不同加荷速率的双向土工格栅与黏土力学特性试验研究.docx
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不同加荷速率的双向土工格栅与黏土力学特性试验研究
不同加荷速率的双向土工格栅与黏土力学特性试验研究
2010年6月
第6期总第442期
水运工程
Port&WaterwayEngineering
Jun.2010
No.6SefialNo.442
（上海海事大学海洋环境与工程学院,上海200135）
摘要:
以粉质黏土为填料,以双向土工格栅为加筋材料,通过3种不同速率下的直剪与拉拔试验,对比分析了直剪与拉
拔试验加筋黏土的力学性能指标特性,研究了加荷速率对力学性能指标的影响.结果表明:
拉拔试验得到的力争}生能指标比
直剪试验低.随着加荷速率从0.53mmin一1_33ml11/min一2.67mm/min的增加,直剪摩擦相应的C以4kPa左右的增量变
化,以3.左右的增量变化.而试样的拉拨摩擦随着拉拔速度的增加,相应的c值以5kPa左右的增量变化,以一1.左
右的增量变化.直剪试验随着加荷速率的增加,相应的c,均增大.而试样的拉拔试验随着加荷速率的增加,相应的c
值增大,却减,J,.
关键词:
直剪试验;拉拔试验;加荷速率;力学性能指标
中图分类号:
Tu472.3+4文献标志码:
A文章编号:
1002—4972（2010）06—0005—04
Testandresearchontheindexofmechanicalperformanceofbiaxialgeogrid
andclayunderdifferenttestspeeds
LIUWen—bai.HUANGTian—tong
（CollegeofOceanEnvironmentandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai200135,China）
Abstract:
Basedonthedirectsheartestandpull——outtestofreinforcedsoilcomposedofsiltyclayand
biaxialgeogridunderthreedifferenttestspeeds,thecomparativeanalysisoftheindexofmechanicalperformance
ofthereinforcedclayindirectsheartestandpull-outtestisconducted,andtheimpactofthetestspeedonthe
indexofmechanicalperformanceisstudied.ItisfoundthattheindexCgainedtheincrementof4kPaand
showedthattheincrementof3.withthetestspeedisamong0.53mm/minand1.33mm/minand2.67mm/minin
thedirectsheartest,whiletheindexCgainedtheincrementof5kPaandshowedtheincrementof-1.inthe
pull—outtest.BoththeindicesofCandincreasedasthetestspeedincreasedinthedirectsheartestwhereas
theindexofCincreasedbutdecreasedinthepull-outtest.
Keywords:
directsheartest;pull-outtest;rateofloading;indexofmechanicalperformance
筋材与填料之间的力学性能指标是影响加筋
土工程设计的重要因素,而加荷速率对加筋土的
力学性能指标有重要影响.许多国内外的学者对
此问题进行了研究,Lopes（1996）[】通过加筋砂土
的拉拔试验得出了抗剪强度随加荷速率增大而增
大的结论.余建~（2002）r21通过黏性土与钢塑复合
筋带的直剪试验也得到了抗剪强度随加荷速率增
加而增大的结果.但是,在其他试验条件下取得
收稿日期:
2010—01—26
基金项目:
上海市教育委员会科研项目（07ZZ99）;上海海海事大学校级重点学科建设项目（A290209002）;浙江省科技计
划面上项目f2008C23023）
作者简介:
刘文白（1955一）,男,博士,主要从事岩土工程和港口结构工程方面的教学与研究工作.
?
6?
水运工程
的试验结果与此有一定的出人,Tan（1998）[31在做砂
土与土工织物的扭剪试验中,发现剪切速率对筋
土界面的抗剪强度影响不大.史旦达等通过试验,
得到了砂土一双向格栅受拉拔速率影响不大,黏性
土一单向格栅受拉拔速率影响较大的结论.目前,
关于拉拔或剪切速率对筋土界面强度的影响,国
内外已经做出许多有意义的工作与研究l5I.但许多
试验大都是针对某一类型试验进行的.因此,针
对加荷速率进行系统的加筋土直剪与拉拔试验研
究,显得很有必要.
采用双向土工格栅为加筋材料,以粉质黏土
为填料,在不同法向应力下,进行不同加荷速率
的直剪与拉拔试验,研究加荷速率变化对加筋黏
土力学性能指标特性的影响.
1加筋黏土试验
试验采用某土壤仪器厂生产的TZY-1型土工合
成材料综合测定仪,仪器可用于进行土工合成材料
的力学特性试验和土与织物相互作用特性试验.试
验装置包含了可以进行直剪试验与拉拔试验的组合
式剪切盒子（有200mmx200mm,100mm~100mm
两种）;可以控制水平加荷速率,从0.07ram/rain到
8.67mm/min共12档位（图1）.
图1试验设备
试验土样为粉质黏土,含水率W=22.5%,密
度p=l830kg/m,液限WL=35,塑限Wp=21,塑
性指数=14,液性指数IL=o.77.
试验采用双向土工格栅,横纵向抗拉强度
均为30kN?
m,低应变（O.5%）下的径向刚度为
390kN/m,孔眼尺寸为40mmx40mm.
试验采用直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,试
验方法如图2所示.直剪摩擦试验中样本在剪切
盒中的有效面积为200mmxl00mm.拉拔摩擦试
验中格栅大小采用200mmxl00mm,样本在剪切
盒中的有效面积为200mmxl00mm.根据文献[6],
对于直剪摩擦试验,加荷速率一般为0.2-3.0mm/min;
对于拉拔摩擦试验,加荷速率的控制范围一般在
0.1～20mm/min.因此,试验中加荷速率采用
0.53,1.33,2.67ram/rain3个不同的速率,在or=
100kPa,150kPa及200kPa下,测定相应的剪切
强度峰值丁,,将试验结果汇总成表,绘制曲线.
3
a）直剪摩擦试验
1.土样;2.筋材;3.滚珠;4.下盒;5.上盒
6.承压板;7.支架;8.土样
p
b）抗拔摩擦式试验
1.土样;2.筋材;3.螺栓;4.下盒;5.上盒
6.承压板;7.支架;8.挡板
图2直剪试验和拉拔试验示意
2试验结果与分析
根据各级法向应力下的剪应力峰值F和拉拔
力峰值,利用公式7Ir=F/A与=T/（2LB）,求出
其力学性能指标l7I,绘制出不同加荷速率下与各
级法向应力之间的曲线,试验得出的抗剪强度
力学性能指标结果见表1,表2.丁,与各级法向应
力的曲线见图3,图4.表1及表2中,or为法
向应力,一为各级法向应力作用下的峰值剪应
力,C,分别是用Origin图形处理软件进行线
性拟合后得出的黏聚力与内摩擦角.
分析表1,2可知,在加荷速率=O.53ram/rain
及法向应力=100kPa条件下,直剪试验峰值为
18.4kPa,拉拔试验峰值为17.6kPa,直剪试验
峰值比拉拔试验峰值大0.8kPa.当加荷速率=
1.33mm/min及法向应力=150kPa时,直剪试验
峰值为31.8kPa,拉拔试验峰值为28.5kPa,直
剪试验峰值比拉拔试验峰值大3.3kPa.而加荷速
率增加到2.67mm/min及法向应力增加到200kPa
第6期刘文白,黄天荣:
不同加荷速率的双向土工格栅与黏土力学特性试验研究?
7?
表1直剪试验结果
图3直剪试验一关系
图4拉拔试验一关系
时,对应的直剪试验峰值为53.6kPa,同条件下
的拉拔试验峰值为36.5kPa,两者相差17.1kPa.
差值从0.8kPa增加3_3kPa再骤增到17.1kPa,
差值的变化倍数依次为4.1倍（3.3/0.84.1）,5.2倍
（17.1/3.35.2）,而速率2.67m~min及法向应力
200kPa条件下的峰值增量则要比速率O.53mm/min
及法向应力100kPa条件下的峰值增量高出了
21.4倍（17.1/0.821.4）.可见,在相同加荷速率
与相同法向应力对应下的直剪试验剪应力峰值均
大于相应的拉拔试验峰值.并且,随着加荷速率
与法向应力的增大,二者之间的差别逐步加大.
经过分析可知,这是因为两种试验中复合土体接
触面的剪应力分布不同而引起的.进行拉拔试验
时,筋材与填料中的应变随着拉拔力的增大逐渐
由施力端向自由端传递,各点拉应变不同,引起
的剪应力分布不均匀,而剪切试验中筋土间的位
移近似于平移,同时在拉拔试验中,材料的抗拉
强度起到重要作用,要使拉拔位移达到直剪试验
时的一样,需要比抗拉强度更大的力的作用,而
且筋材被拉紧,筋材与填料间的土粒趋于定向排
列,因此拉拔试验力学性能指标比直剪试验力学
性能指标低.所以,在工程实践中,应根据筋材
与填料的物理特性和现场实际情况,针对可能出
现的相对位移情况来选用相应的直剪或拉拔力学
性能指标.在单面相对位移情况下,直剪试验力
学性能指标较能反映实际;而筋材双面均与土发
生相对位移时,则拉拔试验力学性能指标更适合.
由表l,表2还可以看出,随着加荷速率从
0.53mm/min---~1.33mm/min--+2.67mm/min的增加,
直剪试验力学性能指标c呈现出从13.22kPa
17.14kPa一22.4kPa的增长变化,而相应的拉拔
试验的力学性能指标c也表现出从1.98kPa一
8.56kPa一12.98kPa的增加变化,其中直剪试验
以接近于4kPa左右的增量随加荷速率变化,拉
拔试验则以5kPa左右的增量随加荷速率变化.
同时,随着加荷速率的变化,直剪试验的从
2.98.一5.48.一8.67.变化,以3.左右的增量随加荷
速率变化.而试样的拉拨试验力学性能指标随
着加荷速率的增加,从8.86.一7.52.一6.78.变化,
以一1.左右的增量变化.由c,的变化可知,
直剪试验随着加荷速率的增加,相应的c,均
增大.而试样的拉拨试验随着加荷速率的增加,
相应的c值增大,却减小.通过分析可知,直
剪试验中,当加荷速率较小时,颗粒能够有足够
的时间充分进行定向排列,致使土颗粒与土工格
栅之间的嵌固,咬合效应减弱,剪应力峰值强度
较低;而当加荷速率增大时,土颗粒定向排列所
需的时间不充分,相对于较小加荷速率的情况,
?
8?
水运工程
其嵌固,咬合效应较强,从而产生了较大的摩擦
与粘聚力,所以在直剪试验中,C值随着加荷速
率的增大而增大,C试验结果以接近于4kPa左
右的增量随加荷速率变化.而在拉拔试验中,除
了受到类似直剪试验所受到的作用之外,当拉筋
被拉动时,沿筋土界面发生剪切位移,使拉筋周
围的土体产生膨胀,而土体体积的变化又受到周
围没有膨胀的土体的限制,从而导致在筋土界面
上产生附加法向应力,应力集中在土工格栅两端
靠近侧壁处.土的加荷速率越大,相应的附加法
向应力越大,土体的膨胀越明显,嵌固,咬合作
用得到增强,从而产生了更大的黏聚力,拉拔试
验C试验结果以接近于5kPa左右的增量随加荷
速率变化,c增量比直剪试验结果高出了1kPa.
而随加荷速率的增加而变化的现象,可以结合
有效应力原理的进行解释,因为加荷速率的快慢
关系到界面上孔隙水压力的高低,慢速加荷时,
孔隙水压力比快速加荷时更充分地消散,有利于
有效应力的增加及抗剪强度的提高,快速加荷时
结果则恰恰相反.但是,当加大加荷速率时,对
于直剪试验,由于直剪试验体现的是单面相对位
移,界面上孑L隙水压力对的影响不及加大速率
引起的嵌固,咬合效应,表现为随着加荷速率
的增大而增大,以3.左右的增量变化.而在拉拔
试验中,由于拉拔试验体现的是双面相对位移,
界面上孔隙水压力对的影响略大于加大速率引
起的嵌固,咬合效应及附加法向应力,所以拉拔
试验结果反而变小了,但变化量不大,试验结
果仅以一1o左右的增量变化.试验结果变化趋
势的不同体现了界面上孔隙水压力对抗剪强度的
重大影响,同时也体现了直剪与拉拔两种试验机
理的不同.这也说明了加荷速率对加筋黏性土力
学性能指标的影响是很大的,因此,在实际施工
中,当采用黏性土作为回填材料时,应特别注意
控制加荷速率,才能达到更佳的效果.
3结论
试验的加荷速率对加筋黏土的力学性能指标
有重要影响.在该加筋黏土的试验中,直剪试验
表现出比拉拔试验更大的力学性能指标,这主要
是因为两种试验时复合土体接触面的剪应力分布
不同,同时由于拉拔试验中抗拔阻力是逐步发挥
作用而起的.
相同法向应力时,直剪试验随着加荷速率的增
加而明显增大,加荷速率越大,相应的C,也增
大.随着加荷速率从0.53mm/min--q.33mm/min--+
2.67mm/min的增加,其中c以4kPa左右的增量变
化,以3oL右的增量变化.而试样的拉拨试验力
学性能指标随着加荷速率从0.53mm/min一
1.33mm/min--~2.67mm/min的增加,相应的C
值以5kPa左右的增量变化,以一1.左右的增
量变化.试样的拉拨力学性能指标随着加荷速
率的增加,相应的C值增大,却减小.因
此,在工程应用黏性土作为回填材料时,应特
别注意加荷速率对填料力学性能指标的影响.
直剪试验与拉拔试验两种试验的机理不同:
一
种是筋材与土的单面摩擦,剪切位移较小;另
一
种是筋材从土中被拔出,筋材与土产生较大的
相对位移,类似于拉拔试验的结果.土与土工格
栅的单面相对位移,直剪试验较能反映实际;双
面均发生相对位移,则拉拔试验更为合适.
筋材与土相互作用的机理较为复杂,与加荷
速率有密切联系.在工程应用中,应根据工程的
实际条件,通过试验确定力学性能指标参数.
参考文献:
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（1）:
11—14.
（本文编辑郭雪珍）
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