魏文超，熊甜甜，2，郭天旭，鄒鑫鵬，鄭振普 （. 西安思源學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，陜西 西安 70038；2. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 70049）

0 引言

現(xiàn)代城市多樣的交通方式使得人們的出行更加多元化，人們享受出行便利的同時(shí)，山間公路山體的滑坡以及公路的塌陷裂縫等會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成一定程度的損害?；诖耍?xiàng)目組準(zhǔn)備制備一種新型加筋土，應(yīng)于公路及山體的土體中。山體滑坡、公路塌陷裂縫，究其本源，是因?yàn)樵型恋氐目辜裟芰Σ蛔阋猿惺苣撤N因素所帶來的破壞。3D 打印技術(shù)可以快速成型，實(shí)現(xiàn)任何材料、任何數(shù)量、任何位置、任何領(lǐng)域的應(yīng)用。新型加筋土是基于3D打印技術(shù)下，以一種新型材料ABS 作為原材料制作的一種土工格柵，應(yīng)用于土體中形成加筋土。該土工格柵既能彌補(bǔ)市場(chǎng)上一般土工格柵不能改變厚度的缺點(diǎn)，又能滿足加筋土的抗拉抗壓強(qiáng)度的要求。它是一種集成型快、抗拉抗壓強(qiáng)度高、應(yīng)用范圍廣、耐久性及延展性能優(yōu)異于一體的新型材料。

伴隨著3D打印技術(shù)的成熟，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將3D 打印ABS 材料作為新型的加筋材料應(yīng)用于土體中。通過三軸試驗(yàn)，在某一固定周圍壓力下逐漸增大軸向壓力直至試樣破壞的一種三軸剪切試驗(yàn)，采用不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（UU）方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)的對(duì)比，選取最合理的參數(shù)作為制備土工格柵的規(guī)格，進(jìn)行加筋土的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文在西安市灞橋區(qū)向陽溝附近某路面工程施工地進(jìn)行取土以及試驗(yàn)。該土屬于粉質(zhì)黏土，w=27%，干密度ρd=1.49 g/cm3。ABS 材料具有良好的耐腐蝕性和韌性，使用時(shí)間長(zhǎng)，其次它還擁有成本低、重量輕、無毒無害的特點(diǎn)。最重要的是ABS 材料可以在3D 打印中使用。如圖1-圖4所示。

圖1 新型材料土工格柵a

圖2 新型材料土工格柵b

圖3 新型材料土工格柵c

圖4 新型材料土工格柵d

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用MakerBot Replicator 2X 打印機(jī)打印立體格柵網(wǎng)模型，該打印機(jī)采用燒熔纖維作為成型原理，將X、Y 軸定位精度提升為0.0110 mm，將Z 軸定位精度提升為0.0025 mm，如圖5所示。

圖5 MakerBotReplicator2X 打印機(jī)

采用TSZ-1 型應(yīng)變控制式三軸儀，直徑為Φ39.1 mm 的土試樣，如圖6 所示。

圖6 TSZ-1 型應(yīng)變控制式三軸儀

2 試驗(yàn)方法

方法一：采用不固結(jié)不排水的實(shí)驗(yàn)方法將土工格柵分為三種形式，即土的中部、土的上表面和下表面、土的上中下層，將其嵌入制備好的土試塊中，進(jìn)行壓實(shí)，使土工格柵與土體相結(jié)合。將壓實(shí)好的試塊放入三軸儀中，分別對(duì)主應(yīng)力為100 kPa、200 kPa、300 kPa 的規(guī)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，對(duì)曲線圖進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的曲線圖。

方法二：在方法一的基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)曲線圖對(duì)應(yīng)的層數(shù)和主應(yīng)力的大小，改變土工格柵橫縱肋的厚度，厚度分別為+3 mm、+6 mm、+9 mm。以4 種主應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出改變后的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，選擇最優(yōu)厚度作為方法三的基礎(chǔ)。

方法三：以方法二作為基礎(chǔ)條件，改變土工格柵內(nèi)部密實(shí)程度（格柵內(nèi)部間距采用6 mm×6 mm、9 mm×9 mm、12 mm×12 mm），以4 種主應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

裝土的試樣不高，所以可以很精確地進(jìn)行加筋。首先在不加筋時(shí)，將土分三次擊實(shí)刮花加入，以保證土體的整體性和連貫性；接著在加1 層筋時(shí)，將土分二次加入，在第一次加土結(jié)束后，將土工格柵加入擊實(shí)并將土體表面刮花。以保證土體的完整性；接著在加2 層筋時(shí)，先加三分之一的土擊實(shí)拉花，然后放土工格柵擊實(shí)。接著再放入三分之一土擊實(shí)拉花，然后放入土工格柵擊實(shí)，最后放入最后的三分之一的土擊實(shí)；在加3 層筋時(shí)，放四次土，每次放四分之一的土，然后擊實(shí)拉花，放入土工格柵，直至完成。在每次脫模前都要用刮刀將多余的土體刮掉。

3 試驗(yàn)研究

3.1 加筋土破壞形態(tài)

加筋土的破壞形式主要有兩種，分別是拉斷破壞和摩擦破壞。因?yàn)橥凉じ駯庞凶銐虼蟮目估瓘?qiáng)度，所以試樣在破壞中不會(huì)產(chǎn)生明顯的破裂面，而是加筋層處的土膨脹稍小，處于加筋層之間的土膨脹稍大，試樣被破壞但加筋材料依然完好，如圖7所示。

圖7 破壞試樣圖

從本次試驗(yàn)結(jié)果可看出，本試樣符合莫爾-庫侖抗剪強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，說明加筋材料對(duì)增加土體強(qiáng)度抑制土體變形有極大作用。

3.2 圍壓、加筋層對(duì)加筋土影響

為了探究圍壓對(duì)加筋土的影響，筆者將素土以不同圍壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，接著又依次將ABS 材料加筋1 層、2 層、3 層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將它們所有數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，如圖8-圖11所示。

圖8 素土應(yīng)力差應(yīng)變關(guān)系圖

圖9 加1層筋試樣應(yīng)力差應(yīng)變圖

圖10 加2層筋試樣應(yīng)力差應(yīng)變圖

圖11 加3層筋試樣應(yīng)力差應(yīng)變圖

從圖8-圖11 的曲線可以看出，隨著軸向應(yīng)力的增大，試樣的主應(yīng)力差也在不斷增大，其增大速率由一開始迅速上升，經(jīng)過一個(gè)范圍后速率減緩，最終趨近于一條平行于X軸直線。

3.3 土工格柵形狀對(duì)加筋土影響

為了研究不同尺寸的土工格柵對(duì)加筋土的影響，筆者將ABS 材料打印成4種不同形狀并且都在試樣中加筋2 層進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖12-圖14所示。

圖12 加2層筋b型應(yīng)力差應(yīng)變圖

圖13 加2層筋c型試樣應(yīng)力差應(yīng)變圖

圖14 加2層筋d型試樣應(yīng)力差應(yīng)變圖

由圖12-圖14 的曲線得出，隨著土工格柵的橫、縱肋的變化，土的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。在合適的范圍內(nèi)，土的性質(zhì)會(huì)隨著土工格柵的橫、縱肋的增大而增長(zhǎng)，但當(dāng)土工格柵的橫、縱肋超過一定范圍時(shí)土的性質(zhì)不會(huì)在增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

①在一般的土工格柵加筋土的試驗(yàn)下，土體試樣的破壞會(huì)出現(xiàn)徑向鼓脹破壞，加筋處膨脹破壞比其他地方明顯小的多，在加筋層之間存在腫大。但對(duì)于具有足夠抗拉強(qiáng)度的加筋土來說，試樣在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)明顯的破裂面，但會(huì)產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，產(chǎn)生磨擦破壞。

②加筋土在不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不同，其應(yīng)力增加幅度會(huì)隨著應(yīng)變的持續(xù)增長(zhǎng)先增大后平緩。在軸向應(yīng)變0%～10%時(shí)，其性能會(huì)大幅穩(wěn)健的增加；在經(jīng)過軸向應(yīng)變10%～15%期間，上升速率減緩；最終在經(jīng)過軸向應(yīng)變15%之后，增幅趨近于一條平行于X軸的直線。

③土工格柵橫、縱肋不同會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生不同影響。橫、縱肋厚度在0～9 mm 范圍內(nèi)，土的性質(zhì)會(huì)隨著土工格柵的橫、縱肋的增大而增長(zhǎng)；但當(dāng)土工格柵的橫、縱肋突過厚度9 mm 時(shí)，土的性質(zhì)不會(huì)再快速增長(zhǎng)。

④隨著圍壓的增長(zhǎng)，破壞強(qiáng)度數(shù)值也隨之升高，加筋的效果也有相對(duì)的提升。隨著加筋層數(shù)的增加，主應(yīng)力差也在增大，破壞強(qiáng)度也隨之成正比增長(zhǎng)，加筋效果也就隨之呈正比增長(zhǎng)，3 層加筋為本次試驗(yàn)最強(qiáng)抗剪。