金刚格结构抗压强度试验研究

廖 鸿, 杨 阳，2， 易有元， 徐 超

(1.同济大学 土木工程学院地下建筑与工程系， 上海 200092；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098；3.上海莱韦环保科技有限公司， 上海 200131)

0 引言

随着社会经济发展，我国各等级公路的总里程快速增加，半刚性基层材料以其优良的工程特性在公路建设中得到广泛应用。然而半刚性材料自身具有脆性和对温度敏感等特性，在交通荷载和温度变化作用下，半刚性基层易形成裂缝并逐渐延伸到面层，形成反射裂缝[1]。这种裂缝的存在会极大影响车辆的行驶安全，破坏路面结构的整体性，在一定程度上削弱了路面结构的强度。当雨水通过裂缝渗入基层，引起路基软化，将进一步加速路面的破坏[2]。

以为了克服公路路面的反射裂缝，土工合成材料被越来越多地应用到路基工程中。Correia等[3]研究了不同强度的无纺土工织物在应力吸收系统中防治反射裂缝的效果，表明高强度无纺土工织物能够有效控制沥青路面的反射裂缝产生；Ferrotti等[4]通过重复循环加载，研究了在应力吸收层中铺设土工格栅可以降低层间阻力，起到防治反射裂缝的作用；Fereidoon等[5]通过室内模型试验研究了5种土工合成材料加筋对路面裂缝的影响，发现在厚覆盖层中使用高模量的土工合成材料可以有效减少路面裂缝产生，降低裂缝拓展速率；张晶等[6]研究了聚丙烯土工布在西藏地区半刚性基层沥青路面防反射裂缝的效果，结果表明聚丙烯土工布能够减少或抑制反射裂缝的产生。

在路面和基层之间铺设土工合成材料，可一定程度减少反射裂缝的产生。例如利用土工格室侧向约束、网兜效应等优点，加固路基碎石垫层，从而提高柔性路面的整体承载能力[7]。近年来，随着新型合成材料和制造技术的发展，金刚格在国外开始被越来越多地应用在重载堆场及道路工程中。金刚格是由PP复合材料制成、集地面加固与排渗功能于一体的新型土工材料，其力学性能强，且具有抗蠕变、耐腐蚀、抗UV耐老化等优点。国外众多相关工程案例表明，金刚格在提高地坪抗压性能、延缓路面反射裂缝产生以及控制不均匀沉降等方面有显著效果。

为对金刚格材料的力学特性进行更加深入地研究，本文通过对不同填充方案下金刚格试样的抗压强度测试，对比分析其破坏行为，为其在国内路面加固工程实践中的应用与推广提供科学依据。

1 金刚格无侧限抗压强度测试

1.1 金刚格

试验所用金刚格产自上海莱韦环保科技有限公司。如图1所示，成品金刚格试件整体长500 mm，宽500 mm，厚40 mm。金刚格内部为多个正方形格室，可填充土、混凝土、沥青、碎石等材料；每个格室四周均有锁扣，方便互相链接安装拼接;底部中央开孔，孔径约35 mm，可用于填充材料内部流体的排渗。

图1 金刚格结构示意图(单位： mm)

1.2 试样准备

金刚格在用于路面工程时，通常向格室内填充如黏土、混凝土、沥青、碎石等材料，可有效提高路面的抗压强度并改善道路不均匀沉降问题。本文首先针对上述无填充金刚格整体结构进行抗压强度测试，然后选取局部金刚格进行不同填充方案测试。切割后的局部金刚格如图2所示分为单个格室(图2a)、无边框四联格室(图2b)、有边框四联格室(图2c)3种类型，其尺寸(长×宽×高)依次为65 mm×65 mm×40 mm、120 mm×120 mm×40 mm和130 mm×130 mm×40 mm。

a) 单个格室

b) 无边框四联格室

c) 有边框四联格室图2 切割后的局部金刚格结构

填充方案包含混凝土与黏土2类。按照《混凝土设计规范》(GB50010—2010)[8]配置混凝土，强度等级为C30，水泥标号为P·O32.5。水、水泥、砂、石子等材料配合比为1∶0.90∶1.92∶0.41，坍落度为55～70 mm。黏土采用上海第四层灰色淤泥质黏土，含水率约30%，无侧限抗压强度约125 kPa。

针对单个格室，采取填充混凝土和黏土2种方案，另外测试同等尺寸的素混凝土试样强度以作对比。针对无边框四联格室，采取填充混凝土方案。针对有边框四联格室，采取填充混凝土方案并另外测试同等尺寸的素混凝土试样。待测试样情况汇总如表1所示。

表1 试样情况汇总试样尺寸(长×宽×高)空金刚格素混凝土金刚格填充混凝土金刚格填充黏土500 mm×500 mm×40 mmA0///65 mm×65 mm×40 mmADFG120 mm×120 mm×40 mmB/H/130 mm×130 mm×40 mmCEI/

1.3 测试过程

本研究采用2台电液伺服加载仪器对上述试样进行无侧限抗压强度试验，竖向加载阈值分别为600 kN与2 000 kN。对含混凝土的试样，加载速率为2 MPa/min(应力控制)，其余试样均载速率为1.5 mm/min(应变控制)。当试样出现明显破坏或轴向应变达到15%时终止试验。每类试样进行3组平行试验，取平均值进行结果分析。

2 试验结果及分析

2.1 未切割金刚格抗压强度

图3为未切割金刚格试样(A0)的应力-应变曲线，从图中可见完整的金刚格试样压缩形变量随竖向荷载的增加而增加。试样破坏时的平均应力峰值约为728.96 kN，计算得到极限抗压强度约2.92 MPa。其破坏时的最大形变量约5.5 mm，约为原试样高度的13.7%。

图3 未切割金刚格压力-位移关系曲线

接近极限状态时，金刚格试样产生碎裂现象并伴有明显声响，整体产生较大压缩变形。试件中心区域大多格室发生压缩变形及轻微折裂，试件四周边角区域产生明显破碎迹象，格室原有结构彻底破坏，如图4所示。

图4 未切割金刚格破坏形态

2.2 不同填充方案下单个格室抗压强度比较

图5为单个格室尺寸试样(A、D、F、G)的应力-应变关系曲线。其中，A类试样为无填充单个格室，3组平行试验测得的无侧限抗压强度较为接近，竖向极限压力平均值为13.2 kN，对应极限抗压强度约3.12 MPa，破坏时的最大竖向形变量约2.78 mm。D类试样为A类试样同规格素混凝土试块，竖向极限压力平均值为85.39 kN，极限抗压强度约20.2 MPa，破坏时的最大竖向形变量约1.77 mm。

图5 单个格室尺寸试样压力-位移变化关系曲线

F类试样为A类试样填充混凝土，竖向极限压力平均值为146.9 kN，极限抗压强度约34.79 MPa。破坏时的F类试样最大竖向形变量约3.26 mm，为原试样高度的8.1%;破坏后在格室四周边界均产生显著开裂，混凝土表面无明显裂纹，四周压碎破坏现象明显，部分骨料漏出格室(见图6)。

图6 F类试样破坏形态

G类试样为A类试样填充黏土，竖向极限压力平均值为14.3 kN，对应极限抗压强度约3.38 MPa。破坏时的G类试样最大竖向形变量约2.81 mm，约为原试样高度的7.03%;内部黏土与外部格室产生变形差异，金刚格室角部边缘开裂，有明显变形及折痕，如图7所示。

图7 G类试样破坏形态

由测试结果可见，4类单个格室尺寸试样的无侧限抗压强度大小关系为F>D>G>A，破坏时所对应竖向形变量的大小关系为F>G>A>D。以黏土为填充方案(G)，对提高金刚格的抗压强度有限，但试样破坏后仍保持较好完整性。以混凝土作为填充方案(F)，相比于无填充格室(A)抗压强度由3.12 MPa提高至34.79 MPa，较同尺寸纯混凝土试块(D)抗压强度也有约72%的显著提高，其抵御变形能力也为4类试样中最佳。

2.3 不同填充方案下四联格室抗压强度比较

图8、图9为四联格室试样的应力 — 应变关系图。其中，B、H为无边框试样，C、E、I为有边框试样。

图8 无填充四联格室试样压力-位移变化关系曲线

图9 四联格室填充混凝土试样压力-位移变化关系曲线

B类试样为无边框的四联金刚格室。由于无侧向边界，3组平行试验所得极限抗压强度出现较大差异。取试验2及试验3所测结果平均值，得最大竖向压力为10.39 kN，极限抗压强度约0.72 MPa。其破坏时的最大竖向形变量约1.37 mm，约为原试样高度的3.43%。C类试样为有边框的四联金刚格室，测得竖向极限压力平均值为40.1 kN，极限抗压强度约2.37 MPa。其破坏时的最大竖向形变量约1.88 mm，约为原试样高度的4.71%。

E类试样为B类试样同尺寸素混凝土试块，3组平行试验测得的竖向极限压力平均值为1 247.1 kN，对应极限抗压强度约73.79 MPa。其破坏时的最大竖向形变量约6.12 mm，约为原试样高度的15.3%。受压后试样中心部位无明显变形裂缝，边界区域产生较大程度变形破坏现象，混凝土碎石骨料亦出现不同程度破碎，如图10所示。

图10 E类试样破坏形态

H类试样为无边框四联格室(B类)填充混凝土，破坏时的竖向极限压力平均值为840.6 kN，对应极限抗压强度约58.38 MPa，最大竖向形变量约6.3 mm，约为原试样高度的15.8%。H类试样的变形特征与E类试样较为接近，而极限破坏状态下的轴向变形略小。试样外表面无明显裂纹，四周边界混凝土破坏程度显著，碎石等粗骨料压碎剥落。试样内金刚格室横纵肋条均无显著变形，试样中心区域混凝土与金刚格产生局部分离现象，如图11所示。

图11 H类试样破坏形态

I类试样为有边框四联格室(C类)填充混凝土，测得竖向极限压力平均值为1 415.1 kN，对应极限抗压强度约83.73 MPa。其破坏时的最大竖向形变量约7.9 mm，约为原试样高度的19.7%。加载过程中试样整体产生显著变形破坏现象，如图12所示。其中混凝土填充区域因致密压裂而区域光滑，碎石等粗骨料均明显破碎。格室四周边界处金刚格材料发生断裂，与混凝土分离。侧面肋条产生明显折痕至断裂或向外鼓出。混凝土的破裂现象亦集中于边角处。

图12 I类试样破坏形态

汇总所测试样极限抗压强度及破坏时对应的竖向变形至表2。比较A、B、C 3类无填充金刚格室的测试数据可知，单个金刚格格室的无侧限抗压强度及破坏时所对应的竖向变形量均最大，四联有边框金刚格次之，而无边框的四联金刚格最小，说明侧向边界对提高试样承载力及限制整体变形有明显作用。对比E、H、I 3类含混凝土试样，有边框的I类填充试样无侧限抗压强度及竖向极限变形均为最大，证实了侧向约束对提高试样承载力及抗变形能力的有效性。I类试件加载破坏之后，虽四周外框已开裂，导致边角部位混凝土剥落，但其内部纵横肋仍保持较好的完整性，且在竖向变形量接近试样高度30%的条件下仍保有约85%的残余强度。H类无边框填充混凝土试样极限抗压强度最小，原因在于金刚格内部肋条的存在使得试样完整性受到影响。纯混凝土试样较无边框填充试样而言，极限抗压强度大，但抵抗变形能力稍差。

表2 测试结果汇总试样编号试样描述极限抗压强度/MPa竖向变形/mmA0完整金刚格2.925.50A单个格室3.122.78B无边框四联格室0.721.37C有边框四联格室2.371.88DA型同尺寸混凝土20.201.77EC型同尺寸混凝土73.796.12F单个格室填充混凝土34.793.26G单个格室填充黏土3.382.81H无边框四联格室填充混凝土58.386.30I有边框四联格室填充混凝土83.737.90

3 相关工程建议

综合以上测试分析可以看出，金刚格填充混凝土后，相较于同尺寸混凝土试样，强度得到较大提升。由于金刚格长期性能稳定，浇筑、填充施工便利，在对强度要求较高的路基、重载厂房和库房地坪加固等工程中较为适用，可发挥更好的工程加固效果。同时，填充混凝土后的金刚格试样在抗变形能力方面也有所提升，达到峰值强度时所需变形更大。在残余变形较大的地基填土、基坑、垫便道和停车场等工程中使用，可有效减轻施工变形及工后沉降造成的材料破坏，发挥较好的工程服役性能。

由于有边界束缚作用，金刚格填充混凝土试样在峰值强度后仍保持较好的完整性，且随着变形增加仍维持较高的残余强度。因此，在不考虑边角局部破损的情况下，对于安全系数要求较高的重大道路工程中可优先考虑使用金刚格，以有效保证其整体安全性。

在加载过程中填充黏土的金刚格试样能够保持较好的完整性，抗变形能力强。适用于对承载负荷及长期变形有一定要求的路面、地坪工程，例如进场道路及停车场等，能在提供稳定停载地坪的基础上兼顾植被美化。且金刚格本身具有极好的导水性能，可有效满足老城区停车绿化和排水的双重需求，契合海绵城市建设的发展理念。

4 结论

为探讨金刚格在道路工程中的加固效果，研究了不同尺寸、不同填充材料对金刚格抗压强度及破坏行为的影响，得出以下结论：

1) 本文所述生产尺寸金刚格试样在竖向应变约13.7%时达到极限破坏状态，极限抗压强度约2.92 MPa。

2) 填充压实黏土对提高金刚格无侧限抗压强度效果有限，但试样抗变形能力得到提高，受压过程中金刚格整体结构可得到较好保持，且内部填充黏土在压密过程中无挤出现象。

3) 单个格室填充混凝土后，其极限抗压强度较同尺寸混凝土试件增加72.2%，变形协调能力亦有所提高。混凝土填充试样破坏形态多为格室边角鼓裂，试样破碎程度小，其内部肋条仍与格室侧壁连接，结构完整性较好。