汪雄進(jìn)

(江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330200)

0 引 言

近年來(lái)，土工織物材料在襯砌、地基與邊坡等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。土工織物因其輕質(zhì)、抗拉、施工方便、工程改良效果顯著等優(yōu)點(diǎn)得到了相關(guān)專業(yè)學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注[2-3]。隨著公路、水利等邊坡工程的快速建設(shè)，邊坡的工程地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜。對(duì)于一些工程性質(zhì)不良的土體，采用水泥改性的方法可以改善土體的強(qiáng)度、耐久性、密實(shí)度等工程特性[4]。因此，綜合采用土工織物和水泥改性的方法，在地基和邊坡工程中的運(yùn)用已經(jīng)越來(lái)越常見[5-6]。

基于加筋水泥改性土在工程中推廣使用的現(xiàn)狀，綜合考慮水泥土與土工織物界面力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)[7]。土體大型直接剪切試驗(yàn)機(jī)是一種研究土工織物性能的常見儀器。目前，已有很多學(xué)者對(duì)水泥加筋土的筋-土界面的力學(xué)性能開展大量試驗(yàn)研究，Goodarzi等[8]對(duì)地基的水泥土與土工織物間的剪切曲服特性開展研究，分析了筋-土相互作用的界面效應(yīng)；Abdelkader等[9]通過大型直剪試驗(yàn)對(duì)加筋水泥土強(qiáng)度受土工織物類別的影響開展研究，提出壓實(shí)度是界面強(qiáng)度特征最主要的影響因素之一；劉飛禹等[10]指出影響土工織物與水泥改性砂土的界面強(qiáng)度受多重因素的影響，包括砂土顆粒級(jí)配特征、土工織物強(qiáng)度與砂土強(qiáng)度特征等；符昂[11]對(duì)土工織物-水泥土的界面開展剪切試驗(yàn)，研究了界面強(qiáng)度受土體類別的影響規(guī)律；王俊林等[12]通過直剪試驗(yàn)對(duì)土工織物與路基填料試樣進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明界面強(qiáng)度的影響因素與土工織物的工程參數(shù)有關(guān)；鄧林飛等[13]研究了纖維加筋水泥土界面三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)分析了聚丙乙烯纖維的含量及法向壓力對(duì)界面強(qiáng)度的影響。前人的研究說明土工織物與水泥土界面強(qiáng)度的影響因素是多重的，如何從機(jī)理上認(rèn)識(shí)界面強(qiáng)度的特點(diǎn)是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的課題[14-16]。目前，對(duì)于水泥土-土工織物界面剪切強(qiáng)度受水泥土自身物理性質(zhì)影響的研究還不透徹，考慮水泥摻量對(duì)筋-土界面的強(qiáng)度特性的影響研究還比較少見。

本文在通過開展土工織物-水泥土試樣的室內(nèi)大型直接剪切試驗(yàn)，對(duì)比不同水泥摻量對(duì)筋-土界面強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，并結(jié)合SEM掃描的微觀形態(tài)解釋土工織物的作用機(jī)理，旨在通過剪切試驗(yàn)研究邊坡滑坡段的筋-土界面力學(xué)行為，為不良土體的邊坡加固工程設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 設(shè)備和方法

本研究采用TSY-1型土工合成材料大型剪切試驗(yàn)機(jī)，儀器如圖1(a)所示。儀器部件主要包括垂直向液壓加載裝置、水平向油壓數(shù)顯加載裝置、水平向位移和垂直向位移應(yīng)變儀、承載板以及尺寸為55 cm×55 cm×20 cm的矩形剪力盒。儀器中的剪切盒分為上、下盒兩個(gè)部分，上盒的位置在材料變形過程中保持不變，下盒在水平荷載作用下發(fā)生水平位移，下盒的最大允許位移可達(dá)10 cm。試驗(yàn)過程中的剪切應(yīng)力和剪切位移由電子控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集記錄。試驗(yàn)采用的水平剪切速率為0.5 mm/min。

試驗(yàn)開始前，將土工織物粘貼在一塊尺寸為55 cm×55 cm的玻璃板上。試驗(yàn)中材料的受力示意圖如圖1(b)所示，上部放置平板并施加不同數(shù)值大小的法向壓力σv并靜置24 h；然后將土工布安裝于下盒頂部，并在上盒填裝水泥土；最后對(duì)試樣施加水平向的剪切應(yīng)力τ。試驗(yàn)中的法向壓力σv主要通過鋼板向下傳遞，水平向剪切應(yīng)力τ要通過液壓裝置施加，作用點(diǎn)在直剪試樣1/2高度處。剪切過程中，寬度為Δx的土工布受剪切應(yīng)力作用發(fā)生水平向的位移Δw，試樣的應(yīng)變?chǔ)?Δw/Δx。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及原理圖Fig.1 Test equipment and principle

1.2 試驗(yàn)用土工織物

試驗(yàn)采用的土工織物為南京市上城非織造材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的黃色丙綸無(wú)紡?fù)凉げ?。土工織物為矩形，沿剪切位移方向的長(zhǎng)度為600 mm，寬度為200 mm，試驗(yàn)過程中保證水平剪切位移處于100 mm以內(nèi)，采用的土工織物物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 土工織物基本參數(shù)指標(biāo)Table 1 Basic parameter index of geotextile

1.3 水泥改性土

試驗(yàn)土體的取樣地點(diǎn)位于某地一處邊坡滑坡段，試驗(yàn)區(qū)地層上覆第四系砂土，在滑坡段開展取樣，得到該地區(qū)砂土運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。該地的砂土屬于級(jí)配不良土體，為了改善該滑坡處砂土的力學(xué)特性,采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)對(duì)砂土進(jìn)行改性，本文采用0%、2%、4%、6%和8%五種水泥摻量進(jìn)行水泥改性土配置試驗(yàn)。將試驗(yàn)用的硅酸鹽水泥、砂土和水按一定比例，在實(shí)驗(yàn)室的常溫常濕條件下充分?jǐn)嚢杈鶆颍驹囼?yàn)的設(shè)計(jì)水固體比為0.15。試樣配制前將砂土進(jìn)行篩分，然后將礫石(粒徑>0.75 mm)，砂粒(粒徑>0.75 mm)和粉、黏粒(粒徑≤0.75 mm)三種粒徑的顆粒按照5∶8∶7的質(zhì)量比進(jìn)行配合。然后根據(jù)表2所示的配合比進(jìn)行備料。采用砂漿泥漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，在試驗(yàn)中充分?jǐn)嚢栉锪鲜顾嗤帘M量在不損失強(qiáng)度前提下保留一定流動(dòng)性。最后，將拌合好的試樣在相對(duì)濕度為95%,溫度為25 ℃的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)24 h。

表2 1 kg水泥土的基本配合比Table 2 Basic proportion of 1 kg cement soil

不同水泥摻量的水泥改性土基本物理特性由實(shí)驗(yàn)室的土工試驗(yàn)得到，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，隨水泥摻量增加，水泥改性土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度明顯增加，密度和比重也有增加趨勢(shì)，而孔隙比、滲透系數(shù)等有減小的趨勢(shì)，說明水泥摻量是水泥改性土的重要參數(shù)之一。

表3 水泥土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 3 Basic physical and mechanical properties of cement soil

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

大型直接剪切試驗(yàn)是工程中確定巖土材料剪切強(qiáng)度參數(shù)的有效手段。在試驗(yàn)中施加不同數(shù)值的法向應(yīng)力以得到土工織物-水泥土界面相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由此計(jì)算試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)考慮了不同水泥摻量s對(duì)土工織物-砂土界面抗剪強(qiáng)度的影響。由不同法向應(yīng)力作用下的5種水泥摻量(s=0%～8%)的土工織物-水泥土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2(a)～(e)所示。從圖2可以看出法向應(yīng)力σv為0 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值應(yīng)力點(diǎn)，并且強(qiáng)度明顯較小。存在法向應(yīng)力σv作用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變?nèi)趸吻€，剪切應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)先升高再下降，最后保持穩(wěn)定，有明顯的峰值應(yīng)力點(diǎn)。應(yīng)變軟化形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了以下三個(gè)階段。

(1)初始線彈性階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線上升。試樣在剪切作用下土工織物-水泥土界面在擠壓約束作用下產(chǎn)生壓密效應(yīng)，在剪應(yīng)力作用下砂土結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，而抵抗剪切作用。

(2)彈塑性剪切階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈屈服狀態(tài)。在剪切力進(jìn)一步作用下，經(jīng)過擠壓的土顆粒與土工織物的接觸面發(fā)生相互作用，剪應(yīng)力主要以接觸面附近顆粒的摩擦作用和粗糙凸起顆粒之間的嚙合作用主導(dǎo)。此時(shí)，剪應(yīng)力隨著剪切過程繼續(xù)增加，但增長(zhǎng)速率逐漸減小。

(3)軟化階段：應(yīng)力繼續(xù)發(fā)展，達(dá)到峰值后，剪切作用下土工織物-水泥土的接觸面沿剪切方向出現(xiàn)滑移摩擦，應(yīng)力隨應(yīng)變發(fā)展而逐漸下降，材料進(jìn)入殘余變形階段。

圖2 土工織物-水泥土界面應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of geotextile-cement soil interface

2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

黏聚力和摩擦角是筋-土抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行土工材料設(shè)計(jì)的基本參數(shù)[17]。用直剪試驗(yàn)得到不同法向壓力下的峰值剪應(yīng)力值，利用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則可以獲得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)τf，本文獲得的土工織物-水泥土界面的峰值應(yīng)力與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線，即應(yīng)力包絡(luò)線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著固結(jié)圍壓的增加，筋-土界面的抗剪強(qiáng)度也明顯上升，且不同水泥摻量試樣的強(qiáng)度值與固結(jié)圍壓值保持相關(guān)性較好的線性關(guān)系。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，可以由應(yīng)力包絡(luò)線求出筋-土界面的黏聚力c與摩擦角φ。對(duì)比不同水泥摻量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的異同，可以發(fā)現(xiàn)雖然土工織物-水泥土界面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化形式相似，但隨水泥摻量增加，相同應(yīng)變條件下的界面應(yīng)力值明顯有所提升。這主要是因?yàn)殡S著水泥摻量的增加，砂土內(nèi)部的水泥水化物含量增加，顆粒相互之間的粘結(jié)強(qiáng)度提高，使得剪切力作用在土工織物-水泥土界面時(shí)，水泥土可以發(fā)揮更大的承載剪切力作用的能力。

圖3 土工織物-水泥土界面強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.3 Strength envelope curves of geotextile-cement soil interface

圖4 黏聚力和摩擦角與水泥摻量的關(guān)系Fig.4 Relationship between cohesion, friction angle andcement content

如表4和圖4所示，可以看出不同水泥摻量試樣的界面摩擦角φ和界面黏聚力c總體上均與水泥摻量保持線性上升的關(guān)系，且摩擦角和黏聚力的變化幅度均較大。說明了水泥摻量的大小直接影響土工織物-水泥土直間的粘結(jié)和接觸關(guān)系[18]。水泥摻量的升高對(duì)水泥土顆粒與土工織物間的摩擦力影響比較有限，進(jìn)而使土工織物-水泥土界面摩擦角增長(zhǎng)幅度較小。筋-土界面黏聚力主要取決于水泥土顆粒之間的粘結(jié)關(guān)系與土工織物的抗拉強(qiáng)度，水泥水化物可以作為砂土顆粒的膠凝材料，界面黏聚力受水泥摻量的影響相對(duì)較大。

表4 土工織物-水泥土界面的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Strength test results of geotextile-cement soli interface

2.3 剪切破壞形式

對(duì)剪切試驗(yàn)的土工織物破壞前后的形態(tài)進(jìn)行拍照記錄，如圖5所示。從圖中可以看出試驗(yàn)前的土工布形態(tài)完好，纖維排列緊密，而經(jīng)過水平剪切應(yīng)力作用后，土工布發(fā)生拉張破壞，土工布中間部位的纖維出現(xiàn)斷裂，形成明顯的破口，且破口的形狀近似于圓形。與此同時(shí)，采用掃描電子顯微鏡技術(shù)(SEM)對(duì)土工織物在破壞前后的微觀形態(tài)進(jìn)行了探究。結(jié)果如圖6所示，從放大2 000倍的SEM照片可以看出經(jīng)過剪切破壞后，原本排列整齊、致密的織物纖維變得雜亂無(wú)序，并且纖維之間的間距明顯擴(kuò)大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較疏松。土工織物破壞形式與微觀形態(tài)表明了在直剪試驗(yàn)過程中，土工織物在水平剪切應(yīng)力作用下，其內(nèi)部存在拉應(yīng)力，在土工織物-水泥土界面起到阻止或減少材料發(fā)生水平位移的作用[19-20]。

由試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥摻量和土工織物的性質(zhì)共同決定了水泥土與土工織物界面的工程力學(xué)特性，對(duì)土體的抗剪切強(qiáng)度均有重要影響。在砂土中摻入一定含量的水泥可以有效改善工程性能不良土體的粘結(jié)性能，從而顯著提高筋-土界面的黏聚力[21]，而在土質(zhì)邊坡內(nèi)部鋪設(shè)土工織物起到減弱巖土體滑動(dòng)趨勢(shì)的作用，對(duì)筋-土界面的抗拉抗裂性能有明顯改善效果[22]。因此，綜合采用水泥改性與鋪設(shè)土工織物的方法既可以增加坡面土體的粘結(jié)強(qiáng)度，又可以減緩?fù)馏w位移的發(fā)生，對(duì)于降低邊坡滑塌隱患，加固防護(hù)工程具有很好的適用性，在實(shí)際工程中有較好的推廣效果。

圖5 土工織物的破壞形式Fig.5 Failure forms of geotextiles

圖6 土工布的破壞前后的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of geotextiles before and after damage

3 結(jié) 論

(1)通過開展土工織物-水泥土界面的大型直接剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同水泥摻量的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)過線彈性、彈塑性和應(yīng)力軟化3個(gè)不同變形階段，且應(yīng)力峰值隨水泥摻量增加有明顯上升趨勢(shì)。

(2)筋-土界面的黏聚力與摩擦角隨水泥摻量增加均呈線性上升趨勢(shì)，且黏聚力受影響的程度明顯更大，說明了水泥摻量的大小對(duì)砂土體內(nèi)部顆粒的粘結(jié)關(guān)系具有顯著影響，而對(duì)界面的摩擦關(guān)系影響較小。

(3)根據(jù)土工織物的破壞形式與SEM微觀形態(tài)發(fā)現(xiàn)在大型直剪試驗(yàn)過程中，土工織物內(nèi)部纖維受拉應(yīng)力作用，在土工織物-水泥土的界面起到阻止或減少水平位移的效果。

(4)在實(shí)際邊坡工程中綜合采用水泥改性與鋪設(shè)土工織物的方法，能夠有效地降低滑坡隱患和加固邊坡防護(hù)工程。