筋材-砂-黏土层状体系接触面剪切特性试验研究

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(同济大学 a.岩土及地下工程教育部重点实验室；b.地下建筑与工程系，上海 200092)

1 研究背景

自从20世纪60年代初，法国工程师Vidal首先提出加筋土概念和原理, 有关加筋土机理试验在国内外相继展开[1]。土工合成材料与填料之间的界面摩擦特性是加筋土工程中最为重要的技术指标，在加筋土工程中, 土工合成材料与填料土的界面作用特性直接决定加筋土工程的稳定性, 并且二者之间的界面作用特性是关键的技术指标,因此，国内外的许多学者对该特性均进行了大量的试验研究，大多通过直剪试验与拉拔试验，并且已经取得了很多有效的成果[2-6]。Dietz和Lings[7](2006年)使用改良的能稳定测量摩擦和膨胀的直剪仪，进行了室内砂-筋材界面试验；单炜等[8](2008年)研究发现，在土体达到最佳含水量附近时，剪切强度达到最大，含水量过大或者过小都会降低筋土之间的剪切强度；徐超和孟凡祥[9](2008年)研究表明，当剪切速率不超过一定界限(如7.0 mm/min)时，剪切速率对直剪试验结果的影响可以忽略。

由于筋材-砂土之间的剪切特性要明显好于同等条件下的筋材-黏土之间的剪切特性。然而，不少工程中多采用筋材-黏土这种加筋形式。为了能够改善这种体系的筋土之间的剪切特性，张波和石明磊[10]通过在筋材-黏土之间夹入砂层，构成筋材-砂-黏土层状体系，通过对该体系中不同含水量的黏土层在4种正应力下的直剪试验，研究砂对于黏土加筋土工程中筋土界面剪切特性的改善情况，得出了筋材-砂-黏土层状体系对黏土加筋土结构具有显著改善剪切性能的结论。

本文以直剪试验为主，拉拔试验为辅，采用黏性土填筑的加筋土工程，通过在筋材-黏土之间加入砂层，进一步探讨筋土接触面剪切特性的改善情况；同时，深入探讨该体系中，不同的砂土层厚度以及不同粒度成分的砂土层对于该体系筋土之间相互作用的影响情况。

2 试验设备与试验方法

直剪试验所使用试验设备为自行研制的土工合成材料剪切仪，如图1所示。通过悬挂砝码来施加法向荷载，通过位移传感器量测水平位移，由力的传感器量测剪切力。直剪试验采用的是应变控制方式，试验过程中剪切面的相对位移和所施加的剪切力由电脑自动记录。直剪箱由上、下2个剪切盒组成，上剪切盒的尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，下剪切盒的尺寸为190 mm×140 mm×50 mm。

图1 土工合成材料剪切仪(直剪模式)

采用上述仪器进行试验，分别对纯黏土、粗砂、细砂层厚度分别为1，2,3 cm，各自在25，50,75 kPa 3个正应力下进行直剪试验，测出相应的剪切强度值，然后将试验结果点绘成剪应力-相对位移曲线, 从而求得似黏聚力和似摩擦因数值。

为了进一步分析有关砂层厚度的影响，采用研制的土中拉伸试验仪，对细砂层厚度为1,2 cm在50，75,100 kPa的正压力下进行了拉拔试验。

拉拔试验中，采用自行研制的多功能土工合成材料土中拉伸试验机(简称MGT)，如图2所示。MGT主要由主体框架、试验箱及气压袋、夹具套筒及相应移动支撑梁、气压控制系统、驱动位移系统、试验控制系统、数据采集系统、显示系统构成,其中试验箱长、宽、高各40 cm。

图2 多功能土工合成材料土中拉伸试验机

3 试验材料

试验所采用的土为上海某地的黏性土，经过晒干、粉碎以及过筛等工序，再添加适量的水搅拌均匀制成，含水量为21%。

试验用砂为2种：细砂和粗砂，各自的粒度成分见表1。本试验所用土工合成材料为热轧化纤无纺土工织物，其技术指标见表2。

表1 试验用粗砂和细砂的粒度成分

表2 土工合成材料的主要指标

4 试验结果与分析

4.1 直剪试验

采用热轧化纤无纺土工织物作为筋材，填料仅为黏性土、纯细砂、纯粗砂，装填料时分层压实，剪切速率为4.0 mm/min，分别进行试验，试验结果如图3所示。

图3 不同填料时的直剪试验结果

当采用筋材-砂-黏土层状体系进行试验时，筋材在最下方，中间为砂土层，上方为黏性土，通过改变中间砂土层的厚度来进行试验，厚度分别为1，2,3 cm。而砂土层的类型也分为粗砂和细砂分别进行试验。具体试验结果见图4。

从图4中可以明显地看出，无论哪种直剪试验，剪切力的增长并非是线性的，25～ 50 kPa正应力范围内的增长率要明显大于50～75 kPa直剪的增长率，这一结果与张波和石明磊[10]的试验研究结论是一致的。

图4 筋材-砂-黏土层状体的直剪试验结果

对比不同厚度的粗砂或细砂直剪试验即图4中的(a)，(b)，(c)或(d)，(e)，(f)结果可以看出，不同厚度砂层对于整个筋材-砂-黏土层状体系的影响并不太大，各个峰值强度都比较接近，但随着砂层厚度增大，达到峰值的相对位移在逐渐减小。从图3(a)中可看出：纯黏土的直剪试验是没有峰值的，而砂土和筋材-砂-黏土层状体系均会出现峰值，然后趋于稳定，这与砂土的剪胀性有关，剪胀性使得筋材移动时带动了砂土颗粒的重排列，使之达到一个峰值，然后待重排列趋于稳定，则剪切力也趋于稳定。

将图4中3组相同厚度的粗、细砂(a)与(d)，(b)与(e)，(c)与(f)进行对比，发现相同厚度的粗、细砂之间的区别不大，这是因为本次试验选用的纯粗砂与纯细砂的试验结果在25～75 kPa的正应力作用下，剪切力也同样差别不大，见图3(b)和图3(c)。

根据在不同正应力下测得的剪切力，可以绘出抗剪强度包络线，如图5所示。

图5 不同体系下的抗剪强度结果对比

从图5可以看出，在本次试验的正应力范围内，无论粗砂、细砂，砂层厚度对于似摩擦因数的影响都较小，但是相对于筋材与纯黏土而言，增加砂夹层后，筋土界面的似摩擦因数均提高了1倍多，因此尽管砂层厚度的影响不大，砂夹层的存在对于筋土之间的剪切特性的提高有一定的帮助，这也与张波和石明磊[10]的研究结论相一致。粗砂或细砂在25～75 kPa正应力作用下，筋土之间的剪切特性相差并不大。

4.2 拉拔试验

为了全面分析砂层厚度的影响，采用多功能土工合成材料土中拉伸试验机，完成了细砂层1，2 cm厚度的拉拔试验，其中筋材的尺寸变为了20 cm×20 cm，正应力变为50，75，100 kPa，具体试验结果见图6。

图6 筋材-砂-黏土层状体系的拉拔试验结果

根据拉拔试验结果，绘制出的筋土界面的抗剪强度曲线，如图7所示。同样，可以发现砂层厚度的变化对于整个层状体系的界面剪切特性影响并不大。

图7 筋土界面的抗剪强度曲线对比

无论直剪试验，还是拉拔试验，从试验结果可直观看出，在筋材-黏土之间增加一定厚度的砂层，可以较大幅度地提高界面的抗剪强度，而且界面抗剪强度增幅与砂层厚度和砂的组构关系不大。由定性分析可知：①在筋材-黏土之间增加砂层并不能改变原来黏土的性质；②直剪试验和拉拔试验都是在预设剪切面上进行的。因此对于筋材-砂-黏土这种体系，试验得到的是筋材与砂土之间的界面强度，其薄弱面由于受试验箱的限制而不会发生剪切破坏。针对这种筋材-砂-黏土体系，以及通过增设砂层来改善加筋黏性土的力学特性，仍需要通过改进试验装置做进一步的研究。

5 结 论

(1) 相对于筋材-黏土界面，试验测得的筋材-砂-黏土层状体系中接触面的剪切强度有了显著的提高，且剪切力与正应力之间并非是线性关系，剪切力增长率随着正应力的增大而减小。

(2) 筋材-砂-黏土层状体系中的砂层厚度(1～3 cm)和砂土组构(粗砂和细砂)对于似摩擦因数的影响较小，在25～75 kPa正应力下，筋土界面的剪切特性相差不大。

(3) 直剪试验和拉拔试验对于筋材-砂-黏土层状体系的研究存在着一些缺陷，由于试验箱或试验盒的侧限，使得砂层与黏土层之间可能存在的剪切面被限制住了，强制使剪切破坏发生在砂层与筋带之间，这点与实际情况并不符合。

在以后研究中，需要改进试验方法甚至试验仪器，使得破坏面能符合实际情况，以全面认识夹砂层对加筋黏性土的改善效果。

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