侧限条件下加筋对土体沉降的影响

2019-08-21 07:53:26傅志斌刘志华介玉新
岩土工程技术 2019年4期
关键词:筋材纵断面横坐标

傅志斌 刘志华 介玉新

(1.中国地质大学(武汉),湖北武汉 430074;2.建设综合勘察研究设计院有限公司,北京 100007;3.水沙科学与水利水电工程国家重点实验室(清华大学),北京 100084)

0 引言

随着土工合成材料越来越被工程界所熟悉,土工合成材料用于加筋土的案例越来越多。常用的加筋材料有土工织物、土工格栅、土工格室等,用于边坡、挡土墙和地基加筋,以减小变形,增强稳定性[1]。

可以采用三轴试验和模型试验研究加筋土的加筋效果和加筋机理,模型试验包括1g情况下的模型试验[2-3]和ng(g为重力加速度)情况下的离心模型试验[4-5]。关于筋材的加筋机理,一般认为三轴试验中加筋相当于给土体增加了一个似黏聚力或等效围压[6-7],在一般应力状态下则相当于提供了一个等效附加应力[8-9]。

加筋作用的发挥需要筋材发生一定的变形,也就是说,如果土体处于侧限状态,由于侧向没有变形,那么加筋就没有多大作用。我们对这一问题进行研究,利用离心模型试验比较加筋和不加筋情况下土体的变形情况,发现侧限情况下加筋也能够减小土体的变形。

1 模型试验简介

采用清华大学的50gt土工离心机进行模型试验。模型箱长60 cm、宽20 cm、高52 cm。模型箱一侧为有机玻璃。试验过程中,每5g采集一张图片,每10g时稳定2 min,到80g时稳定5 min之后停止离心机运行。

试验所用土样为粉土,塑限18.5%,液限25%,最优含水率16.9%,最大干密度1.7 g/cm3,黏聚力c=6.06 kPa,内摩擦角φ=28.9°。试验土样的含水率为19%,密度为1.55 g/cm3。加筋材料采用宽度为20 cm的普通医用纱布,拉伸模量为20.86 kN/m。

试验共进行3组。如图1,试样高度均为45 cm,其中试验N-U 为没有加筋的情况,试验NR-5的加筋间距为5 cm;试验NR-3 的加筋间距为3 cm。图中①—⑦为土压力盒放置位置,但试验发现土压力测试结果不可靠。

图1 模型断面示意(单位:cm)

试验过程中,模型箱侧面的摄像头记录下土体变形录像,采用离心场非接触位移测量技术[10],根据录像的图片来分析相邻图片之间的位移差,从而确定土坡上各点的位移及变化,并绘制位移等值线图。

2 主要试验结果

试验N-U 的土体中没有铺设筋材,处于侧限状态。试验过程中加速度每增加10g稳定两分钟,达到80g时稳定5分钟,然后停止转动离心机。整个过程可以观察到土体沉降量随着加速度的增加而逐渐增大。试验结果见图2—图5。

图2 纵断面上典型点的沉降量随加速度的变化(N-U)

图3 纵断面上典型点沉降与纵坐标的关系(N-U)

图4 80 g时横断面上典型点沉降与横坐标的关系(N-U)

图5 80g时土体沉降变化云图(N-U,单位:cm)

图2是横坐标等于30 cm的纵断面上典型点的沉降量随加速度的变化曲线(以图1中模型右下角为原点计算坐标),图3是70g、75g、80g下30 cm处纵断面上典型点的沉降与纵坐标的关系曲线。从图中可以看出,纵断面上所有典型点的沉降量都随着加速度的增加而增大,在同一加速度下,纵坐标越大,沉降量越大。

图4是80g时不同高度横断面(y=15、25、35、43 cm)上典型点的沉降与横坐标的关系曲线。从图中可以看出,虽然高度相同,但各点的沉降仍然有一定差别,同一高度横断面的沉降变化并不均匀。图5是80g时土体的沉降变化云图。

试验NR-5中土体加筋间距5 cm,其它试验条件同N-U。试验结果见图6—图9。其中图6是横坐标等于30 cm的纵断面上典型点沉降随加速度的变化曲线;图7是70g、75g、80g下30 cm 处纵断面上典型点沉降与纵坐标的关系曲线;图8是80g时不同高度横断面(y=15、25、35、43 cm)上典型点沉降与横坐标的关系曲线;图9是试验NR-5 在80g时土体的沉降变化云图。

图6 纵断面上典型点的沉降量随加速度的变化(NR-5)

图7 纵断面上典型点沉降与纵坐标的关系(NR-5)

图8 80 g时横断面上典型点沉降与横坐标的关系(NR-5)

图9 80 g时土体沉降变化云图(NR-5,单位:cm)

试验NR-3中土体加筋间距3 cm,其它试验条件同上。试验结果见图10—图13。其中图10—图12是典型点的沉降量,图13是80g时土体的沉降变化云图。

图10 纵断面上典型点的沉降量随加速度的变化(NR-3)

图11 纵断面上典型点沉降与纵坐标的关系(NR-3)

图12 80 g时横断面上典型点沉降与横坐标的关系(NR-5)

在图5、图9、图13所示云图显示,左侧沉降量较大,右侧沉降量较小,而不是同一高度位置的土体呈现均匀沉降。推测出现这种现象的可能原因是:离心机旋转时,不同位置对应的旋转半径不同,加速度稍有不同,左侧对应的旋转半径大于右侧,则左侧对应的加速度大于右侧,最终三个云图中试样左侧沉降量普遍大于右侧。

图13 80 g时土体沉降变化云图(NR-3,单位:cm)

3 加筋对沉降的影响

为了比较加筋对沉降的影响情况,将80g时三个试验主要横断面上典型点的沉降变化曲线绘制于图14中。从图中可以看出,每个横断面上典型点沉降大小的顺序为:N-U>NR-5>NR-3。表明侧限状态下加筋仍然能够减小土体的沉降量,而且加筋间距越小,沉降量减少得越显著。图15为试验N-U、NR-5和NR-3横坐标30 cm的纵断面上典型点的沉降量对比图。从图中也可以得到同样的结论。

图14 80 g时横断面上典型点沉降量的对比

图15 纵断面上不同加速度下典型点沉降量的对比

按照一般的理解,筋材通过约束土体的侧向变形来增强土的强度和刚度,减小沉降量。所以加筋作用效果的上限应该是侧限状态,即在侧限状态下,土在侧向没有变形,筋材作用难以发挥,此时加筋效果不明显。但本文的试验表明,侧限情况下加筋仍然能够减小土的沉降,与常识不甚一致。可能的解释是土体面积较大时,侧限情况下土的变形也不十分均匀,这种不均匀使得筋材在局部也能够发挥一定的约束作用,增强土体的刚度和整体性。从图5、图9、图13的云图中,也能看出NR-3的变形更为均匀一些。

4 结论与讨论

通常认为筋材只在土体发生变形时才发挥作用,因此在有侧限条件下筋材发挥的作用较小。本文利用离心模型试验,对比分析了侧限条件下不加筋和加筋时土体的沉降情况。发现同样情况下,加筋能够减小土的沉降,而且加筋间距越小,沉降减小的越显著。这种发现有利于加深对筋材加筋作用机理的理解。由于试验资料比较有限,因此还需要更多的模型试验和现场监测结果来印证。

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