土工格栅加筋碎石土的强度和变形特性

摘要：本文作者采用高压大型三轴仪对风化程度不同的两种碎石土进行了加筋与不加筋固结排水三轴试验研究，并引入了等效围压、加筋效果系数等概念，对碎石土加筋效果、加筋机理、试验围压、土料性质等因素进行了较全面的分析研究，结果表明：加筋能明显提高碎石土的强度和破坏应变，对土的破坏有延滞作用；在同一破坏应力水平下加筋碎石土试样的轴应变与侧应变都明显减小；碎石土的加筋效果随围压的增加减弱，加筋效果也与碎石颗粒的风化程度、软硬等因素有关；加筋机理可用等效围压的概念解释。

关键词：加筋碎石土 规一化 等效围压 加筋效果系数

　　目前，聚合物土工格栅加筋材料广泛应用于各种粗粒土体中，大大地改进了土体的性能，提高了土体的强度，是一种有发展前途的土工合成材料，国内外许多学者从不同角度对此进行了研究^[1～3]，取得了较好的研究成果。本文作者通过对加筋与不加筋碎石土的高压大三轴试验研究，取得了一些有价值的成果。

1 试验情况

　　试验采用风化程度不同的两种板岩碎石土(A、B料)，A料风化弱，颗粒粗硬且棱角尖；B料矿物较软且风化强。加筋材料为重庆庆兰塑料制品有限公司生产的SDL25型单轴土工格栅，各种材料基本特性见表1、表2.

表1 碎石土基本特性指标

表2 加筋材料基本特性指标材料

　　本文对A、B两种碎石土分别进行了加3层筋与不加筋的高压大型常规三轴固结排水试验，剪切速率1mm/min，试样尺寸30.2cm×65.5cm，试验最大围压σ₃＝800kPa；分3层均匀平铺于试样上，且3层格栅纵横格肋在水平向保持同向，试样布筋情况如图1所示。

2 加筋对碎石土强度特性的影响

　　研究表明：加筋后的破坏应力差比不加筋时明显增大，A料比B料增加更为明显。其增长的程度可用规一化破坏主应力差来衡量(指破坏主应力差除以围压)，如图2所示，表明随着围压的增大，破坏主应力差增长的程度逐渐减小，A料比B料减小快，且加筋与不加筋情况下的曲线逐渐接近，说明加筋效果随围压的增大而逐渐减小。

3 加筋对应变特性的影响

3.1 加筋对碎石土的破坏有延滞作用 图3给出了不同围压下A料加筋前后的应力-应变-体变与围压关系，表明不管加筋与否，随着围压的增大，破坏轴应变ε_1f逐渐增大，加筋后的破坏轴应变比不加筋时明显增大，说明加筋对土的破坏有延缓作用，且A料的延滞作用大于B料；而加筋后的破坏体应变ε_vf相差很小，说明加筋对破坏轴应变的影响明显大于对体应变的影响。由于B料比A料风化强，在外力作用下易碎，故B料比A料的破坏轴应变和体应变都大。规一化结果表明(见图4)：随着围压的增大，破坏轴应变的增长程度逐渐减小，且加筋与不加筋情况下的曲线逐渐接近，说明加筋对土的破坏延滞作用随围压的增大而减弱，规一化体应变基本重合在一起，说明体应变增长程度受围压影响很小。

3.2 加筋提高了碎石土的刚度 试验结果表明：在相同的围压下，加筋后达到与不加筋相同破坏应力差时所需的轴应变ε_１和侧应变ε_３都明显减小，A料更明显，说明加筋的作用提高了试样的强度和刚度。达相同破坏应力差时的轴应变和侧应变也随着围压的增大而逐渐增大，增大的程度随围压的增加而逐渐减小，说明加筋抑制试样变形的能力随围压的增大而逐渐减弱，见图5、6.

4 加筋机理探讨

　　试验结果表明：加筋可以提高碎石土的强度，减小其变形，其加筋机理可以用等效围压的概念来解释。将加筋土中筋材的作用当成一个附加的围压，分析加筋土的破坏是由Yang^[４]首先提出来的，Donald^[５、6]等人用等效围压的概念较好地分析了三轴试验中加筋砂土的破坏。所谓等效围压，是指试样在三轴压缩剪切试验过程中，加筋土样与不加筋土样在相同的围压作用下，加筋土样的应力-应变曲线比不加筋土样高，破坏主应力差大，加筋土样抗剪强度增大的效果相当于提高了作用于试样的围压，即不加筋碎石土在围压σ₃+Δσ₃的作用下的抗剪强度等效于加筋碎石土在围压σ₃作用下的抗剪强度。提高的围压就称为等效围压Δσ₃，由等效围压引起的主应力差增量为Δ(σ₁－σ₃)，等效围压与主应力差增量二者统称为等效应力。等效围压被认为是均匀分布于试样的表面，可表示为

式中：Δσ₃为等效围压；σ₃为试样围压；(σ₁－σ₃)_f不为不加筋碎石土样的破坏应力差；Δ(σ₁－σ₃)_f为加筋碎石土样与不加筋碎石土样破坏主应力差之差。

　　等效强度加筋效果系数：

　　变形加筋效果系数：

式中：(σ₁－σ₃)^Ｒ_f为加筋碎石土的破坏主应力差；(σ₁－σ₃)_f为不加筋碎石土的破坏主应力差；(σ₁－σ₃)_f为不加筋碎石土的破坏主应力差；Δ(σ1-σ₃)_f为等效主应力差；ε^R(ε^Ｒ_１，ε^Ｒ₃)为加筋碎石土达到与不加筋碎石土相同破坏应力差水平时所需要的轴向应变和侧向应变；ε_f(ε_１f，ε_3f)为不加筋碎石土破坏时的轴向应变和侧向应变。

　　图8为强度加筋效果系数与围压的关系，可见用破坏主应力差表示的加筋效果系数Ｒ_σ与用主应力差增量表示的加筋效果系数Ｒ_Δσ与围压间具有较好的线性关系，见表3.从中可看出：不同围压下，A，B两组碎石土的强度加筋效果系数Ｒ_σ均大于1，等效强度加筋效果系数均大于0，说明由于加筋作用，碎石土的抗剪强度均有明显提高，相比之下，A料强度提高程度大于B料，但两者都随围压增加，强度加筋效果逐渐减小。

　　图9为变形加筋效果系数与围压的关系，可见轴向与侧向变形加筋效果系数R_ε与围压的关系亦具有较好的线性关系。见表3.从成果可看出：A，B两组碎石土的轴向变形和侧向变形加筋效果系数Ｒ_ε均小于1，说明由于加筋的作用，增强了试样的刚度，抑制了试样的变形；从图中还可看出，A料变形加筋效果明显优于B料，且随围压的增加，两种料的变形加筋效果均有所降低，这与强度加筋效果随围压的变化相一致。

表3 加筋碎石土强度加筋系数、变形加筋系数与围压关系拟合方程及拟合参数

6 结论

　　(1)在三轴剪切应力状态(σ_３＝c)下，加筋能明显提高碎石土强度和破坏轴应变，对土的破坏有延滞作用，但对破坏体应变的影响较小；(2)加筋提高了碎石土的刚度，加筋后达到与不加筋相同破坏应力差时的水平轴应变和侧应变比不加筋时明显减小，尤为对侧应变的影响更为明显；(3)碎石土本身材料性质对加筋效果有较大影响，在本次试验中，由于A料岩块风化弱，质硬，强度高，故加筋效果明显优于B料；(4)加筋碎石土的强度加筋效果和变形加筋效果系数都随围压呈较好的变化规律，并随围压的增加而降低；(5)碎石土加筋的效果相当于提高了试样的围压，其加筋机理可用等效围压的概念来解释。

参 考 文 献：

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