李 岑，張孟喜，王 東

(1.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

近年來，加筋土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于水利、公路、鐵路、市政等領(lǐng)域，而加筋土結(jié)構(gòu)的加筋效果的是通過筋-土界面特性反映出來，因此研究筋-土界面力學(xué)特性具有十分重要的意義。在加筋土結(jié)構(gòu)中，筋-土界面之間的相互作用非常復(fù)雜，加筋土結(jié)構(gòu)的種類不同或者同一類型加筋土結(jié)構(gòu)中的不同位置處，筋-土界面相互相互作用的機(jī)理就有所不同，因此也就導(dǎo)致相應(yīng)的測(cè)試方法有所不同。國內(nèi)外測(cè)試筋-土界面特性的室內(nèi)試驗(yàn)方法主要有：直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)以及斜板試驗(yàn)[1]，而其中，直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)是研究筋-土界面特性的最有效試驗(yàn)手段。

國內(nèi)外許多學(xué)者多年來在筋土界面特性研究上取得了大量成果。大部分研究都是針對(duì)圖1中A(破壞面沿著筋材)、C(筋材從土中拔出)兩種情況進(jìn)行：吳景海[2]、張嘎[3]、徐超[4-5]、劉文白[6]等都對(duì)土工合成材料與土界面作用特性開展了研究。但對(duì)于情況B，潛在破裂面和土工合成材料有一定夾角時(shí)的研究還有所缺乏，我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)此種情況的試驗(yàn)方法也并未涉及[7]。

圖1 加筋土邊坡筋土界面作用形式

國外的McGown等人[8]通過平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，沿主拉伸應(yīng)變方向布置金屬或者纖維等相對(duì)不可拉伸的材料，會(huì)抑制土體內(nèi)部拉伸應(yīng)變的發(fā)展。Jewell[9]通過在純砂中布置不同角度的纖維、鋼筋等材料進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)60°加筋時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大。Gray和Ohashi[10]通過改變纖維加筋面積、加筋角度、纖維剛度、填砂的密實(shí)度等來開展直剪試驗(yàn)，得出和Jewell類似的結(jié)論。Palmeira[11]等人運(yùn)用大型直剪儀對(duì)不同類型的材料進(jìn)行加筋直剪，發(fā)現(xiàn)不同縱向剛度或者彎曲剛度的金屬網(wǎng)格的試驗(yàn)結(jié)果之間沒有顯著差異。Sieira[12]采用有限元軟件Plaxis2D對(duì)斜向加筋直剪試驗(yàn)進(jìn)行了模擬分析，但僅模擬了30°、60°和90°加筋的情況。

綜上所述，在實(shí)際加筋土結(jié)構(gòu)中，確實(shí)存在破裂面與土工合成材料成一定角度的情況，對(duì)于此種情況，并沒有開展過不同角度土工格柵加筋的大型直剪試驗(yàn)，而僅僅是將土工合成材料放置于上下剪切盒之間開展界面特性直剪試驗(yàn)。本文通過HM-5780大型直剪儀對(duì)土工格柵與剪切面呈一定角度時(shí)的情況開展了試驗(yàn)研究，并分析了土工格柵加筋角度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料選取

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器采用美國Humboldt的大型直剪儀，型號(hào)為HM-5780，該試驗(yàn)機(jī)器設(shè)計(jì)簡單，自動(dòng)化程度較高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量測(cè)并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，儀器的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 HM-5780直剪儀性能參數(shù)

大型直剪儀由剪切盒，剪切腔、控制面板組成，試驗(yàn)采用了位移控制式，下剪切盒通過高精度電機(jī)來控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取并記錄。剪切盒為方盒，相比傳統(tǒng)直剪盒較為容易開展試驗(yàn)，下剪切盒的長度大于上剪切盒，是為了保證在剪切過程中剪切面積保持不變，并且通過螺栓固定。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用土樣為福建標(biāo)準(zhǔn)砂，通過篩分試驗(yàn)測(cè)得顆粒粒徑主要集中在0.5～2 mm，顆粒級(jí)配如圖2所示，不均勻系數(shù)為2.78，曲率系數(shù)為1.14。最大干密度為1.87 g/cm3，最小干密度為1.45 g/cm3。通過大型直剪試驗(yàn)測(cè)得內(nèi)摩擦角為31.5°，黏聚力為6 kPa。

圖2 砂土顆粒級(jí)配

試驗(yàn)所用土工格柵為雙向聚丙烯土工格柵，如圖3所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示，格柵網(wǎng)孔尺寸為40 mm×40 mm，因?yàn)榧羟泻袑挾裙潭?，所以每次試?yàn)縱肋為8條，中間網(wǎng)孔為7個(gè)。

圖3 試驗(yàn)用土工格柵

表2 土工格柵技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)布置

為了探究土工格柵在不同角度加筋情況下的剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系，本文在50、100、150 kPa及200 kPa的垂直壓力下對(duì)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)?zāi)M，土工格柵布置角度及剪切方向如圖4所示。5種加筋角度的直剪試驗(yàn)布置如圖5所示。

圖4 筋材布置示意

圖5 不同角度試樣布置

2.2 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

圖6分別列出了4種豎向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，土工格柵大部分角度加筋直剪的剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加而增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后，剪切應(yīng)力逐漸回落直至逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，而90°加筋則在剪切過程中出現(xiàn)“翹尾”現(xiàn)象，是因?yàn)殡S著下剪切盒的位移，下部格柵在砂土的作用下逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，格柵從受壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，加筋角度逐漸接近最大拉應(yīng)變方向，因此強(qiáng)度逐漸增長。

圖6 不同σ下剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

加筋角度30°、60°的格柵在剪切過程中主要為受拉狀態(tài)，起到拉緊周圍土體的作用，因此抗剪強(qiáng)度比較高。加筋角度為120°、150°的格柵在剪切過程中主要為受壓狀態(tài)，且格柵水平分量對(duì)下剪切盒起到阻礙作用，因此抗剪強(qiáng)度上升速度比較大，但豎向分量卻并未能夠加強(qiáng)豎向應(yīng)力，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度低于30°、60°加筋狀態(tài)。

繪制不同豎向應(yīng)力下的峰值強(qiáng)度并擬合，如圖7所示，R2都在0.99以上，擬合程度較好，根據(jù)擬合曲線求出內(nèi)摩擦角和黏聚力，如表3所示。從圖7及表3可以看出，相比于無筋砂土，30°、60°、90°加筋的內(nèi)摩擦角和似黏聚力都有一定程度的提升，60°加筋時(shí)內(nèi)摩擦角提升最大，黏聚力提升了19 kPa，120°加筋時(shí)黏聚力降低了3 kPa，而內(nèi)摩擦角和未加筋時(shí)大致相同。

圖7 不同角度加筋的強(qiáng)度擬合

表3 不同抗剪角度強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

2.3 格柵變形分析

已有學(xué)者[13]基于力的平衡推出了纖維在不同初始加筋角度下的強(qiáng)度公式，分為初始角度為90°的豎直加筋，以及其他角度的傾斜加筋，如圖8所示。

圖8 筋材受力分析

對(duì)這兩種情況進(jìn)行受力分析，加筋材料與土體之間的摩擦力可以提高加筋土的抗剪強(qiáng)度，而格柵又具有良好的抗拉性能，因此可以提升土的黏聚力，基于力的平衡可以推出這兩種情況下加筋效果提供的黏聚力。

加筋土的剪切強(qiáng)度可以表示為

τr=τ+cr

(1)

式中，τr為加筋土的抗剪強(qiáng)度，kPa；τ為不加筋時(shí)的抗剪強(qiáng)度，kPa；cr為加筋作用貢獻(xiàn)的黏聚力，kPa。

筋材中的拉應(yīng)力可以表示為

σr=T/As

(2)

對(duì)于豎直加筋

cr=σr[sinα+cosαtanφ]

(3)

對(duì)于傾斜加筋

cr=σr[cosβ+sinβtanφ]

(4)

公式(1)由兩部分組成，對(duì)于剪切過程中受拉的筋材，正如本文試驗(yàn)中的30°、60°、90°加筋，筋材拉力的垂直分量會(huì)增強(qiáng)剪切強(qiáng)度，對(duì)于剪切過程受壓的筋材，如120°、150°加筋，筋材的拉力不能發(fā)揮出來，豎向分量還會(huì)導(dǎo)致豎向應(yīng)力降低，所以剪切強(qiáng)度減小。

為了對(duì)比與纖維在不同角度下加筋的剪切特性，定義抗剪強(qiáng)度增量比為

(5)

式中，Δτ為筋材貢獻(xiàn)的抗剪強(qiáng)度；η為僅筋材在法向平面上的等效面積比(筋材表面積在法向平面上的投影面積)；σy為對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力。

選取100 kPa下的不同角度加筋的結(jié)果，將不同角度加筋下的抗剪強(qiáng)度增量比隨角度變化的關(guān)系如圖9所示。結(jié)合Gray的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由加筋引起的抗剪強(qiáng)度增量趨勢(shì)大致相同，這和加筋面積、加筋材料、筋土界面摩擦特性有關(guān)，相比于纖維加筋，土工格柵加筋提升較多，這是由于格柵的抗拉性能較強(qiáng)，且格柵對(duì)土體有一定咬合作用。

圖9 加筋角度-抗剪強(qiáng)度增量比

3 結(jié) 論

本文通過開展大型直剪試驗(yàn)對(duì)土工格柵多角度加筋直剪試驗(yàn)進(jìn)行了探究，并結(jié)合格柵剪后的變形特性，分析了該試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度特性，得到如下結(jié)論：

(1)不同布置角度的格柵在直剪過程中，受力狀態(tài)不同，是抗剪強(qiáng)度不同的主要原因。土工格柵剪切開始前都呈受壓狀態(tài)，隨著剪切位移逐漸增大，30°、60°、90°加筋格柵開始呈受拉狀態(tài)，120°、150°加筋格柵則一直呈受壓狀態(tài)。

(2)土工格柵布置角度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度有著較為顯著的影響。當(dāng)加筋角度為60°時(shí)，內(nèi)摩擦角和黏聚力都提升較大，抗剪強(qiáng)度提升最大。土工格柵與土體剪切方向成120°時(shí)，黏聚力有所降低，內(nèi)摩擦角基本不變，土體抗剪強(qiáng)度低于無筋試樣。

(3)在剪切過程中，90°加筋會(huì)出現(xiàn)“翹尾現(xiàn)象”；隨著剪切位移增大，抗剪強(qiáng)度不斷上升，150°加筋會(huì)出現(xiàn)“翹頭”現(xiàn)象，剪切剛開始時(shí)格柵的初始剛度會(huì)阻礙剪切盒的移動(dòng)。

(4)基于抗剪強(qiáng)度增量比，可以得到不同材料在不同角度下的加筋剪切特性的趨勢(shì)大致相同。