混合式加筋填土的筋土界面剪切特性

张涛

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

混合式加筋填土的筋土界面剪切特性

张涛

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

利用大型直剪试验得出对于含有薄砂层的粘土对于纯粘土抗剪强度的提升，本试验以粘土，粘土-砂土，粘土-土工格栅，砂土-土工格栅和粘土-砂土-土工格栅作为填料进行研究。介于粘土层和土工格栅之间的薄砂层厚度以4，6，8,，10，12和14m m作为变量以期得出筋土界面抗剪强度最大情况下的砂层厚度，试验还以竖向应力，格栅类型作为变量得出其对于界面抗剪强度的影响。试验结果表明格栅两侧薄砂层的引入对于粘性土筋土界面抗剪强度的提高明显。界面最大抗剪强度对应的砂层厚度是10m m。随着竖向应力的增加，筋土界面抗剪强度随之提升。

混合式加筋填土；界面强度；剪切

一、引言

筋土界面强度是加筋土工程的重要控制指标，历来都受到学术界和工程界的重视。近些年，加筋土的快速发展归因于许多因素，包括经济、美观、稳定性以及建造简单等。但是加筋土的发展被找不到很好更为经济和方便的填筑材料所限制。徐超等[1]等利用土工格栅、土工织物与砂土的直剪试验和拉拔试验，研究了剪切速率和筋材性质对筋-土界面强度的影响。Chia-Nan Liu等[2,3]研究了砂土与土工格栅之间的界面特性，提出了界面摩擦系数的概念。Anubhav等[4]通过直剪试验，用两种不同的土工布来测定土-土工格栅界面力和位移的关系.通过分析数据从而得到一个基本模型来预测达到最大应力之前和之后界面的特点.John[5]分析了534个大型直剪试验的的数据库，用来评价土工合成材料和土工格室对于界面剪切强度。测试是用现在的测试水准的步骤在独立的实验室内分析了1992-2003内的试验，数据库内的数字结果量化了土工织物、土工格室、竖向应力和步骤对于直剪试验中界面的剪切强度的样本整合。吴景海等[6]利用五种不同种类的国产土工合成材料为加筋材料，用直剪试验和拉拔试验研究土工合成材料与填料的界面作用特性。刘文白等[7]研究了剪切位移较小时，砂土与土工格栅界面的作用特性。

M.R.Abdi[8，9]本文主要是研究了粘土、薄砂层以及嵌在薄砂层里面的土工格栅之间的相互作用。周健等[14]以室内模型试验为基础,二次开发模拟真实砂样的椭圆型颗粒,利用平行黏结来模拟土工格栅,建立二维颗粒流模型,从细观角度验证了筋土接触面的剪应变集中带、颗粒旋转特征规律。

二、试验设备与材料选取

（一）试验设备

本次试验采用美国 Geocomp公司生产的ShearTracⅢ大型直剪仪。该仪器由机电一体化设备构成，竖向反力框架用来施加竖向荷载，仪器右端具有终端操作面板，可对剪切试验过程中的荷载位移进行调整。

图1 室内大型直剪仪Fig.1 Large-scale direct shear apparatus

直剪试验装置如图1所示。直剪试验上剪切盒的有效尺寸为305mm×305mm×100mm，下剪切盒比上剪切盒长，采用不同上下剪切盒尺寸可以避免试验过程中试样接触面积不断减小而引起的试验误差。水平向剪切速率采用高精度电机控制，范围为0.00003～15mm/min。水平位移及竖向位移均通过LVDT进行测量，运行位移最大值为100mm。试验数据由机载软件自动读取、记录并生成相关报表。

（二）试验材料

本次研究所使用的填料为福建标准砂和温州龙湾取得的粘土。

试验粘土的制样是在试验前，将土样烘干、粉碎并加水搅拌（如图1所示），制成目标含水率28%的重塑土样，密闭静置24h以保证土样均匀。土样制备过程中，对试验土体基本物理参数进行测试，相关参数如表2所示。

图2 试验用土工合成材料Fig.2 Geosynthetic specimens

表1 砂土的物理性质指标Table 1 Technical indixes of testing sand

表2 软粘土基本物理参数Table 2 Basic physical parameters of the soft clay

三、试验方案的选定

本文设计的直剪试验包含四种不同的筋土界面：土工格栅-粘土界面、土工格栅-砂土界面、土工格栅-新型混合式加筋土界面。所谓新型混合式加筋土界面就是在粘土加筋的基础上在试样填筑的过程中在加筋材料的两侧分别填入砂层。如图5所示，那么试样在填筑过程中的填筑顺序分别是粘土、砂土、加筋材料、砂土和粘土。这种形如三明治一般的加筋方法，可称之为：“sandwich”加筋。每种界面类型施加3种不同的竖向应力，分别为50、90、130KPa；试验重点研究了这种新型混合式加筋填土的筋土界面的特性和不同级配砂土对这种混合式加筋筋土界面强度性能的影响，粘土的压实度和砂土的相对密实度的控制都是采用分层压实，每层的试样采用称重的方式控制其重量，以期让每次试样的压实度和相对密实度尽可能相同。

图5 新型混合式加筋填土示意图Fig.5 New hybrid reinforced fill schematic diagram

四、试验结果分析

（一）纯粘土加筋对于筋土界面的影响

图6为不同竖向压力下纯粘土加筋和不加筋的剪应力-位移曲线。由图可以看出，无论是对于加筋粘土还是不加筋粘土，随着竖向应力的增加，界面抗剪强度随之增加。界面破坏发生的很早。另外，界面过早的破坏也说明粘土-土工格栅界面的抗剪强度太低，才导致了界面的过早破坏。因此，格栅对于界面抗剪强度所起的作用被大大降低了。

图6 粘土在不同竖向应力作用下加筋和不加筋的界面剪应力-位移曲线Fig.6 Stress-strainbehaviorofinterfacewithorwithoutgeogridunderdifferentstresslevelsforclay

（二）纯砂土加筋对于筋土界面的影响

图7为不同竖向压力下纯砂土加筋和不加筋的剪应力-位移曲线。由图可知，无论是对于加筋砂土还是不加筋砂土，随着竖向应力的增加，界面抗剪强度随之增加。在较小的竖向应力作用下（50kPa）,加筋砂土和不加筋两种情况下的最大抗剪强度很接近。随着竖向应力增加到130kPa，加筋效果明显高于不加筋的情况。这些改变是因为如果竖向应力不够大，界面的颗粒在剪切的过程中不会克服界面的摩擦从而产生应力的重新分布。

随着竖向应力的增加，加筋效果的愈发明显是因为在高竖向应力的作用下，砂土颗粒更容易嵌入格栅材料表面。这与M.R.Abdi[12，13]的试验结果基本一致。

图7 砂土在不同竖向应力作用下加筋和不加筋的界面剪应力-位移曲线Fig.7 Stress-strain behaviorof interfacewith orwithoutgeogridunderdifferentstresslevelsforsand

（三）新型混合式加筋填土对于筋土界面的影响

图8为在竖向应力为90KPa的情况下，对含有薄砂层的新型混合式加筋粘土在不同薄砂层作用下的应力-位移曲线。可以很明显的看出来含有薄砂层的这种新型混合式加筋填土相比于粘土加筋界面的抗剪强度的提升是非常明显的。从拆卸后的格栅可以看出，这一现象有可能是因为在土工格栅两侧取代粘土位置的砂土有一部分嵌入土工格栅表面，在筋土界面建立了一个良好的粘结关系。也就是说，竖向应力和试样内部剪应力减小了土样颗粒与土工格栅的距离。在含有薄砂层的情况下，剪切应力在剪切初始的阶段就急剧增加，在薄砂层厚度增大到10mm的时候，界面的抗剪强度达到最大值，随着薄砂层厚度增加到14mm的过程中，界面抗剪强度出来出现减小的情况。试验结果与M.R.Abdi[12，13]结果一致，结果表明并不是一味的增加薄砂层厚度就能提高筋土界面的抗剪强度，这就意味着这种新型混合式加筋填土的薄砂层存在一个最优厚度。在实验结束的时候，土工格栅仍完好无损，这一现象表明土工格栅的模量和强度远远高于周围的砂土。

图8 不同薄砂层厚度的情况下下的筋土界面剪应力-位移曲线Fig.8 Stress-strain behavior of interface with geogrid under different thickness of sand layer

五、结论

通过对含有薄砂层的Sandwich形加筋填土的界面进行大量的室内大型直剪试验，得到如下结论：

（1）Sandwich形加筋填土界面强度相对于纯粘土加筋界面强度的提高明显；且Sandwich形加筋界面破坏时的位移比纯粘土稍大。

（2）对于含有薄砂层的Sandwich形加筋填土，随薄砂层厚度的增加，界面的剪切强度呈现出先增后减的趋势，薄砂层在10mm时界面剪切强度最大。

（3）对于薄砂层厚度相同的界面，随着竖向应力的增大，界面的剪切强度随之提高。界面破坏时所对应的的剪切位移与在竖向位移-剪切位移曲线屈服时所对应的剪切位移几乎在同一位置，表明界面破坏以后竖向位移几乎不增大。

[1]徐超,石志龙.循环荷载作用下筋土界面抗剪特性的试验研究[J].岩土力学,2011,32(2):655-670．

[2]Chia-Nan Liu,Jorge G.Zornberg,M.ASCE,Tsong-Chia Chen,Yu-Hsien Ho,Bo-Hung Lin.Behavior of Geogrid-Sand Interface in Direct Shear Mode[J].Geotechnical and Geoenviromental.2009,135(12):1863-1871.

[3]Chia-Nan Liu,Yu-Hsien Ho,Jian-Wen Huang.Large scale direct shear tests of soil/PET-yarn geogrid interfaces [J].Geotextile and Geomembranes,2009,27(6):19-30.

[4]Anubhav,P.K.Basudhar.Modeling of soil-woven geotextile interface behavior from direct shear test results.Geotextiles and Geomembranes.2010,12(5):403-408.

[5]John S.McCartney,Jorge G..Zorngerg,and Robert H, Swan Jr.Analysis of a Large Database of GCL-Geomembrane interface Shear Strength Results.Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering,2009,135(2): 209-223

[6]吴景海,陈环,王玲娟,崔颖.土工合成材料与土界面作用特性的研究.岩土工程学报,2001,23(1):89-94.

[7]刘文白,周健.土工格栅与土界面作用特性试验研究.岩土力学,2009,30(4):965-971.

[8]M.R.Abdi,M.A.Arjomand.Pullout tests conducted on clay reinforced with geogrid encapsulated in thin layers of sand. Geotextiles and Geomembranes,2011,29(1):588-595.

[9]M.R.Abdi,S.A.Sadrnejad and M.A.Arjomand.Clay Reinforcement Using Geogrid Embedded In Thin Layers of Sand.International Journal of Civil Engineering,2009,7(4): 224-235.

TU411

A

1671－5993（2016）04－0050－03

2016-10-20

张涛（1988－），男，安徽滁州人，滁州职业技术学院土木工程系教师，硕士研究生。