張 珂，姚小平

(1.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

0 引 言

加筋土技術(shù)具有提高經(jīng)濟(jì)效益、施工效率高、外觀美觀、減小建筑面積等優(yōu)勢(shì)[1]，在短短幾十年時(shí)間，該技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。加筋土結(jié)構(gòu)依靠土工格柵-粗粒土界面互鎖機(jī)制減小變形、增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗震性，在公路、鐵路及巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2-5]。影響這種互鎖機(jī)制的因素很多，其中填料顆粒粒徑與土工格柵網(wǎng)孔尺寸（?？妆萪50/La）的影響較為顯著，在設(shè)計(jì)時(shí)候常常作為重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過調(diào)研，國(guó)內(nèi)外有關(guān)土工格柵-粗粒土界面抗剪特性的研究成果較為豐碩，特別是試驗(yàn)方面。閻鳳翔等[6]開展雙向和三向格柵直剪摩阻試驗(yàn)，研究筋土界面特性。試驗(yàn)表明格柵類型、填料級(jí)配決定了筋土界面抗剪強(qiáng)度特性，其中三向格柵筋與中、細(xì)礫土界面的似粘聚強(qiáng)度最大，而雙向格柵筋與粗礫土界面的似粘聚強(qiáng)度最大。趙雨朦等[7]借助大型直剪儀研究了加筋土結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性及穩(wěn)定性，重點(diǎn)考慮土工格柵的物理幾何特性的影響，如土工格柵相對(duì)開孔面積等。劉飛禹等[8-9]為研究土工格柵與粗粒土相互作用，借助大型直剪設(shè)備開展了不同粒徑的粗粒加筋土在循環(huán)剪切荷載下的力學(xué)特性。唐曉松等[10]基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?shù)值仿真分析手段研究加筋土抗剪特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸應(yīng)該達(dá)到筋土接觸總面積的30%，才能有效發(fā)揮加筋作用。劉希鵬[1]通過改進(jìn)的大型直剪和拉拔試驗(yàn)，研究了粗粒土與土工格柵界面靜、動(dòng)力特性及變形強(qiáng)度特性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土工格柵可有效提高筋土界面摩擦角，從而提高加筋結(jié)構(gòu)整體抗剪強(qiáng)度，且表現(xiàn)為先剪縮后剪脹的規(guī)律。劉飛禹等[9]采用動(dòng)態(tài)直剪儀研究了粗顆粒形狀對(duì)筋土界面剪切特性的影響，得出不同剪切幅值（除了15 mm幅值外）循環(huán)加載下碎石格柵界面抗剪強(qiáng)度較未經(jīng)循環(huán)加載的界面抗剪強(qiáng)度有明顯提高。Sweta等[11]開展室內(nèi)直剪試驗(yàn)探討土工格柵開口尺寸與粗顆粒平均粒徑之比對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)物剪切力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明土工格柵的網(wǎng)格尺寸與土顆粒平均粒徑之比存在一個(gè)最優(yōu)值范圍，使得加筋土結(jié)構(gòu)物抗剪性能最優(yōu)。Gongora等[12]采用試驗(yàn)手段研究了土工格柵尺寸與粗粒土粒徑比值對(duì)加筋路基的動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：上述比值取1.8時(shí)，加筋路基的動(dòng)力特性最佳。然而以上研究土工格柵與填土界面剪切特性主要以靜力作用為主，在實(shí)際工程中動(dòng)力作用無處不在，如地震力、交通荷載等。為此，本文采用大型直剪儀，對(duì)不同孔粒比下（土工格柵網(wǎng)格尺寸與粗粒土平均粒徑之比）筋土界面抗剪特性進(jìn)行研究，以期在合理選用土工格柵尺寸方面指導(dǎo)工程實(shí)踐及設(shè)計(jì)。

1 循環(huán)剪切試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

本次循環(huán)剪切試驗(yàn)采用廣州歐美大地儀器科技有限公司生產(chǎn)的ShearTrac III-大型直剪儀（如圖1所示），主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和微步進(jìn)馬達(dá)組成，其主要技術(shù)參數(shù)：加載能力50 kN，速度范圍為0.000 03～7 mm/min，水平和垂直行程為90 mm。

圖1 ShearTrac III-大型直剪儀

試驗(yàn)填料采用的粗粒土為石英砂，為了研究不同孔粒比對(duì)筋土界面剪切特性的影響，通過固定土工格柵開口尺寸而改變填料平均粒徑的方法，采用篩網(wǎng)孔徑分別為 0.5，1.18，2.36，4.75，8 mm 對(duì)石英砂進(jìn)行篩分，進(jìn)而獲得4種不同粒徑組成的粗粒土樣，對(duì)應(yīng)土試樣代碼分別為T1（0.5～1.18 mm）、T2（1.18～2.36 mm）、T3（2.36～4.75 mm）、T4（4.75～8 mm）。這4種粗粒土的物性指標(biāo)見表1、圖2。

圖2 粗粒土土樣

表1 試驗(yàn)用粗粒土物性指標(biāo)

試驗(yàn)采用的土工格柵為聚丙烯材料，其技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量 280 g/m2，網(wǎng)格尺寸長(zhǎng)×寬=30 mm×30 mm，縱橫肋尺寸為5 mm，極限延伸率為15%，極限抗拉強(qiáng)度為20 kN/m。

1.2 試驗(yàn)方法及步驟

圖3為試驗(yàn)裝置示意圖。剪切設(shè)備的核心部件為上、下剪切盒。上剪切盒始終保持固定，下剪切盒則沿著圖中所示的路徑進(jìn)行水平剪切運(yùn)動(dòng)（Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ）。

圖3 直剪試驗(yàn)裝置示意圖（單位：mm）

試驗(yàn)時(shí)將篩分好的粗粒土填料按密實(shí)度控制分6層填入上、下剪切盒，并達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的高度。然后將土工格柵兩端固定在下剪切盒，同時(shí)平鋪在其表面。上剪切盒尺寸：長(zhǎng)×寬×高=300 mm×300 mm×100 mm，下剪切盒尺寸：長(zhǎng)×寬×高=400 mm×300 mm×100 mm。

剪切試驗(yàn)工況共4組，4種孔粒比值，分別為0.04（T1）、0.08（T2）、0.12（T3）及 0.20（T4），對(duì)應(yīng) 4組不同粒徑的粗粒土填料。施加的豎向應(yīng)力均為60 kPa。循環(huán)剪切總周次n為10。為了反映孔粒比對(duì)筋土界面循環(huán)剪切特性的影響，需要統(tǒng)一其他試驗(yàn)條件，控制試驗(yàn)變量因素。參照規(guī)范[13]，粗粒土試樣相對(duì)密實(shí)度Dr為55%，而任意循環(huán)周次下剪切速率V均為1 mm/min，剪切的位移幅值為3 mm。試驗(yàn)時(shí)加載的波形如圖4所示，T為一個(gè)加載周期。試驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注筋土界面宏觀的力學(xué)指標(biāo)，如界面剪應(yīng)力、剪位移等。

圖4 試驗(yàn)加載波形圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 筋土界面循環(huán)剪切特性

圖5為孔粒比d50/La=0.04不同循環(huán)回次下剪切滯回圈對(duì)比圖。從圖中可以看出，不同循環(huán)回次下界面剪切滯回曲線呈現(xiàn)相似的形狀，即呈近似“菱形”（傾斜角度約20°，菱形延伸方向?yàn)橐?、三象限），且隨著剪切循環(huán)回次的增加，剪切滯回曲線存在逐漸重疊的趨勢(shì)。同時(shí)，隨著循環(huán)剪切回次的增加，界面剪應(yīng)力峰值逐漸增大，意味著筋土界面存在剪切硬化現(xiàn)象。這是由于在循環(huán)剪切作用下，筋土界面粗粒土發(fā)生相對(duì)位移，土?？臻g形態(tài)和位置不斷發(fā)生調(diào)整，從而使其重新排列，土顆粒密實(shí)度增大，抗剪特性增強(qiáng)。

圖5 孔粒比d50/La=0.04不同循環(huán)回次下剪切滯回圈對(duì)比圖

另外注意到，不同剪切方向上筋土界面最大剪應(yīng)力大小存在一定的差異，并非完全中心對(duì)稱。這是由于沿著初始剪切方向，在土工格柵的約束下界面土顆粒發(fā)生明顯定向排列，土骨架發(fā)生剪脹現(xiàn)象；而反方向剪切下，界面附近土顆粒更多發(fā)生滑移、偏轉(zhuǎn)，因此出現(xiàn)剪切特性的異向性。

圖6為不同孔粒比d50/La下筋土界面最終（n=10）剪切滯回圈對(duì)比圖。從圖中可以看出，不同d50/La下界面最終剪切滯回曲線均呈現(xiàn)相似的形狀，即呈近似“菱形”，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在剪切位移最大處。從圖中還可以看出，不同孔粒比d50/La的最終剪切滯回曲線存在差異，特別是在兩端剪切位移幅值處（剪切方向發(fā)生180°變化），這說明孔粒比d50/La對(duì)筋土界面剪切特性有一定影響。

圖6 不同孔粒比d50/La下剪切滯回圈（n=10）對(duì)比圖

圖7為一定試驗(yàn)條件下（Dr=55%，V=1 mm/min）不同循環(huán)次數(shù)n下筋土界面峰值剪應(yīng)力與孔粒比d50/La的關(guān)系曲線圖。峰值剪應(yīng)力的定義為在一個(gè)剪切滯回圈中最大的剪應(yīng)力。從圖中可以看出，任一循環(huán)剪切次數(shù)下，界面峰值剪應(yīng)力隨孔粒比d50/La呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，這意味著在循環(huán)剪切試驗(yàn)中存在一最佳孔粒比（d50/La=0.08），使得筋土界面峰值剪應(yīng)力最大。且隨著剪切次數(shù)的增加，峰值剪應(yīng)力有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，這稱為“剪切硬化”現(xiàn)象[14]，由于粗粒土在循環(huán)剪切過程中不斷調(diào)整方位形態(tài)，出現(xiàn)了重新排列，從而使界面處粗粒土的密實(shí)度提高，其抗剪能力隨之提高。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)下孔粒比與界面峰值剪應(yīng)力的關(guān)系曲線圖

圖8為孔粒比d50/La=0.04時(shí)加筋粗粒土豎向位移與剪切位移關(guān)系曲線圖（限于篇幅，這里只給出孔粒比d50/La=0.04的曲線圖）。在循環(huán)剪切試驗(yàn)中，加筋土樣豎向位移的差值稱為剪縮。從圖中看出，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下，從整體來看土工格柵-粗粒土加筋土試樣在循環(huán)剪切過程發(fā)生剪縮變形，最終剪縮變形為2.6 mm，且相鄰循環(huán)圈剪縮變形的增量與剪切循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著循環(huán)剪切周次的增加，加筋土試樣剪縮增量逐漸減小。在每一個(gè)循環(huán)剪切圈中均兩次交替出現(xiàn)了剪脹和剪縮現(xiàn)象，且同一組次剪脹變形量總是小于剪縮變形量。

圖8 孔粒比d50/La=0.04時(shí)豎向位移與剪切位移關(guān)系曲線圖

圖9為不同剪切循環(huán)回次n下加筋土剪縮量與孔粒比的關(guān)系曲線圖。從圖中可以得出，不同剪切回次n下加筋土剪縮量隨孔粒比d50/La大體上呈正相關(guān)關(guān)系，只是d50/La在0.04～0.12區(qū)間剪縮量隨孔粒比d50/La的增大增速緩慢，而d50/La在0.12～0.20區(qū)間剪縮量隨孔粒比d50/La增大增長(zhǎng)顯著。另外，同一d50/La下，隨著剪切循環(huán)回次n的增加，加筋土剪縮量逐漸增大，且其增大速率逐漸減小。

圖9 加筋土剪縮量與孔粒比的關(guān)系曲線圖

2.2 筋土界面動(dòng)力剪切特性

Nye等[15]在研究加筋土格柵構(gòu)筑物動(dòng)力性能時(shí)，選用2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即剪切剛度和阻尼比，來表征筋-土界面動(dòng)力循環(huán)剪切特性。這里用以分析土工格柵-粗粒土界面動(dòng)力特性同樣適用。圖10表示筋土界面單個(gè)循環(huán)剪切滯回圈示意圖，剪切剛度和阻尼比的物理意義可由此圖形象示出。

圖10 界面剪切滯回圈示意圖

筋-土界面剪切剛度可由下式表示：

式中：K——循環(huán)剪切下筋土界面抗剪剛度，kPa/m；

τ1、τ2——互為反向的峰值剪應(yīng)力，Pa；

Δa——循環(huán)剪切試驗(yàn)中剪切位移幅值（最大剪切位移），mm，具體如圖10所示。

筋土界面阻尼比的計(jì)算公式如下：

式中：D1、D2——互為剪切反向上的界面阻尼比；

A——剪切循環(huán)滯回圈的總面積；

A1、A2——不同剪切方向上陰影部分的面積。

圖11表示一定試驗(yàn)條件下（Dr=55%，V=1 mm/min）不同孔粒比下剪切剛度與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，筋土界面抗剪剛度與剪切循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，這意味著隨著循環(huán)剪切過程的發(fā)展，界面附近的土體密實(shí)度提高，筋土間咬合度增強(qiáng)，從而表現(xiàn)為界面剛度增大，出現(xiàn)循環(huán)剪切硬化現(xiàn)象。容易看出，當(dāng)d50/La=0.08時(shí)，在任意循環(huán)剪切次數(shù)下筋土界面剪切剛度均最大，說明在此孔粒比下筋土界面抗剪切變形的能力最強(qiáng)。另外，當(dāng)d50/La=0.2時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，筋土界面抗剪剛度的增幅最大，意味著在此孔粒比下粗顆粒與筋材間咬合調(diào)整空間較大。

圖11 不同孔粒比下剪切剛度與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖12表示一定試驗(yàn)條件下（Dr=55%，V=1 mm/min）不同孔粒比下筋土界面阻尼比與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，筋土界面阻尼比與剪切循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加，界面阻尼比逐漸減小，且在循環(huán)剪切次數(shù)n＜4時(shí)阻尼比減小速率大，阻尼比的減小意味著筋土界面在剪切作用下能力耗散變慢。在任一循環(huán)剪切次數(shù)下，阻尼比從大到小對(duì)應(yīng)的孔粒比d50/La為：0.2、0.12、0.04、0.08。結(jié)合圖 11可知，當(dāng)d50/La=0.2時(shí)，筋土界面抗剪剛度最小而阻尼比最大；當(dāng)d50/La=0.08時(shí)，筋土界面抗剪剛度最大而阻尼比最小。

圖12 不同孔粒比下阻尼比與循環(huán)剪切次數(shù)的關(guān)系曲線圖

3 結(jié)束語

本文通過開展室內(nèi)循環(huán)直剪試驗(yàn)，探討了土工格柵-粗粒土界面抗剪特性受不同孔粒比d50/La（0.04，0.08，0.12及0.2）影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1）同一試驗(yàn)條件下（剪切循環(huán)次數(shù)、剪切速率及粗顆粒填料密實(shí)度均相同），土工格柵-粗粒土界面峰值剪應(yīng)力隨d50/La的增加呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，在d50/La=0.08時(shí)存在一個(gè)最大值，使得峰值剪應(yīng)力最大。

2）土工格柵-粗粒土界面剪切剛度隨d50/La的增加呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，在d50/La=0.08時(shí)剪切剛度最大，此時(shí)筋土界面抗剪切變形能力最強(qiáng)。

3）土工格柵-粗粒土界面阻尼比隨d50/La的增加表現(xiàn)為先減后增的變化規(guī)律，在d50/La=0.08時(shí)阻尼比最小，而當(dāng)d50/La=0.2時(shí)阻尼比最大，受循環(huán)剪切作用時(shí)筋土界面能量耗散得最快。