不同直径的加筋土三轴试验

张远航

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，重庆 401120）

加筋土是筋材和土体的复合体，在现代土木工程中受到越来越多的认可。筋材和土体的结合有效改变了土体原有的应力-应变场，改善了土体变形条件，提高了土体的工程性能。前人研究多注重加筋的形式、材料，以及不同种类的土体对加筋土强度特性的规律研究。基于加筋形式的复杂和多样性，对于加筋材料的尺寸研究还相对较少。本文通过黏土的三轴试验，以土工格栅为加筋材料，分析了不同加筋尺寸的加筋土强度特性，以期找到加筋土材料的最佳尺寸。

一、试验设计

（一）试验仪器

试验采用GDS三轴试验仪，可精确控制应变进尺，使用其配套的数据采集系统，可实现试验过程中实时自动采集、存储数据。试验详细方法参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），试验过程中应变速率控制为1.5mm/min，每次采集后开展数据分析，为下次试验做调整。试验时以主应力差峰值点为破坏点，选取3种围压开展试验，分别为100kPa、200kPa和300kPa，目的是为确保试验后试样绘制强度包络线的完整性。

（二）试验材料

填料为黏性土，该土呈棕色，按《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）测定该土体的物理性质指标，包括容重、含水率、密度等，得到该黏土的比重为2.69%，最大干密度为2.01g·cm-3，最佳含水率为11.2%。根据三轴试验试件的尺寸（直径10cm，高度20cm），结合土工格栅的材料特性，选用易于制样的玻璃纤维土工格栅为试验筋材，其网眼尺寸为20mm×20mm。

（三）试件制备

三轴试验将土体作为单元。根据三轴仪的规格，试件直径为10cm，高度为20cm。先将硬纸板以圆规画作不同直径的圆，并将之剪切备用，再以硬纸圆作为模板覆盖于土工格栅上，标记出圆外轮廓并将土工格栅材料沿着外轮廓剪出，制备土工格栅试样作为加筋材料。在剪切过程中，注意保持土工格栅结构完整，尽可能减少对土工格栅的折叠。

由于土体强度对土中含水率的变化非常敏感，在制备土体试样时应加强对土体含水率的控制。土体在配置过程中，经过筛分、喷洒拌匀后，装入保鲜密封盒中静置养护，1天后再进行试样制备。控制压实度是制备试验试样的关键，结合目前路基常用参数指标，参考公路路基规程，回填土一般控制压实度为93%，因此试验的制样压实度控制为93%。

试样制备时筋材分3层加入，呈对称布置。采用分层填筑的方式，将每层土体尽量均匀地放入模具中，在击实过程中及时测量进尺深度，严格控制压实度并在每层土体填筑完成时施行刨毛处理，保证土体之间的咬合摩擦。而对于筋材的加入位置亦要施行刨毛处理，保证土体与筋材之间的相互结合。

（四）试验方案

试验的目的是研究不同直径加筋材料对土体强度特性的影响规律。根据试验目的，设计4种不同加筋直径，得出4种工况。工况M1为普通土样，没有加筋；工况M2～M4采用与M1相同的土样，保证具备可对比性。经过调研，结合试件尺寸，加筋方式采用分层加筋，分为三层。竖直方向上尽量与试件模具中轴线重合，水平方向尽量保证水平，呈对称布设状，减少筋材在试件中的错层和倾斜。不同的加筋直径用以测定加筋直径大小对土体的其抗剪强度的影响。每组测试经过多次试验，剔除干扰试验，保证数据的真实和有效性。

二、加筋土应力-应变特性分析

筛选试验数据，剔除干扰数据，整理分析有效数据，得出三轴试验的应力-应变曲线图。从该图中可以得出，加筋土和土体的应力-应变曲线一致，在一定应变范围内，应力都随着应变的增加而增加，特别是在应变2%以内时，应力随应变呈线性变化。

从该图中还可以得出，在轴向应变达到4%之前，应力在急剧攀升后，达到最大值。加筋土的抗剪强度达到峰值强度后，应力随应变的变化情况有所区别，应力不再随着应变的增加而增大，而是逐渐减小。研究认为，这与土体的材料特性有关，土体作为一种特殊材料，其粒状结构特性是导致这种现象的原因，同时这也符合土体的强度特性。从试验结果还可以得出，土体中筋材的加入不仅提升了土体的峰值抗剪强度，也提升了土体的残余强度。

由应力-应变曲线可知，加筋土的抗剪强度增长速率是高于土体本身的，并没有出现前人研究中所出现的加筋土强度较土体本身的延后情形。筋材与土体的结合随加筋土的强度提升是从试验一开始就贯穿至试验结束的。研究认为，这与试样的制作流程有关，由于是分层填筑，试样在制作过程中，已经对筋材和土体实施了挤密和压实措施，筋材与土体之间的相互结合已经施加了应力，筋材一开始就能和土体牢牢咬合，使之一起发挥作用，实现土体强度的提升。

筋材的直径大小与加筋土抗剪强度的提升密切相关。从直径4cm～8cm的过渡过程中，无论围压大小，加筋材料的直径越大，筋材的峰值应力及残余应力也越大，同时加筋土材料的抗剪强度增长速率也越快。随着围压提升，加筋土的抗剪强度提升与土体规律保持一致，但加筋直径与强度提升幅度有所区别。从图中可以得出，直径从4cm增大到6cm时，相较于直径从6cm增大到8cm，加筋土抗剪强度的提升幅度相对较大。这种现象在低围压下（100kPa）表现明显，这说明低围压有利于发挥出筋材与土体的共同作用，而高围压下，筋材不容易发挥出与土体的共同作用。因此，如何合理有效且最大限度的发挥加筋土的强度特性，需要恰当选择加筋材料直径，避免不必要的浪费，最终确定试验中的加筋最佳直径为6cm。

三、加筋土抗剪强度变化规律

土体是一种弹塑性材料，区别于弹性和塑性材料，其强度特性同时具有弹性和塑性两种材料的特性。土体的抗压强度相对较高，抗拉强度较低，土体的强度指标一般指抗剪强度。因此，对筋材土体结合后的复合土体-加筋土的抗剪强度研究，有利于研究筋材在土体中的共同作用效果，是研究加筋土的重要方法。

结合加筋土的三轴试验结果，将有效数据导入Excel中整理分析。根据土体三轴试验抗剪强度理论和试验结果，计算加筋土的抗剪强度指标。

结合加筋土的应力-应变曲线可知：

（一）筋材对土体的黏聚力c和内摩擦角φ有着不同影响

对黏聚力c，加筋土黏聚力比无筋土黏聚力高，并且加筋土黏聚力随着筋材直径的增大而逐渐增大。对内摩擦角φ，加筋土内摩擦角φ大于无筋土，内摩擦角的变化规律有别于黏聚力。加筋土内摩擦角并没有随筋材直径的增大而增大，只在一定程度内有所增加。因此，筋材的加入有利于土体抗剪强度提高，改善了土体的黏聚力c值和内摩擦角。

（二）汇总加筋土各个工况的黏聚力和内摩擦角值

加筋土的黏聚力上升速率与筋材直径有关，随着筋材直径的增加，虽黏聚力值一直在增大，但黏聚力上升速率并非一直增加，在筋材直径4cm～6cm时，黏聚力增长速率最大，这与前面分析的存在最佳加筋筋材直径的结果相符。

加筋土内摩擦角的变化相对较小，但出现在筋材直径为6cm时，加筋土内摩擦角最大，由此可见，加筋土内摩擦角的增加有限。

四、结语

筋材不仅提升了土体的峰值强度，也提升了土体的残余强度；加筋土的抗剪强度增长速率高于普通土体，其抗剪强度的提升没有延后性；加筋土的抗剪强度随着筋材直径的增加而增大，但提升幅度并不随着直径的增大而增大，存在一个最佳直径为6cm；加筋土在低围压下有利于发挥筋材与土体的相互作用，提升加筋土抗剪强度；筋材的加入提高了土体抗剪强度，改善了土体的黏聚力c值和内摩擦角；加筋土随着筋材直径的增加，黏聚力上升速率并不是一直增加，在筋材直径6cm时，黏聚力增长速率最大，内摩擦角增长有限。