，,，

(1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590； 2.福州大学 土木工程学院，福州 350116)

1 研究背景

20世纪60年代初法国工程师Vidal根据三轴试验结果首先提出加筋土的概念和原理后，土工加筋技术在公路、铁路、机场、港口等重大工程建设中逐渐得以广泛应用[1]。土工合成材料作为岩土工程领域内的一种新型材料，是以合成纤维、合成塑料、合成橡胶为原料制成的各类产品，其质量轻、体积小，且柔软性能适应建筑物和地基的较大变形，具有加强土体的作用[2-5]。20世纪70—80年代土工合成材料被引入我国，之后被广泛应用于路堤、挡土墙、边坡等结构中。加筋土界面特性(如界面摩擦特性)作为结构设计的重要技术指标，将直接影响到结构的稳定性。目前测定加筋土界面特性的室内试验主要有直剪试验和拉拔试验。加筋体为土工格栅、土工织物、土工膜等。加筋土的填料为砂土、黏性土。

国内外已有学者对筋土界面特性进行了研究，也取得了一定成果。Zhou等[6]通过拉拔试验对土工格栅与砂土界面特性进行研究，发现随着竖向应力的增大，剪切带厚度逐渐增加，并提出了界面剪切强度与网孔尺寸有关。Arulrajah等[7]基于大型直剪试验研究了土工格栅-土界面静力特性，指出土工格栅显著增加了土体的抗剪强度。刘飞禹等[8]采用室内大型直剪仪研究了不同剪切速率对砂土与土工格栅界面剪切特性的影响，研究结果表明：剪切速率对单调直剪条件下筋土界面的剪切特性影响不大，对循环剪切后的筋土界面直剪特性影响较明显。吴海等[9]通过大型直剪试验讨论了不同竖向应力下不同种类加筋材料对Sandwich型加筋土界面直剪特性的影响，认为筋土界面抗剪强度随着竖向应力的增加而提高，且土工格栅的加筋效果最佳。赵占军[10]通过拉拔试验研究了竖向荷载对土工格栅加筋土的影响规律，认为竖向应力越大，土工格栅拉拔位移对剪胀力的影响越小，土工格栅在拉拔过程中剪胀力增幅越小。

土工合成材料加筋土具有良好的抗剪强度，并且具有优良的抗震性能[11-17]。但是以上研究成果都是通过直剪试验和拉拔试验得到的，这2种试验方法对研究筋土界面特性都有一定的局限性，如直剪试验过程中，剪切面限定在上下剪切盒之间，而不是沿土样最薄弱面剪切破坏；拉拔试验在试样制作过程中，加筋体不可避免地在土中发生凹凸变形。而GDS界面剪切仪可直接进行加筋体与土体界面剪切试验，且试验过程中加筋体不会发生凹凸变形，克服了上述2种试验方法的不足。因此，本文通过一系列界面剪切试验，研究了剪切速率、竖向应力及网孔尺寸对土工格栅与饱和细砂界面特性的影响，以期得到有参考价值的结论。

2 试验设备与材料选取

2.1 试验设备

试验所用仪器为英国GDS公司生产的界面剪切仪，如图1所示。该仪器能够进行土工格栅与饱和细砂界面剪切试验，试验过程中可以保持剪切面积不变，线性或跳跃性增加扭矩、轴向应力和剪切速率，进行扭矩、剪切位移及剪切速率控制，无限转动的旋转平台能够实现足够大的剪切位移，能够进行大变形分析，故GDS界面剪切仪在一定程度上克服了直剪试验、拉拔试验的局限性，在分析研究加筋土界面特性方面具有较大的优势。该界面剪切仪环刀直径70 mm，高度22 mm，剪切面积38.48 cm2。施加的扭转力与轴向应力由精密电机控制，其中扭转力矩最大可达200 N·m，轴向应力最大可达5 kN。试验过程由计算机控制精密电机运行，并自动记录试验时间、扭转力、轴向力、轴向变形等试验数据。

图2 砂土颗粒级配曲线Fig.2 Grain size distributioncurve of test sand

2.2 试验材料

试验所采用的砂取自青岛黄海海域金沙滩，用筛析法对砂土进行了颗粒分析试验，得到该砂土的颗粒级配曲线如图2所示，物理性质指标如表1所示。试验所采用的土工合成材料为玻纤土工格栅，其具体样式如图3所示，相关技术指标如表2所示。

表1 砂土的物理性质指标Table 1 Physical properties of test sand

图3 试验用土工格栅试样Fig.3 Geogrid specimens for test

土工格栅网孔类型单位面积质量/(g·m-2)网孔尺寸/(mm×mm)极限延伸率/%极限抗拉强度/(kN·m-1)横向纵向横向纵向小网孔1175×5332525大网孔58.510×10332525

3 理论分析原理与试验方案

3.1 理论分析原理

利用定积分原理将界面剪切试验直接得到的扭矩和剪切角位移分别换算为剪应力和水平位移。圆形剪切面半径为R，在距离圆心r处取微小圆环，宽度为dr，则该圆环面积dS=2πrdr。因剪应力均匀分布，故作用于圆环上的剪力dF=2πrτdr，扭矩dM=2πr2τdr，则剪应力为

(1)

式中：M为扭矩(N·m)；R为轴向应力杆圆形剪切面半径(mm)。

水平位移为

(2)

其中，

(3)

式中：rave为平均半径(mm)；v为剪切角速度(deg/s)；t为剪切时间(s);R=34 mm。

通过界面内摩擦角和黏聚力对比分析不同试验条件下界面的抗剪强度特性，同时引入界面摩擦系数f，以描述界面摩擦特性的差异。

摩擦系数f为

(4)

式中：τ为剪应力(kPa)；σ为竖向应力(kPa)。

由式(4)可知，摩擦系数f为变量，与界面剪应力和竖向应力有关。

3.2 试验方案

为了研究不同剪切速率、竖向应力及网孔尺寸对土工格栅与饱和细砂界面特性的影响，试验过程中预设了6种剪切速率(0.1，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mm/min)、4种竖向应力(50，100，200，300 kPa)及2种网孔尺寸(5 mm×5 mm，10 mm×10 mm)。为防止试验过程中砂样溢出，装样高度取20 mm，干密度为1.56 g/cm3，根据试样体积称取120 g砂样。为保证每个试样具有相同的密实度，减少试样密实度对试验结果的干扰，装样过程中砂土试样采用分层填装法分4层填入，每层厚5 mm，控制每层装入相同质量的砂样，至装样预定高度20 mm。轴向应力杆底面直径68 mm，高度128 mm，将玻纤土工格栅用液体胶粘结在轴向应力杆底面，如图4所示。在恒定速率下进行剪切试验，待剪切位移达到8 mm时停止剪切，剪切后砂土界面如图5所示。

图4 轴向应力杆Fig.4 Axial stress barin shear test图5 剪切后砂土界面Fig.5 Sand interfaceafter shear test

4 试验结果分析与讨论

4.1 剪切速率对筋土界面抗剪强度的影响

图6 不同剪切速率下界面剪应力-剪切位移关系曲线Fig.6 Relationship between horizontal displacement and shear stress of interface under different shear rates

图6为土工格栅与饱和细砂界面在剪切速率分别为0.1，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0 mm/min下的剪应力与剪切位移(水平位移)关系曲线。从图6中可以看出：

(1)不同剪切速率下筋土界面剪应力-剪切位移曲线都呈现出相似的规律，即剪应力都是随着剪切位移的增大而增加，到达峰值后剪应力减小，减小到一定值后又趋于稳定。

(2)在任一竖向应力作用下，当剪切速率从0.1 mm/min增加至1.0 mm/min时，界面剪应力峰值强度波动幅度为3%，峰值强度对应的剪切位移在1 mm内，剪切速率对土工格栅与饱和细砂界面抗剪强度影响不大。

(3)剪切速率由1.0 mm/min增加至2.0 mm/min时，竖向应力50,100,150,200 kPa对应的界面剪应力峰值强度分别提高了16%，9%，4%，8%；剪切速率由2.0 mm/min增加至5.0 mm/min时，界面剪应力峰值强度分别提高了11%，20%，16%，19%。

(4)剪切速率由5.0 mm/min增加至10 mm/min时，竖向应力50,100,150,200 kPa对应的界面剪应力峰值强度分别降低了46%，51%，46%，40%，即界面剪应力峰值强度随着剪切速率增加而减小，峰值强度对应的剪切位移有相应的增加，增加幅度在1～2 mm范围内。这是由于剪切速率过快导致土体颗粒未能及时运动调整造成抗剪强度减小。

图7 不同剪切速率下界面抗剪强度曲线Fig. 7 Curves of shear strength of interface underdifferent shear rates

图7为不同剪切速率下土工格栅与饱和细砂界面抗剪强度曲线，该曲线是对界面剪应力峰值强度与竖向应力两者关系的线性回归拟合，即运用摩尔-库伦公式τ=σtanφ+c描述，其中c，φ分别为线性回归拟合后得到的界面黏聚力和内摩擦角。

不同剪切速率下界面抗剪强度指标如表3所示。结合表3发现：土工格栅植入饱和砂土后，使其界面产生了一定的凝聚力。剪切速率由0.1 mm/min增加至10.0 mm/min时，黏聚力先减小后增大再减小，而内摩擦角先增大后减小再增大。这是因为剪切速率过快，砂粒无法充分嵌入筋体孔隙中，嵌锁咬合效应减弱，导致黏聚力迅速丧失，而较大的剪切速率使砂粒定向排列时间不充分，孔隙水压力来不及消散，摩擦效应增强，内摩擦角增大。

表3 不同剪切速率下界面抗剪强度指标Table 3 Shear strength parameters of interface underdifferent shear rates

图8 不同竖向应力下界面剪应力-剪切位移关系曲线Fig.8 Relationship between horizontal displacement and shear stress of interface under different vertical stresses

4.2 竖向应力对筋土界面抗剪强度的影响

图8为竖向应力分别为50，100，200，300 kPa竖向应力下土工格栅与饱和细砂界面剪应力与剪切位移关系曲线。从图8中可以看出，同一剪切速率下的界面剪应力峰值强度随着竖向应力的不断增加而增大，当竖向应力由100 kPa增加至200 kPa时，界面剪应力峰值强度在0.1，1.0，10.0 mm/min剪切速率下分别提高了13%，16%，36%。这是因为随着竖向应力的增加，土体颗粒之间摩擦阻力增大，从而限制了土体颗粒之间相互调整，咬合作用加强，界面剪应力峰值强度增大。

表4为不同竖向应力下土工格栅与饱和细砂界面摩擦系数。由表4可以得出，同一剪切速率下，界面摩擦系数随着竖向应力的增加而减小，且竖向应力越大，摩擦系数减小率越小。

表4 不同竖向应力下界面摩擦系数 Table 4 Coefficients of friction of interface underdifferent vertical stresses

由于试验过程中剪切面的面积保持恒定，因此剪切面竖向位移的变化规律与剪切面的剪切体变规律是一致的，本文中规定剪切面体变以膨胀为正，压缩为负。图9表明，同一剪切速率下随着竖向应力的增大，筋土界面的竖向位移均相应增加，剪切速率为0.1 mm/min时，此规律最显著。

图9 不同竖向应力下界面剪切位移-竖向位移关系曲线Fig.9 Relationship between horizontal displacement and vertical displacement of interface under different vertical stresses

4.3 网孔尺寸对筋土界面抗剪强度的影响

在剪切速率分别为0.1，1.0 mm/min，竖向应力分别为50，100，200，300 kPa条件下，对比分析了不同网孔尺寸对筋土界面抗剪强度的影响，得到不同网孔尺寸下界面剪应力-剪切位移关系曲线，如图10所示。

图10 不同网孔尺寸下界面剪应力-剪切位移关系曲线Fig.10 Relationship between horizontal displacement and shear stress of interface in the presence of geogrids of different mesh sizes

由图10可知，剪切速率为1.0 mm/min，竖向应力为50 kPa和100 kPa时，小网孔尺寸界面剪应力峰值强度明显高于大网孔尺寸界面剪应力峰值强度，且其峰值强度分别提高了15%和14%，说明竖向应力较小(50～100 kPa)时，小网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显；剪切速率为0.1 mm/min，竖向应力为200 kPa和300 kPa时，大网孔尺寸界面剪应力峰值强度明显高于小网孔尺寸界面剪应力峰值强度，且其峰值强度分别提高了12%和20%，说明竖向应力较大(200～300 kPa)时，大网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显。

图11 不同网孔尺寸下界面抗剪强度曲线Fig.11 Curves of shear strength of interface in the presence of geogrids of different mesh sizes

图11为不同网孔尺寸下界面抗剪强度曲线，结合表5不同网孔尺寸下界面抗剪强度参数可以看出，剪切速率在0.1～1.0 mm/min范围内时，小网孔尺寸界面黏聚力高于大网孔尺寸界面黏聚力，而内摩擦角则相反，说明大网孔尺寸土工格栅对砂土颗粒的嵌锁作用更加显著，阻碍了砂土颗粒的重新排列布置。

表5 不同网孔尺寸下界面抗剪强度参数Table 5 Shear strength parameters of interface inthe presence of geogrids of different mesh sizes

5 结 论

(1)土工格栅与饱和细砂界面特性受到剪切速率的影响。剪切速率较小(≤1.0 mm/min)时，对界面抗剪强度影响不大；剪切速率在1.0～5.0 mm/min范围内时，界面抗剪强度随着剪切速率的增大而增大；剪切速率较大(>5.0 mm/min且≤10.0 mm/min)时，界面抗剪强度随着剪切速率的增大而减小。

(2)剪切速率在0.1～10.0 mm/min范围内，界面抗剪强度随着竖向应力的增加而增大，特别是竖向应力从100 kPa增加至200 kPa时，界面抗剪强度在3种剪切速率下分别提高了13%，16%，36%。同一剪切速率下，界面摩擦系数随着竖向应力的增加而减小，且竖向应力越大，摩擦系数减小率越小。

(3)不同试验条件下，网孔尺寸对土工格栅摩擦加筋效果影响不同。剪切速率为1.0 mm/min，竖向应力较小(50～100 kPa)时，小网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显；剪切速率为0.1 mm/min，竖向应力较大(200～300 kPa)时，大网孔尺寸土工格栅加筋效果更明显。剪切速率在0.1～1.0 mm/min范围内时，小网孔尺寸界面黏聚力高于大网孔尺寸界面黏聚力，而内摩擦角则相反。

(4)利用GDS界面剪切仪研究土工格栅与饱和细砂的界面特性，与传统的直剪试验相比，实现了直剪试验剪切过程中竖向应力和剪应力在剪切面上均匀分布的假设，使试验结果更加精确可靠，具有重要的工程意义，也进一步说明了GDS界面剪切仪对分析研究加筋土界面特性具有较大的优势。