土工格栅加筋红砂岩大三轴试验研究

第 3 5 卷 第 2期 2 0 1 0年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i ne e r i n g Vo 1 3 5 No 2 Ap 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4 1 0 0 7 5 2 湖南省交通规划勘察设计院 湖南 长沙4 1 0 0 0 8 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 9 3 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 1 6 0 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 0 0 2 0 0 1 0 0 4 Th e l a r g e s c a l e t r i a x i a l t e s t s o n r e d s a n d s t o n e s o i l r e i n f o r c e d wi t h g e o g r i d s X U Gu i l i n Hu a n g Xi a n g j i n g 一 YAN G G u o l i n L I U Z h e z h e 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 C h i n a 2 Hu n a n Pr o v i n c i a l Co mmu n i c a t i o n s P l a n n i n g S u r v e y De s i g n I n s t i t u t e Ch a n g s h a Hu n a n 41 00 0 8 C h i n a Ab s t r a c t O n t h e l a r g e s c a l e t r i a x i a l t e s t e q u i p m e n t t h e t r i a x i a l u n c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e d t e s t s o f g e o g r i d r e i n f o r c e d e a r t h a n d n o n r e i n f o r c e d s o i l a t d i f f e r e n t wa t e r c o n t e n t s a n d d i f f e r e n t r e i n f o r c i n g me t h o d s we r e c a i e d o u t wh e n t he de g r e e o f c o mp a c t i o n o f s o i l s a mp l e wa s 93 I n t h i s p a p e r c h a r a c t e r i s t i c o f s t r e n g t h a n d d e f o r ma t i o n o f g e o g r i d r e i n f o r c e d r e d s a nd s t o n e s o i l we r e s t u d i e d a n d r e i n f o r c e me n t me c h a n i s m o f g e o g r i d s wa s a n a l y z e d Th e s c i e n t i f i c b a s i s f o r d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f r e d s a n d s t o n e r o a d b e d e s p e c i a l l y r e i n f o r c e d r e d s a n ds t o n e r o a db e d wa s p r o v i d e d Re s u l t s a l s o s h o we d t h a t t h e s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d r e d s a n d s t o n e s o i l a n d n o n r e i n for c e d s o i l i S c l o s e l y r e l a t e d t o t h e wa t e r c o n t e n t I t c a n b e e a s i l y f o un d t h a t t h e v a r i a t i o n l a ws o f t h e c o h e s i o n a n d t h e a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n o f r e d s a n d s t o n e s o i l wi t h t h e wa t e r c o n t e n t a r e a p p r o x i ma t e l y s a me Ke y wo r d s r e d s a n d s t o n e g e o g r i d s r e i n f o r c e d e a r t h l a r g e s c a l e t r i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t s h e a r s t r e n g t h 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 J e w e l l a n d Wo r t h 1 9 8 7 S h e w b r i d g e a n d S i t a r 1 9 8 9 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 2 0 0 9 0 8 1 0 基金项 目 湖南省交通厅科技厅项 目 2 0 0 6 1 2 作者简介 许桂林 1 9 8 3 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 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 6 0 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 Ta b l e 1 t he p a r t i c l e s i z e g r a d a t i o n c ha r a c t e r i s t i c o f r e d s a n ds t on e 表 2 红砂岩的主要物理性能指标 Ta bl e 2 Th e ke y p h y s i c a l a nd me c ha ni c a l i n de x e s o f r e d s a n d s t o n e 图 1所示 剪成 直径 为 3 0 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 Fi g ur e 1 Th e s t a n d a r d s i z e o f g e o g fids 表 3土工格栅 的物理 力学特性 Ta b l e 3 Ph y s i c a l a nd me c ha ni c a l c ha r a c t e r i s t i c o f g e o g fids 1 2试样 制备 将风干后 的土样依 次过孔 径为 6 0 4 0 4 0 2 0 2 0 1 0 1 0 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 1 4 1 7 2 0 3 0 和 3 8 4 的土样 按照 9 3 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 B i s h o p有 效应 力强 度 公 式 和 F r e d l u n d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 Fi g u r e 2 Ar r a n g e me nt o f g e o g fids 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 1 2 公路工程 3 5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 1 0 0 k P a 2 0 0 k P a 3 0 0 k P a和 4 0 0 k P a 见 表 4 以 每分 钟 轴 向应 变 0 8 4 mm 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 1 5 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 1 4 压 实 度 为 9 3 时 铺 设 2 层 土 工 格 栅 筋 层 间 距 为 2 0 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 1 5 m m 可 以 提 高 1 1 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 Ta bl e 4 Co mp a r i s on u l t i ma t e s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d a n d n o n r e i n f o r c e d s o i l un d e r di f f e r e nc e a mb i e nt p r e s s u r e s 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 1 4 压实度 为 9 3 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 t a n 3 4 3 7 41 68 o t a n 3 4 4 Jr 4 6 95 t r t a 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 o r 一 曲线 具 有 明显 的非 线 性 由图 3可 以看 出 对 于含 水量 为 1 4 压 实 度 为 9 3 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 Fi g ur e 3 S t r e s s s t r a i n c u r v e s un d e r d i f f e r e nt c o n f i n i n g p r e s s ur e s 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 第 2期 许桂林 等 土工格栅加筋红砂岩大三轴试验研究 l 3 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 Ta b l e 5 Th e v a r i a t i on l a ws o f t h e c o h es i o n a nd t h e a ng l e 0 f i n t e r na l f r i c t i o n 0 f r e d s a n ds t o n e s 0 i l wi t h t h wat er cont ent 埘 图 4 c与 的关 系 曲线 Fi g u r e 4 Re l a t i o ns h i p b e t w e e n c a nd 加 图 5 p与 的关 系曲线 Fi g ur e 5 Re l a t i o n s hi p b e t w e e n D a n d 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 Ta b l e 6 t h e v a r i a t i o n l a w s o f s h e a r s t r e n g t h o f r e d s a n d s t o n e S o i l wi t h d i ff e r e n t r e i n f o r c i n g me t h o d s 图 6 红砂岩 的粘聚力 随含水量的变化规律 Fi g u r e 6 The v a r i a t i o n l a ws o f t h e c o h e s i o n o f r e d s an d s t o n e s o i l wi t h t h e wa t e r c o nt e n t 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9 3 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 2 7页 加 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 2 7 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 7 5 3 7 6 6 2 3 7 6 表 5 二分法迭代 器具体迭代过 程 Ta b l e 5 The s p e c i f i c i t e r a t i v e pr o c e s s o f d i c ho t o my i t e r a t o r 霉 Q 矍 星 翟 霉 Q 翟 l 1 0 0 0 TRUE 0 0 4 7 6 3 7 5 0 TRUE 0 0 9 4 2 2 0 0 0 TRUE 0 0 6 3 7 3 8 7 5 F AL S E 0 0 9 4 3 4 0 0 0 F AL S E 0 0 9 4 8 3 8 1 3 F AL S E 0 0 9 4 4 3 0 0 0 TRUE 0 0 7 8 9 3 7 8 l F AL S E 0 1 0 9 5 3 5 0 0 TRUE 0 0 7 8 1 0 3 7 6 6 F AL 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 2 0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 2 0 0 6 Ya n g H B e l l M G H Me n g Q 2 0 0 0 Mo d e l i n g t h e c a p a c i t y a n d l e v e l o f s e r v i c e o f ur b a n t r a n s po r t a t i o n n e t w o r k s J T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h 3 4 B 2 5 5 2 7 5 Lu Hu a p u Yu Xi nx i n Bi a n Ch a ng z h i De n g Z i y i n A mo d e l a n d a n a l g o ri t h m o f u r b a n t r a n s p o rt n e t w o r k c a p a c i t y C Th e Se c o nd I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o f Tr a ns p o r t a t i o n En g i n e e r i n g I C T E 2 0 0 9 Ya n g H B e l l M G H 1 9 9 7 T mmc r e s t r a i n t r o a d p ri c i n g a n d n e t w o r k e q u i l i b ri u m J T r a n s p o rt a t i o n R e s e a r c h 3 1 B 3 0 3 31 4 L u Hua p u Yu Xi n x i n Bi a n Cha ng z h i Wa ng Ha i we i De n g Zi y i n Ur ba n t r a n s po rt ne t wo r k c a pa c i t y c o ns i de r i n g l e v e l o f s e r v i c e C 1 I C C T P 2 0 0 9 郝立涛 基 于 G I S的综合交通规划 系统研究 D 北京 清华 大 学 2 0 0 8 殷人 昆 数据结构 M 北京 清华大学 出版社 1 9 9 9 李庆扬 数值计算原理 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 0 上接 第 1 3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 J E WE L L R A WRO T H C P D i r e c t s h e a r t e s t s o n r e i n f o r c e d s a n d J G e o t e c h n i q u e 1 9 9 7 3 7 1 5 3 6 8 2 S HE WB R I DG E S S I T A R N D e f o r ma t i o n c h a r a c t e