循环前后不同颗粒粒径下sandwich形加筋土筋土界面单调直剪特性

刘飞禹,张端阳, 王 军

(1.上海大学土木工程系,上海200444;2.温州大学建筑与土木工程学院,浙江温州325035)

筋土界面强度是加筋土工程的重要控制指标,近年来倍受学术界和工程界的重视,对其力学特性的研究也成为筋土界面相互作用研究中的重要课题.国内外已经有很多学者,如Liu等[1-2]、Vangla 等[3]、Sayeed 等[4]、Jewell等[5]、徐超等[6]、刘飞禹等[7]和郑俊杰等[8]分别对不同的竖向应力、填料、颗粒粒径、格栅网孔大小、筋材以及颗粒级配多种条件下筋土界面在静力作用下的力学特性进行了研究.

随着加筋土结构在实际工程中的广泛应用,有关交通荷载与地震作用等对筋土界面剪切特性影响的研究也日益增多.Moraci等[9]研究了不同循环次数对筋土界面力学特性的影响;冯大阔等[10]研究了初始剪应力对粗粒土与钢板接触面的剪切强度及体变规律;Giuseppe等[11]在常刚度条件下,研究了砂土与钢板接触面在循环荷载的加载条件下剪应力的变化趋势以及循环后界面强度的特性;徐超等[12]研究了石英砂和土工格界面在法向循环荷载与静荷载下的筋土界面力学特性;Abdel-Rahman等[13]研究了土工格栅和砂土界面在竖向循环荷载的作用下筋土界面的强度特性,并将其与静载条件下的试验结果进行了对比.

Sandwich形加筋土是一种在黏土加筋的基础上,分别在土工合成材料的两侧置入薄砂层而形成的新型混合填料的加筋土结构(见图1),这种新型加筋土结构结合了黏土价格低廉、取材方便以及全砂土加筋界面的剪切强度较高等优点.Abdi等[14-15]研究了在静力作用下sandwich形加筋土的界面剪切特性,尤其是薄砂层厚度对sandwich形加筋土界面剪切特性的影响.

图1 Sandwich形加筋土Fig.1 Sandwich reinforced earth

可见,目前关于颗粒粒径对加筋土界面特性的影响主要集中在静力条件下颗粒粒径对格栅-砂土界面上,而关于颗粒粒径对sandwich形筋土界面剪切特性影响的研究还比较缺乏.本工作基于室内大型循环剪切试样,研究了颗粒粒径、薄砂层厚度对sandwich形加筋土筋土界面的剪切特性,并对试验中所产生的现象进行探讨分析,得出了几个有益的结论.

1 试验设备与材料选取

1.1 试验设备

本试验采用美国Geocomp公司的ShearTracⅢ室内大型直剪仪(见图2).直剪仪上剪切盒的有效尺寸为305 mm×305 mm×100 mm(长×宽×高),下剪切盒有效尺寸为405 mm×305 mm×100 mm.该大型直剪仪能进行在位移和应力2种控制条件下的直剪试验,本试验采取位移控制.在剪切过程中,上剪切盒固定不动,下剪切盒通过高精度电机带动一系列齿轮来控制其在剪切方向上的移动,该仪器可控制的水平向剪切速率范围为0.000 03～15 mm/min.水平及竖向位移通过位移传感器原理(linear variable diあerential transformer,LVDT)进行测量,运行位移最大值均为100 mm.试验数据由机载软件自动读取、记录并生成相关报表.水平力和竖向力由测力传感器测量.竖向荷载通过油压千斤顶和反力架施加,并通过试样上方的刚性板将力传递至土体.

图2 室内大型直剪仪Fig.2 Large-scale indoor direct shear apparatus

1.2 试验材料及试样制作

本试验所使用的黏土取于温州市洞头区,软黏土的基本物理参数如表1所示.在试验前,将土样粉碎并加水搅拌,制成含水率为30%的重塑土样,密闭静置24 h以保证土样含水率分布均匀,这样完成土样的制备.土工编织布的各项技术指标如表2所示,试验所用加筋材料采用土工编织布(见图3).

表1 软黏土基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of soft clay

表2 土工编织布技术指标Table 2 Technical indices of woven geotextile

图3 土工编织布Fig.3 Woven geotextile

本试验所使用的土样为石英砂,其密度为2.65 g/cm3.为了研究在不同颗粒粒径下sandwich型加筋土筋土界面循环剪切后的直剪特性,将石英砂分别通过1,2,4和8 mm孔径的筛,并将粒径小于1 mm和大于8 mm的土颗粒剔除,从而得到3种不同的石英砂试样:颗粒粒径1～2,2～4和4～8 mm石英砂试样(见图4,图中由左至右依次为对应颗粒粒径1～2,2～4和 4～8 mm).

图4 试验用石英砂Fig.4 Testing sand

在剪切盒下放置铁块,将裁剪好的土工编织布平铺在铁块上表面,然后通过下剪切盒前后的钢板及螺栓完成对土工编织布的固定.在完成下剪切盒和土工编织布装样后,依次在上剪切盒内填装石英砂和黏土.在黏土填装过程中,为保证不同黏土试样具有相同的密实度,以2 cm厚度为一层,控制每层厚土土样,使其具有相同的质量并将其压至标定标高.

2 试验方案

在本试验中共设计了3种试验方案(见表3),分别研究了不同颗粒粒径、薄砂层厚度对sandwich形加筋土的筋土界面剪切特性的影响.由于试验仪器自身的限制,所有试验均只进行了10次循环剪切.每个方案中不变量值的设定都参照了《公路工程土工合成材料试验规程》的要求,并借鉴了前期试验所得结果[16].

表3 剪切试验方案Table 3 Direct shear testing programs

3 试验结果分析

3.1 颗粒粒径对sandwich形加筋土界面单调直剪特性的影响

图5(a)～(c)依次为薄砂层颗粒粒径为1～2,2～4和4～8 mm的sandwich形加筋土在竖向应力为60 kPa、剪切速率为1.0 mm/min的单调直剪过程中,在不同薄砂层厚度条件下的筋土界面剪应力-剪切位移关系曲线图.

图5 在不同薄砂层厚度下筋土界面剪应力-剪切位移关系曲线Fig.5 Relation curves between shear stress and displacement on sand/woven-geotextile interface under diあerent thicknesses of thin sand layers

从图5中可以看出:①3幅图中的剪应力-剪位移曲线呈相同的发展规律,即剪应力随着剪切位移的增大先迅速增大然后趋于平缓,这说明在直剪过程中,筋土界面强度不断增大,以剪切硬化为主;②当颗粒粒径相同时,在同等剪切位移下,sandwich形加筋土筋土界面的剪应力随着薄砂层厚度的增大先增大后减小,即对颗粒粒径相同的sandwich形加筋土来说,存在一个最优薄砂层厚度,可以使筋土界面内剪应力最大,产生这种现象的原因可能是由于在单调直剪过程中存在一个位于筋材两侧一定范围内的剪切区域,这个区域内土体性质对筋土界面强度影响较大,当薄砂层厚度较薄时筋土界面附近砂颗粒较少;剪切主要发生在筋材与砂土-黏土的接触面上,砂颗粒间的锁嵌作用不明显,导致筋土界面剪应力较小;当薄砂层厚度过大时,砂土-黏土界面远离了剪切区域,筋土界面内受到的黏土对砂颗粒的粘接作用影响变小,导致了在单调直剪过程中界面内剪应力的下降;③当颗粒粒径依次为1～2,2～4和4～8 mm时,其对应的使筋土界面强度最大的薄砂层厚度分别为8,10和14 mm,可以看出对sandwich形加筋土来说,颗粒粒径越大其最优薄砂层厚度越大.

3.2 颗粒粒径对sandwich形加筋土界面循环剪切特性的影响

图6(a)～(c)依次对应了sandwich形加筋土筋土界面在颗粒粒径为1～2,2～4和4～8 mm时,在竖向应力为60 kPa、剪切速率为1.0 mm/min、幅值为3 mm、薄砂层厚度为10 mm时,筋土界面循环剪切的剪应力-剪切位移曲线关系.

图6 在不同颗粒粒径的情况下的筋土界面剪应力-剪切位移关系曲线Fig.6 Relation curves between shear stress and displacement on sand/woven-geotextile interface under diあerent particle sizes

从图6中可以看出:①在不同颗粒粒径条件下,循环剪切作用下的筋土界面剪切位移-剪应力发展关系大体上呈现出一样的趋势,即在整个循环剪切过程中相邻滞回圈趋于重合;②在循环剪切过程中,当颗粒粒径为1～2,2～4和4～8 mm时,筋土界面在正向上剪应力峰值分别为29.12,35.78和30.77 kPa,负向上剪应力峰值分别为−27.03,−27.8和−25.14 kPa,筋土界面在正方向上的峰值剪应力始终大于负方向上峰值剪应力,2个剪切方向上筋土界面存在一定差异,这种剪切异性的产生主要是初始剪切阶段在筋材和黏土间的砂颗粒排列导致.

考虑到筋土界面内在剪切过程中存在明显的剪切异性,取每个循环内正方向上峰值剪应力与负方向上峰值剪应力绝对值的平均值,作为每个循环内筋土界面平均最大剪应力(见图7).从图7可以看出,当颗粒粒径在1～2和2～4 mm时,随着循环剪切的进行,筋土界面最大剪应力不断增大,呈剪切硬化特征;当颗粒粒径为4～8 mm时,界面内最大剪应力先减小后增大,即筋土界面先发生剪切软化后呈剪切硬化.另外,还可以看出在循环剪切过程中颗粒粒径为2～4 mm时,界面内最大剪应力大于其他2种颗粒粒径,这说明随颗粒粒径的变大,sandwich形加筋土筋土界面强度先增大后减小.

图8(a)～(c)依次对应了在薄砂层厚度为10 mm时,在不同颗粒粒径下sandwich形加筋土筋土界面在循环剪切过程中竖向位移-剪切位移曲线关系.

从图8中可以看出:①在3种颗粒粒径下的sandwich形加筋土筋土界面竖向位移整体上以增大为主,即土体都以剪缩为主,同时随着颗粒粒径的增大,最终竖向位移不断增大,即当颗粒粒径越大sandwich加筋土体越大;②在相同颗粒粒径条件下,前几个循环周次中竖向位移不断增大,土体呈剪缩现象,在剪切位移相同时,相邻循环次数所对应的竖向位移差值更小,即筋土界面剪缩增量不断减小,从第2个循环周次开始,颗粒粒径为1～2和2～4 mm的sandwich形加筋土筋土界面竖向位移开始在循环剪切方向改变位置出现减小现象,从第4个循环开始,在保持剪切方向时竖向位移也会出现变小现象,即筋土界面在每次剪缩交替状态,而颗粒粒径为4～8 mm的筋土界面从第5个循环周次开始才出现剪胀现象,这表明颗粒粒径越大土体剪胀需要进行循环剪切的次数越久,这主要是在颗粒粒径较大时筋土界面完成重新定向排列至充分密实所需要的循环次数更多.

图7 在不同颗粒粒径的情况下筋土界面平均最大剪应力和循环次数关系曲线Fig.7 Relation curves between average maximum shear stress and cyclic numbers on sand/woven-geotextile under diあerent particle sizes

3.3 颗粒粒径对sandwich形加筋土界面循环后直剪特性的影响

图9 (a)～(c)依次对应了sandwich形加筋土在颗粒粒径为1～2,2～4和4～8 mm时,在竖向应力为60 kPa、剪切速率为1.0 mm/min的循环后直剪过程中,筋土界面的剪应力-剪切位移关系.

图9 在不同薄砂层厚度下筋土界面剪应力-剪切位移关系曲线Fig.9 Relation curves between shear stress and displacement on sand/woven-geotextile interface under diあerent thicknesses of sand layers

从图9中可以看出:①在循环后直剪过程中,筋土界面剪应力不断增大,主要呈剪切硬化特征;②当颗粒粒径依次为1～2,2～4和4～8 mm时,薄砂层厚度对应为8,10和14 mm时,筋土界面内剪应力最大,即在循环后直剪过程中,同样存在一个最优薄砂层厚度,使sandwich形加筋土筋土界面强度最大,且对颗粒粒径不同的sandwich形加筋土而言,颗粒粒径越大最优薄砂层厚度越大;③当薄砂层厚度为10和12 mm时,3种颗粒粒径下筋土界面内相同剪切位移对应的剪应力随颗粒粒径的增大呈先增大后减小趋势,但当颗粒粒径为2～4和4～8 mm时,筋土界面内剪应力差值远小于1～2和2～4 mm颗粒粒径间的差值,在不同颗粒粒径所对应的最优薄砂层厚度条件下,sandwich形加筋土筋土界面内剪应力随颗粒粒径增大而增大.

3.4 循环剪切应力历史对sandwich形加筋土界面的影响

将sandwich形加筋土在单调直剪及循环后的直剪过程中剪应力的最大值作为其筋土界面最大剪应力.图10为当颗粒粒径不同时sandwich形加筋土在单调直剪试验和循环后直剪试验中筋土界面最大剪应力-薄砂层厚度关系对比.

图10 在不同颗粒粒径情况下单调直剪试验与循环后单调直剪试验最大剪应力-薄砂层厚度关系对比Fig.10 Comparisons of maximum shear stress and cyclic number curves in monotonic direct shear tests and post-cyclic direct shear tests under diあerent particle sizes

从图10中可以看出:①在单调直剪和循环后后直剪过程中,同样的颗粒粒径下筋土界面内的最大剪应力整体上随薄砂层厚度增大而先增大后减小,当颗粒粒径和薄砂层厚度相同时,循环后直剪过程中最大剪应力大于单调直剪过程中的最大剪应力;②在单调直剪和循环后直剪过程中,当薄砂层厚度为10 mm时,筋土界面内最大剪应力随颗粒粒径增大而先增大后减小;当薄砂层厚度为12 mm及不同颗粒粒径所对应的最优厚度时,颗粒粒径为2～4和4～8 mm时的筋土界面最大剪应力差值较小,且大于颗粒粒径为1～2 mm时界面内最大剪应力;③在经历循环剪切作用后,不同颗粒粒径下的最优薄砂层厚度没有发生改变.

图11在不同颗粒粒径情况下单调直剪试验与循环后单调直剪试验竖向位移-剪切位移关系对比Fig.11 Comparisons of vertical displacement-shear displacement curves in monotonic direct shear tests and post-cyclic direct shear tests under diあerent particle sizes

图11 为当颗粒粒径不同时,薄砂层厚度为10 mm的sandwich形加筋土在单调直剪试验和循环后直剪试验中筋土界面竖向位移-剪切位移关系的对比.从图10中可以看出,在受到循环剪切作用后,筋土界面的竖向位移小于单调直剪下的竖向位移,这说明循环后直剪过程中筋土界面的剪缩量更小,这种现象产生的主要原因是在经历循环剪切后,薄砂层中砂颗粒与黏土接触部分的砂颗粒完全嵌入黏土,砂颗粒与砂颗粒相互嵌锁,土体更加密实;另外,在单调直剪过程中和循环后直剪过程中筋土界面的竖向位移的差值,随着颗粒粒径的增大呈先增大后减小的趋势.

4 结论

本工作对sandwich形加筋土筋土界面进行了室内单调直剪及循环后直剪试验,并对比分析了筋土界面的剪应力变化及体变规律,得到了如下结论.

(1)在单调直剪和循环后直剪过程中存在一个最优厚度,使得sandwich形加筋土筋土界面强度最大.

(2)在单调直剪和循环后直剪过程中,sandwich形加筋土中砂层颗粒粒径越大,最优薄砂层厚度越大.

(3)在循环剪切过程中,随颗粒粒径增大界面强度呈先增大后减小的趋势.

(4)和单调直剪相比,在循环后直剪过程中不同颗粒粒径下的最优薄砂层厚度和单调直剪保持一致,经过循环剪切作用后筋土界面强度大于单调直剪过程中的界面强度,其土体的体变小于单调直剪时的体变.

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