相同时,格室高度增加,相应的c值会提高17 kPa左右.当格室高度相同时,节点间距减小,相应的c值只提高了5 kPa左右.格室高度增加对c值的提高程度是节点间距减小的300%以上.这再一次证明了格室高度在提高加筋土强度方面起到的关键作用.

2.4 破坏形态

纯砂试样与加筋砂试样剪切破坏后的形态如图9所示,其中纯砂试样破坏形态如图9(a)所示,呈现塑性破坏,中间鼓胀、两端变形较小;土工格室加筋砂试样破坏形态如图9(b)所示,可以看出上下层由于土工格室的约束作用,变形较纯砂试样小了很多,中间层的变形也呈现出几个凸出点.这可能是因为在格室破坏的地方,砂体外部的约束力降低所造成的.

格室破坏形态(见图10)均为节点破坏,在应力-应变曲线中体现在突变点处.筋材节点破坏时,轴向力会突然下降.随着轴向应变的增加,轴向力会有一定幅度的回升,原因是破坏的土工格室基本都位于中间一层,上下两层的土工格室未被破坏,而且破坏的筋材一般是节点逐个破坏,在其他节点还没完全破坏时,整个加筋体还能继续承受轴向力.

图9 土样破坏形态F ig.9 Failuremodes of the soil

图10 筋材破坏形态Fig.10 Failuremodes of the rein forcementmaterials

3 结论

(1)高强土工格室加筋土的峰值应力与格室高度和格室的节点间距有关,并随着高度的增加、节点间距的减小而提高,其中格室高度的影响更显著.

(2)在土工格室用量相同的情况下,提高土工格室高度、减少加筋层数是更优的选择.

(3)不同形式的土工格室在加筋后均提高了砂土的强度,不仅增强了黏聚力c,也增大了内摩擦角φ,但是增强的程度不同,其中土工格室加筋主要以增强砂土的黏聚力为主,对砂土的内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

国家自然科学基金资助项目(41372280)

张孟喜(1963—),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为新型土工加筋技术及地下结构.

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