土工格栅加筋红砂岩大三轴试验研究.pdf

第 35 卷 第 2 期 2 0 1 0 年 4 月 公 路 工 程 H i gh w a y E n gi n eeri n g V o1 35 N o 2 A p r 2 0 1 0 土工格栅加筋红砂岩大三轴试 验研究 许桂 林 黄 向京 杨 果林 刘哲 哲 1 中南大学 土建 院 湖南 长沙410075 2 湖南省交通规划勘察设计院 湖南 长沙410008 摘 要 在大 型三轴仪上进行 了不同含水量情 况下红砂岩素土样和不同加筋方式 土工格栅 加筋土的三轴不 固结不排水剪切试验 保证 93 的压实度 从而探讨了土工格栅加筋红砂岩的力学特性及 变形特性 分析 了土工格 栅 的加筋机理 为红砂岩路基 特别是加筋红砂 岩路基提供设计 和施工依 据 试验结果 表明 素土和加筋 红砂岩 土样的强度均与含水量密切相关 其抗剪强度指标随含水量 的变化规律大致相同 关键词 红砂岩 土工格栅 加筋 土 大三轴试验 抗剪强度 中图分类号 U 4 16 03 文献标识码 A 文章编号 1674 0610 2010 02 0010 04 T h e la rg e scale tri axi a l tests on red san d sto n e soi l rei nfo rced w i th geo gri d s X U G ui li n H uang X i angji ng 一 Y A N G G uoli n L IU Z hezhe 1 School of Ci vi l Engi neeri ng and Archi tecture Central South U ni versi ty Changsha 410075 Chi na 2 H u n a n P ro vi n c i al C o m m u n i c ati on s P la n n i n g S u rv e y D e si g n In sti tu te C h a n gsh a H u n a n 4 10 0 0 8 C hi na A bstract On the large scale tri axi al test equi pm ent the tri axi al unconsoli dated undrai ned tests of geo g ri d rei n force d ea rth an d n on rei n force d so i l at d i ffe ren t w a te r co n ten ts a n d d i ffe re n t re i nforc i n g m e th o d s w ere c a i ed o u t w h e n th e d egre e o f c om p ac ti o n o f soi l sa m p le w a s 9 3 In th i s p a p e r ch a ra cteri s ti c of strength and deform ati on of geogri d rei nforced red san dstone soi l w ere studi ed and rei nforcem ent m ec h an i sm of ge og ri d s w as an a ly zed T h e sci e n ti fi c b a si s fo r d e si g n a n d co n stru cti on o f re d san d ston e roa d b ed esp e ci ally rei n force d re d san d sto n e ro ad b ed w as p ro vi d e d R esu lts also sh ow ed th a t th e strength of rei nforced red sandstone soi l and non rei nfo rced soi l i S closely related to the w ater content It c an b e e a si ly fou n d th a t th e va ri ati o n law s o f th e co h esi on an d th e a n g le of i n tern al fri cti on o f re d sa n d ston e so i l w i th th e w a ter c on te n t a re ap p rox i m ately sa m e K ey w ords red sandstone geogri ds rei nforced earth large scale tri axi al com pressi on test sh ea r stre n gth 红砂岩 在南 方地 区的分 布很广 湘潭 至衡 阳西 线高 速公路 沿线 开挖所 形成坡 面大 多 由红砂岩 所组 成 且 该线所 经地 形为 典型丘 陵地带 开挖 填筑 量较 大 路 堑开挖 路 堤填筑 所形成 的边坡 较 高 而 红砂 岩一 般 比较 容易破 碎 易风化 砂岩 之间 的薄层 泥岩 易形成 泥化 夹层 边 坡 防 护工 程 大 故 需采 用 红 砂 岩强夯 后进 行路 基 填筑 红砂 岩 风 化压 实 后 强 度 大幅度提高 但在高温干燥条件下又很容易出现裂 隙 因雨水渗 入 导 致 土 体 结 构 的破 坏 强 度 明 显 降 低 对边 坡稳定 危 害 很 大 该类 路 堤 边坡 的失 稳 坍 塌是 公路 工程 中的常见 病 害之一 运用 土 工合 成 材料 加 筋路 堤边 坡 能 使边 坡 受 力趋 于均 匀 明显 改善其 内部 应力分 布 同时 由于筋 材 与土体 的摩擦 咬合作 用 可明显减 少边坡 的裂 隙 对于减小红砂岩风化土 的强度 降低是有利 的 目 前 国 内外对 加筋 砂土 的研究 相对较 多 相 关文献 可 参考 Jew ell and W orth 1987 Shewbri dge and Si tar 1989 等的研究 王钊 马时冬 李广信等人都 曾将加 筋土体 视 为土 筋 复合 体 利 用 三 轴仪 对 其力 学特性 进行过 深入 研 究 并 且得 到 一些 很 有 价值 的 收稿 日期 2009 08 10 基金项 目 湖南省交通厅科技厅项 目 200612 作者简介 许桂林 1983 一 男 河南商丘人 硕士研究生 主要从事加筋土结构 路基支档结构的研究 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 期 许桂林 等 土工格栅加筋 红砂岩 大三轴试验研究 结论 但 目前对 于加筋 粘性 土特 性 的研 究还 相对 较 少 由于加筋粘性土体 的透水性差 孔隙水不能迅 速排出 固结需要较长的时间 尤其在施工期短 或 在快 速施荷 条件下 固结 排 水并不 充分 由于 孔 隙水 压力 的影 响 筋 材 与 土 体 的 作 用 相 对 复 杂 因 此 进 行不 排水条 件下 的加 筋土 三轴试 验 研 究土 体 含水 量 加筋 层数 等 因 素对 加 筋 红 砂岩 粗 粒 土 土 体 的强度 和变 形特性 以及 加筋 效果 的影 响很有 必要 红砂 岩 指富 含铁 质 氧 化物 而 呈 红色 深 红 色 或 褐色 的泥岩 砂质 泥岩 泥质 砂岩 泥质 细砂岩 泥 质 或砂质岩沉积类岩石 红砂岩天然密度小 孔隙率 高 结构 疏松 是一 种 介 于 岩 石 和 土 之 间 的 特殊 填 筑路堤材料 开挖爆破后极 易风化崩解 工程实践 表 明 红 砂岩是 一 种不 良的路 基填 料 因此 对 土工 格栅加筋红砂岩进行三轴试 验研究 以指导潭衡西 高速 公路 红砂 岩地 段 的设 计 及 施 工 具 有 重要 的技 术经 济 意义 1 大 三轴试验方法 1 1 试 验材料 红砂岩 本次试 验在中南大学岩土工程实 验室的粗粒土大三轴试验仪上完成 试验用红砂岩 取 自湖南湘潭至衡 阳西线高速公路施工现场 其 颗粒 分 析 特 性 见 表 1 其 中 存 在 超 粒 径 大 于 60 m m 主要 物理 指标 见表 2 加筋材料 由坦萨 武汉 有限公司生产 如 表 1红砂岩 的颗分特性 T able 1 th e parti cle si ze gradati on ch aracteri sti c of red sand sto ne 表 2 红砂岩的主要物理性能指标 T ab le 2 T he k ey physi cal an d m ech an i cal i nd exes of red sandstone 图 1 所示 剪成 直径 为 30 0 m m 的 圆盘形 沿水 平 方向成层铺设 通过拉伸试验可测定其物理力学特 性 见 表 3 I 卷宽 横向 t 图 1土工格栅的标准尺寸 F i gu re 1 T he standard si ze of geogfid s 表 3 土工格栅 的物理 力学特性 T able 3 P hysi cal an d mech an i cal ch aracteri sti c of geogfid s 1 2 试样 制备 将风干后 的土样依 次过孔 径为 60 40 40 20 20 10 10 5 5 m m 的 筛 若 土 样 中含 超粒 径颗粒 则采用等量替代法 然后 采用算术统计法 确定红 砂岩 的代表 性级 配 并 通过 大型 击实 试验确 定 土样 最大 干密度 和最优 含水 量 按照规 程计 算加 水 量 从 而 制 备 5 种 不 同含 水 量 14 17 20 30 和 38 4 的土样 按照 93 的压 实度 进行压 实试件 并在指定 的高度进行加筋 见图 2 在放 置筋材前土层应适 当刮毛 以增大筋材和土体 间的 摩擦咬合作用 1 3 试 验 方 法 由于非 饱 和 土 的强 度 公 式 如 著 名 的 Bi shop 有 效应 力强 度 公 式 和 Fredlund 的 双 应 力 变 量 强 度 公式 都是含有吸力项的 反映吸力对强度的贡 I I 1 I I l l I 图 2格栅布 置图 单位 m m F i gure 2 A rrangemen t of geogfid s 献 但是 控制吸力 的室 内试验代价 昂贵 非常耗 时 再加上吸力量测和计算的困难 将 吸力作为变 量 的非饱 和土强 度 公 式 未 能得 到广 泛 的 实 际运 用 但在 实 际工程 中 非 常容 易 确定 含 水 量 或饱 和 度 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 12 公路工程 35 卷 的数值 故本文在应变控制式的大型三轴仪上进行 红砂 岩强度 试验 系统 地 研 究 不 同含 水 量情 况 下 红 砂岩抗 剪强 度 的变 化规 律 为确 定完 整 的强 度 包络 线 试 验 围压 分别 选 取 100 kPa 200 kPa 300 kPa 和 400 kPa 见 表 4 以 每分 钟 轴 向应 变 0 84 m m m i n 的速 率 施 加 轴 向压 力进行 不 固结 不排 水 试 验 以 叮 一 or 的 峰值 为破 坏点 无峰值时 取 15 轴向应变时的主应力差确 定破坏 点 绘 制轴 向应 变 与主 应力 差 关 系 曲线 试 验方法 和详 细步骤参 照 公 路土 工试验 规程 川 试 验 中水 压力 也 发 生变 化 但 由非 饱 和土 土力 学 知识 可知 变化应 不大 这也 正与工 程施工期 问的 水压消散的特点吻合 由于试验的主要 目的是为分 析含水 量对强 度 的影 响 因此 水 压 是 否 消散 和 消散 多少不是 本 文所关心 的关键 问题 2 试验结果与分析 由试 验结 果可得 出 以下 结论 在红砂岩中铺设土工格栅 可以有效地提高 红 砂岩 的抗 压 强度 而且加 筋层数 越多 筋层 间距越 小 加筋 效果 越 明显 如 在 含 水 量 为 14 压 实 度 为 93 时 铺 设 2层 土 工 格 栅 筋 层 间 距 为 20 m m 其极限抗压强度值可 以提高 6 9 铺设 3 层 土 工 格 栅 筋 层 间 距 为 15 m m 可 以 提 高 11 5 并 且在低 围压 下 加 筋效果 更 明显 表 4 不 同围压下加筋红砂岩与素土样 的极 限抗 压强度的 比较 T ab le 4 C ompari so n ulti m ate strength of rei nforced and non rei nforced soi l u nder d i fferen ce am bi en t pressures 素土 样 和加 筋 红 砂 岩均 服从 摩 尔 库 伦 强度 破坏准则 在红砂岩中铺设土工格栅 可 以提高其 抗剪强度指标 c 值 如在含水量为 14 压实度 为 93 时 素土样 格栅二层和格栅三层 的摩尔库 伦强度包线分别为 r 3 2 5 0 o ta n 3 4 3 7 4 1 6 8 o ta n 3 4 4 Jr 4 6 9 5 trta n 3 4 7 1 2 3 由此可 见 加 筋红 砂 岩 与素 土样 的强度 曲线几 乎完全平 行 即 值 在 加 筋后 基本 不 变 因此 可 以 用准粘 聚力 理论解 释加筋 红砂岩 的加筋 机理 准粘 聚力理 论认 为 加 筋 土结 构 可 以看 作是 各 向异性 的 复合材 料 通 常采 用 的 拉 筋 其 弹 性 模 量 远 大 于 填 土 在 这种情 况下 拉筋 与填土 的共 同作 用 包 括填 土 的抗 剪力 填土 与拉 筋 的摩 擦 阻 力及 拉 筋 的抗 拉 力 使得带有拉筋的填土的强度 明显提 高 加筋 土的力学性能的改善是 由于新 的复合土体 即加筋 砂 具有 粘 聚力 的缘 故 粘 聚力 不是砂 土 固有 而是加 筋 的结果 所 以称 为 准粘 聚力 可见 加 筋 的结果 主要表 现为使 红砂 岩获得 了一定 的准粘 聚力 c 由于拉筋作用产生 的准粘聚力可根据莫尔 一 库 伦定 律求 出 素土样及加筋红砂岩 的主应力差与轴 向应 变 关系 曲线 即 or 一 曲线 具 有 明显 的非 线 性 由图 3 可 以看 出 对 于含 水量 为 14 压 实 度 为 93 的红砂岩土样 素土样 的强度达到峰值后 其曲线有下降的趋势 并且达到峰值时的轴向应变 较 小 而土工格 栅加筋 红砂 岩试件 的总体 强度持 续 增 大 硬 化 达到 峰 值 时 的轴 向应 变 较 大 另外 加筋 越密 硬化 趋 势 就越 明 显 这说 明 土 工格 栅 加 筋 土结 构 具 有 一 定 延 性 能 承 受 较 大 变 形 而 不 破 坏 一 L 一 素 土 卜 格 栅两层 一 格 栅三层 图 3 不 同 围压 下 的 应 力 一应 变 关 系 曲线 F i gu re 3 Stress strai n curves u nder di fferen t confi ni ng p re ssu res 在 红砂岩 中铺设 土工格栅 主要 提高 的是红砂 岩 的后期 强度 在 初始 阶段 红 砂岩 的变形较 小时 土 工格栅加筋红砂岩的应力应变关系曲线和素土样的 大致 相 同 土工 格 栅 的加 筋 作用 没 有体 现 出来 只 有在轴向应变大于 7 时 土工格栅 的加筋作用才 真 正发挥 出来 3 红砂岩 的抗剪强度随含水量的变化规律 3 1 素 土样 的抗剪 强度 随含 水量 的 变化规 律 绘制不 同含水量下素土样 的强度包线 可 以发 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 期 许桂林 等 土工格栅加筋红砂岩大三轴试验研究 l3 现 C 随含 水 量 变 化 粘 聚 力 和 内摩 擦 角 随含 水 率 的变 化规 律如 表 5 所 示 并 绘 制 总 应 力强 度 指 标 c 与含 水量 W 的关 系见 图 4 和图 5 表 5 粘聚 力和 内摩擦角 随含水率 的变化规律表 T able 5 T he vari ati o n laws of the cohe si on an d the an gle 0f i ntern al fri cti on 0f red sand stone s0i l w i th th w a te r c o n te n t 埘 图 4 c 与 的关 系 曲线 F i gure 4 R elati on shi p betw een c an d 加 图 5 p 与 的关 系曲线 F i gu re 5 R elati onsh i p betw een D and 由图 4 图 5 可 以得 出 摩擦 角 与 含水 量 有 良好 的线性关 系 当然 在 实 际应 用 中 可用 饱 和 度 这一 状 态量 代替 含水量 两者是 一致 的 而粘 聚力 与含 水率大致成幂函数关系 在双对数坐标中线性相关 性 较好 由此可 见 红 砂 岩 的强 度 与 含水 量 密 切 相 关 随着 含水量 的增 加 内摩擦 角 和粘 聚 力 均逐 渐 降低 且粘聚力的变化更大些 当然 影 响非饱和土的强度因素很多 如土的种 类 土的密度等且也与试验方法有关 如缪林 昌 等通过 直剪 试验认 为膨 胀土 的强 度指 标 的对 数 与含 水 量呈 直线 关系 龚壁 卫 通 过 固结 快剪 试 验得 到 膨 胀土 的 内摩 擦 角 与含 水 量 呈 幂 函数 关 系 但 是 黏 聚力与 含水 量 的关 系 曲线 存 在 突 变 难 以进 行 曲线 拟合 凌 华 纠等通过 非饱 和土 的普 通 三轴 试 验 建 立非饱和土的实用强度公式 指 出随着含水量的增 大 强度 明显减 小且 在一 定含 水量 范 围内 强 度指标 随含水量 的增大线性减小 这些 关 系或规 律与本 文试 验得 出 的强度指 标与 含水量关系是不大相同的 但是总的规律一致 即 非饱 和土 的强度 随含 水量 的增 大而 降低 3 2 加 筋红砂 岩 土样 的抗 剪 强 度 随含 水 量 的 变化 规 律 由表 6 和图 6 可以看 出 加筋红砂岩的抗剪强 表 6 不同加筋时红砂岩 抗剪强度随含水量的变化规律 T ab le 6 th e va ri ati o n la w s o f sh e ar stren gth o f re d sa nd sto n eS oi l w i th d i ff e ren t rei n fo rc i n g m e th od s 图 6 红砂岩 的粘聚力 随含水量的变化规律 F i gure 6 T h e vari ati on law s of the cohesi on of red sa ndstone soi l wi th the w ater con tent 度及摩擦角均 比素土样 的要高 相对来说 粘 聚力 的提高幅度更大些 而 内摩擦 角虽然也有增加但提 高的幅度不是很大 值得注意 的是 加筋格栅二层 和三层时 抗剪强度随着含水量的增加而线性降低 这与素土样 的规律有所不同 4 结 论 由试验 结果可知 在红砂 岩 中铺设 土工格 栅 可以有效地提高红砂岩的抗压强度 而且加筋层 数越多 筋层间距越小 加筋效果越明显 素土样和 加筋红 砂 岩均 服从摩 尔库 伦强 度破 坏准则 用 准粘 聚力原 理 可 以很 好地 解 释该试 验现 象 并 且 素土样 及加 筋红砂 岩 的主 应 力差 与 轴 向应 变关 系 曲线 即 广 一占 曲线 具有 明显 的非线性 加筋材料 强度 的发挥 是在 较 大 变形 条 件 下 才得 以实 现 且 随 着 围压 的增 加 加 筋材 料 的作用逐 渐减 小 在大型三轴仪上进行压实度为93 不同含 水量红砂岩素土样 的强度试验 试验结果表明 红 砂 岩 的强 度 与 含 水 量 密 切 相 关 随 着 含 水 量 的增 下转 第 27 页 加 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 期 邓资银 等 双层 规划法路 网通行能力模型改进算法优化研究 27 值取最后一次迭代值和其最近一次具有相反路 网强 连通性的迭代值的平均值 即 Q 3 75 3 766 2 3 7 6 表 5 二分法迭代 器具体迭代过 程 T able 5 T h e speci fi c i terati ve p rocess of di ch otom y i terator 霉 Q 矍 星 翟 霉 Q 翟 l 1 0 0 0 T R U E 0 0 4 7 6 3 7 5 0 T R U E 0 0 9 4 2 2 0 0 0 T R U E 0 0 6 3 7 3 8 7 5 F A L S E 0 0 9 4 3 4 0 0 0 F A L S E 0 0 9 4 8 3 8 1 3 F A L S E 0 0 9 4 4 3 0 0 0 T R U E 0 0 7 8 9 3 7 8 l F A L S E 0 10 9 5 3 5 00 T R U E 0 0 7 8 10 3 76 6 F A L S E 0 0 9 4 5 结 论 本 文对 基于双 层规 划法 的路 网通行 能力模 型进 行 了算 法改进 与优 化 并 通 过 算 例 对优 化 前 后 的算 法进行 了对 比分析 证 明 了优 化 后 的算 法 效 率 较 未 优化前 有 明显 提高 20 倍 左 右 本 文对算 法 的 优 化 思 想 可 总结 为 封 装 变 化 优化流程 从实质上提高算法效率 封装变化指将 底层 的交 通分 配方法 作为本 算 法 的一 个选 择工 具而 非 流程 优 化流 程是 指 针 对路 网通 行 能 力模 型 的算 法流程进行改进和优化 目的是尽量减少迭代次数 通 过封装 变化 和优化 流程 可做 到不管 底层交 通 分配 算法怎么变化都不会影响算法的迭代次数变更 这 样 便从实质上提高了算法效率 从而对路网通行能 力模 型 的实际应 用 有 一 定 的指 导 意 义 其 中 的优 化 方法与思想可为交通相关领域模型的研究与应用提 供参 考 参考 文献 1 陆化普 城市交通规划理论 与方法 第二 版 M 北 京 清华 大学 出版社 2006 Y ang H Bell M G H M eng Q 2000 M odeli ng the capaci ty and level of servi ce of u rban transp ortati on net works J Transportati on R esearch 34B 255 275 L u H uapu Yu Xi n xi n B i an C han gzhi Deng Zi yi n A model and an algori thm of urban transport netw ork capaci ty C T he S econ d Internati onal C onference of Tran sportati on E n gi neeri ng ICTE 2009 Y ang H Bell M G H 1997 Tm m c restrai nt road pri ci ng and network equi li bri um J Transportati on R e search 31B 303 3 14 Lu Hu apu Yu Xi nxi n B i an C h an gzhi W an g Hai wei Deng Z i yi n U rb an transp ort n etw ork cap aci ty con si d eri ng level of servi ce C 1 IC C T P 2009 郝立涛 基 于 G IS 的综合交通规划 系统研究 D 北京 清华 大 学 200 8 殷人 昆 数据结构 M 北京 清华大学 出版社 1999 李庆扬 数值计算原理 M 北京 清华大学 出版社 2000 上接 第 13 页 加 内摩擦角和粘聚力均逐渐降低 且粘聚力的变化 更大些 素 土样 的粘 聚力 与 含水率 的关 系 曲线大致 成幂函数关系 在双对数坐标中线性相关性较好 摩 擦角与含水率的关系曲线有 良好的线性关系 加筋红砂 岩的抗剪强度及摩擦角均比素土 样的要高 相对来说 粘聚力 C 的提高幅度更大些 而 内摩 擦 角的 提高 幅度 不 是很 大 值 得 注 意 的是 加筋 格栅 二层 和三 层 时 抗 剪 强度 c 随 着 含 水 量 的 增加 而线性 降低 这 与素土 样 的规 律有 所不 同 参考 文献 1 JE W E LL R A W R OT H C P D i rect shear tests on rei nforced