土工格室加筋砂土大型叠环式剪切试验研究

2024-01-05李丹,董建刚,胡波,李波

人民长江 2023年12期

李丹,董建刚,胡波,李波

(1.武汉科技大学城市建设学院,湖北武汉 430065; 2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉 430010)

0 引言

土工合成材料因其良好的技术性能、适应变形能力强、造价低廉、施工简便等优势而被广泛应用于道路、堤坝、地基垫层等基础设施工程[1-3]。土工格室是一种三维立体形状的土工合成材料,相比一般的土工合成材料,具有抗拉强度高、弹性模量大及整体强度高等特点[4-6],而被广泛应用到工程建设中。土工合成材料与土体界面特性可直接影响加筋土工程的安全性及稳定性,因此许多学者对土工合成材料开展了一系列界面特性研究,但目前对土工格室与土体界面剪切特性的研究成果相对较少,尤其是对加筋原型土工格室在剪切过程中应力分布及加筋影响范围的研究。

筋-土界面特性的变化规律可通过直剪试验、拉拔试验得到[7]。目前许多学者[8-10]主要对土工格栅与土体界面的剪切特性进行了大量的研究,但对土工格室-砂土界面特性研究较少,这主要是由于土工格室三维结构相对复杂,对拉拔仪器要求较高,因此目前主要通过直剪试验研究土工格室与土体的界面剪切特性。左政等[11]开展了不同规格土工格室室内直剪试验,研究了条带高度、结点间距及法向应力对土工格室-砾砂剪切力学特性的影响。李丽华等[12-13]前期对废旧轮胎、土工格室、土工格栅3种不同土工合成材料的筋-土界面抗剪特性进行了研究,后期研究了土工格室与三向土工格栅的剪切性能,发现土工格室加筋效果优于三向土工格栅。刘炜等[14]采用大尺寸直剪仪,对土工格室加筋剪切性能进行了研究,发现土工格室可以显著提高加筋土黏聚力。晏长根等[15]采用微型土工格室进行三轴剪切试验,研究了土工格室加筋黄土的剪切性能。上述文献主要以土工格室单元体及微型土工格室为研究对象进行剪切特性的研究,而使用原型土工格室开展剪切试验,并分析土工格室应力分布、加筋影响范围的研究较少。

叠环式剪切试验可以看作为单剪试验的一种。单剪试验相比于直剪试验,不存在人为限定剪切面的位置,能更好地模拟不同材料之间的接触特性[16-17]。目前土工合成材料叠环式剪切试验研究成果较少。朱顺然等[18]采用大型叠环式剪切仪进行土工织物与砂土的界面剪切试验,研究了土体剪胀性的变化规律、筋-土影响范围等。刘飞飞[19]利用大型单剪仪研究粗粒料的剪切特性。张茜等[20]采用叠环式剪切仪研究了粗粒土剪切试验中剪切带变形特征。上述文献主要使用叠环仪研究了土工合成材料加筋和不加筋粗粒土的界面剪切特性,而以土工格室为加筋材料开展界面叠环式剪切试验的研究较为少见。

综上所述,目前对于土工格室加筋砂土界面的剪切特性及变形特征研究较少,因此本文采用大型叠环剪切设备开展原型尺寸土工格室的界面剪切试验研究。研究不同法向应力下土工格室-砂土界面的剪切特性、加筋影响范围,同时本试验通过在土工格室粘贴应变片采集应变值,来分析土工格室在剪切过程中的变形规律。

1 设备和试验设计

1.1 试验设备

本次大型叠环剪切试验设备使用的是长江科学院DW1280L电液伺服直剪拉拔试验系统,试验装置及原理如图1所示。该系统主要用于模拟填土工程试样在垂直和水平荷载作用下产生的形变,适用于格室、格栅等工程材料。其系统主要有以下几部分组成:试验主机、伺服作动器、垂直作动器及多通道伺服控制器等。主要技术指标:最大静态试验力400 kN,最大动态试验力±200 kN,剪切速率范围0～30.0 mm/min,最大剪切位移可达到300 mm。下剪切盒内部尺寸(长×宽×高)1 200 mm×1 000 mm×200 mm,上剪切盒内部尺寸1 000 mm×1 000 mm×800 mm,其中上剪切盒采用分层叠环式结构,叠环之间使用滚针排消除摩擦,叠环上下共12件,每层叠环高度为50 mm,最底层叠环预留土工布或格栅出口。电液伺服直剪拉拔试验系统优越性主要表现在:较大的剪切盒可减少试样的尺寸效应,同时计算机数据处理系统可在试验过程中显示试验全过程试验数据及图形。

1.2 试验材料

本次试验所用填料采用福建标准砂。为获得填料的基本物理指标,根据GB/T50123-2019《土工试验方法标准》对试验填料进行了一系列室内土工试验,包括烘干法测含水率、颗粒分析试验及相对密度试验,测得填料物理性质指标如表1所列。

表1 砂土物理性质指标Tab.1 Physical properties of sandy soil

试验所用土工格室为预应力注塑型整体式土工格室,并按GB/T19274-2003《塑料土工格室规范》分别对格室片和格室结点以拉伸速度50 mm/min进行拉伸试验,测得其主要技术指标如表2所列。

表2 土工格室主要技术指标Tab.2 Main technical indicators of the geocell

1.3 加筋材料的拉伸标定试验

对加筋材料进行拉伸标定试验,如图2所示。土工格室应变片粘贴时选择粘结效果较好的复合型胶粘剂,试验设备选用SANS CMT4304微机电子万能试验机,数据采集仪选用JZ-2001动态采集仪。试验方法如下:

图2 加筋材料拉伸标定试验Fig.2 Tensile calibration test of reinforced material

(1) 裁取宽度为20 mm,长度为180 mm的土工格室条带,划好测点位置并用砂纸进行打磨,打磨后用酒精擦拭干净。

(2) 使用万能表检查应变片的电阻值是否准确,并对格室条带测点位置和乳胶膜均匀涂抹复合型胶粘剂,贴好应变片并用乳胶膜进行覆盖。乳胶膜不仅使应变片粘结效果变得更好,还能起到保护应变片的作用。

(3) 选择半桥外补偿的连接方式,将贴好应变片的格室条带连接动态采集仪,用动态采集仪数据线连接电脑,同时在拉力机系统设置好试样数据的录入。

(4) 采用厚夹持带将格室条带缓慢夹在拉力机的夹具上,避免拉伸过程中夹持端应力集中。同时操作拉力机和应变采集仪,并监测试验过程中条带的力-时间-应变关系。

通过对采集的数据进行分析处理得到格室的轴力与应变关系曲线(见图3),可看出轴力与应变呈现良好的线性关系,轴力随应变变化关系回归为y=0.018 7x+1.272。

图3 条带抗拉强度与应变关系曲线Fig.3 Relationship between tensile strength and strain of strips

1.4 叠环剪切试验方案

为了系统研究土工格室在不同法向应力作用下筋材与砂土界面的相互作用机理、格室应力应变规律及加筋影响范围,共设计3种不同的法向应力100,150,200 kPa,然后在上述法向应力下固结稳定,之后以剪切速率1.0 mm/min进行水平加载。当试验水平剪切应力到达峰值并趋于稳定后即可结束剪切试验。

试验前,需要在土工格室上粘贴应变片。本试验侧重研究的是土工格室在荷载作用下主要沿剪切方向的变形,所以应变片布置如图4所示。剪切盒中填料每隔10 cm高度进行分层装填,并刮平击实,且控制相对密度为0.7。将贴好应变片的土工格室放入下剪切盒中(见图5),为了让土工格室充分展开,用铁丝做成U型卡固定在剪切盒外端,并分别对土工格室单元格填筑砂土,并确保击实抹平后的土工格室表面与下剪切盒表面齐平。然后将上剪切盒内侧铺设塑料薄膜,用以阻止剪切过程中砂粒进入叠环层间,从而阻塞叠环的运动。叠环的水平位移采集使用德国Sensopart激光位移传感器,将激光位移传感器绑定在叠环位移传感器架上,并分别照射1,3,5,7,9,11层叠环位移传感器卡口中间位置(见图6)。土工格室应变片与叠环水平位移的数据采集选用16通道的dataTakerDT85G采集仪,以每秒1次的频次进行采集,同时数据采集到PC端。

图4 土工格室应变片布置平面(尺寸单位:mm)Fig.4 Layout plan of geocell strain gauge

图5 土工格室及应变片布置Fig.5 Layout of geocells and strain gauge

图6 激光位移传感器布置(尺寸单位:cm)Fig.6 Layout of the laser displacement sensor

2 试验结果分析

2.1 法向应力对剪切力学特性的影响

纯砂、土工格室在不同法向应力条件下剪切应力-剪切位移曲线如图7所示。由图7(b)可知,不同法向应力条件下土工格室-砂土界面剪切应力与剪切位移呈非线性关系。取剪切试验中最大剪切应力值,与相应工况下的法向应力进行线性拟合,拟合系数均大于0.97,并得到纯砂的抗剪强度指标为φ=24.5°,c=30.1 kPa,加筋土工格室的抗剪强度指标为φ=28.4°,c=35.8 kPa。与纯砂抗剪强度相比,加筋土工格室的内摩擦角增量为3.9 °,黏聚力增量为5.7 kPa。

图7 叠环式剪切试验强度曲线及参数拟合Fig.7 Laminated ring shear test strength curve and parameter fitting

2.2 叠环水平位移变化规律分析

在叠环式剪切试验中,可通过轴向位移变化反映出土体体积的应变,进而得到土体的剪胀性变化规律[17-18]。如图8所示,随着剪切试验进行,土体出现了较明显的剪切体积变化,且在不同法向应力条件下均呈现先剪缩后剪胀的形态。随着法向应力的变化,剪切体变也在发生变化,法向应力越小剪胀性越明显,随着法向应力的增大剪胀性变弱。剪切位移在0～17 mm之间,由于在法向应力作用下,砂颗粒被压缩密实,此时土体体积变小呈现剪缩形态,随着剪切试验的进行,土体被压缩到最密实状态。随着剪切位移的继续增大,砂颗粒开始由固结密实状态向松散状态过渡,砂颗粒以向上转动、爬升为主,此时,轴向位移逐渐变大,表现出较强的剪胀性。当剪切试验出现剪切强度最大值后,剪切面附近的砂颗粒已较为松散,颗粒位移以水平翻滚为主,剪切体变出现降低并趋于稳定趋势。

图8 轴向位移-剪切位移曲线Fig.8 Axial displacement-shear displacement curve

上剪切盒是由12层叠环组成,且叠环之间有多组滚针排,当进行剪切试验时,下剪切盒受到水平荷载会产生剪切位移进而带动叠环产生水平滑移。如图9所示,在法向应力分别为100,150,200 kPa下,1号叠环靠近剪切面在剪切试验中产生的水平位移值最大分别为31.5,34.8,35.3 mm,而11号叠环远离剪切面产生的水平位移值最小分别为8.6,9.4,10.7 mm。每层叠环的水平位移会随剪切试验进行而增大,且叠环位置随距离剪切面高度的增加,其水平位移值会减小,同时叠环水平位移变化规律与法向应力呈正相关。当剪切试验出现剪切强度峰值后,叠环水平位移增长趋势变缓并趋于稳定。

图9 叠环水平位移随界面剪切位移的变化曲线Fig.9 Variation curve of horizontal displacement of stacked ring with shear displacement of interface

2.3 土工格室加筋影响范围

朱顺然等[18]在叠环剪切仪开展了土工织物-砂土界面剪切试验,认为筋-土剪切影响范围远大于厚度,试验中加筋影响范围超过7层叠环的总厚度,且每层叠环厚度为 30 mm。本试验研究土工格室-砂土界面叠环剪切试验,其剪切变形可通过叠环水平位移反映出,试验过程中可观察到11号叠环仍有较大的水平位移发生(见图9)。为了研究剪切强度达到峰值时土工格室与土工织物的加筋影响范围,对比两种土工合成材料加筋效果,并分别对其叠环水平位移结果进行线性拟合(见图10)。土工织物、土工格室在不同法向应力下叠环高度与叠环水平位移呈现良好的线性关系,且拟合相关系数均大于0.95。

图10 不同法向应力下叠环水平位移及参数拟合Fig.10 Horizontal displacement of stacked rings under different normal stresses and parameter fitting

土工织物在法向应力为100,150 kPa的作用下影响叠环的高度分别为358.95,400.46 mm。而土工格室在法向应力为100,150 kPa的作用下影响叠环的高度分别为734.39,765.34 mm,相对土工织物,加筋影响叠环高度分别提高了105%和91%。在不同法向应力下,剪切强度达到峰值时,砂土-格室比砂土-土工织物的剪切位移差值小。土工格室加筋影响范围要比土工织物更大,这与其三维立体式结构相关:立体式结构筋材与内部填料相互作用,能够对填料提供较强的侧向约束力和摩擦力,从而提高了土体整体性,因此加筋效果较好。

2.4 土工格室应变的变化规律

对土工格室粘贴应变片,并在法向应力为150 kPa下进行叠环式剪切试验,试验中采集到的应变值与剪切位移关系曲线如图11所示。由图11(b)可知,土工格室在法向应力作用下受力变形为非均匀分布,且随着剪切试验的进行,土工格室应变值也在逐渐增大,当到达剪切强度峰值后,土工格室应变值增长变缓并趋于稳定。在剪切试验中,靠近水平加载位置的土工格室应变值在剪切过程中变形最大,如1～3号的应变片的值要比4～6号值大,且3号应变片的值比2号应变片的值大,5号应变片的值比4号应变片的值大。这是由于土工格室应变片布置的方向不同,如图4所示,1、3、5、7号应变片方向相同,方向用x表示,2、4、6号应变片方向相同,用y表示,且不同位置的应变片在剪切试验中应变值均是靠近水平加载位置的大,如图11所示。未出现7号应变片的值,是因为在剪切试验过程中应变片发生了损坏,未采集到应变值。

图11 格室应变随剪切位移的变化曲线(法向应力150 kPa)Fig.11 Curve of geocell strain vs. shear displacement

在剪切试验中,靠近水平加载位置的土工格室的变形较大,且随着到水平加载位置距离的增大,对应位置的应变值逐渐减小。对其原因进行分析,在剪切试验中土工格室发挥的加筋作用主要有水平摩擦力、竖向摩擦力及环向约束力[11],且靠近水平加载位置的土工格室受到荷载时先发挥其加筋作用,其变形较大,如1～3号应变片,随着剪切试验的进行,中间位置的土工格室也逐渐发挥出加筋效果,其应变值也在增大。

根据不同法向应力条件下砂土-土工格室剪切试验,得到剪切位移分别为20,40,60 mm时应变片的应变值,并对其换算可得到剪切试验中的土工格室的拉应力如图12所示。从图 12可知剪切位移为20 mm时,每个应变片序号对应的拉应力值的变化均不大,随着剪切位移的增大,对应的拉应力值也在增大,说明土工格室的加筋效果是随着剪切试验的进行而逐渐体现。剪切位移约60 mm时,达到剪切峰值强度,这时格室受到的拉应力接近最大值。

图12 不同剪切位移时应变片对应的拉应力值Fig.12 Tensile stress values for strain gauges at different shear displacements

在法向应力为150 kPa下,剪切位移分别为20,40,60 mm时,土工格室不同位置应变值见表3。根据图3格室条带拉伸标定试验得到的公式y=0.018 7x+1.272可进行换算得到剪切试验过程的格室拉应力值。从表3可以看出,随着剪切试验的进行,格室的拉应力值在增大,剪切位移为60 mm时接近到达剪切强度峰值,1号应变片的拉应力值最大,为27.3 kN/m,6号应变片的拉应力值最小,为6.5 kN/m。