大型直剪仪对筋土界面剪切特性的影响分析

张涛

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

一、引言

筋土界面剪切特性对于加筋土结构起着关键作用，目前对于筋土界面剪切特性的研究是目前学术界的热点。施有志等[1]在1.0mm/min和0.5mm/min两种不同的剪切速率情况下下土工格栅界面剪切特性进行研究，表明界面剪切强度会随着剪切速率的增加而增大。Jewell以及Bauer等[2-3]学者通过在直剪仪设备大小的改进进行试验中以测得筋土界面特性。徐超等[4]利用不同土工合成材料对砂土的拉拔和直剪试验进行分析对比，可以得出剪切速率约7mm/min为一个峰值，如果剪切速率高于此峰值，那么剪切速率对于界面强度的提升基本可以忽略不计。Anubhav[5]提出直剪试验中的直剪盒子的尺寸的改变对于界面强度的影响较大，如果剪切盒子尺寸较小，无法满足剪切过程中界面强度的准确测定。

近年，由于实验设备尺寸的问题，小型直剪设备造成实验结果不够准备的现象尤为明显。对于加筋土而言，界面破坏的时间长短，土工格栅有没有起到应有的作用就变得尤为重要。因此，本文采用室内直剪试验对筋土界面剪切特性行了研究，并对设备尺寸大小、剪切速率和法向应力的改变等因素对筋土界面特性的影响进行了分析。

二、试验设备与材料选取

（一）试验设备

图1大型直剪仪

室内大型直剪试验装置如图1所示。直剪试验上剪切盒的有效尺寸为295mm× 295mm×95mm。可自动记录数据形成报表。

图2小型直剪仪

室内小型直剪试验装置如图2所示。直剪试验上剪切盒的有效尺寸为50mm×50mm×85mm。水平位移通过手工计时操作进行测量。

（二）试验材料

本次实验所使用的填料为福建标准砂作为实验填料。试验所用的土工合成材料为精编土工格栅。

三、试验方案

本文设计的直剪试验为土工格栅-砂土界面。实验以不同的剪切设备大小和剪切速率以及竖向应力为变量，在试验过程中将剪切速率分别定为1.0、1.2、1.5mm/min。试验重点研究了剪切盒子尺寸的改变和不同剪切速率以及竖向应力的改变对筋土界面性能的影响，试样采用分层压实法。

四、试验结果

（一）设备尺寸的改变于筋土界面的影响

图3为设备尺寸的改变对应的剪应力-位移曲线。由图可看出，设备尺寸的增大对于筋土界面的影响巨大。在其他条件相同的情况下，大型直剪设备对于筋土界面的强度明显大于小型直剪设备对应的界面，界面破坏发生的很早。对于此种情况发生的可能的原因是格栅的孔径与粘土粒径的大小相差过多，因此格栅限制了粘土颗粒的运动从而减小了粘土颗粒间的滑动摩阻力。

图3不同剪切设备对应界面剪应力-位移曲线

（二）不同剪切速率对于大型直剪筋土界面的影响

图4为不同剪切速率情况下筋土界面曲线。由图可知，界面强度随着剪切速率的增大而增加。

当剪切速率相对较小时，颗粒之间有比较充足的时间能够重新定向排列；受到的阻力响度较小，但当剪切速变大时，砂土颗粒在剪切的过程中来不及进行定向排列，砂土颗粒之间的相互的嵌锁作用以及砂土颗粒和土工格栅之间的咬合力，颗粒之间甚至出现了攀爬现象，因此产生的摩擦、嵌固能力强，故而界面对应的强度大。

图4不同剪切速率对应界面剪应力-位移曲线

（三）不同竖向应力对于大型直剪筋土界面的影响

图5为不同竖向应力情况下筋土界面对应不同剪切位移曲线，在图中三种不同竖向应力情况下，竖向位移在前期的增大均比较快，表现为曲线初始斜率较大，随后逐渐平缓。竖向应力为50、90、130kPa对应的筋土界面的竖向位移的最大值分别为2.3mm、4.2mm、5.6mm。随着竖向应力的增大，对应筋土界面的竖向位移也随之增大。

图5不同竖向应力作用界面剪切位移-竖向位移曲线

五、结论

通过对填土界面进行的室内大型和小型直剪试验，得到结论如下：

（1）对于加筋填土，实验试样尺寸越大，界面的剪切强度也随之增加。

（2）随着剪切速度的增加，界面的剪切强度随之降低。

（3）随着竖向应力的增大，对应筋土界面的竖向位移也随之增大。

[1]施有志.土工合成材料的工程特性与加筋垫层试验研究[D].华侨大学硕士学位论文,2003:13-19.

[2]Jewell R A.Some fctors which influence the shear strength of reinforced sand [J].Symposium on Computer Application Geotech Problem in Highway Engineering.1980.

[3]Bauer G E,Zhao Y.Evaluation of shear strength and dilatancy behavior of reinforced soil from direct shear test[J].Geosynthetics soil testing procedure:138-151.

[4]徐超,孟凡祥.剪切速率和材料特性对筋土界面抗剪强度的影响[J].同济大学学报,2010,31(10):3101-3105.

[5]Anubhav,P.K.Basudhar.Modeling of soil-woven geotextile interface behavior from direct shear test results.Geotextiles and Geomembranes,2010,28(1):403-408.