土工格栅加筋土大型直剪试验分析

黄培敏（中铁二院成都公司，四川　成都　610081）



·岩土工程·地基基础·

土工格栅加筋土大型直剪试验分析

黄培敏
（中铁二院成都公司，四川成都610081）

摘要：通过大型直剪试验，研究了不同密实度及不同铺设角度下土工格栅加筋土的界面特点，并分析了直剪试验数据，结果表明，土工格栅加筋土体能有效增强加筋工程的稳定性，提高结构的抗震能力。

关键词：加筋土，土工格栅，直剪试验，压实度

0　引言

加筋土的应用历史已悠久［1］。随着加筋材料的发展，目前土工格栅已在路基加固、软土地基处理等工程中被广泛应用。土工格栅加筋土中土工格栅与土界面性能是影响加筋技术应用的主要因素，目前国内外测定土工格栅与土界面性能主要方法是直剪试验和拉拔试验［2］。而现场施工时，一般对土的压实度做了相关的要求，而这方面的土工格栅加筋土相关试验研究较少。本研究通过不同密实度下及不同铺设角度下土工格栅加筋土大型直剪试验，研究不同密实度及不同铺设角度下土工格栅加筋土界面特性。

1　试验内容及方法

1.1试验仪器

本试验采用的是应变控制式大型直接剪切仪，其剪切盒为圆形，如图1，图2所示。此套仪器由四个主要部分组成，分别为剪切设备、操作台、油源控制设备和数据采集系统。其主要技术参数见表1。

图1　大型直剪仪工作状态

图2　大型直剪仪上、下圆形剪切盒

表1　大型直接剪切仪主要技术参数表

1.2试验材料

1）加筋材料——土工格栅。试验所用加筋材料——土工格栅，由西南某公司生产。其主要技术性质见表2。

表2　土工格栅主要技术性质

2）试验土样填料。试验土样为风化花岗岩填料。经试验分析，该填料为级配良好的B组填料，最大颗粒不大于15 mm，满足大型直接剪切仪的试验要求。每做一组试验换土样一次，以尽量保证土样原状态。

1.3试验方案和方法

按土样填料压实度达到90%和95%两种工况，及土工格栅与剪切面铺设角度（按与剪切面平行、成顺时针45°、垂直），本次试验共有8组，见表3。大型直接剪切仪试验时，每组试验分别采用200 kPa，400 kPa，600 kPa，800 kPa法向应力。

表3　大型直剪试验方案

试验方法：在上、下圆形剪切盒中按压实度装好填料，同时按不同角度要求铺设好加筋；试验准备就绪后，先按要求加载法向应力，再进行剪切试验和数据采集。试验采用应变控制，剪切速率按1 mm/min控制，当试样在剪切过程中出现峰值时，即认为土样被剪损，若没有峰值出现时，则当水平剪切变形达到50 mm（试样直径的1/10）时停止试验。

2　试验数据与分析

2.1试验采用计算公式

1）假设圆形剪切盒内的土样在上覆垂直荷载的作用下产生的法向应力p均匀分布，即：

其中，F为垂直方向的力，kN；A为圆形剪切盒的截面面积，m2。

2）假设直剪盒内土与土工格栅的剪应力：

其中，T为施加在下剪切盒上的水平荷载。

3）设加筋中土与土工格栅之间的抗剪强度符合库仑定律［3］。

其中，τ为土与筋界面抗剪强度，kPa；p为法向压力，kPa；c为等效粘聚力，kPa；φ为综合内摩擦角，（°）；f为界面摩擦系数。

2.2试验数据分析

通过对直剪试验数据的分析，容易得到如图3～图6为代表的剪应力τ和剪切位移s关系曲线（τ—s曲线）。

通过上述计算公式，容易得到图7～图10为代表剪应力τ与法向应力p关系曲线。

通过对所有τ—s曲线和τ—p曲线分析，得到表4的分析结果。

表4　压实度90%与95%大型直剪抗剪指标分析结果表

图3　压实度为90%下土工格栅45°铺设τ—s曲线

图4　压实度为90%下土工格栅垂直铺设τ—s曲线

图5　压实度为95%下普土（无格栅铺设）τ—s曲线

图6　压实度为95%下土工格栅水平铺设τ—s曲线

图7　压实度为90%土工格栅45°铺设τ—p曲线

从表4中容易得出：

1）随着土样压实度的提高，对普土（无格栅加筋），其直剪试验抗剪指标（主要为综合内摩擦角和等效粘聚力）都增大；同样，加筋土下土工格栅与剪切面成不同角度铺设，它们的直剪试验抗剪指标也都增大，见表5。

图8　压实度为90%土工格栅垂直铺设τ—p曲线

图9　压实度为95%普土（无格栅铺设）τ—p曲线

图10　压实度为95%土工格栅水平铺设τ—p曲线

表5　不同压实度下抗剪指标比较表

2）同一压实度下，土工格栅与剪切面成不同角度铺设与普土（无格栅加筋）比较：a.等效粘聚力，普土（无格栅加筋）很小，土工格栅加筋铺设后，其等效粘聚力有明显增大幅度；b.综合内摩擦角，格栅与剪切面成45°铺设比普土（无格栅加筋）少，格栅与剪切面水平或垂直铺设，都有所提高，见表6。

表6　不同压实度下不同格栅角度铺设与普土抗剪指标比较表

3）同一压实度下，按不同角度铺设下土工格栅加筋土的试验抗剪指标比较：a.等效粘聚力，随着铺设角度（从水平至成45°至垂直铺设），等效粘聚力越来越大；b.综合内摩擦角，格栅与剪切面成45°铺设最小，平行铺设最大，垂直铺设次之。

3　结语

通过不同密实度下及不同铺设角度下土工格栅加筋土大型直剪试验的研究，得出以下主要结论：

1）随着土样压实度的提高，无论是普土（无格栅加筋）还是加筋土下土工格栅与剪切面成不同角度铺设，其大型直剪抗剪强度指标都随着土样压实度的提高而提高。这就要求现场施工时，要高度重视土体填料压实度问题，应严格按设计压实度施工，尤其对于加筋土来说是保证其加筋效果的有效方法。

2）与普土（无格栅加筋）比较，在使用土工格栅加筋土样后，其等效粘聚力大幅度增大，由此可见，使用土工格栅加筋土体，能有效提高土体抗剪能力，即能有效增强加筋工程的稳定性、整体性，起到良好加固作用。在工程实际中，位于不良地质地段的基底、高边坡地段的边坡等处铺设土工格栅，是提高工程稳定性确实有效方法。对于位于高烈度地区的高路堤，进行土工格栅加筋设计，是其提高抗震能力措施之一，因为从抗震的角度看，提高工程的稳定性、整体性就可以增强其抗震能力［4］；另外，从对地震区路堤震害调查结果来看，加筋路堤在地震中表现出了较好的抗震效果。

3）与剪切面成45°铺设土工格栅的加筋土，其综合内摩擦角最小，而平行铺设最大，垂直铺设次之，可见水平铺设土工格栅加筋既有利于施工，又保证了加筋效果。这就要求现场施工时，应保证土工格栅铺设面平整平顺，铺设面尽量与剪切面平行，以提高加筋效果。

参考文献：

［1］杨果林.现代加筋土技术应用与研究发展［J］.力学与实践，2002，24（1）：9-17.

［2］邓昌中，邓卫东，严秋荣.土工格栅加筋土体界面性能综述［J］.公路交通技术，2007（3）：29-31.

［3］赵树德.土力学［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］黄培敏.土工格栅加筋土特性实验与抗震技术研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

Analysis on large-scale direct shear test of geogrid reinforced soil

Huang Peimin
（China Railway 2nd Institute Chengdu Company，Chengdu 610081，China）

Abstract：Through large-scale direct shear test，the paper studies geogrid reinforced soil interface features under different compactness and paving angles，and analyzes direct shear test data.Results show that：geogrid reinforced soil can effectively increase the stability of reinforced engineering and improve structural seismic resisting capacity as well.

Key words：reinforced soil，geogrid，direct shearing test，compactness

中图分类号：TU411

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0063-03

收稿日期：2015-12-18

作者简介：黄培敏（1975-），男，硕士，工程师