楊磊,張孟喜,彭基敏,孫州，高昂

(1.上海大學土木工程系,上海　200072；2.上海市城市建設設計研究總院,上海　200125)

半球形復合立體加筋砂土的強度特性及作用機理

楊磊1,張孟喜1,彭基敏2,孫州1，高昂1

(1.上海大學土木工程系,上海200072；2.上海市城市建設設計研究總院,上海200125)

選用橡膠作為加筋材料,通過三軸剪切試驗對半球形復合立體加筋砂土進行強度特性研究,分析了不同半球數量、圍壓下加筋砂土的強度特性、應力-應變關系和破壞形態(tài),討論了圍壓、半球數量和加筋層數對加筋砂土強度的影響,得到了半球加筋的作用機理.試驗結果表明：低圍壓時加筋砂土的抗剪強度增幅較大；加筋效果隨著筋材層數的增加而增強；與水平筋相比,半球形復合體加筋對土體的約束力較大,加筋土的抗剪強度增幅也較大,且隨著半球數目的增加,加筋砂土的黏聚力、內摩擦角也顯著提高.

半球形復合立體；三軸試驗；強度；應力-應變；加筋

隨著社會經濟的快速發(fā)展,大型工程的建造速度不斷加快,這就對土體強度提出了更高的要求.因此,提升土體的強度成為目前巖土界重點關注的問題.在土中加入加筋材料來提高土體的強度和穩(wěn)定性是工程中常用的重要手段.

丁萬濤等[1]采用三軸試驗對不同布筋方式的加筋膨脹土試樣進行研究,結果表明加筋試樣的強度比素土試樣的強度高,進行等間距布置筋材可以更充分地發(fā)揮材料的加筋作用.廖紅建等[2]對高陡邊坡滑坡體黃土進行了強度特性研究,發(fā)現重塑土具有內摩擦角隨著含水率的增加而減小的變形規(guī)律.趙瑩瑩等[3]通過在風沙土中加入纖維,得到了纖維風沙土剪應力與剪應變的關系式.魏松等[4]研究了等壓固結試驗中不同應力水平情況下粗粒料顆粒的破碎規(guī)律,認為在等壓固結條件下顆粒的破碎率與圍壓的冪函數關系取決于材料的軟化系數.劉芳等[5]針對玻璃纖維加筋土體,研究了玻璃纖維的長度和摻入量、試樣的密實度和含水量等因素對加筋土強度的影響,結果表明圍壓越高,玻璃纖維加筋作用發(fā)揮得越早,加筋效果越差.李陳財等[6]研究了麥秸稈加筋土的強度特性,分析了含水率對加筋土強度的影響.Bagherzadeh-Khalkhali等[7]研究了粗粒土最大粒徑對抗剪強度的影響.陳昌富等[8]利用草根作為加筋材料,分析了草根加筋土的破壞模式和土體剪切過程中草根的加筋機理.Sayeed等[9]通過大型直剪試驗研究了三向正應力下砂和土工布界面的剪切特性.魏紅衛(wèi)等[10]分析了筋材拉伸膜量、加筋層數和土體壓實度對加筋土體抗剪強度的影響.楊慶等[11]對黑山土進行抗剪強度研究,發(fā)現膨脹土的吸附強度和膨脹力存在良好的線性關系.Qu等[12]分析了麥秸稈長度等對加筋土抗剪強度的影響.張孟喜等[13-14]通過建立H-V加筋強度模型,采用極限平衡理論推導了加筋土摩擦型破壞條件的強度公式.

半球形復合體的加筋強度特性、加筋機理與傳統(tǒng)的平面加筋材料有著較大區(qū)別,基于此,本工作以橡膠為材料,通過三軸試驗研究了平面筋、半球形復合立體加筋砂土的強度特性、應力-應變曲線和破壞形態(tài),得到了半球加筋的作用機理,以期為加筋土的研究提供參考.

1　試驗方案

1.1試驗材料

試驗填料選用土樣為福建砂,該砂土的顆粒級配曲線如圖1所示.可以看出,砂土顆粒粒徑主要集中在0.25～1.00 mm.由于濕砂的結果比較離散,所以本工作選用密度為1.66 g/cm3的干砂,砂樣的基本物理參數如表1所示.

圖1　試驗砂樣的顆粒級配曲線Fig.1　Grain size distribution curve of sand in test

表1　試驗砂樣的物理參數Table 1　Physical parameters of sand in test

1.2試驗設備

試驗設備采用南京電力自動化總廠生產的SJ-1A型三軸儀.該儀器主要由試驗機、壓力室和測量系統(tǒng)組成,適用于測量細粒土和砂土的抗剪強度等參數,其中試驗數據通過TSW-3數據采集系統(tǒng)進行采集.

1.3試驗工況

本試驗的目的是研究布置半球形筋對試樣強度和變形的影響,并對比水平加筋土與半球形復合加筋土的強度.為了便于后續(xù)進行理論分析,所有的加筋都采用軸對稱的形式.試驗采用三軸儀的中號壓力室.試樣的直徑為6.18 cm,高13.5 cm.水平加筋取滿布筋,筋材選用厚度為1 mm的橡膠板,且在橡膠板上表面軸對稱布置直徑為1 cm的3,4或6個橡膠半球.試驗分1層和2層兩種加筋情況,即在試樣的中部或1/3處加與試樣直徑相同的圓橡膠板.為了不擾動筋體下方的試樣,確保試樣的密實性,只在平面筋上面布置半球形筋.半球形復合立體加筋形式如圖2所示.

圖2　半球形筋材的布置圖(cm)Fig.2　Layout of hemispherical inclusions(cm)

本工作對半球形立體加筋砂土進行試驗,共設計了9種工況(見表2),其中每種工況的圍壓σ3分別取50,100,150和200 kPa.對于土樣、圍壓、加筋形式均相同的試樣進行多組平行試驗.

表2　砂土的試驗工況Table 2　Test cases of sand

2　試驗結果及分析

2.1偏應力-應變曲線對比分析

圖3和4給出了不同工況下砂土的偏應力-應變曲線.可以看出,未加筋與加筋砂土的偏應力-應變曲線變化趨勢類似,均近似為雙曲線類型,符合加筋土摩擦型破壞的典型性特征.不同的加筋形式與未加筋時相比,砂土的偏應力值均有所提高,但影響程度和原因卻不盡相同.當軸向應變小于3%時,主應力差增加速度較快,之后增加趨勢逐漸減緩,所有試樣的變形均在軸向應變?yōu)?%～10%時突然增大,試樣破壞.

2.1.1半球加筋數量和圍壓的影響

圖3為單層加筋時半球加筋砂土的偏應力-應變曲線.可以看出：在同一圍壓作用下,隨著半球數量的增加,主應力差逐漸增大；而不同圍壓下加筋砂土強度在低圍壓時增幅較大,在高圍壓時隨著加筋半球數量的增加,加筋土強度增幅逐漸減小,半球加筋效果不是特別明顯.這說明,土體在低圍壓時受到的外部約束較小,變形較大,加筋土內部筋材和土體之間相互作用也較強,材料對土體的約束作用能夠充分發(fā)揮.

圖3　單層砂土試樣的偏應力-應變曲線Fig.3　Deviator stress-strain curves of sands for single layer

2.1.2加筋層數的影響

加筋層數對加筋砂土強度的影響如圖4所示.可以看出：當σ3=150 kPa時,單層水平加筋主應力差比未加筋時增大約5%,雙層水平加筋主應力差比未加筋時增大約10%,3個半球單層復合立體加筋主應力差比未加筋時增大約15%,3個半球雙層復合立體加筋主應力差比未加筋時增大約28%；4個半球和6個半球的單層復合立體加筋主應力差比未加筋時增大接約28.2%.這說明隨著半球數量的增加,主應力差增幅逐漸減小.單層的4個半球復合立體加筋與雙層3個半球復合立體加筋主應力差增幅接近,因此半球的數量對主應力差幅度的影響較大,而增加復合立體加筋層數對砂土的加筋效果影響較為一般.

圖4　單、雙層砂土試樣的偏應力-應變曲線(σ3=150 kPa)Fig.4　Deviator stress-strain curves of sands for simple and double-layer(σ3=150 kPa)

2.2強度特性

對砂土試樣進行三軸試驗,可以獲得在不同工況下試樣破壞的峰值應力.根據砂土試樣的試驗數據繪制p-q曲線(p=(σ1+σ3)/2,q=(σ1?σ3)/2)如圖5所示.

圖5　不同加筋層數下砂土試樣的p-q曲線Fig.5　p-q curves of sands with different reinforced layers

根據三軸壓縮試驗,對p-q曲線進行線性擬合得到回歸方程,然后計算各組試樣的抗剪強度參數c,φ值,從而獲得加筋砂土的強度參數變化值(見表3).

表3　各試驗工況下加筋砂土的強度參數Table 3　Strength parameters of different reinforced sands

由表3可以看出,各工況下加筋砂土的黏聚力和內摩擦角均比未加筋砂土高,1層水平加筋的c值比未加筋時增加了5.49 kPa,φ值增加了1.06°.對于同樣層數的半球立體加筋土,在水平加筋上布置3個半球時的黏聚力比未加筋時增加了69.31%,而內摩擦角只增加了5.95%.因此,半球形立體加筋對砂土黏聚力的提升效果比內摩擦角要明顯得多.

單層3個半球加筋時黏聚力比水平加筋時增加了3.07 kPa,內摩擦角僅增加了0.86°.比較加筋層數相同的半球形立體加筋與水平加筋砂土可以看出,半球的存在使得加筋砂土的黏聚力大幅增加.將2層半球形加筋砂土進行對比,發(fā)現c值的增幅隨著半球數量的增加而快速增大.內摩擦角的影響相對較小,半球形加筋的主要作用是提高了砂土的c值.

2.3加筋效果分析

在加筋砂土的研究中,為了更好地評價加筋后砂土強度的變化,通常引入加筋效果系數

式中,Rσ為加筋效果系數,σ1,σ3分別為破壞時的大主應力和小主應力,(σ1?σ3)Rf為加筋砂土破壞時的主應力差,(σ1?σ3)f為未加筋砂土破壞時的主應力差.根據加筋效果計算公式得到不同工況下試樣的加筋效果系數(見表4).

表4　不同工況下砂土的加筋效果系數Table 4　Reinforcement effect coefficients of different cases

在同一加筋方式下,低圍壓時的Rσ值較大,高圍壓時的Rσ值較小,隨著圍壓的增大,其加筋效果有所降低.半球形立體加筋規(guī)律與水平加筋類似,在低圍壓時加筋的效果更好.由于低圍壓下土體的側向變形較大,豎向加筋對土體的約束力也越大,加筋效果更為明顯.

在圍壓、加筋層數相同的情況下,半球形立體加筋砂土的強度比水平加筋砂土有明顯提高,且隨著半球數目的增加,其加筋土的強度也相對提高.從表4中還可以看出,雙層立體加筋砂土的強度大于單層立體加筋砂土的強度.

2.4破壞形態(tài)

不同加筋方式的砂土試樣的破壞形態(tài)如圖6所示.可以看出,水平筋條處試樣的變形要比其他位置小得多,在其他位置則呈現鼓脹狀.對于水平加筋,由于上下約束條件相同,上下鼓狀基本上是對稱的；而對于單層半球形立體加筋,水平筋條上部試樣的變形比下部相對小一些,這主要是因為在水平筋條上面增加了立體加筋；對于雙層的半球形立體加筋,試樣的變形形態(tài)較為均勻,這是因為半球的存在增強了水平筋條上部的約束,限制了試樣的側向變形.

圖6　不同加筋砂土的破壞形態(tài)Fig.6　Failure mode of different reinforced sands

2.5作用機理分析

水平加筋主要是通過土體與筋材之間的摩擦作用來增加土體的抗剪強度.對于半球形加筋砂土,由于試驗過程中半球形橡膠筋材埋設在砂土下面,半球橡膠對內部的砂土直接產生阻擋作用,水平橡膠板受到法向力和水平的剪切力,這為土體提供了側向約束力.半球形筋材的受力分析如圖7所示.

圖7　半球形筋材的受力分析Fig.7　Force analysis of hemispherical reinforced material

半球形加筋側阻力σb按照Jewell等[15]提出的整體性剪切破壞公式計算：

式中,φ為土的內摩擦角,r為球半徑,α為σb與z軸的夾角,θ為σb在xOy面的投影與x軸的夾角,S為半球面承受側向阻力的積分域.以3個橡膠半球加筋為例進行推導,將側向阻力Tb等效為徑向(r0=2 cm,h=r)均布荷載?σn,即

將徑向均布荷載?σn等效為試樣高度上的?σ＇n,最后等效為整個試樣的外側圍壓增量?σ3,即

式中,n為加筋層數,H為試樣高度,R為試樣半徑.

土體受到的側向約束力與半球半徑的平方、加筋層數成正比,因此與試樣高度成反比,隨著半球半徑的增大,土體受到側向約束力也隨之增大.半球對三軸的土體變形有約束作用,使砂土緊密連在一起,宏觀上表現為提高了加筋土體的似黏聚力和抗剪強度.

3　結論

本工作以橡膠為加筋材料,通過三軸剪切試驗對半球形復合立體加筋砂土的強度特性進行分析,研究結果表明：①各種加筋形式應力應變曲線均為雙曲線形式,符合加筋土摩擦型破壞的典型性特征；②立體加筋砂土強度增幅隨著圍壓的增大而減小,即當側向約束力較小時,立體加筋能夠充分發(fā)揮加筋砂土內部筋材和土體之間的相互作用；③在圍壓和加筋層數相同的情況下,半球形立體加筋砂土的強度大于水平加筋土的強度,且隨著半球數目的增加,加筋效果也相對提高；④當加筋方式改變時,不論是水平加筋或立體加筋,還是立體加筋數量或層數的變化,加筋砂土黏聚力的變化都要比內摩擦角的變化更加明顯.

[1]丁萬濤,雷勝友.加筋膨脹土不同布筋型式三軸試驗研究[J].巖土力學,2010,31(4)：1147-1150.

[2]廖紅建,李濤,彭建兵.高陡邊坡滑坡體黃土的強度特性研究[J].巖土力學,2011,32(7)：1939-1944.

[3]趙瑩瑩,趙燕茹,李馳,等.纖維風沙土靜力特性三軸試驗研究[J].黑龍江工程學院學報,2014, 28(4)：8-12.

[4]魏松,朱俊高,錢七虎,等.粗粒料顆粒破碎三軸試驗研究[J].巖土工程學報,2009,31(4)：533-538.

[5]劉芳,孫紅,葛修潤.玻璃纖維土的三軸試驗研究[J].上海交通大學學報,2011,45(5)：762-766.

[6]李陳財,璩繼立,李貝貝,等.含水率對麥秸稈加筋土強度影響的試驗研究[J].水資源與水工程學報, 2014,25(6)：203-206.

[7]BAGHERzADEH-KHALKHALI A,MIRGHASEMI A A.Numerical and experimental direct shear tests for coarse-grained soils[J].Particuology,2009,7(1)：83-91.

[8]陳昌富,劉懷星,李亞平.草根加筋土的室內三軸試驗研究[J].巖土力學,2007,28(10)：2041-2045.

[9]SAyEED M M A,RAMAIAH B J,RAwAL A.Interface shear characteristics of jute/polypropylene hybrid nonwoven geotextiles and sand using large size direct shear test[J].Geotextiles and Geomembranes,2014,42(1)：63-68.

[10]魏紅衛(wèi),喻澤紅,鄒銀生.土工合成材料加筋土抗剪作用的試驗研究[J].水利學報,2005,36(5)：555-562.

[11]楊慶,張慧珍,欒茂田.非飽和膨脹土抗剪強度的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(3)：420-425.

[12]QU J L,LI C C,LIU B S,et al.Effects of random inclusion of wheat straw fibers on shear strength characteristics of Shanghai cohesive soil[J].Geotechnical and Geological Engineering, 2013,31(2)：420-425.

[13]ZHANG M X,ZHOU H,JAvADI A A,et al.Experimental and theoretical investigations of strength of soil reinforced with multi-layer horizontal-vertical orthogonal elements[J].Geotextiles and Geomembranes,2008,26(1)：1-13.

[14]張孟喜,趙崗飛,魏偉,等.軸對稱條件下水平-豎向加筋黏性土的強度分析[J].土木工程學報,2010, 43(8)：115-120.

[15]JEwELL R A,PEDLEy M J.Analysis for soil reinforcement with bending stiffness[J].Journal of Geotchnical Engineering,1992,118(10)：1505-1528.

本文彩色版可登陸本刊網站查詢：http://www.journal.shu.edu.cn

Strength property and interaction mechanism of sand reinforced with hemispherical inclusions

YANG Lei1,ZHANG Mengxi1,PENG Jimin2,SUN Zhou1,GAO Ang1
(1.Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China；
2.Shanghai Urban Construction Design and Research Institute,Shanghai 200125,China)

A series of triaxial tests were carried out to study strength property of sand reinforced by hemispherical inclusions of rubber.The behavior of reinforced sand was studied in terms of shear strength of sand,stress-strain relation and the failure modes of specimen.Influences of confining pressures,number of hemispheres and number of reinforced layers on reinforced sand strength were discussed.The interaction mechanism between the hemispherical rubber and sand were also discussed.It was shown that shear strength is improved significantly under lower confining pressures.In addition,the reinforcing effect of hemispherical inclusions was increased with the number of reinforced layers increasing.Compared with sand reinforced with horizontal inclusions,the soil reinforced with hemispherical inclusions was bound more strongly,shear strength of reinforced soil was more improved,and the cohesion and friction angle of reinforced sand were improved more significantly with the number of hemisphere increasing.

hemispherical inclusion；triaxial test；strength；stress-strain；reinforcement

TU43

A

1007-2861(2016)05-0656-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.019

2015-04-22

國家自然科學基金資助項目(41372280)

張孟喜(1963—),男,教授,博士生導師,博士,研究方向為新型土工加筋技術及地下結構. E-mail:mxzhang@i.shu.edu.cn