不同角度土工格栅加筋剪切特性的试验研究

李 岑，张孟喜，王 东

(1.上海大学力学与工程科学学院，上海 200444；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

近年来，加筋土结构已广泛应用于水利、公路、铁路、市政等领域，而加筋土结构的加筋效果的是通过筋-土界面特性反映出来，因此研究筋-土界面力学特性具有十分重要的意义。在加筋土结构中，筋-土界面之间的相互作用非常复杂，加筋土结构的种类不同或者同一类型加筋土结构中的不同位置处，筋-土界面相互相互作用的机理就有所不同，因此也就导致相应的测试方法有所不同。国内外测试筋-土界面特性的室内试验方法主要有：直剪试验、拉拔试验、扭剪试验以及斜板试验[1]，而其中，直剪试验和拉拔试验是研究筋-土界面特性的最有效试验手段。

国内外许多学者多年来在筋土界面特性研究上取得了大量成果。大部分研究都是针对图1中A(破坏面沿着筋材)、C(筋材从土中拔出)两种情况进行：吴景海[2]、张嘎[3]、徐超[4-5]、刘文白[6]等都对土工合成材料与土界面作用特性开展了研究。但对于情况B，潜在破裂面和土工合成材料有一定夹角时的研究还有所缺乏，我国现行规范对此种情况的试验方法也并未涉及[7]。

图1 加筋土边坡筋土界面作用形式

国外的McGown等人[8]通过平面应变试验发现，沿主拉伸应变方向布置金属或者纤维等相对不可拉伸的材料，会抑制土体内部拉伸应变的发展。Jewell[9]通过在纯砂中布置不同角度的纤维、钢筋等材料进行直剪试验，发现60°加筋时，抗剪强度最大。Gray和Ohashi[10]通过改变纤维加筋面积、加筋角度、纤维刚度、填砂的密实度等来开展直剪试验，得出和Jewell类似的结论。Palmeira[11]等人运用大型直剪仪对不同类型的材料进行加筋直剪，发现不同纵向刚度或者弯曲刚度的金属网格的试验结果之间没有显著差异。Sieira[12]采用有限元软件Plaxis2D对斜向加筋直剪试验进行了模拟分析，但仅模拟了30°、60°和90°加筋的情况。

综上所述，在实际加筋土结构中，确实存在破裂面与土工合成材料成一定角度的情况，对于此种情况，并没有开展过不同角度土工格栅加筋的大型直剪试验，而仅仅是将土工合成材料放置于上下剪切盒之间开展界面特性直剪试验。本文通过HM-5780大型直剪仪对土工格栅与剪切面呈一定角度时的情况开展了试验研究，并分析了土工格栅加筋角度对土体抗剪强度的影响机理。

1 试验设备与材料选取

1.1 试验设备

试验仪器采用美国Humboldt的大型直剪仪，型号为HM-5780，该试验机器设计简单，自动化程度较高，可实现自动量测并记录相应数据，仪器的主要性能参数如表1所示。

表1 HM-5780直剪仪性能参数

大型直剪仪由剪切盒，剪切腔、控制面板组成，试验采用了位移控制式，下剪切盒通过高精度电机来控制，试验数据通过计算机自动读取并记录。剪切盒为方盒，相比传统直剪盒较为容易开展试验，下剪切盒的长度大于上剪切盒，是为了保证在剪切过程中剪切面积保持不变，并且通过螺栓固定。

1.2 试验材料

试验选用土样为福建标准砂，通过筛分试验测得颗粒粒径主要集中在0.5～2 mm，颗粒级配如图2所示，不均匀系数为2.78，曲率系数为1.14。最大干密度为1.87 g/cm3，最小干密度为1.45 g/cm3。通过大型直剪试验测得内摩擦角为31.5°，黏聚力为6 kPa。

图2 砂土颗粒级配

试验所用土工格栅为双向聚丙烯土工格栅，如图3所示，相关技术参数如表2所示，格栅网孔尺寸为40 mm×40 mm，因为剪切盒宽度固定，所以每次试验纵肋为8条，中间网孔为7个。

图3 试验用土工格栅

表2 土工格栅技术参数

2 试验方案

2.1 试验布置

为了探究土工格栅在不同角度加筋情况下的剪切应力与剪切位移的关系，本文在50、100、150 kPa及200 kPa的垂直压力下对试样进行直剪试验模拟，土工格栅布置角度及剪切方向如图4所示。5种加筋角度的直剪试验布置如图5所示。

图4 筋材布置示意

图5 不同角度试样布置

2.2 剪应力-剪切位移关系

图6分别列出了4种竖向应力下的剪切应力-剪切位移的关系曲线。从图6可以看出，土工格栅大部分角度加筋直剪的剪切应力随着剪切位移的增加而增加，达到峰值应力后，剪切应力逐渐回落直至逐渐稳定，呈现应变软化特征，而90°加筋则在剪切过程中出现“翘尾”现象，是因为随着下剪切盒的位移，下部格栅在砂土的作用下逐渐发生偏转，格栅从受压状态逐渐转换为受拉状态，加筋角度逐渐接近最大拉应变方向，因此强度逐渐增长。

图6 不同σ下剪切应力-剪切位移关系

加筋角度30°、60°的格栅在剪切过程中主要为受拉状态，起到拉紧周围土体的作用，因此抗剪强度比较高。加筋角度为120°、150°的格栅在剪切过程中主要为受压状态，且格栅水平分量对下剪切盒起到阻碍作用，因此抗剪强度上升速度比较大，但竖向分量却并未能够加强竖向应力，导致峰值强度低于30°、60°加筋状态。

绘制不同竖向应力下的峰值强度并拟合，如图7所示，R2都在0.99以上，拟合程度较好，根据拟合曲线求出内摩擦角和黏聚力，如表3所示。从图7及表3可以看出，相比于无筋砂土，30°、60°、90°加筋的内摩擦角和似黏聚力都有一定程度的提升，60°加筋时内摩擦角提升最大，黏聚力提升了19 kPa，120°加筋时黏聚力降低了3 kPa，而内摩擦角和未加筋时大致相同。

图7 不同角度加筋的强度拟合

表3 不同抗剪角度强度参数对比

2.3 格栅变形分析

已有学者[13]基于力的平衡推出了纤维在不同初始加筋角度下的强度公式，分为初始角度为90°的竖直加筋，以及其他角度的倾斜加筋，如图8所示。

图8 筋材受力分析

对这两种情况进行受力分析，加筋材料与土体之间的摩擦力可以提高加筋土的抗剪强度，而格栅又具有良好的抗拉性能，因此可以提升土的黏聚力，基于力的平衡可以推出这两种情况下加筋效果提供的黏聚力。

加筋土的剪切强度可以表示为

τr=τ+cr

(1)

式中，τr为加筋土的抗剪强度，kPa；τ为不加筋时的抗剪强度，kPa；cr为加筋作用贡献的黏聚力，kPa。

筋材中的拉应力可以表示为

σr=T/As

(2)

对于竖直加筋

cr=σr[sinα+cosαtanφ]

(3)

对于倾斜加筋

cr=σr[cosβ+sinβtanφ]

(4)

公式(1)由两部分组成，对于剪切过程中受拉的筋材，正如本文试验中的30°、60°、90°加筋，筋材拉力的垂直分量会增强剪切强度，对于剪切过程受压的筋材，如120°、150°加筋，筋材的拉力不能发挥出来，竖向分量还会导致竖向应力降低，所以剪切强度减小。

为了对比与纤维在不同角度下加筋的剪切特性，定义抗剪强度增量比为

(5)

式中，Δτ为筋材贡献的抗剪强度；η为仅筋材在法向平面上的等效面积比(筋材表面积在法向平面上的投影面积)；σy为对应的法向应力。

选取100 kPa下的不同角度加筋的结果，将不同角度加筋下的抗剪强度增量比随角度变化的关系如图9所示。结合Gray的试验结果可以看出，由加筋引起的抗剪强度增量趋势大致相同，这和加筋面积、加筋材料、筋土界面摩擦特性有关，相比于纤维加筋，土工格栅加筋提升较多，这是由于格栅的抗拉性能较强，且格栅对土体有一定咬合作用。

图9 加筋角度-抗剪强度增量比

3 结 论

本文通过开展大型直剪试验对土工格栅多角度加筋直剪试验进行了探究，并结合格栅剪后的变形特性，分析了该试验的抗剪强度特性，得到如下结论：

(1)不同布置角度的格栅在直剪过程中，受力状态不同，是抗剪强度不同的主要原因。土工格栅剪切开始前都呈受压状态，随着剪切位移逐渐增大，30°、60°、90°加筋格栅开始呈受拉状态，120°、150°加筋格栅则一直呈受压状态。

(2)土工格栅布置角度对土体抗剪强度有着较为显著的影响。当加筋角度为60°时，内摩擦角和黏聚力都提升较大，抗剪强度提升最大。土工格栅与土体剪切方向成120°时，黏聚力有所降低，内摩擦角基本不变，土体抗剪强度低于无筋试样。

(3)在剪切过程中，90°加筋会出现“翘尾现象”；随着剪切位移增大，抗剪强度不断上升，150°加筋会出现“翘头”现象，剪切刚开始时格栅的初始刚度会阻碍剪切盒的移动。

(4)基于抗剪强度增量比，可以得到不同材料在不同角度下的加筋剪切特性的趋势大致相同。