半球形复合立体加筋砂土的强度特性及作用机理

杨磊,张孟喜,彭基敏,孙州，高昂

(1.上海大学土木工程系,上海　200072；2.上海市城市建设设计研究总院,上海　200125)

半球形复合立体加筋砂土的强度特性及作用机理

杨磊1,张孟喜1,彭基敏2,孙州1，高昂1

(1.上海大学土木工程系,上海200072；2.上海市城市建设设计研究总院,上海200125)

选用橡胶作为加筋材料,通过三轴剪切试验对半球形复合立体加筋砂土进行强度特性研究,分析了不同半球数量、围压下加筋砂土的强度特性、应力-应变关系和破坏形态,讨论了围压、半球数量和加筋层数对加筋砂土强度的影响,得到了半球加筋的作用机理.试验结果表明：低围压时加筋砂土的抗剪强度增幅较大；加筋效果随着筋材层数的增加而增强；与水平筋相比,半球形复合体加筋对土体的约束力较大,加筋土的抗剪强度增幅也较大,且随着半球数目的增加,加筋砂土的黏聚力、内摩擦角也显著提高.

半球形复合立体；三轴试验；强度；应力-应变；加筋

随着社会经济的快速发展,大型工程的建造速度不断加快,这就对土体强度提出了更高的要求.因此,提升土体的强度成为目前岩土界重点关注的问题.在土中加入加筋材料来提高土体的强度和稳定性是工程中常用的重要手段.

丁万涛等[1]采用三轴试验对不同布筋方式的加筋膨胀土试样进行研究,结果表明加筋试样的强度比素土试样的强度高,进行等间距布置筋材可以更充分地发挥材料的加筋作用.廖红建等[2]对高陡边坡滑坡体黄土进行了强度特性研究,发现重塑土具有内摩擦角随着含水率的增加而减小的变形规律.赵莹莹等[3]通过在风沙土中加入纤维,得到了纤维风沙土剪应力与剪应变的关系式.魏松等[4]研究了等压固结试验中不同应力水平情况下粗粒料颗粒的破碎规律,认为在等压固结条件下颗粒的破碎率与围压的幂函数关系取决于材料的软化系数.刘芳等[5]针对玻璃纤维加筋土体,研究了玻璃纤维的长度和掺入量、试样的密实度和含水量等因素对加筋土强度的影响,结果表明围压越高,玻璃纤维加筋作用发挥得越早,加筋效果越差.李陈财等[6]研究了麦秸秆加筋土的强度特性,分析了含水率对加筋土强度的影响.Bagherzadeh-Khalkhali等[7]研究了粗粒土最大粒径对抗剪强度的影响.陈昌富等[8]利用草根作为加筋材料,分析了草根加筋土的破坏模式和土体剪切过程中草根的加筋机理.Sayeed等[9]通过大型直剪试验研究了三向正应力下砂和土工布界面的剪切特性.魏红卫等[10]分析了筋材拉伸膜量、加筋层数和土体压实度对加筋土体抗剪强度的影响.杨庆等[11]对黑山土进行抗剪强度研究,发现膨胀土的吸附强度和膨胀力存在良好的线性关系.Qu等[12]分析了麦秸秆长度等对加筋土抗剪强度的影响.张孟喜等[13-14]通过建立H-V加筋强度模型,采用极限平衡理论推导了加筋土摩擦型破坏条件的强度公式.

半球形复合体的加筋强度特性、加筋机理与传统的平面加筋材料有着较大区别,基于此,本工作以橡胶为材料,通过三轴试验研究了平面筋、半球形复合立体加筋砂土的强度特性、应力-应变曲线和破坏形态,得到了半球加筋的作用机理,以期为加筋土的研究提供参考.

1　试验方案

1.1试验材料

试验填料选用土样为福建砂,该砂土的颗粒级配曲线如图1所示.可以看出,砂土颗粒粒径主要集中在0.25～1.00 mm.由于湿砂的结果比较离散,所以本工作选用密度为1.66 g/cm3的干砂,砂样的基本物理参数如表1所示.

图1　试验砂样的颗粒级配曲线Fig.1　Grain size distribution curve of sand in test

表1　试验砂样的物理参数Table 1　Physical parameters of sand in test

1.2试验设备

试验设备采用南京电力自动化总厂生产的SJ-1A型三轴仪.该仪器主要由试验机、压力室和测量系统组成,适用于测量细粒土和砂土的抗剪强度等参数,其中试验数据通过TSW-3数据采集系统进行采集.

1.3试验工况

本试验的目的是研究布置半球形筋对试样强度和变形的影响,并对比水平加筋土与半球形复合加筋土的强度.为了便于后续进行理论分析,所有的加筋都采用轴对称的形式.试验采用三轴仪的中号压力室.试样的直径为6.18 cm,高13.5 cm.水平加筋取满布筋,筋材选用厚度为1 mm的橡胶板,且在橡胶板上表面轴对称布置直径为1 cm的3,4或6个橡胶半球.试验分1层和2层两种加筋情况,即在试样的中部或1/3处加与试样直径相同的圆橡胶板.为了不扰动筋体下方的试样,确保试样的密实性,只在平面筋上面布置半球形筋.半球形复合立体加筋形式如图2所示.

图2　半球形筋材的布置图(cm)Fig.2　Layout of hemispherical inclusions(cm)

本工作对半球形立体加筋砂土进行试验,共设计了9种工况(见表2),其中每种工况的围压σ3分别取50,100,150和200 kPa.对于土样、围压、加筋形式均相同的试样进行多组平行试验.

表2　砂土的试验工况Table 2　Test cases of sand

2　试验结果及分析

2.1偏应力-应变曲线对比分析

图3和4给出了不同工况下砂土的偏应力-应变曲线.可以看出,未加筋与加筋砂土的偏应力-应变曲线变化趋势类似,均近似为双曲线类型,符合加筋土摩擦型破坏的典型性特征.不同的加筋形式与未加筋时相比,砂土的偏应力值均有所提高,但影响程度和原因却不尽相同.当轴向应变小于3%时,主应力差增加速度较快,之后增加趋势逐渐减缓,所有试样的变形均在轴向应变为9%～10%时突然增大,试样破坏.

2.1.1半球加筋数量和围压的影响

图3为单层加筋时半球加筋砂土的偏应力-应变曲线.可以看出：在同一围压作用下,随着半球数量的增加,主应力差逐渐增大；而不同围压下加筋砂土强度在低围压时增幅较大,在高围压时随着加筋半球数量的增加,加筋土强度增幅逐渐减小,半球加筋效果不是特别明显.这说明,土体在低围压时受到的外部约束较小,变形较大,加筋土内部筋材和土体之间相互作用也较强,材料对土体的约束作用能够充分发挥.

图3　单层砂土试样的偏应力-应变曲线Fig.3　Deviator stress-strain curves of sands for single layer

2.1.2加筋层数的影响

加筋层数对加筋砂土强度的影响如图4所示.可以看出：当σ3=150 kPa时,单层水平加筋主应力差比未加筋时增大约5%,双层水平加筋主应力差比未加筋时增大约10%,3个半球单层复合立体加筋主应力差比未加筋时增大约15%,3个半球双层复合立体加筋主应力差比未加筋时增大约28%；4个半球和6个半球的单层复合立体加筋主应力差比未加筋时增大接约28.2%.这说明随着半球数量的增加,主应力差增幅逐渐减小.单层的4个半球复合立体加筋与双层3个半球复合立体加筋主应力差增幅接近,因此半球的数量对主应力差幅度的影响较大,而增加复合立体加筋层数对砂土的加筋效果影响较为一般.

图4　单、双层砂土试样的偏应力-应变曲线(σ3=150 kPa)Fig.4　Deviator stress-strain curves of sands for simple and double-layer(σ3=150 kPa)

2.2强度特性

对砂土试样进行三轴试验,可以获得在不同工况下试样破坏的峰值应力.根据砂土试样的试验数据绘制p-q曲线(p=(σ1+σ3)/2,q=(σ1−σ3)/2)如图5所示.

图5　不同加筋层数下砂土试样的p-q曲线Fig.5　p-q curves of sands with different reinforced layers

根据三轴压缩试验,对p-q曲线进行线性拟合得到回归方程,然后计算各组试样的抗剪强度参数c,φ值,从而获得加筋砂土的强度参数变化值(见表3).

表3　各试验工况下加筋砂土的强度参数Table 3　Strength parameters of different reinforced sands

由表3可以看出,各工况下加筋砂土的黏聚力和内摩擦角均比未加筋砂土高,1层水平加筋的c值比未加筋时增加了5.49 kPa,φ值增加了1.06°.对于同样层数的半球立体加筋土,在水平加筋上布置3个半球时的黏聚力比未加筋时增加了69.31%,而内摩擦角只增加了5.95%.因此,半球形立体加筋对砂土黏聚力的提升效果比内摩擦角要明显得多.

单层3个半球加筋时黏聚力比水平加筋时增加了3.07 kPa,内摩擦角仅增加了0.86°.比较加筋层数相同的半球形立体加筋与水平加筋砂土可以看出,半球的存在使得加筋砂土的黏聚力大幅增加.将2层半球形加筋砂土进行对比,发现c值的增幅随着半球数量的增加而快速增大.内摩擦角的影响相对较小,半球形加筋的主要作用是提高了砂土的c值.

2.3加筋效果分析

在加筋砂土的研究中,为了更好地评价加筋后砂土强度的变化,通常引入加筋效果系数

式中,Rσ为加筋效果系数,σ1,σ3分别为破坏时的大主应力和小主应力,(σ1−σ3)Rf为加筋砂土破坏时的主应力差,(σ1−σ3)f为未加筋砂土破坏时的主应力差.根据加筋效果计算公式得到不同工况下试样的加筋效果系数(见表4).

表4　不同工况下砂土的加筋效果系数Table 4　Reinforcement effect coefficients of different cases

在同一加筋方式下,低围压时的Rσ值较大,高围压时的Rσ值较小,随着围压的增大,其加筋效果有所降低.半球形立体加筋规律与水平加筋类似,在低围压时加筋的效果更好.由于低围压下土体的侧向变形较大,竖向加筋对土体的约束力也越大,加筋效果更为明显.

在围压、加筋层数相同的情况下,半球形立体加筋砂土的强度比水平加筋砂土有明显提高,且随着半球数目的增加,其加筋土的强度也相对提高.从表4中还可以看出,双层立体加筋砂土的强度大于单层立体加筋砂土的强度.

2.4破坏形态

不同加筋方式的砂土试样的破坏形态如图6所示.可以看出,水平筋条处试样的变形要比其他位置小得多,在其他位置则呈现鼓胀状.对于水平加筋,由于上下约束条件相同,上下鼓状基本上是对称的；而对于单层半球形立体加筋,水平筋条上部试样的变形比下部相对小一些,这主要是因为在水平筋条上面增加了立体加筋；对于双层的半球形立体加筋,试样的变形形态较为均匀,这是因为半球的存在增强了水平筋条上部的约束,限制了试样的侧向变形.

图6　不同加筋砂土的破坏形态Fig.6　Failure mode of different reinforced sands

2.5作用机理分析

水平加筋主要是通过土体与筋材之间的摩擦作用来增加土体的抗剪强度.对于半球形加筋砂土,由于试验过程中半球形橡胶筋材埋设在砂土下面,半球橡胶对内部的砂土直接产生阻挡作用,水平橡胶板受到法向力和水平的剪切力,这为土体提供了侧向约束力.半球形筋材的受力分析如图7所示.

图7　半球形筋材的受力分析Fig.7　Force analysis of hemispherical reinforced material

半球形加筋侧阻力σb按照Jewell等[15]提出的整体性剪切破坏公式计算：

式中,φ为土的内摩擦角,r为球半径,α为σb与z轴的夹角,θ为σb在xOy面的投影与x轴的夹角,S为半球面承受侧向阻力的积分域.以3个橡胶半球加筋为例进行推导,将侧向阻力Tb等效为径向(r0=2 cm,h=r)均布荷载∆σn,即

将径向均布荷载∆σn等效为试样高度上的∆σ＇n,最后等效为整个试样的外侧围压增量∆σ3,即

式中,n为加筋层数,H为试样高度,R为试样半径.

土体受到的侧向约束力与半球半径的平方、加筋层数成正比,因此与试样高度成反比,随着半球半径的增大,土体受到侧向约束力也随之增大.半球对三轴的土体变形有约束作用,使砂土紧密连在一起,宏观上表现为提高了加筋土体的似黏聚力和抗剪强度.

3　结论

本工作以橡胶为加筋材料,通过三轴剪切试验对半球形复合立体加筋砂土的强度特性进行分析,研究结果表明：①各种加筋形式应力应变曲线均为双曲线形式,符合加筋土摩擦型破坏的典型性特征；②立体加筋砂土强度增幅随着围压的增大而减小,即当侧向约束力较小时,立体加筋能够充分发挥加筋砂土内部筋材和土体之间的相互作用；③在围压和加筋层数相同的情况下,半球形立体加筋砂土的强度大于水平加筋土的强度,且随着半球数目的增加,加筋效果也相对提高；④当加筋方式改变时,不论是水平加筋或立体加筋,还是立体加筋数量或层数的变化,加筋砂土黏聚力的变化都要比内摩擦角的变化更加明显.

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本文彩色版可登陆本刊网站查询：http://www.journal.shu.edu.cn

Strength property and interaction mechanism of sand reinforced with hemispherical inclusions

YANG Lei1,ZHANG Mengxi1,PENG Jimin2,SUN Zhou1,GAO Ang1
(1.Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China；
2.Shanghai Urban Construction Design and Research Institute,Shanghai 200125,China)

A series of triaxial tests were carried out to study strength property of sand reinforced by hemispherical inclusions of rubber.The behavior of reinforced sand was studied in terms of shear strength of sand,stress-strain relation and the failure modes of specimen.Influences of confining pressures,number of hemispheres and number of reinforced layers on reinforced sand strength were discussed.The interaction mechanism between the hemispherical rubber and sand were also discussed.It was shown that shear strength is improved significantly under lower confining pressures.In addition,the reinforcing effect of hemispherical inclusions was increased with the number of reinforced layers increasing.Compared with sand reinforced with horizontal inclusions,the soil reinforced with hemispherical inclusions was bound more strongly,shear strength of reinforced soil was more improved,and the cohesion and friction angle of reinforced sand were improved more significantly with the number of hemisphere increasing.

hemispherical inclusion；triaxial test；strength；stress-strain；reinforcement

TU43

A

1007-2861(2016)05-0656-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.019

2015-04-22

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