土-格栅界面强度参数和剪切刚度试验研究

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(1. 武汉大学 a.岩土与结构工程安全湖北省重点实验室; b. 土木建筑工程学院，武汉 430072；2.武汉理工大学 土木建筑工程学院， 武汉 430070； 3. 国网新源建设有限公司，北京 100053)

1 研究背景

土工加筋的主要作用在于增强土的整体性，使土由散体材料变为具有一定连续性的介质[1]。土工合成材料与土之间的相互作用特性对于加筋土工结构的设计、建造以及维护至关重要[2]；进行加筋土结构的数值模拟时，筋-土界面的抗剪强度参数也是关键参数之一[3]。

加筋作用的直接方面来自土与筋材的界面效应。近年来，国内外很多学者[4-14]采用直剪和/或拉拔试验研究了单向(或双向)土工格栅与不同填料(黏性土、砂土、砂质粉土、粉细砂、砂砾料或尾矿等)之间的界面抗剪强度参数及其影响因素。探讨了各种因素对土-格栅界面强度指标的影响。

此外，加筋土结构作为一种柔性结构，在正常使用极限状态下，其位移一般不会达到筋-土界面产生极限抗剪强度所对应的界面剪切位移，此时加筋土结构的合理设计往往受界面剪切刚度(剪力除以剪切位移)的影响大于剪切强度的影响。

本文采用2种填料(黏土、砂砾石)和4种格栅(单向、双向和三向)开展一系列大型直剪试验，系统研究填料类型、含水率、压实度、格栅类型以及剪切速率等因素对筋-土界面强度指标(似黏聚力和内摩擦角)和剪切刚度的影响。

2 试验材料和设备

试验用填料包括黏土和砂砾石2种。其中黏土取自武汉大学供变电大楼工程的地基开挖弃土；砂砾石取自武汉大学图书馆扩建工程的建筑用材，不均匀系数为23.76，曲率系数为0.24，级配曲线见图1。2种填料的物理性质指标见表1。加筋材料包括4种土工格栅：不同肋长的单向土工格栅2种(RE560，UX1500，其中后者纵肋长度为前者的2倍)、双向土工格栅1种(SS30)、三向土工格栅(TX170)。上述4种格栅均由坦萨土工合成材料(武汉)有限公司生产，各型号格栅的外观示意如图2所示。

表1 2种填料的基本物理性质指标

图1 砂砾石级配曲线

试验采用应变控制式大型直剪仪。剪切盒内净尺寸(长×宽×高)为500 mm×500 mm×410 mm，法向力由液压千斤顶通过钢板施加于试样的顶部，水平推力由一台速度可控的电动机驱动，施加于上剪切盒的一端，由力传感器记录；在上盒的另一端部设置2个位移传感器，记录上盒的水平剪切位移。剪切过程中下盒固定，格栅置于上下剪切盒之间。各型土工格栅试样尺寸(宽×长)控制为510 mm×700 mm，目的是铺设后使格栅试样至少有一个完整的肋长在直剪盒内(盒长L=500 mm)，试样两端超出盒长部分夹持固定于下剪切盒。

图2 各型格栅外观及尺寸

3 试验结果及分析

国内相关规范[14-15]对加筋土结构的筋-土界面强度参数，多采用填料内摩擦角乘以一个<1的系数(摩擦因数比K)的方法。规范[16]采用针对不同填料的似摩擦因数的规定，但也有规范[17]并没有给出筋-土界面强度的具体参数。《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ/T 019—2012)对格栅-土界面的摩擦因数比(K)的建议值为0.9，《水利水电土工合成材料应用技术规范》(SL/T 255—98)[15]中的建议值为0.8。所以后文中将定义如式(1)所示的摩擦因数比K值，以便和规范建议值进行对比。

K=tanφsg/tanφ。

(1)

式中：φsg为筋-土界面的摩擦角；φ为填料的内摩擦角。

在通常情况下，加筋土结构失效时所对应的筋-土界面变形状态都没有达到试验过程中界面剪应力峰值所对应的状态，其性状往往受界面剪切刚度的影响要多于剪切强度的影响。所以，如果要更加准确评价加筋土结构的性能，则需要对其进行变形计算，而不是仅仅采用基于极限平衡理论的假设滑裂面方法，这样就需要采用能够反映筋土界面变形特性的参数。本文将采用剪切刚度变量来探讨筋-土界面的变形特性。土-格栅的界面剪切刚度采用式(2)计算：

Ke=Fm/Sa。

(2)

式中：Ke为筋-土界面的等效剪切刚度(kN/mm);Fm为通过剪切面传递的最大剪力(kN);Sa为最大剪力时所对应的接触面滑动位移(mm)。

3.1 筋-土界面强度指标

表2列出了国内部分学者对不同填料、不同类型格栅以及不同试验条件所得到的筋土界面强度。部分文献中没有进行摩擦因数比K值的计算和总结，仅仅得出了界面强度参数。

从表2可以看出：

(1) 填料种类对筋-土界面的抗剪强度参数有明显的影响，格栅-黏土(包括膨胀土)界面的抗剪强度参数要明显小于格栅-砂砾料界面的强度参数。

(2) 试验测试方法对筋-土界面的强度参数也有很明显的影响。相同条件下，拉拔试验所得到的界面强度参数要明显小于直剪试验，拉拔试验所得到的摩擦因数比(K)一般也远小于规范[15]中的推荐值0.8。所以选取设计参数时，应充分考虑实际工程加筋部位的筋土相互作用特征，正确选择直剪或者拉拔参数。

(3) 对比16—19组试验结果可以发现，对于膨胀土填料，压实度主要影响筋土界面强度参数中的内摩擦角；而对比18—19组试验发现，填料含水率主要影响筋土界面的似黏聚力。

表2 相关文献试验结果

本文根据填料种类、格栅种类、填料压实度、填料含水率以及剪切速率5个变量一共设置了15组试验。表3为本文中所进行的试验方案以及得到的界面强度参数。

从表3可以看出：

(1) 在本文的试验中，除了含水率较大的黏土填料中筋土界面摩擦因数比为0.8以外，其他状态下的摩擦因数比均大于0.9。所以在以黏土为填料时，需要严格控制其含水率状态。另外，规范中对界面摩擦因数比的规定仅仅考虑了筋材种类(格栅、土工布)的区别，综合表2和表3的研究成果，笔者认为填料种类的影响是不容忽视的。

表3 试验方案与试验结果

(2) 筋-土界面的强度均小于填料本身，但是筋-土界面的内摩擦角与填料本身相差不大，二者抗剪强度参数差别主要体现在似黏聚力上。

(3) 对比1，6，10—11组试验的结果，虽然试验中黏土填料的压实度(93%)比砂砾石(92%)的要高，但是格栅-黏土界面抗剪强度仍然明显低于格栅-砂砾石界面。所以在填料方面，应优先选择砂砾石。

(4) 对比1，5—7组试验的结果，当砂砾石的压实度从92%降低到86%时，格栅-砂砾石界面和砂砾石本身的黏聚力值分别降低22.3%和11.3%，内摩擦角分别降低7.0%和9.1%。这说明格栅-砂砾石界面的抗剪强度比砂砾石本身抗剪强度对填料压实度的变化更为敏感，并且同时体现在黏聚力和内摩擦角上。

(5) 对比6—9组试验，随着剪切速率从1 mm/min增大到2 mm/min，格栅-砂砾石界面的抗剪强度随之增大，且主要体现为内摩擦角增大，摩擦因数比K值也从0.94增大到0.97。其主要原因在于剪切过程中，筋-土界面附近会形成剪切带，砂砾石颗粒将重新排列，但重新排列的过程并非瞬时完成。所以当剪切速率增大时，剪切带内的颗粒来不及重新排列，从而增大了界面的内摩擦角。

(6) 针对不同含水率的黏土填料的格栅-土界面抗剪强度随含水率的变化见图3。

图3 不同格栅-黏土界面抗剪强度随含水率的变化

(7) 在17%和20%的含水率下，格栅-黏土界面的摩擦因数比K分别为0.99和0.80。这说明格栅-黏土界面抗剪强度比黏土本身抗剪强度对含水率的变化更为敏感。所以对于黏土填料的加筋土结构，在设计、施工和运营过程中，都应特别重视排水问题。

(8) 当含水率从17%增加到20%(最优含水率湿侧)时，格栅-黏土界面的似黏聚力和内摩擦角分别降低46.3%和65.2%，但对黏土本身的强度参数影响已不大。这说明含水率对格栅-黏土界面抗剪强度的影响同时体现在黏聚力和内摩擦角2个方面，且对其界面内摩擦角的影响更大，这是与其他因素的影响规律所不同的。

3.2 剪切刚度

图4为相同剪切速率(1 mm/min)和相同的砂砾石填料压实度(92%)，在不同法向压力下，4种不同类型格栅对砂砾石-格栅界面剪切刚度的影响(图例中的“-1”和“-2”分别代表剪切位移1 mm和2 mm)；图5为相同剪切速率(1 mm/min) 和格栅类型(RE560)，在不同法向压力下，压实度(包括92%和86%)对砂砾石-格栅界面剪切刚度的影响；图6为相同剪切速率(1 mm/min)和格栅类型从图4至图7可以看出：(RE560)，在不同法向压力下，黏土填料含水率(包括接近最优含水率的17%和大于最优含水率的20%)对黏土-格栅界面剪切刚度的影响；图7 显示了相同格栅类型(RE560)和压实度(86%)，在不同法向压力下，剪切速率对砂砾石-格栅界面剪切刚度的影响。

图4 不同类型格栅下的格栅-砂砾石界面在不同法向应力下的剪切刚度

图5 不同压实度下格栅-砂砾石界面在不同法向应力下的剪切刚度

图6 不同含水率的格栅-黏土界面在不同法向应力下的剪切刚度

图7 不同剪切速率下格栅-砂砾石界面在不同法向应力下的剪切刚度

(1) 界面剪切刚度会随着剪切位移的增大而显著降低，并随法向应力的增加而增大。在本文的试验中，法向应力增大一倍时，剪切刚度增大50%以上。

(2) 格栅类型的影响：相同试验条件下，不同类型格栅的砂砾石-格栅界面剪切刚度不同(见图4)，对本次采用的4种格栅，其界面剪切刚度从大到小的排序为：纵肋较短的单向格栅(RE560)、三向格栅(TX170)、纵肋较长的单向格栅(UX1500)、双向格栅(SS30)。

(3) 压实度和含水率的影响(见图5、图6)：压实度越高，界面剪切刚度越大；黏土填料的含水率越大，界面剪切刚度越小。

(4) 剪切速率的影响(见图7)：在本文所采用的2种剪切速率中，界面剪切刚度会随着剪切速率的增大而减小。

(5) 黏土-格栅界面的剪切刚度明显小于砂砾石-格栅界面的剪切刚度；法向应力对前者的影响相对较小，而含水率对前者影响较大。

上述因素(法向应力、格栅类型、填料类型及初始状态、剪切位移)对筋土界面剪切刚度都有较大影响。对于一个确定的加筋土工程，格栅类型填料类型及初始状态是确定的，所以在使用剪切刚度参数对加筋土结构进行变形计算时，就必须考虑界面剪切刚度参数随法向应力和剪切位移的变化。

4 结 论

通过对现有格栅-土界面强度相关研究文献的总结，以及本文完成的室内大型直剪试验结果，探讨了筋-土界面强度参数和剪切刚度的影响因素，可以得到以下几个结论。

(1) 现行规范中常用的筋-土界面摩擦因数比，实际上并不仅与筋材类型有关，填料类型和填料状态(含水率、压实度)以及试验方法也会对其产生明显影响；拉拔试验所得到的摩擦因数比要明显小于直剪试验，同时也明显小于规范推荐值。所以选取设计参数时，应充分考虑实际工程加筋部位的筋土相互作用特征，正确选择直剪或者拉拔参数。

(2) 对于黏土填料，格栅-黏土界面抗剪强度比黏土本身抗剪强度对含水率的变化更为敏感。含水率对格栅-黏土界面的影响会同时体现在似黏聚力和内摩擦角上。因此，对于黏土填料的加筋土结构，在设计、施工与运营过程中，都应充分重视其排水问题。

(3) 法向应力的增大、填料压实度的增大、含水率的降低以及剪切速率的减小都会使筋土界面的剪切刚度增大。

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