加筋体与土体界面力学特性试验研究进展综述

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(1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

20世纪60年代初，法国工程师Vidal根据三轴试验结果首先提出加筋土的概念和原理，为现代加筋土技术的发展奠定了基础[1]。土工合成材料是岩土工程领域内的一种新型材料，因其质量轻、体积小，柔软性能适应土体的较大变形，具有加强土体的作用[2]。土工合成材料加筋土具有良好的抗剪强度，并且具有优良的抗震性能，被广泛应用于路堤、挡土墙、边坡等结构中。

筋土界面的力学特性体现了加筋土结构的加筋效果，并直接影响到加筋土结构的稳定性[3]。针对加筋土界面力学特性的研究，现阶段的室内试验主要有直剪试验、拉拔试验和三轴试验。加筋体为土工格栅、土工织物、土工膜等。加筋土的填料为砂土、黏性土。

国内外已有学者对加筋土界面力学特性进行了研究，也取得了一定成果。本文对国内外加筋土界面力学特性试验研究成果进行归纳总结，指出了当前试验存在的问题。新型GDS(global digital systems，全球数字系统)界面剪切试验仪可以进行土工合成材料与土体的界面剪切试验，克服了当前试验方法的不足。针对该仪器在试验过程中不能严格控制排水条件以及量测试样中孔隙水压力的变化，提出了改进建议。

1 加筋土界面试验研究现状

1.1 直剪试验研究

Abu-Farsakh等[4]通过直剪试验探究了不同含水率对格栅-黏土界面剪切特性的影响，认为随着含水率的增加，筋土界面抗剪强度显著减小。Liu等[5-6]在大量试验的基础上提出了土工格栅加筋效果明显高于土工织物，且筋土界面强度与横肋拉伸强度有关，与网格尺寸、网孔面积比率基本无关。Lee等[7]通过直剪试验认为边界条件和试验方法对加筋土界面特性有很大影响。Nye等[8]采用直剪试验研究了土工合成材料与黏土界面剪切特性，认为随着剪切位移的增加，筋土界面抗剪强度先增大后减小，最终趋于稳定值；在循环剪切过程中，加筋体与土体界面强度主要受剪切位移幅度影响，与循环次数、频率及波形基本无关。

刘飞禹[3]、徐超等[10]通过直剪试验对加筋砂土试样进行不同剪切速率下的直剪试验，发现剪切速率对加筋体、土体界面的剪切特性影响不大，可以忽略。而刘文白等[11]认为剪应力峰值强度及其对应的剪切位移都随着剪切速率的增大而逐渐减小。

吴海等[13]通过室内大型直剪试验研究了不同竖向应力下各种加筋材料对加筋土界面特性的影响，认为土工格栅的加筋效果明显高于土工织物；随着竖向应力的增加，筋土界面抗剪强度提高。许多学者也得到了相同的结论[14, 19-20]。为了直观并便于比较，汇总试验结果于表1。

表1 直剪试验对筋土界面特性的研究总结Tab.1 Summary of reinforcement-soil interface characteristics by using direct shear tests

1.2 拉拔试验研究

Lopes等[15]通过对砂土与土工格栅界面的拉拔试验，得出界面的抗剪强度与加载速率成正比。Moraci等[16]通过动力下的拉拔试验，发现所施加的动力频率对界面特性影响不明显。Bergado等[17]研究了不同含水率对筋土界面抗剪强度的影响，得到了不同土工格栅界面抗剪强度公式。

刘文白等[11]利用拉拔试验研究了土工格栅与土的界面力学特性，认为随法向应力的增大，剪应力峰值及其对应的位移均提高；许多学者也发现了相同的规律[18-20 ]。李齐仁[22]、汪明元[23]等分别研究了含水率和干密度对土工格栅与膨胀土界面拉拔形状的影响，得出随着含水率升高，拉拔力峰值及界面峰值强度迅速衰减；干密度对界面似摩擦角的影响显著，而对似粘聚力的影响较小。同样，拉拔试验对筋土界面特性研究汇总于表2。

表2 拉拔试验对筋土界面特性的研究总结Tab.2 Summary of reinforcement-soil interface characteristics using pull-out tests

1.3 三轴试验研究

Yang等[31]通过三轴压缩试验研究了筋土界面抗剪强度的影响因素，发现筋土界面抗剪强度随着土工织物层数和土层厚度的增加而增大。Fabin等[32]研究了不同渗透系数的土工合成材料和淤泥质黏土的界面特性，认为在不排水的条件下，高渗透性的加筋体可以使筋土界面抗剪强度增加40%，而低渗透性的加筋体则相反；界面剪切强度的增加与试样含水率有关，随着含水率的增加，加筋体和土体之间的黏聚力逐渐增大。

对于特殊黏性土，土工合成材料也有很好的加筋效果。王协群等[33]通过不同围压下的三轴排水剪切试验探究土工格栅的加筋效果，认为土工格栅加筋膨胀土形成排水通道，加速土体的排水固结；土工格栅的植入使剪切带的发展受到抑制，内摩擦角变化不大，而黏聚力则有明显提高。三轴试验对筋土界面特性的研究如表3所示。

2 当前试验存在的问题与GDS界面剪切试验仪

2.1 存在的问题

现阶段对筋土界面力学特性的研究内容丰富，但方法各异，所用的试验仪器差别较大，筋材和填料也多种多样，故得到的筋土界面力学特性具有较大差异。直剪试验、拉拔试验和三轴试验虽能得到加筋土界面力学特性规律，但存在如下局限性：

表3 三轴试验对筋土界面特性的研究总结Tab.3 Summary of reinforcement-soil interface characteristics using triaxial tests

1) 直剪试验在剪切过程中，破坏面在上下剪切盒之间，且破坏边缘会发生应力集中现象，致使剪应力在剪切面上分布不均匀。试验时不能严格控制排水条件，不能测量孔隙水压力。

2) 拉拔试验在制样过程中，土工合成材料会在土中发生凹凸变形，致使土体对加筋体产生一定的锚固作用，因此拉拔试验测得的界面抗剪强度比实际值大。

3) 三轴压缩试验中，土体的受力状态σ2=σ3，具有一定的特殊性；在直径为十几厘米到几十厘米之间的试样中分布几层土工合成材料，其尺寸效应十分明显。

图1 GDS界面剪切试验仪Fig.1 GDS interface shear test apparatus

2.2 GDS界面剪切试验仪

通过英国GDS公司生产的界面剪切试验仪(图1)对加筋土界面力学特性进行深入研究，以改进室内试验方法所存在的问题。该仪器能够进行土工合成材料与土体界面剪切试验，试验过程中可以保持剪切面积不变，竖向应力与剪应力在剪切面上均匀分布，土工合成材料不会发生凹凸变形，可以有效避免尺寸效应对试验结果造成的偏差，无限转动的旋转平台能够实现足够大的剪切位移。施加的扭转力与轴向压力由精密电机控制，可以线性或跳跃性增加扭矩、轴向压力和剪切速率，其中扭转力最大可达200 N·m，轴向压力最大可达5 kN。试验过程由计算机控制精密电机运行，并自动记录试验时间、扭转力、轴向力、轴向变形等试验数据。因此GDS界面剪切试验仪在一定程度上克服了上述3种试验方法的局限性，对分析研究加筋土界面力学特性具有较大的优势。

相对于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，界面剪切试验根据不同的固结状态和排水条件分为不固结不排水界面剪切试验、固结不排水界面剪切试验以及固结排水界面剪切试验。不同试验条件下，筋土界面力学特性具有差异性。相对土工合成材料与黏土的界面剪切试验而言，砂土的情况较为复杂。在界面剪切试验过程中，砂粒在孔隙中不断滚动嵌固，导致试样中孔隙水压力发生变化，进而影响了筋土界面力学特性，故孔隙水压力对筋土界面力学特性的影响不可忽略。现有的GDS界面剪切试验仪可以有效控制试样的固结状态，但不能控制排水条件和量测孔隙水压力的变化，建议增设排水控制设施及孔隙水压力测力计，以进一步确保试验结果的准确可靠。

3 结论

1) 土工合成材料能够有效提高砂土的抗剪强度，改善黏性土的黏聚力和渗透性以及改良黄土和膨胀土的不良工程性质。

2) 直剪试验、拉拔试验及三轴试验都存在不同的局限性。直剪试验在剪切过程中剪切面上剪应力分布不均匀，拉拔试验在制样过程中土工合成材料会在土中发生凹凸变形，三轴试验在试样中分布几层加筋材料，其尺寸效应十分明显。

3) GDS界面剪切试验仪能够实现竖向应力及剪应力均匀分布的假定，可以保持剪切面恒定，土工合成材料不会发生凹凸变形，克服了上述3种试验方法的不足。为进一步研究排水条件和孔隙水压力对筋土界面力学特性的影响，建议增设排水控制设施及孔隙水压力测力计。

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（2）变化教学形式、活跃教学气氛。开展法律知识讲座与案例教学，在护理学基础教学中应用典型案例，将护理技术、操作规程中的相关法律问题贯穿其中，增强学生护理法律意识[5]。案例教学强化了学生对护理法规和常规潜在性法律问题的认识，可激发学生兴趣，活跃课堂气氛，提高教学效果。

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