筋-土剪切带的研究现状与展望

梁 程，徐 超

(同济大学 a.岩土及地下工程教育部重点实验室；b.地下建筑与工程系，上海 200092)

筋-土剪切带的研究现状与展望

梁 程a,b，徐 超a,b

(同济大学 a.岩土及地下工程教育部重点实验室；b.地下建筑与工程系，上海 200092)

在加筋土挡墙等加筋土结构设计中，竖向加筋层间距的取值是很重要的参数，但在现有规范中对此值要求并不明确。根据对加筋机理的分析，加筋剪切带不仅关系到层间距的取值，而且与加筋土的力学特性密切相关。首先论述了加筋土剪切带的形成原因及其形成过程，然后分别从理论分析、室内试验和数值模拟3方面对国内外学者在加筋土剪切带研究方法和研究成果方面进行了综述，发现已有成果中剪切带厚度显著地受试验仪器和试验条件等的影响，并且指出了现阶段研究过程中存在的一些问题。最后,提出了对加筋剪切带未来发展方向的思考和展望，认为对剪切带的判别、剪切带内土体的应力应变状态以及加筋土复合体的力学特性将是今后主要的研究方向。

土工合成材料；加筋土复合体；剪切带；加筋间距；力学特性

1 研究背景

加筋作为土工合成材料主要的功能之一，在土木、水利以及环境工程中的加筋土挡墙、加筋边坡以及加筋路基等加筋土结构中被广泛应用，并取得了很好的经济和环境效益。

对加筋机理的研究是充分认识加筋作用的前提，其中筋-土界面相互作用作为加筋机理的主要研究内容，根据国内外学者多年的研究成果，主要存在以下6种观点[1]：①界面摩擦作用；②约束增强作用；③张力膜效应；④加筋垫层的应力扩散作用；⑤改变土体的应力状态和位移场；⑥剪切带理论。出现上述6种观点是因为不同学者从不同角度对加筋土的工作机理进行分析的结果。如果单从某一方面来认识加筋作用，将会使得对加筋机理的认识具有一定的局限性。丁金华等[2]在分析加筋复合土体的力学机理时，第一次提出了“加筋有效影响范围”的概念，随后这一观点被大量的试验和数值模拟结果验证，即加筋作用不仅仅发生在筋-土作用界面，而且在距离筋材一定范围内的土体均受到加筋作用的影响。包承纲[1]进一步将加筋作用分为直接加筋作用和间接加筋作用。如果以此为判别标准对加筋机理的6种观点进行分类，笔者认为前3种可归为直接加筋作用，后3种则属于间接加筋作用。在本文中，将加筋作用产生的影响范围称为剪切带。剪切带的厚度将可用于指导竖向加筋间距的设计，但在实际工程中加筋间距一般在0.6～0.8 m之间变化，并且美国联邦公路局(FHWA)指南[3]中建议竖向加筋间距不应该超过0.8 m，这种确定加筋间距的方法没有根据实际工程情况考虑剪切带的厚度以及剪切带内土体性质的变化，可能导致加筋土挡墙设计的不合理性。

目前对剪切带的研究仍以研究筋-土界面特性的试验方法为基础，如直剪试验和拉拔试验等室内试验以及数值模拟等，同时借用外部观测手段对筋材附近的土颗粒运动变形情况进行宏细观测量和分析。基于此，本文首先论述了剪切带的形成机理，然后对剪切带的研究方法和研究成果进行分类总结，分析讨论并指出当前研究中存在的问题，最后提出了对剪切带研究的一些思考，以期为下一步的研究提供参考。

2 剪切带的形成机理

加筋土挡墙作为使用最广泛的一种加筋土结构，其不同的破坏模式以及相对于破坏面的不同位置对应于不同的筋-土相互作用机制，如图1[4]所示。图1中编号①,②,③,④分别表示此处的筋-土相互作用机理可以用室内直剪试验、拉拔试验、土中拉伸试验以及筋材倾斜的直剪试验进行模拟分析，并得到相关力学参数。而对于剪切带的研究，目前主要通过直剪试验和拉拔试验来模拟其形成过程并得到其厚度。

图1 加筋土挡墙中筋-土相互作用机制[4]Fig.1 Mechanisms of interactions in a geosynthetic reinforced soil retaining wall [4]

图2 拉拔光弹试验Fig.2 Photo-elastic pullout test

本文采用拉拔试验对剪切带的形成过程进行说明。在拉拔试验中，当筋材受到拉拔力后，由于筋材表面具有一定粗糙度，在正应力作用下，筋材拉拔端将产生应力和变形，筋材与土体之间将产生摩擦力。由于力的作用是相互的，则在筋材的上下面将产生一个阻止筋材与土体相对运动的摩擦力，并随着拉拔力的增大，筋材变形逐渐向其自由端传递，直到自由端受到的力达到最大摩擦力后，则其基本保持不变，这时筋材将发生相对于土体的整体滑动[1,5]，剪切带形成。丁金华等[6]以筋材整体滑动为界，将拉拔试验分为2个阶段：筋-土无相对位移的静摩擦阶段和筋-土相对运动的滑动摩擦阶段，并且认为第1阶段单纯是界面上的摩擦作用，而第2阶段的相互作用不仅发生在界面上，且在界面以外一定范围内的土体也发生了位移、转动。同时根据圣维南原理可知，当筋-土界面产生摩擦力后，该摩擦力将通过土颗粒向筋材两侧进行传递，而该摩擦力对土体的约束作用仅在一定范围内有效，并且该范围内摩擦力引起的附加应力分布将从界面处的最大值按照一定规律沿深度衰减至0，而在此范围以外的土体仍表现为原来的应力状态，这与丁金华等[2]对加筋复合土体的有限元数值分析中得到的结果一致。同时Dyer[7]于1985年做的拉拔光弹试验(图2)也说明了筋材产生的作用具有一定的影响范围，图2中白色表示附加压应力分布区。

图3 剪切带示意图Fig.3 Diagram of shear band

根据上述分析结果，可将筋材的影响范围d分为直接影响区域d1和间接影响区域d2，得到一简化分析模型(图3)，即

式中：d1表示筋-土界面区域，取值约为平均土颗粒粒径；d2表示土颗粒的相互作用，取值为附加应力分布区域。

3 剪切带的研究现状

对于剪切带的研究，笔者认为应该包括2个方面，一是筋材的影响范围，即剪切带的厚度；二是剪切带内土体的物理力学性质。如何定量描述筋材的影响范围，将可用于指导对加筋间距的设计；分析剪切带内土体物理力学性质的变化，将对加筋机理有更深入的认识。目前国内外对剪切带的研究方法以室内试验和数值模拟为主，理论分析还不成熟。室内试验包括以宏观测量为手段的大型叠环式剪切试验和以细观测量为手段的数字照相技术(CCD)、粒子图像测速技术(PIV)以及数字照相量测软件系统(PhotoInfor)等；数值模拟包括颗粒流分析(PFC)、有限元、有限差分等。这些技术和方法的运用，推动了我们对剪切带的研究和认识。

目前对剪切带的影响范围研究结果较多。根据剪切带的形成原因和形成过程可知，剪切带的厚度主要与土工合成材料的类型、填土特性以及筋-土接触面性质有关，其中土工合成材料类型包括材料的种类、延伸率、长度、表面粗糙度等，填土性质包括土颗粒大小、颗粒级配、土的压实度、土的剪胀性、土的含水率等，接触面性质包括界面强度、界面刚度等[1,8]。这些众多影响因素决定了研究剪切带的复杂性，同时引起国内外学者对剪切带的相关问题进行了大量探索，已取得一系列成果，论述如下。

3.1 理论分析

在理论分析方面，丁金华等[2]通过弹性有限元分析了加筋土在平面应变条件下，随着土体泊松比、土体模量与筋材模量比值以及轴压与围压比值的改变，得出筋材产生的剪应力分布范围均约为筋材长度的30%，并且剪应力在筋-土界面处具有最大值，沿深度方向呈线性衰减的结论。同时得出剪应力分布范围与筋材铺设长度的比值仅受土体泊松比与筋-土界面摩擦系数的影响，并且当土体泊松比在0.20～0.49之间变化时，剪应力分布范围与筋材长度的比值仅有0.02的变化量，因此摩擦系数对剪应力的分布范围影响较大。对于剪切带内土体力学性质的研究，在理论计算方面还有待进一步深入。

3.2 室内试验

3.2.1 直剪试验

在直剪试验方面，徐超等[9]利用自行研制的大型结构面剪切仪进行土工格栅与粗颗粒砂土的直剪试验，在试验过程中对砂颗粒进行图像采集，运用粒子图像测速技术(PIV)对土颗粒的运动规律和剪切带厚度进行研究，并采用50 kPa和87.5 kPa 2种不同的法向压力，得到的剪切带厚度基本一致，发生位移的砂土颗粒大约距筋材45 mm，说明剪切带的厚度约45 mm，相当于试验用砂颗粒平均粒径的7～9倍；王家全等[10]利用室内大型直剪模型设备研究土工格栅与砂土界面作用特性，并且通过高速相机记录拉拔过程中筋土界面土颗粒的变化状态，得到了剪切带的形成过程，认为在剪切过程中，界面土颗粒发生旋转，土体发生剪胀，孔隙率增加，平均接触数量减小，当土颗粒长轴定向排列后，重新被压实，孔隙率减小，平均接触树增多，这时达到相对稳定状态。在剪切带内，土颗粒位移值由里向外逐渐变小，并将剪切带分为核心区和过渡区，其中核心区域位移值较大，过渡区颗粒位移值较小，并且核心区域厚度保持稳定。同时该试验还监测了筋土界面附近竖向土压力分布，得到土压力值沿剪切方向前端向后端减小的结论。

3.2.2 拉拔试验

在拉拔试验方面，包承纲等[11]运用大型叠环式剪切仪进行拉拔试验，仪器尺寸为600 mm×600 mm×600 mm，得到无论法向压力是50 kPa还是300 kPa，拉拔过程中筋材的影响范围都在30 cm(刚好为实验仪器高度的一半)以内，并且土颗粒的位移在筋材界面处最大，随着距离筋材位置增加而减小的结论。这很有可能与试验仪器尺寸有关，受仪器尺寸所限。丁金华等[6]也采用相同规格的叠环式剪切仪进行拉拔试验，分别施加50，100，200，300 kPa 4种不同法向压力，得到相似的结论，但发现:法向压力为100 kPa时叠环的剪切位移最大;当压力>200 kPa时，不同高度叠环侧向位移差异变小;当竖向荷载>100 kPa时，剪切带厚度有可能超过30 cm。因此有必要采用更大尺寸的叠环式试验仪进行拉拔试验，以消除边界条件对剪切带厚度的影响,并对上述结果和假设进行验证。

Zhou等[12]在长600 mm，宽400 mm，高400 mm的拉拔箱内进行拉拔试验，使用ASANAS显微镜和CCD摄像机对筋材横肋附近6 mm×6 mm区域的土颗粒进行观察，发现在格栅横肋前面和后面，土颗粒分别处于被动和主动状态，即在横肋后面形成一个相对松动区，并且将得到的图像用PhotoInfor 程序进行处理，发现格栅上部和下部土颗粒的运动状态呈非对称分布，即筋材上部剪切带厚度大于筋材下部剪切带厚度(图4)，上界面厚度约为标准砂平均粒径D50的11倍，下界面厚度约为标准砂平均粒径的7倍[13]，得到整个剪切带厚度约为筋材横肋厚度的6倍，这与Palmeira等[14]在1989年做的拉拔试验得到的结果一致。王孝存等[15]对土工格栅和玻纤网布进行了拉拔试验，在土工格栅拉拔试验中，发现上下2条接触面区域，其厚度在密砂和松砂试验中分别约为5倍和7.5倍平均土颗粒粒径，而在玻纤网布试验中，只出现1条接触面，其厚度约为7.5倍平均颗粒粒径，并且发现接触面的厚度与拉拔速率关系不明显。

图4 剪切带分布(修改自文献[12])Fig.4 Distribution of shear band (based on reference [12])

3.2.3 离心模型试验

在离心模型试验方面，徐超等[16]针对间接加筋作用，进行了80，120，160 cm不同加筋间距的离心模型试验，提出了“临界加筋层间距”的概念，以此为界对常规加筋间距和小加筋间距进行区分，同时指出剪切带厚度不是一个固定值，会随着土粒粒径的增大、筋材刚度的增大而增大。

3.3 数值模拟

在数值模拟方面，周健等[17-18]运用颗粒流程序PFC2D模拟加筋土的拉拔试验，发现筋材附近土颗粒往拉拔方向发生了明显的位移和旋转，得到剪切带厚度为6～7倍土颗粒平均粒径；Wang等[19]运用PFC2D模拟筋材在土中的拉伸试验也得到了上剪切带厚度大于下剪切带厚度的结论，这一现象的产生主要是由于正应力随着深度的增加导致筋材上部的土颗粒较筋材下部的土颗粒容易发生移动造成的；陈建峰等[20]通过PFC2D模拟拉拔试验，发现在砂土密实度及法向应力较低的情况下，剪切带厚度随法向应力的增加而减小，两者呈负相关的线性关系；Tran等[21]运用有限元和离散元相结合的方法建立了加筋土三维模型，用以模拟筋材在土中的拉拔过程，其中格栅用有限单元模拟，土体用离散单元模拟，最后得到的结果如图5所示，筋材对土体的影响区域大致在筋材长度的50%以内，并且距离筋材拉拔端越远，竖向影响范围越小，即沿着筋材长度方向剪切带不呈等厚分布，说明剪切带厚度与筋材长度有关。在墙面处剪切带厚度最大，可能是由于面板的阻挡导致土体向上下两侧运动，致使影响范围增大；郑俊杰等[22]通过PFC2D模拟格栅加筋砂土的拉拔试验得出剪切带的厚度约为70 mm，随着拉拔作用的进行，剪切带内平均法向接触力不断增大，切向接触力逐渐减小，砂土密实度减小，剪胀现象明显，剪切带内砂土抗剪强度逐渐降低等结论。

图5 土颗粒变形分布(修改自文献[21])Fig.5 Distribution of deformation of soil particles (based on reference [21])

图6 拉拔过程中x向应力等值线(修改自文献[23])Fig.6 Stress contours in x direction during pullout test(based on reference [23])

王家全等[23]运用PFC3D模拟拉拔试验，认为在靠近筋土界面区域内，砂土主要以水平位移为主，在远离该界面区域内，砂土以法向位移为主，并且得到在筋土界面附近区域形成了高度的x向应力集中区(图6)，同时在沿格栅长度方向处界面区域出现几个z向应力集中区等结论。

王家全等[24]再次利用PFC3D模拟土工格栅与砂土的直剪试验，对比分析静载和循环荷载对剪切带的影响，如图7所示，得出在法向循环荷载作用下，筋土界面附近土颗粒的位移值较静荷载作用下大的结论。赖汉江等[25]运用PFC2D模拟土工格栅加筋砂土的拉拔试验，采用不同颗粒形状的土颗粒，得到剪切带厚度关系为纯圆颗粒<四边形颗粒<三角形颗粒<长形颗粒(1∶1.25)<长形颗粒(1∶1.5)。

图7 循环荷载和静载作用下砂土位移分布 (修改自文献[24])Fig.7 Distribution of sand displacement under cyclic loading and static loading (based on reference [24])

闫澍旺等[26]通过有限元计算得到试验结果表明，随着附加压力的增加，拉拔状态下土中格栅变形的长度将减小，那么筋材影响范围也将发生变化。如何通过这些条件来确定剪切带的分布，继而确定加筋间距和筋材长度，还有待进一步研究。

汪明元[27]在对膨胀土与土工格栅相互作用的研究过程中，通过对加筋土进行数值仿真，对加筋在膨胀土中的影响范围有了初步的认识：加筋对土体中最小主应力的影响区域为35～40 cm，对土体水平位移影响区域为40～45 cm，加筋导致主应力方向偏转区域为20～25 cm，对剪应力的影响区域为20～25 cm。剪应力影响范围与McDowell等[28]用离散单元模拟加筋土的拉拔试验得到的结果相近(见图8)。从以上结果可知，当采用不同指标来描述加筋剪切带厚度时，其值不尽相同，那么在确定加筋间距时，应该采用什么指标来确定剪切带厚度比较合理，仍需进一步的分析和研究。

图8 拉拔前后平均剪力分布(修改自文献[28])Fig.8 Distribution of average shear force before and at the end of test(based on reference [28])

4 目前研究中存在的问题

根据前述对加筋土剪切带研究方法和研究结果的论述，可以发现以下问题：

(1) 在研究加筋土筋-土界面性质的直剪试验和拉拔试验中，很多学者已经指出试验装置产生的边界条件问题会给试验结果带来误差，而这些试验装置还没有得到很好的改进，这必然对剪切带研究结果造成影响。

(2) 在描述剪切带厚度时，有土颗粒平均粒径、筋材厚度和筋材长度3种判别标准，这3种指标之间是否可以等效，还是它们相互之间有什么联系，尚未得到清晰的认识。

(3) 筋材种类多样，土体性质千变万化，在影响剪切带厚度的因素中，还有很多因素没有考虑到，比如土工合成材料的延伸率、几何特征、表面粗糙度等，土颗粒大小和级配、土的压实度、土的剪胀性、土的含水率等以及接触面的强度、刚度等等，如何确定其中的主要因素和次要因素以及多种影响因素之间的耦合作用尚未认识清楚。

(4) 从前文分析可知，直剪试验和拉拔试验得到的剪切带厚度结果不统一。应该采用直剪试验的结果还是拉拔试验的结果,或者针对不同的试验采用不同的判别标准来描述剪切带，还有待研究。

(5) 目前国内外对筋土接触面力学特性研究成果较多，而在剪切带方面大部分的试验结果仍以加筋影响范围为主，在揭示由于筋材的作用导致剪切带内土体物理力学性质发生变化、发生了怎样的变化等方面研究较少。

(6) 剪切带的相互重叠对加筋土体表现性能的影响，比如小间距加筋土，其承载性能远远优于常规加筋土[29]，还没有学者从剪切带的角度对这一现象进行解释。

5 未来研究的发展方向

在加筋土剪切带研究方面，无论是国内还是国外，相关的研究缺乏系统性，研究成果也很难取得共识。通过对剪切带研究成果及存在问题的讨论，对未来的研究方向提出一些思考。

(1) 确定剪切带的判别标准。

(2) 进一步对剪切带的影响因素进行研究，主要包括筋材种类、土体特性和接触面性质3类，对主要影响因素和次要影响因素进行划分，探讨各影响因素之间的相互关系。

(3) 对现有的试验设备进行改进或研发新的试验装置，尽可能消除或降低边界条件的影响，同时实现数据采集、分析的自动化，降低或消除人为测量带来的误差。

(4) 通过拉拔试验对影响筋材拉拔力的因素已有比较成熟的认识，但还没有将剪切带对拉拔力的影响考虑其中，能否在这两者之间建立联系，将有利于对加筋土复合体的进一步认识。

(5) 如何通过对剪切带的研究来合理确定加筋间距和加筋长度，这3者之间关系的确定将会优化加筋土结构的设计。

(6) 研究剪切带内土体应力应变场的变化规律以及剪切带的相互重叠对土体物理力学性质的影响规律。

(7) 在小加筋间距条件下，从剪切带的角度来研究加筋复合土体表现出很好的承载性能的原因及其力学特性。

(8) 用剪切带替换筋材的作用，确定剪切带厚度及其范围内土体的应力状态，并将其用于预测加筋土体的变形和极限承载能力。

另外，随着加筋土技术的不断推广，出现了很多新型土工合成材料，比如三维土工格栅等，而这些新材料的出现和使用将会在加筋土中形成不同的剪切带，如何对这一现象进行研究，向国内外学者提出了新的挑战。

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(编辑：陈 敏)

State of the Art and Prospect of Shear Band in Reinforced Soil

LIANG Cheng1,2, XU Chao1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University,Shanghai 200092, China; 2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University,Shanghai 200092, China)

The vertical reinforcement spacing, which is not clear in present specifications, is an important parameter in the design of reinforced soil retaining wall and reinforced earth structure. According to the mechanism of reinforcement, shear band is concerned with the value of vertical reinforcement spacing, and also is closely related tothe mechanical properties of reinforced soil. In this article, the causes and process of the formation of shear band are discussed, and then the research methods and results are summarized from three aspects including theoretical analysis, laboratory tests and numerical simulation. Results show that the thickness of shear band is affected by test apparatus and test conditions. Furthermore, some problems in current researches are pointed out. Finally, the development direction and prospect of shear band in the future are presented: discrimination of the shear band, the stress-strain state within the soil of shear band, and the mechanics characteristics of composite reinforced soil mass will be the main directions of further research.

geosynthetics; composite reinforced soil; shear band; reinforcement spacing; mechanics characteristics

2016-05-31；

2016-06-07

梁 程(1992-)，男，四川南充人，博士研究生，主要研究方向为土工合成材料(加筋土结构)和地基加固,(电话)021-65987079(电子信箱)lcmeijin@163.com。

10.11988/ckyyb.20161034

TU443

A

1001-5485(2017)02-0023-06

2017,34(2):23-28,51