不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土界面剪切特性.pdf

文章编号：1007-2993（2023）04-0470-05不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土界面剪切特性界面剪切特性熊勃1，2童艳光3何江荟4（1.广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州510010；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083；3.广州环保投资集团有限公司，广东广州510330；4.上海大学力学与工程科学学院，上海200444）【摘要】为研究横肋加厚的三维立体土工格栅孔径对筋土界面直剪特性的影响，利用 3D 打印技术制作出不同规格的三维立体土工格栅，将格栅孔径（25 mm25 mm、35 mm35 mm、45 mm45 mm）、竖向应力（30 kPa、60 kPa、90 kPa）、剪切速率（0.5 mm/min、1 mm/min、2 mm/min）作为试验参数，通过室内大型直剪仪进行单调直剪试验，对以上三种因素影响下的筋土界面剪切特性进行研究。结果表明：3 种孔径格栅中，35 mm35 mm 孔径格栅的筋土界面峰值剪应力、内摩擦角最大；随着剪切速率倍增，峰值剪应力变化幅度较小，3 种不同剪切速率对应的峰值剪应力之间的相对变化率处于4%11%；竖向应力越大，峰值剪应力越大，筋土界面峰值剪应力相对变化率大于 20%，表明竖向应力对筋土界面剪切特性影响明显。【关键词】加筋土；3D 打印；直剪试验；立体格栅网；界面特性【中图分类号】TU 41 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.017Direct Shear Behavior of Three-dimensional Geogrids-soil Interfacewith Different Square Apertures under Various Shear RatesXiong Bo1，2Tong Yanguang3He Jianghui4(1.Guangdong Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510010,Guangdong,China；2.School ofGeosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China；3.Guangzhou Environmental Protection In-vestment Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510330,Guangdong China；4.School of Mechanics and Engineering Science,Shanghai Uni-versity,Shanghai 200444,China)【Abstract】For reaching the influence of the aperture of the three-dimensional geogrids with enhanced transverse ribs on the in-terface behavior,three geogrids with different square apertures were made by 3D printing technology.Effect of the square apertures(25mm25 mm,35 mm35 mm,45 mm45 mm),vertical stresses(20,40,60 kPa),shear rates(0.5,1,2 mm/min)were investigated bylarge scale direct shear test.The results show that the peak shear stress and friction angle of the interface between the geogrid with aper-ture of size 35 mm35 mm and soil are greater than others;as the shear rate increases doubly,the peak shear stress changes less,andthe rate of peak shear stress change at different shear rates is between 4%and 11%;the greater the vertical stress,the greater the peakshear stress,and the rate of peak shear stress change is greater than 20%,indicating that the vertical stress has obvious effect on theshear character of the interface of reinforced soil.【Key words】reinforced soil；3D printing；direct shear tests；three-dimensional geogrid；interface shear behavior 0 引言加筋土技术是将具有良好拉伸模量和抗拉性能的筋材按一定的方向布设在构筑物或土体中，从而增强土体的稳定性，提高土体强度和抵抗不均匀沉降以及限制水平位移的能力1。现有的加筋土加固机理有摩擦机理、等效黏聚力机理2。在此基础上，有学者提出了直接加筋和间接加固两种作用机理3。大部分观点表示加筋材料与填料之间的界面相互作用特性直接影响加筋土结构的整体性能4。因此，研究筋土界面作用特性对于深入加筋土结构研究、提升 基金项目：国家自然科学基金（51878402）作者简介：熊勃，男，1981 年生，汉族，江西高安人，博士，教授级高级工程师，注册土木工程师（岩土），主要从事岩土工程设计及相关研究工作。E-mail： 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug，2023加筋土结构在实际工程应用中的效能有着重要意义。对此，国内外学者采用了不同类型的试验进行研究。其中，拉拔试验和直剪试验是现阶段研究筋土界面特性的最普遍且最为有效的方法4。通过两种试验方法研究筋材、填料等工况58对筋土界面特性的影响，并分析其加筋效果。通过大型直剪试验可以了解加筋土结构筋材与土之间的抗剪强度，即其黏聚力、摩擦角等参数。吴景海等9认为直剪试验中，填料与土工合成材料的界面摩擦角由填料与填料之间的摩擦角、土工合成材料表面与填料的摩擦角、填料对土工合成材料横格的部分被动土压力产生的摩擦角三部分组成。李丽华等10研究了三种不同材料筋材的筋土界面抗剪特性。Han 等11采用不同开口形状的土工格栅，研究了粒径对筋土界面抗剪强度的影响。刘飞禹等以砾石作为填料通过循环剪切试验研究了法向应力、法向荷载振幅、法向加载频率、剪切速率等对筋土界面剪切特性的影响以及筋土界面的软化特性1213。Chenari 等14、刘开富等15利用直剪试验对土工格栅两侧为不同填料的界面特性展开研究。考虑到土工格栅属于开口立体式筋材，针对平面格栅进行试验研究不能全面反映其在加筋土结构中展现出的界面特性。有学者通过粘贴、绑扎、螺栓连接等方式对传统土工格栅进行二次加工，制作出立体格栅并进行了一系列的研究1619，但制作方式繁琐、局限性强。3D 打印技术的出现与发展可以打破原有的技术局限与束缚，实现三维立体土工格栅的整体化设计和制作。刘飞禹等20基于 3D 打印技术制作出5 种不同横肋厚度的格栅网，研究了立体格栅网中增强型横肋对筋土界面剪切特性的影响。基于此，本文利用 3D 打印机制作出 3 种不同孔径大小的三维立体土工格栅，通过室内大型直剪仪进行单调直剪试验，重点讨论不同剪切速率下立体格栅孔径对界面剪切特性的影响，为三维立体土工格栅加筋土的加筋效果评价和格栅优化提供参考。1 试验设备、材料及试验方案 1.1 试验设备通过巨影 PMAX T10000 型 3D 打印机制作三维立体格栅。直剪试验通过 Humboldt 产 HM-5780室内大型直剪仪完成（见图 1）。图 1 HM-5780 室内大型直剪仪 1.2 试验材料试验所用三维立体式土工格栅通过 3D 打印机制作，格栅纵/横肋宽 5 mm，纵肋厚度 3 mm，加厚横肋厚度 9 mm，其余部分横肋厚度 3 mm（见图 2）。三维立体式土工格栅物理力学特性见表 1。试验采用的填料为中国 ISO 标准砂，其物理性质指标见表 2。图 2 3D 打印三维立体土工格栅 表 1 三维立体式土工格栅物理力学特性单位面积质量/（gm2）最大伸长率/%极限抗拉强度/（kNm1）505212.5 表 2 砂土的物理性质参数最大孔隙比emax最小孔隙比emin中值粒径D50/mm 不均匀系数Cu曲率系数Cc比重Gs最小干密度dmin/（gcm3）最大干密度dmax/（gcm3）0.680.390.565.991.012.661.511.814 1.3 试验方案本试验旨在研究不同剪切速率下土工格栅孔径对筋土界面剪切特性的影响，为此设计了 3 种不同孔径大小的立体土工格栅模型（25 mm25 mm、35mm35 mm、45 mm45 mm），分别在竖向应力为 30kPa、60 kPa、90 kPa 的条件下以三种剪切速率（0.5mm/min、1 mm/min、2 mm/min）进行单调直剪试验。试验时在土工格栅固定端包裹一层土工布后用螺丝固定在剪切盒下盒上，固定前轻拽土工格栅末端，使土工格栅固定孔前端与螺丝完全接触，旋紧螺丝时应按住土工格栅以确保土工格栅完全处在下剪切盒内。试验填砂密实度为 87%，通过分批填入、逐次抹平击实的方式装样，装样后填料表面距上盒顶部距离为255 mm，即密实度为 87%。试验参数见表 3。熊勃等：不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土界面剪切特性471表 3 直剪试验方案试验类型剪切位移/mm格栅孔径/mm竖向应力/kPa剪切速率/(mmmin1)单调直剪试验25300.5603560145902 2 试验结果与分析 2.1 格栅孔径对筋土界面剪切特性的影响图3 为不同孔径的三维立体土工格栅以1 mm/min剪切速率进行的直剪试验的结果。由图可知：（1）试验开始时 3 种不同孔径土工格栅的剪切应力都快速增大，在剪切位移 2.56 mm 时达到峰值，曲线在峰后表现出软化再硬化的变化趋势，这是因为三维立体土工格栅的加厚横肋在剪切过程中产生被动侧阻力，提高了筋土界面剪切强度；（2）孔径为 35 mm35 mm的格栅剪切应力峰值最大，45 mm45 mm 孔径格栅的剪切应力峰值大于 25 mm25 mm 孔径格栅；（3）竖向应力越大，筋土界面剪切应力峰值越大。取剪切应力位移关系曲线中剪切位移前 6 mm 内剪切应力峰值为抗剪强度。将图 3（a）图 3（c）中的剪切应力峰绘制在图 4中。图中显示了包络曲线的拟合公式，其中表示拟合出的包络曲线的相关系数。3 种孔径大小格栅对应的相关系数均为 0.99，趋近于 1，这表明试验中界面峰值剪应力与竖向应力拟合效果好，线性相关程度高。因此，可以通过莫尔库仑强度理论描述，并得出筋土界面的似黏聚力 c 和内摩擦角。试验中界面似黏聚力和内摩擦角值如表 4 所示。90100705080604030峰值剪应力/kPa30507040608090竖向应力/kPa25 mm35 mm45 mmy=0.92x+18.71R2=0.99y=0.86x+7.87R2=0.99y=0.42x+27.12R2=0.99 图 4 三维立体土工格栅筋土界面峰值剪应力包络曲线图 表 4 三维立体土工格栅筋土界面似黏聚力和内摩擦角格栅孔径/mm似黏聚力c/kPa内摩擦角/()252527.1222.8353518.7142.645457.8140.7 从表 4 中数据可以得出，随着格栅孔径的增大，界面似黏聚力减小，35 mm35 mm 孔径格栅的筋土界面似黏聚力相比于 25 mm25 mm 格栅减小了31.01%，45 mm45 mm 孔径格栅的筋土界面似黏聚力相比于 35 mm35 mm 格栅减小了 58.26%。孔径为 35 mm35 mm 时内摩擦角最大（42.6）。2.2 剪切速率对筋土界面剪切特性的影响图 5 为 45 mm45 mm 孔径格栅在不同剪切速率下的剪切应力剪切位移曲线。可以看出不同剪切速率下，剪切应力剪切位移曲线都呈现出先快速上升，通过峰值拐点后快速下降，经历一段平缓过程后 50403020100剪切应力/kPa0102030405060剪切位移/mm(a)=30 kPa25 mm35 mm45 mm25 mm35 mm45 mm25 mm35 mm45 mm806020400剪切应力/kPa0102030405060剪切位移/mm(b)=60 kPa120100806040200剪切应力/kPa0102030405060剪切位移/mm(c)=90 kPa 图 3 三维立体格栅筋土界面剪切应力剪切位移曲线472岩土工程技术2023 年第 4 期又缓慢上升的规律。表 5 为 45 mm45 mm 孔径格栅在不同剪切速率下峰值剪应力的比较，不同剪切速率下峰值剪应力的相对变化率在4%12%，最大变化率为 11.19%。即剪切速率对三维立体格栅筋土界面的剪切特性有一定的影响，但影响程度不大。608040200剪切应力/kPa551525355501020304540605065剪切位移/mm0.5 mm/min1 mm/min2 mm/min 图 5 立体格栅在不同剪切速率下剪切应力剪切位移曲线 表 5 45 mm45 mm 孔径立体格栅在不同剪切速率下峰值剪应力比较竖向应力/kPa剪切速率/(mmmin1)峰值剪应力/kPa相对变化率/%300.533.84132.633.58231.981.99600.562.06161.221.35258.983.65900.575.59184.0511.19291.148.43 2.3 竖向应力对筋土界面剪切特性的影响图 6 为 25 mm25 mm 孔径三维立体土工格栅在不同竖向应力作用下的剪切应力剪切位移曲线。可以看出：（1）3 种竖向应力下的剪切应力都随着剪切位移的增加而呈现相似的变化趋势；（2）竖向应力大时，曲线整体高于竖向应力小的曲线，即竖向应力越大，剪切应力越大；（3）如图 6（a）中，剪切应力峰值均出现在剪切位移 5 mm 附近，剪切弱化后的低值点基本位于剪切位移 8 mm 附近，可以看出竖向应力越大，峰值点与低值点之间的差值越大，且由于峰值点与低值点对应的剪切位移基本相同，所以曲线的下降幅度也越大。表 6 为 25 mm25 mm 孔径格栅在不同竖向应力下的剪切应力峰值及相对变化率。表中所示不同 100806040200剪切应力/kPa0102030405060剪切位移/mm(a)0.5 mm/min30 kPa60 kPa90 kPa706040503020100剪切应力/kPa0102030405060剪切位移/mm(b)1 mm/min30 kPa60 kPa90 kPa100806040200剪切应力/kPa0102030405060剪切位移/mm(c)2 mm/min30 kPa60 kPa90 kPa 图 6 三维立体格栅的剪切应力剪切位移曲线 表 6 25 mm25 mm 孔径立体格栅在不同竖向应力下峰值剪应力比较剪切速率/(mmmin1)竖向应力/kPa峰值剪应力/kPa相对变化率/%0.53034.866059.6671.169096.9362.4713039.366053.6136.219064.8420.9523043.516055.8428.339089.3860.06熊勃等：不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土界面剪切特性473竖向应力下峰值剪应力间的相对变化率均在 20%以上，最小为 20.95%，最大为 71.16%。图 7 为不同竖向应力下不同孔径格栅界面最终剪胀量。可以看出，竖向应力越大，最终剪胀量越小，且 35 mm 孔径格栅对应的最终剪胀量最大。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10竖向位移/mm020406080100120竖向应力/kPa25 mm35 mm45 mm 图 7 三维立体格栅界面最终剪胀量 结合上述情况，竖向应力对三维立体格栅筋土界面的剪切特性影响明显。3 结论（1）35 mm35 mm 孔径的土工格栅筋土界面剪切应力峰值剪应力、内摩擦角最大。格栅孔径越大，界面似黏聚力越小。（2）随着剪切速率倍增，峰值剪应力的相对变化率处于 4%到 11%之间。剪切速率对筋土界面的剪切特性有一定的影响，但不明显。（3）竖向应力越大，筋土界面剪切应力峰值越大，剪切弱化效应越明显。3 种竖向应力（30 kPa、60 kPa、90 kPa）下，筋土界面峰值剪应力相对变化率大于20%，即竖向应力对筋土界面的剪切性能有明显影响。参考文献 李晓俊，黄仙枝，白晓红.加筋土技术的理论研究与工程应用J.科技情报开发与经济，2004，14（6）：145-147.1 王正宏.一种有发展前途的防汛抢险新材料土工合成材料C/第一届全国城市防洪学术会议论文集,1992.2 包承纲.土工合成材料界面特性的研究和试验验证J.岩石力学与工程学报，2006，25（9）：1735-1744.3 任非凡，刘铨.加筋土结构筋土界面特性研究进展J.西部交通科技，2020，（4）：5-10,28.4 王家全，陆梦梁，周岳富，等.土工格栅纵横肋的筋土承载特性分析J.岩土工程学报，2018，40（1）：186-193.5 王家全，康博文，周圆兀，等.填料粗粒含量对筋土界面拉拔性状的影响J.岩土力学，2022，43（5）：1249-6 1260.WANG J，YING M J，LIU F Y，et al.Experimentalinvestigation on the stress-dilatancy response ofaggregate-geogrid interface using parameterizedshapesJ.Construction and Building Materials，2021，289：123170.7 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