楊楠 于明鑫 岳川云 馮穎

摘 要：在實(shí)驗(yàn)室里研究土木合成材料加筋工粘接性能的測試常常都是采用固結(jié)排水三軸剪切的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，所涉及的性能有粘結(jié)土的應(yīng)力、強(qiáng)度和體變這3個(gè)方面。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果我們便不難發(fā)現(xiàn)，若是要增大高壓壓實(shí)度土體的體積的穩(wěn)定性就得通過加筋的方式進(jìn)行，但是通過加筋的方式會(huì)使得土體的剪脹體變有所降低，而土體的剪縮體卻不會(huì)有所降低或升高。實(shí)驗(yàn)采用的試件有加筋試件和素土試件，這兩者最大的區(qū)別是軸向應(yīng)變，當(dāng)軸向的應(yīng)變低的時(shí)候加筋試件低于素土試件的強(qiáng)度，素土試件慢慢高于加筋試件，這就要軸向應(yīng)變增大到一定的程度，這也存在加筋對土體強(qiáng)度有推遲的現(xiàn)象，這也隨著筋材的加筋層數(shù)和拉伸模量的增多，這種推遲的現(xiàn)象也會(huì)表現(xiàn)的尤為明顯。在實(shí)驗(yàn)中通過改變加筋的層數(shù)和筋材的拉伸模量來控制土體的峰值強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明隨著加筋層數(shù)的增大，這也使得土體的峰值強(qiáng)度在一定的范圍內(nèi)是有所增大的，但是一旦過了峰值，再通過改變加筋的層數(shù)對于增強(qiáng)土體的峰值強(qiáng)度就不會(huì)有多大的改變性，除了通過改變加筋的層數(shù)，還可以通過改變拉伸模量的筋材來控制土體殘余強(qiáng)度，使得土體的應(yīng)力應(yīng)變的特性也會(huì)有較大的改變。

關(guān)鍵詞：土工合成材料;粘接性能;數(shù)值模擬分析

中圖分類號：U412.22;TG491? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2020）10-0022-04

Abstract：In the laboratory， the test of bond performance of civil composite reinforcement is usually carried out by consolidation drainage triaxial shear test， which involves three aspects： the stress， strength and volume change of cohesive soil. From the experimental results， it is not difficult to find that if we want to increase the volume stability of the high-pressure compaction soil， the method of reinforcement must be carried out， but through the way of reinforcement， the shear swelling body of the soil will be reduced， while the shear shrinkage body of the soil will not be reduced or increased. The test pieces used in the experiment are reinforced specimen and plain soil specimen. The biggest difference between them is the axial strain. When the axial strain is low， the reinforced specimen is lower than the strength of plain soil specimen， and the plain soil specimen is slowly higher than the reinforced specimen， which requires the axial strain to increase to a certain extent， which also has the phenomenon that the reinforcement delays the soil strength. With the increase in the number of reinforced layers and tensile modulus of the reinforcement， this delay phenomenon will also be particularly obvious. In the experiment， the peak strength of the soil is controlled by changing the number of layers of reinforcement and the tensile modulus of reinforcement. The experiment shows that with the increase of the number of layers of reinforcement， the peak strength of the soil is increased in a certain range， but once the peak value is exceeded， the peak strength of the soil will not be greatly changed by changing the number of layers of reinforcement， except through by changing the number of reinforcement layers， the residual strength of soil can be controlled by changing the reinforcement material of tensile modulus， so that the stress-strain characteristics of soil will be greatly changed.

Key words：geosynthetics; bonding performance; numerical simulation analysis

0 引言

隨著現(xiàn)在科技的快速發(fā)展，國家土木工程數(shù)量上也有了質(zhì)的飛躍，為了使土木工程能夠長期使用，常常通過一些加固技術(shù)來對工程進(jìn)行加固處理，土工合成材料的加筋土體常常使用的是回填土和加筋材料進(jìn)行復(fù)合體，其中筋材和土體對于加筋土體的強(qiáng)度和變形的特性，他們兩者的相互作用也是占據(jù)了主要的作用性。

1 土工合成材料加筋工粘接性能試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用的材料有呈現(xiàn)褐紅黃色的紅砂巖風(fēng)化土，選擇這種材料的原因是它含有鐵錳氧化物[1]，這就使得這種材料具有好的密實(shí)性、壓縮性和粘結(jié)性等，還有一方面的原因那便是含有白云母和少量的細(xì)砂，并帶著高嶺土團(tuán)塊。依據(jù)以往的實(shí)際操作中，湖南長沙高速公路兩側(cè)巖土的實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以知道，紅砂巖風(fēng)化土的顆粒的顆粒數(shù)量實(shí)在一半以上，粒徑是控制在2mm到0.073mm的范圍內(nèi)，具體的形態(tài)特征見下面的表1和表2，從表中我們可以從分類的特征看，這種土質(zhì)是在粉土和粉性粘土的界限中的。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料的粉粒的含量會(huì)隨著時(shí)間的推移而有所增加，這就會(huì)導(dǎo)致工程在本質(zhì)上有所改變，實(shí)驗(yàn)中我主要是測量工程實(shí)驗(yàn)的物理特性，實(shí)驗(yàn)使用的土木格柵[2]是比較容易弄破橡皮膜的，而且土木格柵的網(wǎng)眼的尺寸是比較大的，選擇小尺寸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性低比較低的，因此選擇較為柔性的土木織物[3]和土工布來作為加筋材料，用拉伸實(shí)驗(yàn)來測定力學(xué)性質(zhì)。

表3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)非飽和土的空隙的水是被拉伸的狀態(tài)，而且試樣當(dāng)時(shí)在透水石上的時(shí)候，在透水石中吸水量也會(huì)隨之有所增大，實(shí)驗(yàn)中為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們常常都會(huì)將透水石放在電爐上進(jìn)行烘烤一下，這樣也可以將試樣在固結(jié)的時(shí)候進(jìn)行順利的排水，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，試件的固結(jié)排水時(shí)間通常是定在24h以內(nèi)的，以上非飽和土的排水實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，常常都是通過測量試樣中排出的孔隙的水的體積。非飽和土的三相系統(tǒng)是由土粒骨架、孔隙水和孔隙氣組成的，實(shí)驗(yàn)中我們常常都是測量受壓室中的流體體積，這樣來測定試樣的體積變化。實(shí)驗(yàn)測量的方式是將受壓的氣體沖入量管里，這種量管的外管是透明的有機(jī)玻璃管，內(nèi)管是玻璃的滴定管，通過氣壓差來測量氣壓的變化量。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1是在不同的壓實(shí)度下加筋土體的體變的特性，其中正值表示的是壓縮的狀態(tài)，負(fù)值表示的是膨脹的狀態(tài)。

圖1中的a和b是在90%的壓實(shí)度時(shí)，低圍壓是在kPa下，土體的試件是為剪脹，當(dāng)圍壓是在100kPa以上的時(shí)候，土體試件壓縮和剪脹的順序就會(huì)顛倒，除了圍壓的影響以外，還有一個(gè)原因那便是軸向應(yīng)變的增大也會(huì)使得土體的體變有所改變，從實(shí)驗(yàn)中我們不難發(fā)現(xiàn)通過加筋的方式可以使得剪脹性會(huì)有所抑制的作用。

從表4中當(dāng)壓實(shí)度控制在95%，不同圍壓的素土表現(xiàn)為體積膨脹，通過加筋的方式，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仍然是剪脹[4]，當(dāng)是同等的圍壓的時(shí)候，加筋試件的膨脹性仍然是相較于素土試件是較低的。從表4中我們可以知道，當(dāng)處于不同的圍壓下的時(shí)候，土體的剪脹性就會(huì)有所不同，如果是加筋的土體對于土體剪脹的抵制效果就會(huì)有所不同，當(dāng)圍壓增大的時(shí)候，加筋的效果就會(huì)有所降低，除了以上的2個(gè)原因會(huì)影響剪脹性，不同程度的壓實(shí)度也會(huì)有所影響，壓實(shí)度大就會(huì)使得剪脹性也會(huì)有所增大，加筋的土體可以使得土體的剪脹性有所減少，加筋土體相對而言穩(wěn)定性相較于其他不加筋的要好得多。依據(jù)公路施工的相關(guān)規(guī)程對于回填土的壓實(shí)度[5]的要求是要達(dá)到90%的標(biāo)準(zhǔn)以上，當(dāng)是處于這種壓實(shí)度下，實(shí)驗(yàn)所用的土的體變就會(huì)處向剪脹的方向靠近，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我們可以知道通過加筋的方式對于土體的剪脹性會(huì)有所限制性，并且通過加筋的而方式可以使得土體的體積的穩(wěn)定性有大幅度的提升。

2 土工合成材料加筋工數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值分析的計(jì)算模型

實(shí)驗(yàn)所使用的土體單元模型土體是粘彈塑性的混合體，應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系是非線性的，格柵單元的模型的受力特點(diǎn)是不能壓，只能拉，并且抗彎的剛度也是較小的，和薄膜材料的性質(zhì)上相同，所以就用薄膜的單元來模擬筋材的應(yīng)力的應(yīng)變的特性，還有一個(gè)原因那便是土工格柵的抗拉強(qiáng)度和模量相較于其他類型的格柵是要好得多，拉伸曲線在應(yīng)變力是較小的情況時(shí)，是呈現(xiàn)出直線的狀態(tài)，為了使土木格柵在填土中的拉力是比抗拉強(qiáng)度要小得多，把格柵單元的本構(gòu)關(guān)系看成線彈性[6-8]。接觸單元的本構(gòu)模型，對于界面的接觸問題現(xiàn)在已經(jīng)有很多接觸單元，像有厚度的單元、無厚度單元和兩節(jié)點(diǎn)單元等一系列的單元。如圖2所示。

2.2 數(shù)值計(jì)算分析

圖3是某個(gè)地區(qū)建造土木格柵的加筋式的擋墻。實(shí)驗(yàn)的試樣是墻高6m，沒有滲水的情況發(fā)生，使用的填土是砂性土，填土的密度是1.8t/m3，摩擦角是φ=30°，擋墻的面板是C20砼板，面板厚是20cm，一共的層數(shù)是10層，土木格柵的距離是0.6m，和墻面銜接的非常牢固，地基采用的碎石的土地基，地基的承受的載壓力是相當(dāng)高的，壓縮性就相對較小了。如圖4所示。

3 結(jié)語

當(dāng)紅砂巖風(fēng)化土的壓實(shí)度是不同的時(shí)候，對應(yīng)的體變特性也會(huì)有所不同，高壓的時(shí)候土體是剪脹，而當(dāng)處于低壓的時(shí)候，土體處于剪縮的狀態(tài)，通過加筋就可以對于土體進(jìn)行抑制其剪脹性，而對于土體的剪縮體不會(huì)有多大的改變，通過加筋可以使得加筋土體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，但是通過加筋的方式使得土體應(yīng)力的特性的改善有所滯后的現(xiàn)象。還有就是固結(jié)的過程中，筋材和土體都是會(huì)有壓縮的現(xiàn)象，通過剪切，筋材若是恢復(fù)就得通過拉伸。為了增強(qiáng)土體的峰值和殘余強(qiáng)度，通過加筋的方式可以使得2種強(qiáng)度會(huì)有一定程度的提升，和以往的相比，圖像顯示峰值確實(shí)有很大程度的增大，通過應(yīng)力和應(yīng)變的曲線可知是改變土體的應(yīng)變特性。當(dāng)素土和加筋試件同時(shí)做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，加筋試件峰值都是在強(qiáng)度較大的應(yīng)變的地方，應(yīng)變當(dāng)在一定大的范圍的時(shí)候，峰值仍然處于較高的地方，切峰值的在圖中所占的地方是比較寬的，這也使得加筋試件的延性是比較高的。為了獲得更好的峰值強(qiáng)度，我們可以選擇拉伸模量低，并對此進(jìn)行筋層的增加，和拉伸模量高的實(shí)驗(yàn)材料相比，峰值的強(qiáng)度和其相比是提升了不少，除了峰值強(qiáng)度提升了不少，土體的殘余強(qiáng)度也是提升了不少。通過增大拉伸模量來改變土體的應(yīng)變的特性。

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