雷勝友

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064）

筋材在加筋土不同受力階段作用機(jī)理的試驗(yàn)研究

雷勝友

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064）

為了探討加筋材料在土樣的擊實(shí)、固結(jié)和剪切階段對(duì)土體強(qiáng)度增加的影響，進(jìn)行了加筋土、素土和2種損傷土的三軸剪切試驗(yàn)，在試驗(yàn)中按累積遞增次序分別考慮加筋材料參與土樣的擊實(shí)、固結(jié)和剪切過(guò)程，結(jié)果表明：加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度增加的貢獻(xiàn)主要在土體的固結(jié)階段，剪切階段貢獻(xiàn)比較小，擊實(shí)階段沒(méi)有貢獻(xiàn)。因此，要提高加筋土的強(qiáng)度，應(yīng)該在土的固結(jié)和剪切階段對(duì)加筋材料采取相應(yīng)的措施。

加筋土；素土；損傷土；擊實(shí)；固結(jié)；剪切

加筋土結(jié)構(gòu)因具有許多優(yōu)點(diǎn)而風(fēng)靡全球，出現(xiàn)了大量加筋土形式的結(jié)構(gòu)，如加筋土的地基、大壩、橋臺(tái)、擋墻等土工構(gòu)筑物，同時(shí)對(duì)加筋土強(qiáng)度的研究也非常多，集中表現(xiàn)在室內(nèi)研究，尤以加筋土三軸試驗(yàn)研究居多，其中加筋土試樣中筋材可分為成層布置［1－5］、立體布置［6］以及混合布置［7］。以上研究均表明土體加筋后強(qiáng)度顯著提高，在強(qiáng)度參數(shù)上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角基本保持不變，而粘聚力有顯著提高。但謝婉麗［8］和王勇，舒子亨［9］的試驗(yàn)結(jié)果卻與此相反，即加筋土的強(qiáng)度比素土的強(qiáng)度低。因此，有必要探究加筋是否會(huì)造成土體強(qiáng)度的降低及其原因是什么？

筆者認(rèn)為，要研究以上問(wèn)題，首先得研究加筋材料在加筋土的形成和受力變形過(guò)程所起的作用。因?yàn)榧咏钔僚c素土的區(qū)別僅僅是前者有加筋材料的存在，也即在加筋土的形成、固結(jié)和剪切過(guò)程中有加筋材料的參與，因此只有將加筋材料在各個(gè)階段對(duì)土體強(qiáng)度的影響通過(guò)試驗(yàn)的方法定量地確定下來(lái)，才能認(rèn)識(shí)加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度增強(qiáng)的貢獻(xiàn)。為此，本文著重考慮加筋材料的隔離夾層影響，并在損傷土樣的制作和試驗(yàn)方法上做較多的改進(jìn)，進(jìn)行加筋土作用機(jī)理的三軸試驗(yàn)研究，旨在探索加筋材料在各個(gè)階段所起的作用，為進(jìn)一步揭示加筋土作用機(jī)理提供試驗(yàn)方面的支持。

1 試驗(yàn)方法與材料

一般加筋土三軸試驗(yàn)所用的試樣通常是由分層擊實(shí)而成試件，如果進(jìn)行的是固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)又可分為固結(jié)和剪切2個(gè)階段，如果能把加筋材料在擊實(shí)、固結(jié)、剪切3個(gè)階段的作用定量地區(qū)分開來(lái)，就能分析加筋土強(qiáng)度的提高或降低的原因。因此，本文在三軸試驗(yàn)上是這樣考慮的，加筋材料的作用分別按以下方式對(duì)待，情況一：加筋材料僅僅在土樣的擊實(shí)過(guò)程參與，其試樣稱為損傷土試樣1；情況二：加筋材料在土樣的擊實(shí)和三軸固結(jié)過(guò)程中參與，而在剪切過(guò)程中不參與，其試樣稱為損傷土試樣2；情況三：加筋材料在土樣擊實(shí)、三軸固結(jié)和剪切過(guò)程都參與，其試樣稱為加筋土試樣。

本研究試驗(yàn)用土為西安黃土［10］，采用輕型擊實(shí)所得的最優(yōu)含水量Wop＝18．6%，最大干密度ρdmax＝1．70g／cm3。試驗(yàn)用土按最優(yōu)含水量配土，分層擊實(shí)成為?6．18cm×12．5cm的試樣，然后進(jìn)行的試驗(yàn)為三軸固結(jié)不排水剪。試驗(yàn)所用設(shè)備為應(yīng)變控制式三軸儀。加筋材料為滌綸布，比較柔軟，厚度為0．007mm，大小同試樣直徑，按等強(qiáng)度作用水平布置加筋材料，加筋層數(shù)取為1～8，分層擊實(shí)成加筋土試樣，其試驗(yàn)過(guò)程同素土。

損傷土試樣1：將擊好的加筋土試樣放在三軸儀臺(tái)座上，將加筋材料去掉，吻合好試樣的縫隙，然后進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。

損傷土試樣2：將加筋土試樣在三軸儀上進(jìn)行等向固結(jié)，固結(jié)完成后，撤去圍壓，排出三軸壓力室的水，擦干橡皮膜，小心地取出試樣，將其中的加筋材料去掉，然后又細(xì)心地吻合好試樣，再次綁扎好橡皮膜，給三軸壓力室加水，使圍壓恢復(fù)到固結(jié)時(shí)的壓力，待固結(jié)變形穩(wěn)定后，進(jìn)行不排水剪。

損傷土試樣的制作和剪切過(guò)程如圖1所示。

圖1 損傷試樣的擊實(shí)、固結(jié)、剪切示意圖Fig．1The procedure of compaction，consolidation and shear for two kinds of damaged soils

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可見，加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線在素土的應(yīng)力應(yīng)變曲線之上，而素土的應(yīng)力應(yīng)變曲線又在損傷土1的應(yīng)力應(yīng)變曲線之上。由于曲線屬硬化型，若以軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為破壞應(yīng)力，圖1顯示其強(qiáng)度的排序?yàn)椋杭咏钔恋膹?qiáng)度最大，素土次之，損傷土1的強(qiáng)度最小。另外，加筋層數(shù)為1層時(shí)，加筋土應(yīng)力應(yīng)變曲線只比素土的提高少許，說(shuō)明加筋層數(shù)為1層時(shí)，加筋的效果不顯著，相反，由1層筋所形成的損傷土的應(yīng)力應(yīng)變曲線卻遠(yuǎn)在素土的應(yīng)力應(yīng)變曲線之下，這說(shuō)明損傷土的強(qiáng)度遠(yuǎn)比素土的強(qiáng)度低，也說(shuō)明加筋土的強(qiáng)度是在損傷土強(qiáng)度基礎(chǔ)上多以一個(gè)增量。

對(duì)于加筋層數(shù)為2層的情形，損傷土的應(yīng)力應(yīng)變曲線雖在素土的應(yīng)力應(yīng)變曲線之下，但沒(méi)有加筋層數(shù)是1層的降低的幅度大，這也說(shuō)明加筋層數(shù)是1層的損傷效果好。筆者認(rèn)為加筋效果好，就意味著損傷效果差，而加筋效果差，就意味著損傷效果好，所以加筋與其給土體帶來(lái)的損傷，兩者有著此消彼長(zhǎng)的勢(shì)態(tài)。通常1層的加筋效果不如2層，相應(yīng)的1層筋的損傷效果就比如2層的顯著，這在以往的加筋土文獻(xiàn)中都可得到印證。

圖3顯示：加筋材料在固結(jié)階段是存在的，但在剪切階段是不存在的，其試驗(yàn)結(jié)果卻是損傷土的應(yīng)力應(yīng)變曲線在素土的應(yīng)力應(yīng)變曲線之上，損傷土的強(qiáng)度比素土的強(qiáng)度大，損傷土的強(qiáng)度值介于素土和加筋土之間，這一結(jié)果與試驗(yàn)前的設(shè)想相反。

雖然加筋材料在剪切階段沒(méi)有參與受力和變形，但是加筋材料在土樣的固結(jié)階段同土樣一起固結(jié)變形，由于加筋材料比較柔軟，在土樣的擊實(shí)過(guò)程中，隨著土體的不斷擊實(shí)下沉，加筋材料也隨之下沉，但是由于邊界效應(yīng)，中心部位的加筋材料的下沉量大，邊緣部分的下沉量小，這樣加筋材料在擊實(shí)好的土樣中呈鍋底狀分布，加之在固結(jié)時(shí)，施加的是等向圍壓，這種鍋底效應(yīng)會(huì)更明顯，這樣加筋材料對(duì)土體有加強(qiáng)作用，使土體局部密度增加，在土體中又有土拱的形成，使得土體能夠承受更大的荷載，因此損傷土2的強(qiáng)度比素土的大。又由于在剪切階段沒(méi)有加筋材料的參加，這種鍋底效應(yīng)沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展，加筋帶附近的土體密度不會(huì)再增加，土體內(nèi)的拱也不會(huì)進(jìn)一步向有利于承載力提高的方面發(fā)展，所以損傷土2的強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)低于加筋土的強(qiáng)度。

結(jié)合圖2可知：隨著剪切變形的增加，加筋材料在土體中形成的拱在進(jìn)一步發(fā)展，并且是有利于土體強(qiáng)度的提高，筋帶附近滑移帶上土體的密度進(jìn)一步提高，所有這些都使得土體的整體強(qiáng)度提高，最終表現(xiàn)為加筋土的強(qiáng)度比損傷土2的強(qiáng)度有大的提高。所以在土體的強(qiáng)度排序上是這樣的，加筋土的強(qiáng)度最大，損傷土2的強(qiáng)度次之，素土的最小。

結(jié)合這試驗(yàn)結(jié)果可知，文獻(xiàn)［8］的結(jié)果主要是在試驗(yàn)中采用了剛度比較大的加筋材料，加之試樣又比較小，難于實(shí)現(xiàn)加筋的效果，這點(diǎn)在試驗(yàn)中是值得注意。所以在加筋土試驗(yàn)中，還應(yīng)充分考慮筋土的剛?cè)岜?，并體現(xiàn)在加筋土設(shè)計(jì)中。

圖2 損傷土1、素土、加筋土應(yīng)力應(yīng)變曲線比較Fig．2The curves of stress－strain of damaged soil＃1，soil and reinforced soil

圖3 損傷土2、素土、加筋土應(yīng)力應(yīng)變曲線比較Fig．3The curves of stress－strain of damaged soil＃2，soil and reinforced soil

為了定量分析合理比較加筋土、素土、損傷土的強(qiáng)度，減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，用素土的強(qiáng)度去除加筋土、損傷土的強(qiáng)度，得歸一化強(qiáng)度，然后結(jié)合筆者已有的成果［11］得到表1、表2。

從表1可知：加筋土的強(qiáng)度是素土強(qiáng)度的1．0～1．50倍，損傷土的強(qiáng)度是素土強(qiáng)度的0．47～0．92倍、加筋土強(qiáng)度的0．42～0．78倍。加筋土與損傷土的歸一化強(qiáng)度之差為0．24～0．71，可見加筋土強(qiáng)度是在損傷土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，加上加筋材料提供的約0．24～0．71倍的素土強(qiáng)度。由素土與損傷土1的差值可知，加筋給土體造成的強(qiáng)度損失約為0．072～0．0564倍的素土強(qiáng)度。

由表2可見：加筋土的強(qiáng)度是素土強(qiáng)度的1．1～1．42倍，損傷土的強(qiáng)度是素土強(qiáng)度的1．11～1．16倍；損傷土與加筋土的強(qiáng)度比值為0．78～0．99，因此，加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)主要在土體固結(jié)階段，而在剪切階段的貢獻(xiàn)僅占0．01～0．22。從絕對(duì)值看，固結(jié)階段加筋材料的貢獻(xiàn)約為0．107～0．159倍素土強(qiáng)度，剪切階段加筋材料的貢獻(xiàn)僅為0．017～0．31倍素土強(qiáng)度。

表1 素土、損傷土1、加筋土的歸一化強(qiáng)度對(duì)比Tab．1Normalization strengths of soil，reinforced soil and damaged soil＃1

表2 素土、損傷土2、加筋土的歸一化強(qiáng)度對(duì)比Tab．2Normalization strengths of soil，reinforced soil and damaged soil＃2

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)由二部分組成，即加筋材料在固結(jié)階段和在剪切階段對(duì)土體強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)；加筋材料僅僅在土樣的擊實(shí)過(guò)程參與，土體的強(qiáng)度難于提高。所以要提高加筋土的強(qiáng)度，應(yīng)該在固結(jié)和剪切階段采取有效的措施。如果進(jìn)行加筋土的三軸快剪試驗(yàn)，固結(jié)和剪切階段不能區(qū)分，各自階段加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)難于量化。如何樣提高加筋的效果，減少加筋的損傷作用，將是下一步研究的任務(wù)。

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［10］陳輝．加筋土強(qiáng)度理論及加筋路堤有限元分析［D］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005．

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［12］ Muni Budhu．Soil mechanics and foundations［M］．Hoboken：John Wiley ＆ Sons Inc，2007．

Experimental Investigation of the Contributions of Reinforcement to the Strength Increase of Soils in Three Different Phases

LEI Shengyou
（Highway College，Chang＇an University，Xi＇an 710064）

In order to explain that the reinforcement can contribute to the strength increase of soil in the phase of compaction，consolidation and triaxial compaction shear，the author carried out the triaxial tests on the damaged soil，pure soil and reinforced soil，in which there are two kinds of the damaged soil specimens；one of them contains reinforcement only in compaction，another contain reinforcement only in compaction and consolidation．The tests confirmed that the reinforcements contribute more to the strength increase of soil in consolidation，and less in shearing，do not completely in compaction．Some measurements should be done to the reinforcement in the phase of consolidation and shearing so as to increase the strength of soil．

reinforced soil；soil；damaged soil；compaction，consolidation；shear

TU442

A

2009－09－13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（59479017），陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2001C01），地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（GZ2005－03），陜西省交通科技項(xiàng)目（06－01K）

雷勝友（1965－），教授，博士生導(dǎo)師，從事巖土力學(xué)及工程研究；e－mail：rongrong11085310＠sina．com。