（地质工程专业论文）筋土之间直剪试验和拉拔试验的对比分析.pdf

摘要 摘要 土工合成材料加筋土技术在岩土工程中得到了大量应用，土工合成材料与 填料的界面作用特性是最关键的技术指标，而筋土界面的直剪试验和拉拔试验 在界面剪切特性试验研究中应用最为广泛。因此利用直剪试验和拉拔试验研究 土工合成材料与填料的界面作用特性，并认识二者之间的差异是非常必要的。 本文针对筋土界面之间的直剪试验和拉拔试验，进行了以下几方面研究工作， 并得到一些有价值的结论和成果。 1 ) 研制土工合成材料剪切仪，可以实现不同法向应力、不同剪切速率下土 工合成材料与填料之间的直剪试验和拉拔试验； 2 ) 进行筋土界面的直剪试验，研究不同加筋材料与石英砂界面的摩擦特性， 分析筋材类型和剪切速率的变化对试验结果的影响。结果表明剪切速率对试验 结果的影响很小，筋材类型对试验结果具有较大的影响； 3 ) 进行筋土界面的拉拔试验，研究不同加筋材料与不同填料界面的摩擦特 性，分析筋材类型和填料性质对试验结果的影响。结果表明上述因素都对试验 结果有较大的影响； 4 ) 对直剪试验和拉拔试验所得结果进行对比分析，发现不同筋材下的直剪 试验和拉拔试验得到的界面剪切强度是有差别的：对于机织土工布来说，直剪 试验的结果与拉拔试验的结果相差不大；而对于玻纤格栅来说，直剪试验的结 果要大于拉拔试验的结果。 5 ) 采用试验手段对拉拔试验的内在机理进行了初步探讨，结果表明在拉拔 过程的初期，土工格栅横肋的被动阻力和格栅表面的摩阻力一起发挥同等重要 的作用，但在拉拔过程的中后期，被动阻力会继续增长，并发挥主要作用，而 此时摩阻力则基本稳定。 关键词：土工合成材料，界面强度，直剪试验，拉拔试验，石英砂，粘性土， 对比分析，拉拔机理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg e o s y n t h e t i cr e i n f o r c e ds o i l sr e c e i v e dal a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n si n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，t h e i n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ns o i l sa n d g e o s y n t h e t i c sa r et h ek e yf a c t o r sf o r t h ed e s i g no fr e i n f o r c e ds o i l s ，a n dd i r e c ts h e a r t e s ta n dp u l l o u tt e s ta r ew i d e l yu s e di nc h a r a c t e r i z i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i l sa n d g e o s y n t h e t i c sb ye x p e r i m e n t a lm e t h o d s h e n c e ，i ti s e s s e n t i a lt oq u a n t i 母t h e i n t e r a c t i o np a r a m e t e r sb yd i r e c ts h e a rt e s ta n dp u l l o u tt e s ta n dr e c o g n i z et h e d i f f e r e n c eb e t w e e nb o t h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as e r i e so fr e s e a r c hw o r ki n c l u d i n g d i r e c ts h e a rt e s t sa n dp u l l - o u tt e s t sb e t w e e ns o i l sa n dg e o s y n t h e t i c sa r ec a r r i e do u t , s e v e r a lv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa n dr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g 1 ) ag e o s y n t h e t i c s o i ls h e a rd e v i c ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt od od i r e c t s h e a rt e s ta n dp u l l - o u tt e s tb e t w e e ns o i l sa n dg e o s y n t h e t i c su n d e rd i f f e r e n tn o r m a l s t r e s s e sa n dd i f f e r e n tr a t e so fs h e a r 2 ) d i r e c ts h e a rt e s t sb e t w e e ns o i l sa n dg e o s y n t h e t i c sa r ep e r f o r m e di no r d e rt o e x p l o r et h ef r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e so fg e o s y n t h e t i c sa n d q u a r t zs a n d ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h et y p e so fm a t e r i a l sa n dt h er a t eo fs h e a ro n t h er e s u l t so ft e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a t eo fs h e a rh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e r e s u l t s ，a n dt h et y p e so fm a t e r i a l sh a v eg r e a ti m p a c to nt h er e s u l t s 3 ) p u l l - o u tt e s t sb e t w e e ns o i l sa n dg e o s y n t h e t i c sa r ep e r f o r m e di no r d e rt o r e s e a r c ht h ef r i c t i o n a lf e a t u r e sb e t w e e nd i f f e r e n tt y p e so f g e o s y n t h e t i c sa n dd i f f e r e n t t y p e so ff i l l ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo f t h et y p eo fm a t e r i a l sa n dn a t u r eo ff i l lo nt h e r e s u l t so ft e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea b o v ef a c t o r sh a v ei n f l u e n c eo nt h er e s u l t s 4 ) 1 1 1 ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t sf r o md i r e c ts h e a rt e s ta n dp u l l - o u tt e s ts h o w s t h a tt h ei n t e r f a c es h e a rs t r e n g t ho b t a i n e df r o md i r e c ts h e a rt e s ta n dp u l l o u tt e s t d i f f e r si nt e s tm a t e r i a l ，f o rw o v e ng e o t e x t i l e s ，t h er e s u l tf r o md i r e c ts h e a rt e s ta n d p u l l o u tt e s ti sm o r eo rl e s st h es a m e ；a sf o rt h eg l a s sf i b e rg r i d ，t h er e s u l to fd i r e c t s h e a rt e s ti sg r e a t e rt h a nt h a to fp u l l - o u tt e s t 5 ) 1 1 1 ep r e l i m i n a r ys t u d yf o rt h ei n t e r n a lm e c h a n i s mo fg e o g r i dp u l l o u tt e s ti s i i a b s t r a c t c a r r i e do u t , a n dc o n c l u d et h a ti nt h ee a r l ys t a g eo ft h ep u l l o u tp r o c e s s ，t h ep a s s i v e r e s i s t a n c eo ft h et r a n s v e r s er i b sa n dt h ef r i c t i o nr e s i s t a n c ep l a yt h es a m ei m p o r t a n t r o l e ，b u ti nt h el a t t e rp a r t , t h ef r i c t i o nr e s i s t a n c er e m a i n ss t a b l eb a s i c a l l y ，t h ep a s s i v e r e s i s t a n c ei n c r e a s e sa n dp l a yam a j o rr o l e k e yw o r d s ：g e o s y n t h e t i c s ，i n t e r f a c es t r e n g t h ，d i r e c ts h e a rt e s t ，p u l l - o u tt e s t , q u a r t z s a n d ，c l a y e ys o i l ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，m e c h a n i s mo fp u l l o u tt e s t i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 耍诅碍 。7 年弓月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 墨件碎 f ，。7 年乡月f 目 第1 章概述 第1 章概述 土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 在铁路、公路、水利、电力和市政建筑领域 得到了广泛应用，被称作与钢材、水泥、木材齐名的“第四种工程材料”。土工合 成材料的加筋土技术日前在工程中得到大量应用，如挡土墙、陡坡、软基上路 堤工程等。土工合成材料与填料的界面作用特性直接决定加筋土工程的内部稳 定性，土工合成材料与填料之间的界面相互作用问题成为揭示加筋材料加固机 理的最关键的技术课题。目前国内外学者通过大量的研究工作，对土工合成材 料与土之间的界面摩擦特性研究都有了较为深入的认识。但是大部分研究都是 针对单一筋材或单一土体下进行的，采用室内直剪摩擦试验和拉拔试验研究不 同加筋材料( 土工格栅、土工织物) 与填料的界面摩擦特性还是比较少的。因 此，研究加筋材料与填土性质的变化对直剪试验和拉拔试验结果的影响具有重 要的现实意义。 综合国内外有关文献，目前测定土工合成材料与土之间的界面摩擦特性， 一般都采用类似于常规土工试验中的直接剪切仪，而拉拔特性试验常模拟现场 条件，研制出各种不同形式的拉拔试验箱或试验槽。以上两种试验虽然都是反 映界面摩擦作用，但是机理却不尽相同，试验成果也存在一定差异。因此，在 相同条件下采用直剪试验与拉拔试验方法得出的试验结果的比较与分析具有十 分重要的实际意义。 1 1 土工合成材料的分类、功能和应用 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，如塑 料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或 各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。目前己广泛应用于水利、电力、 公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等工程的各个领域。 1 1 1 土工合成材料的分类 第1 章概述 关于土工合成材料的分类，至今尚无统一的准则。根据备种制造方法和应 用情况，国际土工合成材料协会( i g s ) 将土工合成材料广泛地分为以下几大 类，如图1 1 所示。 瓯8 摊簿 ( a ) 十工织物 ( b ) 士工格栅 少 巨勇三弓一“一e g e o l e x t i l e ( d ) 土工麒( e ) 复合土工台成材料( f ) 土工台成材料膨润土垫 鲻甸 ( g ) 土工管 ( h ) 土工格室 ( i ) 聚苯乙烯板块 图l1 i g s 土工合成材料分类 我国的土工合成材料应用技术规范将土工合成材料归纳为四大类，即 土工织物、土工膜、5 ：3 - 复合材料和土工特种材料l ”。详细分类见如图】2 所 示。 第1 章概述 土工合成材料 土工膜 ，复合土工膜 土工复合材料一复合i t 织物 i 复合防排水材料：排水带、排水管、排水防水材料等 ，土工格栅、土工带、土工格室、土工网、 土工特种材料一土工模袋、土i n 垫、土工织物膨润土垫( g c l ) 、 l 聚苯乙烯板块( e p s ) 等 图1 2 莸国国标土工合成材料的分类 1 1 2 土工合成材料的功能及应用 土工合成材料的功能是多方面的。综合起来，可以概括为以下六种基本功 能【2 】o 1 隔离作用有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、砂、石料，或 把土、砂、石料与地基或其它建筑物隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料 和结构的完整性，或发生土粒流失，来保证发挥结构预期作用，提供排水和防 止地基承载力恶化。土工织物和土工膜都可以起隔离作用。例如：铁路道砟与 路基之间的隔离层，或路基与软弱地基之间的隔离层；公路基层碎石与路基或 地基之间，飞机场、停车场、运动场面层与地基之间的隔离层；人工填土、堆 石或材料堆场与地基的隔离层；石笼、砂袋或土袋与软土地基之间的隔离层等 3 第1 章概述 ( 见图1 3 ) 圈1 3 隔离作用 2 过滤作用过滤又称反滤或倒滤。在工程上，是指在土中呈渗流状态的 流体，当流入土工织物时，流体可以通过，而把起骨架作用的固体颗粒截留下 来。把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止颗粒通过， 从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水气体穿 过织物自由排出。以免由于孔艨永压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。 把土工织物置于夹带有泥沙的流水之中，可以起拦截泥沙的作用。过滤是土工 织物的一项主要功能，适用于下列工程：土石坝粘土心墙或牯土斜墙的滤层； 堤、坝、河、槊或海岸块石或混凝土护坡的滤层；挡土墙回填土中排水系统的 滤层；排水暗管周边或碎石捧水暗沟周边的滤层；水利工程中水并、减压井或 测压管的滤层；水闸下游护坦、海漫或护坡下部的滤层等( 见图1 4 ) 。 圈1 a 过滤作用 3 排水作用有些土工合成材料可以在土体中形成捧水通道。把土中的水 分汇集起来，沿着材料的平面捧出体外。较厚的针刺型无纺织物和某些塑料捧 水管道或具有较多孔黥的复合型土工合成材料都可以起排水作用。适用于下列 第l 章概述 工程：土坝内部垂直或水平捧水；土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护 面下部的排水：埋入土体中( 如水力冲填坝中) 消散孔隙水压力：软基处理中 垂直排水( 塑料捧水袋或袋装砂井) ：挡土墙后面的排水；各种建筑物周边的排 水；排除隧洞周边渗水，减轻村砌所承受的外水压力：人工填土地基或运动场 地地基的排水；其它如在霜冻区、盐碱区截断毛细管水的上升，降低地下水位， 起防冻和防止盐碱化作用：在公路、铁路路基的土工织物隔离层亦可起捧水作 用等。图l5 为土工织物起捧水作用示意图。 点黑_ _ ，旺目= g y n t c 水平向排水竖直向排水 图15 捧水作用 4 肪渗作用土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体 的挥发，保护环境或建筑物的安全。可用于下列工程：土石坝的防渗斜墙或心 墙，上游铺盖或库区防渗措旖 土石坝或水闸地基的垂直防渗或地下水库的垂 直防渗墙；浆砌石坝或碾压混凝土坝的上游坝面防渗措施，及其它类型混凝土 坝的渗漏处理措施；水闸上游护坦及护坡防渗；渠道防渗；灌区内的低压输水 管道；隧道周边及堤坝内埋设涵管的防渗措施；防止蓄水池、游泳池、养鱼池、 污水池和各类大型液体容器的渗漏与蒸发；垃圾填埋场地下防洛；地下室防潘 及其它建筑物的防渗防潮措旌；屋顶防渗；充水或充气的橡胶坝；用于修筑施 工围堰等( 见图1 6 ) 。 一g e o s y n t h e t i c i 罩i b a m 盯 j 翟监 图1 6 防j 奎作用 5 防护作用多种土工合成材料对土体或水面，都可以起防护作用。适用 第1 章概连 于下列工程：土工织物、注浆模袭、土砂石织物袭、土砂石织物枕管袋、织物 软体捧等材料防止河岸或海岸被冲刷；防止垃圾、废料或废液污染地下水或散 发臭味 防止水面蒸发或空气中的灰尘污染水面r 防止路面反射裂缝；防止土 体的冻害；临时保护岸边或草地，防止水土流失，促进植物生成；防止地面爿c 渗入地下( 在膨胀土或湿陷性黄土地区修建建筑物时尤为必要) ；在地下工程施 工中为肪止对邻近建筑物的影响而采取的措施等( 见图1 7 k 图1 j 防护作用 6 加筋作用土工合成材料埋在土体之中，可以扩散土体的应力，增加土 体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移；还增加土体和其他材料之间的摩 阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。土工织物、土工格栅、及一些特种或 复合型的土工合成材料，都具有加筋功能，可用于下列工程：在公路( 包括临 时道路) 、铁路、土石坝、防波堤、运动场等工程中，用以加强软弱地基，同时 起隔离与过滤作用：加强填土或开挖陡坡的边坡稳定性 用作挡土墙回填土中 的加箭或锚固挡土墙的面板：修筑包裹式挡土墙或桥台：加固柔性路面，防 止反射裂缝的发展；增加破碎岩石边坡的稳定性，也是加筋土挡墙的另一种形 式；在裂骧或断层发育的基岩上，增加边坡的稳定性或加固基础，制造石笼、 土砂石袋，在存货场或蓝工场地的地基上铺放土工织物既可起隔离作用、反滤 作用又可起加筋作用( 见图1 8 ) 。 - - _ l 图1 8 加筋作用 第l 章概述 1 2 土工合成材料与土相互作用研究现状 土工合成材料界面特性试验是研究和揭示土与土工合成材料接触面受力变 形规律的最为重要的途径。受到土工合成材料和填土的类型及性质的影响，筋 土界面特性是非常复杂的。因此，为了提高对筋土界面特性的理解，在过去几 十年一些专家提出了一些的试验模型和理论分析方法。其中筋土界面的直剪试 验和拉拔试验在界面剪切特性试验中应用最为广泛，而土中拉伸试验，与扭转 环剪仪、三轴仪、斜板仪等试验仪器也都曾用于筋土界面力学特性的试验研究 【3 】【4 】 0 对于土工合成材料与土之间的界面力学特性问题，国外有诸多学者提出了 一些试验类型，来模拟其界面特性的机理。针对加筋土挡墙的内部作用机理 p a l m e i r a ( 2 0 0 8 ) 【5 】解释了进行土工合成材料拉拔试验、直剪试验、土中拉伸试 验和斜板试验的原因，如图1 9 所示。图中显示了加筋土挡墙的几种潜在破坏 或者变形模式，具体会发生某种破坏形式，需根据荷载条件、地基条件及施工 条件等因素而定。在区域a ，可能发生填土沿筋材表面滑动，在这种情况下直 剪试验可以模拟这种破坏形式；在区域b ，土和筋材发生侧向变形，因此可以 用平面应变条件下的拉伸试验来模拟；区域c 表示土和土工合成材料发生剪切， 可以用筋材倾斜的直剪试验来模拟；在区域d ，筋材锚圊端被拔出，因此可以 用拉拔试验来模拟。需要指出的是，任何一种试验都不能完全真实地模拟现场 加筋结构物的状况，都是存在一些试验假设的【6 j 。 日咽 图1 9 土工合成材料加筋土挡墙中的筋土相互作用模式 对于加筋土挡墙的内部作用机理，o c h i a i ( 2 0 0 8 ) 【刀同样也提出了自己的观 点，他认为以土工格栅作为加筋材料的挡土墙，其内部稳定准则要求有足够的 7 第1 章概述 内部抵抗力。为此，他也指出需要通过直剪试验和拉拔试验来研究加筋结构的 界面摩擦特性，如图1 1 0 所示。在a 区域，需要通过直剪试验来模拟该区域的 界面摩擦特性；b 区域则要通过拉拔试验来模拟；c 区域需要通过修正的直剪试 验来模拟；图d 则表示c 区域的界面受力情况。 图1 1 0 土工格栅加筋结构界面摩擦特性模型试验 下面就国内外的一些关于模拟筋土界面摩擦特性的室内试验的研究现状， 如直剪试验、拉拔试验、土中拉伸试验和斜板试验等进行详细地阐述。 1 2 1 直剪试验研究 土工合成材料与土体之间的摩擦特性是工程结构稳定性必须考虑的因素。 界面剪切力学特性的直剪试验简便易行，可以较好地测量界面上剪应力与相对 切向位移的关系，目前研究土工合成材料界面特性的直剪试验仪器一般要求接 触面面积足够大，且在剪切过程中保持面积不变，破坏形式与部分实际情况比 较相似，因此得到了广泛应用。国内外学者采用直剪试验仪器已进行了大量接 触面的力学特性试验，所使用的剪切仪以研制为主，也有通过购置仪器并进行 改进来满足需要；取得了很多有价值的研究成果。比如界面剪切强度、剪切带 的发展、循环荷载下的界面剪切特性等。其中一部分是关于土与结构接触面的 试验研究，包括混凝土、钢板、木板、土钉等结构材料。 国内外有关规范对土工合成材料界面直剪试验有相关的规定。我国公路 8 第1 章概述 工程土工合成材料试验规程( j t ge 5 0 2 0 0 6 ) 【8 】中直剪摩擦特性试验规定了使 用直剪仪和标准砂土测定土工合成材料摩擦特性的试验方法。该方法适用所有 土工合成材料，当使用刚性基座进行土工格栅的直剪试验时，其试验结果应进 行校正。规范规定剪切盒应具有足够的刚性，在承受负荷时不发生变形，通常 采用上盒固定，下盒滑动的形式。法向应力的加压装置应在试验过程中保持恒 压，且均匀地作用在土面上；水平力加载装置用于推动下剪切盒在水平方向上 恒速位移，位移速率为1 m m m i n _ + 0 2 m m m i n ，当达到剪切面长度的1 6 5 时 结束试验。 国外相关规范a s t m ( d 5 3 2 1 0 2 ) 1 9 】，其规定测试界面性质不同，试验速 率也不同。对于土工合成材料土工合成材料界面，剪切速率为5 m m m i n ；对于 土工合成材料一土界面，剪切速率为l m m m i n 。剪切速率越慢，峰值曲线越好， 并且能更好的模拟现场情况。 土工合成材料的原材料属于高分子聚合物，因此其强度和表面特性与刚性 土木工程材料不尽相同，国内外有很多的学者针对土工合成材料与土相互剪切 特性，进行界面直剪试验研究，以获得筋材与土在相互滑动模式下的摩擦系数。 填料主要是砂和粘性土，土工合成材料主要包括土工格栅，土工膜和土工织物。 土工合成材料与土界面特性的影响因素很多，如土的压实度、土工合成材料自 身的性质、边界条件、应力水平以及剪切速度等。目前的研究已取得了大量的 成果，但其中某些规律还没有达成一致的认识，这主要与试验设备、试验条件、 试验材料等因素有关。 在大型直剪仪器上，边界条件对试验结果影响不能忽略，正应力是通过上 部承压板来施加的，仪器上部边界条件类型主要有三种：刚性承压板、柔性承 压板和气垫。尽管试验箱顶部采用承压板有一些优点，但是它会限制土体的剪 胀性，而气垫对大设备来说更实用，它很好的保证了正应力沿着试样界面均匀 分布【5 1 。b e r g a d o ( 2 0 0 6 ) i o 】利用大型直剪仪对垃圾填埋场垫层的土工合成材料 之间和筋土界面摩擦特性进行大量的研究，讨论了加压系统的刚度对直剪试验 结果的影响，认为试验中采用柔性承压板比刚性承压板更为合理，以减小施加 法向应力而引起剪切面上的应力分布不均。这一结论与h s i e h ( 2 0 0 3 ) j 的观 点是一致的。关于刚性或柔性边界的问题，在直剪试验中刚性承载板造成的接 触面上的应力集中不符合土工合成材料的实际工作条件，初步试验结果表明从 平均特性来看，刚性与柔性承载板条件下的试验结果相似。在拉拔试验中，刚 9 第1 章概述 性前壁限制了剪切带的侧向位移，造成前壁附近应力集中，影响了剪应力沿材 料纵向上的分布【3 j ，这点将在下面的拉拔试验研究现状中介绍，在这里就不再 赘述了。 早在1 9 7 0 s ，土工合成材料就开始用于土体的加筋。从那时开始，土工合 成材料的加筋在许多地质工程和交通工程中的应用就显著增加了，大多数加筋 工程针对的是无粘性土，比如碎石和砂，这是因为它们有很高的摩阻力和良好 的排水性能。对粘性土与筋材的界面特性研究甚少，a t h a n a s o p o u i o s ( 1 9 9 6 ) 1 2 】 对粘性土与土工织物的界面特性和a b u f a r s a k h ( 2 0 0 7 ) 1 3 】对粘性土与格栅的 界面摩擦特性都进行了大量研究，前者认为对于湿粘性土而言无纺织物会提高 其强度，然而有纺织物则不然；后者分析了含水率和干密度对试验结果的影响， 并指出采用9 5 最大干密度和超过其最优含水率2 的含水率更为合理。汤飞 和李广信( 2 0 0 6 ) 1 4 j 选用单向格栅与粘土也进行了直剪试验研究，得出粘土与 格栅接触面抗剪强度很低，接近粘土本身的抗剪强度指标，不能提供足够的摩 阻力和剪阻力，因此以粘性土为填料是不合适的。在大尺寸的直剪仪中，对于 粘性土与土工格栅的界面剪切特性，由于格栅缝隙的影响，筋土界面的抗剪强 度要等于或者大于相同条件下素土的抗剪强度【l5 1 。所以，对于压实的风化粘土， 从直剪试验所获得的强度要小于三轴删试验的结果，这可能是因为直剪试验 中破坏面的形成是渐进的，而土的极限抗剪强度不是沿着预定的剪切面同时移 动的。丁建民( 2 0 0 5 ) 【1 6 】对三种不同粗糙度的土工合成材料与粘土在不同含水 率、垂直压力下进行了直剪试验研究，得出了垂直压力、含水率及土工合成材 料的粗糙度对筋土剪切性能的影响规律。 l i n g 等人( 2 0 0 1 ) 7 】在传统变形控制直剪仪的基础上研制了l o o m m 1o o m m 的直剪仪用以测量p v c 土工膜与压实粘土界面的摩擦特性，发现试验 界面在变形很小时( ( 吼一正) 。所以，筋材增加了土体的抗剪强度。 a o - 3 h 图2 2 约束增强作用示意图 b a u e r 和z h a 0 ( 1 9 9 4 ) 【9 0 】对土工格栅加筋作用解释为：加筋产生似粘聚力 靠，所以对加筋土应采取具有粘聚力c 旯的剪切强度计算公式，采用加筋后土的 内摩擦角，于是加筋土的抗剪强度可表示为： 靠= 0 t a n 绦+ c r ( 2 1 ) 其中， 靠= 七【- i c 娜o s o ( t a 口n ) s j l s i n f ( 矽+ 帅。s ( 曰+ 日) t a n 伊 ( 2 2 ) 式中：七与土的性质及土工合成材料性质有关的常数。 臼筋材的埋入方向( 即筋材和破坏面法向的夹角) ； 第2 章加筋机理 矽土界面的摩擦角； 万土与筋材界面的摩擦角； 图2 3 给出了靠和目的关系曲线。 毋 乳 考 蕾 ， 穴 纂 墨 图2 3 布置角度和似粘聚力关系曲线 z h a o 和b a u e r ( 1 9 9 4 ) 【9 0 】进一步研究了格栅的布置方向对加筋土强度的影 响。他们选取了1 5 个试样，试验结果如图2 4 所示。可以看出，格栅的布置方 向对加筋土强度有很大影响，其中当角度8 = 3 0 。时，强度增加最大。 r 堪 捌 r 翅 s 锰 图2 4 剪应力和位移关系曲线 第2 章加筋机理 2 3 张力膜理论 如果在软基上筑堤坝，在软弱地基表面铺上加筋材料，当土体在荷载( 自 重和附加荷载) 作用下，铺设于土中的加筋薄膜也产生了垂直扰曲( 见图2 5 ) ， 薄膜的挠度等于接触面处土体的竖向变形。由于加筋薄膜因变形( 拉伸) 而产 生的抗力作用，这时筋材的张力作用会承担一部分外荷载的作用，从而使地基 中的应力减小，这便是加筋的张力膜作用【船】。由此可知，筋材的挠度越大，加 筋效果越好，但这与筋材的强度关系不大。同时，筋材需在发生一定变形的条 件下，才能发挥加筋作用，这就与筋材的埋设位置有关。另外，当筋材发生向 下弯曲时，其上面的土层也将随之下沉，土层中将会产生一种“拱效应”，土中 的应力被扩散，延迟了破坏面的出现。这种理论已经从单纯考虑接触面加固作 用扩展到考虑对相邻的一定厚度土体的加固影响。 i 图2 5 张力膜理论示意图 2 4 加筋垫层的应力扩散理论 徐少曼( 2 0 0 0 ) p i j 经过分析研究后认为，加筋垫层在传递应力中的扩散作 用使传递到垫层下地基中的应力大为减小( 见图2 6 ) 。因此，界面上除了摩擦 力以外，筋材和砂垫层构成的加筋垫层也对地基承载力的提高起了良好的作用。 据计算，若筋材的预应变为2 6 ，则摩擦作用和应力扩散作用对安全系数f 的影响分别为1 5 7 和4 4 7 ；并且对土工织物加筋的复合地基来说，应力扩 散作用要大于织物的抗拉作用( 张力膜作用) 。 2 3 第2 章加筋机理 r _ i 圭- _ 1 图2 6 垫层应力扩散示意图 这种加固作用是由于筋材改变了原有建筑物地基基础的结构形式而引起 的，尚不属于加筋的直接作用。这个理论涉及加筋材料的间接加固作用，考虑 了加筋对复合加固土体应力分布的影响，认识上是进了一步，但应力扩散作用 是否大于张力膜作用还有待验证。 2 5 加筋导致土体应力状态和位移场改变的作用 土体中加入筋材后，加筋土不再是各向同性体了，它的应力场和位移场将 发生改变，从而使土的破坏模式也发生了根本性变化。最明显的例子是，若在 失稳的土体中加入足够的筋材，而且筋材具有足够的强度，不会被剪断，则穿 过筋材的圆弧形滑动面就可能不会发生，破坏的形式就会改变，土体的稳定性 就会改善。因此，若对加筋土体进行符合实际的有限元分析，求得真实的应力 场和位移场，将对加筋土的机理有新的认识，也有助于新计算方法的建立。沈 珠江( 1 9 9 8 ) p z j 指出过筋材摩阻力对其应力状态变化的影响。当筋材具有足够 强度，不发生断裂或拔出等情况下，圆弧滑动是不可能出现的，唯一可能的破 坏形式是伴随沉降而发生的横向挤出。由于筋材改变了地基剪应力的方向，从 而使地基的承载力大幅度提高。 王伟( 2 0 0 0 ) p 副在软基的织物加固机理研究中，强调了加筋明显地改变了 地基的位移场，实质上，加筋土体会在复合地基中基本上形成了一个“自撑式” 的持力体系。 杨锡武( 2 0 0 2 ) p 钏等的离心模型试验证实，由于筋材的存在，土体中原有 裂缝开展的方向会发生变化( 见图2 7 ) ，导致不可能形成弧形的滑动面产生。 2 4 第2 章加筋机理 一i oj l 1 。j l ：= ：勿o ： ：= 玛 ffff 一f f 广 图2 7 加筋引起的开裂路径的变化 以上观点强调了加筋土在应力和变形( 位移) 方面的特点，导致了破坏形 式的改变，从而发挥了加固作用。这就比较深入触及了加筋功能的实质，不再 是在既有的稳定分析方法中做文章，而是把眼光扩展到筋材与土接触面之外的 空问中。 2 6 间接影响带理论 土中的筋材材料不仅会在土与筋材接触而上产生直接加筋作用，而且也会 在接触面以外的一定范围内对土体产生一种间接加固作用，可称为“间接影响 带”。也就是说，由于筋材附近一定范围内的土会同时发生颗粒之间位置的调整 或颗粒的破碎，使土的强度增大。这种土体强度的增大与筋材表面的粗糙度、 土体的粒径和性质，以及所受的压力大小密切相关。换句话说，岩土粒径较粗， 筋材表面的粗糙度越高，以及外压力越大，则这种影响的范同也越大，间接加 固作用也越强( 包承纲，2 0 0 6 ) 7 0 l 。 丁金华( 2 0 0 6 ) 弘1 进行的拉拔试验初步证实了该观点：土与筋材界面两侧 的土体确实存在间接加固作用区，从而使加筋土能承受更大的外荷作用。因此 加筋土的加固机理不仅仅发生在土与筋材的接触面上，而且实际上，在地基中 形成了一个更大范围的半刚性加固影响区，它具有比原有土体更强的抵抗破坏 的能力，也就是说，该影响带的土的强度和模量等参数比原有的土体更大。 2 7 深基础效应理论 第2 章加筋机理 黄景川等人( 1 9 8 8 ) 9 5 1 将基础埋深为办的未加筋地基，与加筋深度为磷的 无埋深加筋地基的试验结果进行比较，发现二者的承载力相当，如图2 8 所示。 由此可以认为，地基中加筋，相当于基础的埋置深度增加，即办= 4 ，从而使 地基的承载力提高，这就是“深基础效应”。 p 尹 图2 8 深基础效应示意图 根据上述的理论，按太沙基公式计算的地基承载力，可以表达如下： = c 犯+ r , , , h n q + 0 s r b m n ， ( 2 3 ) 可见，因加筋垫层增加的承载力为 屹= r h n q + o 5 ，( 吃一b ) ， ( 2 4 ) 吃= 曰+ 2 h t a n 0 ( 2 5 ) 式中：为垫层土的容重，k n m 2 ；日为垫层厚度，m ；b 为基础的深度； 吨为考虑应力扩散的宽度，m ；口为加筋垫层的应力扩散角。 因此，叱也可写为 叱= r , , , h n q + r h t a n o n , ( 2 6 ) 对于方形基础，可导出： 叱= r , , , h n q + 0 8 r h t a n o n ， ( 2 7 ) 对于圆形基础，有 吡= k 劢也+ 1 2 r h t a n o n , ( 2 8 ) 若筋材采用土工织物，口为4 0 。 - - - 4 5 。；若筋材采用土工网，口为4 5 。 5 0 。；若筋材采用土工格栅，口为5 0 。 - - 5 5 。加筋砂垫层的应力扩散角约为 7 0 。 r 辽 罂 蠹；一 第2 章加筋机理 2 8 本章小结 本章主要介绍了目前有关加筋机理方面的7 利- 理论，从论述中可以看出， 有些理论还不成熟，有些理论只是揭示了土体加筋机理的某一个方面。这些前 期的理论探索工作和所取得的成果为本文的研究，即深入分析直剪试验和拉拔 试验的试验结果的差异和影响因素提供了一定的理论基础和参照。 2 7 第3 章试验仪器和试验材料 第3 章试验仪器和试验材料 本章首先介绍了笔者进行筋土界面试验研究所使用的仪器，包括对自行研 制的剪切仪以及室内直接剪切仪设备的结构、特点、工作原理以及使用方法进 行详细地阐述，然后介绍了试验所采用的土工合成材料与填料的相关性能指标， 为后续试验研究工作奠定了基础。 3 1 试验设备与仪器 试验中所采用剪切仪是自行研制的。该剪切仪可进行1 0 0 m m 1 0 0 m m 的 直剪试验以及2 0 0 m m x 2 0 0 m m 的拉拔试验。试验界面可以是土工合成材料与 土工合成材料之间的界面，也可以是土工合成材料与土之间的界面。 3 1 1 土工合成材料剪切仪 土工合成材料剪切仪为一自行研制可进行土工合成材料直剪试验和拉拔试 验的试验仪器，其主要由基础框架、控制器、涡轮减速器、位移传感器、拉力 与压力传感器、试验箱和垂直加压系统等组成。垂直加压系统通过悬挂砝码来 施加竖向垂直压力，杠杆比为l ：1 0 ，所能施加的最大垂直压力约为9 0 0 k n 。整 套试验设备通过螺栓安装在基础框架上，试验数据通过数据采集器传输至电脑。 控制器控制着试验的开启和关闭，拉拔速率或剪切速率也可以通过控制器来调 节，其调节幅度为0 1 0 0 档，一般进行常规的直剪试验和拉拔试验时控制器调 至5 0 档的位置，其对应的剪切速率约为3 8 m m m i n ，控制器控制涡轮减速器， 使其按照一定的位移速率通过连杆施加给直剪箱或夹具。用磁性基座固定在基 础框架上的位移接收器用来量测直剪试验和拉拔试验的位移，其量程为3 0 m m ， 拉力与压力传感器用来量测剪切力或拉拔力，其量程为5 k n ，二者均通过数据 线连接至数据采集器，再由数据采集器传输至电脑。剪切盒装在刚性滑板上， 刚性滑板由低摩擦滚排支撑在基础框架上，滑板可在剪切方向上自由滑动。直 第3 章试验仪器和试验材料 剪箱由上下两个剪切盒组成，上剪切盘尺寸为l o o m m l o o m m 5 0 r a m ，下剪 切盒尺寸为1 9 0 r a m 1 4 0 r a m 5 0 r a m ，两盒的厚度均为2 0 r a m ，下盒放置硬术 质基座，试验通过下盒两个夹具将箭材固定在硬术质基座上，使二者没有相对 滑动，以保证试验剪切界面为土工合成材料与砂之间的翦切。拉拨箱的尺寸为 2 0 0 r a m 2 0 0 m m 2 0 0 r a m ，箱子的厚度为2 0 r a m ，箱一面侧壁的半高处开一窄 缝，宽度为2 0 6 r a m ，高约l n m m ，供试样引出箱体用。剪切盒和拉拔箱均具有 足够的刚性，在承受负荷时不会发生变形。土工合成材料剪切仪的具体实物如 图3 i 所示。 ( b ) 拉拔试验实物图 图31 自行研制剪切仪实物图：a ，直剪试验实物图：b ，拉拔试验实物国 z 9 第3 章试验仪器和试验材料 自行研制剪切仪进行直剪试验时存在着系统摩擦，主要表现在剪切过程中 上剪切盒两侧壁与下剪切盒接触面之间的摩擦力。为此，我们对不同筋材下直 剪试验的系统摩擦进行了测定，如图3 2 和图3 3 所示。通过分析认为玻纤格栅 ( g g 2 ) 与砂直剪试验的系统摩擦力取其均值约为0 9 k p a ，机织土工布( g t ) 与砂直剪试验的系统摩擦力取其均值约为0 4 5 k p a 。 o ，、。嘲魏p 。和o 。 苦口毋一 一 o24681 0 21 6 位移册 图3 2g g 2 一s a n d 界面直剪试验系统摩擦 唣 铲口筘喘譬。口三；0 、：口占a 9 ：。 吧口口一口。 乙 一 3 口。一 口 o 。 口口 o123456 位移r a m 图3 3g t - s a n d 界面直剪试验系统摩擦 3 0 o 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 抽 伯 ：詈 让 仰 帖 生r翻铽 叮 眈 生r翅襁 第3 章试验仪器和试验材料 3 1 2 室内直接剪切试验的仪器和方法【9 6 1 室内直接剪切试验用来测定石英砂和重塑粘性土的强度指标，采用应变控 制式直接剪切仪，如图3 4 所示，由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、 测力计以及位移量测系统等组成，加压设备采用杠杆传动。测力计采用应变圈， 量表为百分表；采用千分表量测剪切盒的水平向剪切位移；剪切推动装置采用 电动机传动设备，剪切速率为1 o m m m i m 试验方法采用快剪方法。其他所需 仪器设备还有滤纸、毛玻璃板、圆玻璃片以及润滑油等。 l 一垂直变形量表；2 一垂直加荷框架；3 一推动座；4 一试样：6 一量力环 图3 4 应变控制式直接剪切仪 根据土工试验规程l 9 7 j , 石英砂直剪试验采取如下步骤： ( 1 ) 对准剪切盒的上下盒，插入固定销钉，在下盒内放一块洁净透水石及一 张湿润滤纸。 ( 2 ) 将试样徐徐压入剪切盒中，并依次放置传压活塞和加压构架。 ( 3 ) 取4 个试样，并分别施加不同的垂直压力，每一个垂直压力做两组试验， 其压力大小按5 0 k p a ，10 0 k p a ，15 0 k p a ，2 0 0 k p a 施加。 ( 4 ) 拔去上、下盒的固定销钉，然后开动电动机，使测力环受压，测读水平 向千分表度数和测力环百分表度数，当测力环读数不再增加或开始倒退 时，即出现峰值，认为试样已破坏，记下破坏值，并继续剪切至位移为 4 m m 停机；当剪切过程中测力环读数无峰值时，应剪切至剪切位移为 6 m m 时停机。 ( 5 ) 剪切结束后，卸去剪切力和垂直压力，取出试样。 重塑粘性土直剪试验采取如下步骤： 3 1