土工格柵加筋碎石土的強度和變形特性(1)

1、土工格柵加筋碎石土的強度和變形特性(1)    摘要：本文作者采用高壓大型三軸儀對風(fēng)化程度不同的兩種碎石土進行了加筋與不加筋固結(jié)排水三軸試驗研究，并引入了等效圍壓、加筋效果系數(shù)等概念，對碎石土加筋效果、加筋機理、試驗圍壓、土料性質(zhì)等因素進行了較全面的分析研究，結(jié)果表明：加筋能明顯提高碎石土的強度和破壞應(yīng)變，對土的破壞有延滯作用；在同一破壞應(yīng)力水平下加筋碎石土試樣的軸應(yīng)變與側(cè)應(yīng)變都明顯減??；碎石土的加筋效果隨圍壓的增加減弱，加筋效果也與碎石顆粒的風(fēng)化程度、軟硬等因素有關(guān)；加筋機理可用等效圍壓的概念解釋。 關(guān)鍵詞：加筋碎石土 規(guī)一化 等效圍壓 加筋效果系數(shù)

2、目前，聚合物土工格柵加筋材料廣泛應(yīng)用于各種粗粒土體中，大大地改進了土體的性能，提高了土體的強度，是一種有發(fā)展前途的土工合成材料，國內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度對此進行了研究13，取得了較好的研究成果。本文作者通過對加筋與不加筋碎石土的高壓大三軸試驗研究，取得了一些有價值的成果。1 試驗情況試驗采用風(fēng)化程度不同的兩種板巖碎石土(a、b料)，a料風(fēng)化弱，顆粒粗硬且棱角尖；b料礦物較軟且風(fēng)化強。加筋材料為重慶慶蘭塑料制品有限公司生產(chǎn)的sdl25型單軸土工格柵，各種材料基本特性見表1、表2.表1 碎石土基本特性指標        

3、;    材料混合比重礫石吸水率干密度/(g/cm3)相對密度振后顆粒破碎度(%)<5mm含量(%)顆粒最大粒徑/mm        a1360b1360        表2 加筋材料基本特性指標材料            延伸率(%)抗拉強度/(kn/根) &#

4、160;      格棒方向柵肋方向格棒方向柵肋方向        土工格柵峰值破壞值        本文對a、b兩種碎石土分別進行了加3層筋與不加筋的高壓大型常規(guī)三軸固結(jié)排水試驗，剪切速率1mm/min，試樣尺寸30.2cm×65.5cm，試驗最大圍壓3800kpa；分3層均勻平鋪于試樣上，且3層格柵縱橫格肋在水平向保持同向，試樣布筋情況如圖1所示。2 加筋對碎石土

5、強度特性的影響研究表明：加筋后的破壞應(yīng)力差比不加筋時明顯增大，a料比b料增加更為明顯。其增長的程度可用規(guī)一化破壞主應(yīng)力差來衡量(指破壞主應(yīng)力差除以圍壓)，如圖2所示，表明隨著圍壓的增大，破壞主應(yīng)力差增長的程度逐漸減小，a料比b料減小快，且加筋與不加筋情況下的曲線逐漸接近，說明加筋效果隨圍壓的增大而逐漸減小。    圖1 加筋碎石土三軸試件布筋位置圖2 加筋與不加筋碎石土歸一化破壞應(yīng)力差與圍壓關(guān)系3 加筋對應(yīng)變特性的影響3.1 加筋對碎石土的破壞有延滯作用 圖3給出了不同圍壓下a料加筋前后的應(yīng)力-應(yīng)變-體變與圍壓關(guān)系，表明不管加筋與否，隨著圍壓的增大，破壞

6、軸應(yīng)變1f逐漸增大，加筋后的破壞軸應(yīng)變比不加筋時明顯增大，說明加筋對土的破壞有延緩作用，且a料的延滯作用大于b料；而加筋后的破壞體應(yīng)變vf相差很小，說明加筋對破壞軸應(yīng)變的影響明顯大于對體應(yīng)變的影響。由于b料比a料風(fēng)化強，在外力作用下易碎，故b料比a料的破壞軸應(yīng)變和體應(yīng)變都大。規(guī)一化結(jié)果表明(見圖4)：隨著圍壓的增大，破壞軸應(yīng)變的增長程度逐漸減小，且加筋與不加筋情況下的曲線逐漸接近，說明加筋對土的破壞延滯作用隨圍壓的增大而減弱，規(guī)一化體應(yīng)變基本重合在一起，說明體應(yīng)變增長程度受圍壓影響很小。    圖3 a碎石料加筋前后應(yīng)力應(yīng)變體變關(guān)系圖4 規(guī)一化破壞軸應(yīng)變

7、、體應(yīng)變與圍壓的關(guān)系)3.2 加筋提高了碎石土的剛度 試驗結(jié)果表明：在相同的圍壓下，加筋后達到與不加筋相同破壞應(yīng)力差時所需的軸應(yīng)變和側(cè)應(yīng)變都明顯減小，a料更明顯，說明加筋的作用提高了試樣的強度和剛度。達相同破壞應(yīng)力差時的軸應(yīng)變和側(cè)應(yīng)變也隨著圍壓的增大而逐漸增大，增大的程度隨圍壓的增加而逐漸減小，說明加筋抑制試樣變形的能力隨圍壓的增大而逐漸減弱，見圖5、6.    圖5 達到與不加筋碎石土相同破壞應(yīng)力差時的歸一化軸應(yīng)變與圍壓關(guān)系圖6 達到與不加筋碎石土相同破壞應(yīng)力差時的歸一化側(cè)應(yīng)變與圍壓關(guān)系4 加筋機理探討試驗結(jié)果表明：加筋可以提高碎石土的強度，減小其變形

8、，其加筋機理可以用等效圍壓的概念來解釋。將加筋土中筋材的作用當成一個附加的圍壓，分析加筋土的破壞是由yang首先提出來的，donald、6等人用等效圍壓的概念較好地分析了三軸試驗中加筋砂土的破壞。所謂等效圍壓，是指試樣在三軸壓縮剪切試驗過程中，加筋土樣與不加筋土樣在相同的圍壓作用下，加筋土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比不加筋土樣高，破壞主應(yīng)力差大，加筋土樣抗剪強度增大的效果相當于提高了作用于試樣的圍壓，即不加筋碎石土在圍壓3 3的作用下的抗剪強度等效于加筋碎石土在圍壓3作用下的抗剪強度。提高的圍壓就稱為等效圍壓3，由等效圍壓引起的主應(yīng)力差增量為(13)，等效圍壓與主應(yīng)力差增量二者統(tǒng)稱為等效應(yīng)力。等效圍壓

9、被認為是均勻分布于試樣的表面，可表示為    （13）f/(13)f不(1)式中：3為等效圍壓；3為試樣圍壓；(13)f不為不加筋碎石土樣的破壞應(yīng)力差；(13)f為加筋碎石土樣與不加筋碎石土樣破壞主應(yīng)力差之差。    根據(jù)試驗結(jié)果，可以算出加筋碎石土樣在不同圍壓下對應(yīng)的等效圍壓及主應(yīng)力差增量的大小，表明：等效主應(yīng)力差和等效圍壓都隨圍壓增大而逐漸增大，尤以等效主應(yīng)力差顯著，且a料比b料增加快。規(guī)一化結(jié)果表明：隨圍壓增大，主應(yīng)力差增量和等效圍壓增大的程度都逐漸減小，a料比b料減小快，見圖7. 5 碎石土加筋效果綜合評價

10、為進一步定量比較和評價2種碎石土的加筋效果，現(xiàn)引入3個評價加筋效果的系數(shù)、，并定義為：強度加筋效果系數(shù)：    圖7 歸一化等效圍壓、主應(yīng)力差增量與圍壓關(guān)系    r(13)f(13)f(2)等效強度加筋效果系數(shù)：    r(13)f(3)變形加筋效果系數(shù)：    rr(，)/f(1f,3f)(4)式中：(13)f為加筋碎石土的破壞主應(yīng)力差；(13)f為不加筋碎石土的破壞主應(yīng)力差；(13)f為不加筋碎石土的破壞主應(yīng)力差；(1-3)f為等

11、效主應(yīng)力差；r(，3)為加筋碎石土達到與不加筋碎石土相同破壞應(yīng)力差水平時所需要的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變；f(f,3f)為不加筋碎石土破壞時的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變。圖8為強度加筋效果系數(shù)與圍壓的關(guān)系，可見用破壞主應(yīng)力差表示的加筋效果系數(shù)與用主應(yīng)力差增量表示的加筋效果系數(shù)與圍壓間具有較好的線性關(guān)系，見表3.從中可看出：不同圍壓下，a，b兩組碎石土的強度加筋效果系數(shù)均大于1，等效強度加筋效果系數(shù)均大于0，說明由于加筋作用，碎石土的抗剪強度均有明顯提高，相比之下，a料強度提高程度大于b料，但兩者都隨圍壓增加，強度加筋效果逐漸減小。圖9為變形加筋效果系數(shù)與圍壓的關(guān)系，可見軸向與側(cè)向變形加筋效果系數(shù)r與圍壓的關(guān)

12、系亦具有較好的線性關(guān)系。見表3.從成果可看出：a，b兩組碎石土的軸向變形和側(cè)向變形加筋效果系數(shù)均小于1，說明由于加筋的作用，增強了試樣的剛度，抑制了試樣的變形；從圖中還可看出，a料變形加筋效果明顯優(yōu)于b料，且隨圍壓的增加，兩種料的變形加筋效果均有所降低，這與強度加筋效果隨圍壓的變化相一致。    圖8 強度加筋效果系數(shù)與圍壓的關(guān)系圖9 變形加筋效果系數(shù)與圍壓的關(guān)系表3 加筋碎石土強度加筋系數(shù)、變形加筋系數(shù)與圍壓關(guān)系擬合方程及擬合參數(shù)          &#

13、160; 參數(shù)類型強度加筋效果系數(shù)等效強度加筋效果系數(shù)水平軸應(yīng)變加筋效果系數(shù)水平側(cè)應(yīng)變加筋效果系數(shù)        擬合方程rm1n1(3/pa)rm2n2(/pa)rm3n3(/pa)rm4n4(/pa)擬合參數(shù)mnrmnrmnrmnra料925000297798034000010002617×10-5994b料20600019989985210001987392995        6 結(jié)論(1)在三軸剪切應(yīng)力狀態(tài)(c)下，加筋能明顯提高碎石土強度和破壞軸應(yīng)變，對土的破壞有延滯作用，但對破壞體應(yīng)變的影響較??；(2)加筋提