土工合成材料加筋的试验研究.pdf

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1、土工合成材料加筋的试验研究吴景海1,2 王德群2 王玲娟2 陈 环1(11 天津大学,21 天津市市政工程研究院)摘 要 以6种不同种类的国产土工合成材料为加筋材料,即针刺无纺土工织物、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅、单向塑料拉伸土工格栅、双向塑料拉伸土工格栅和土工网,进行三轴试验比较各种土工合成材料对砂的加筋效果;进行直剪试验和拉拔试验比较各种土工合成材料与填料(砂和石灰粉煤灰)的界面作用特性,得到一些有益的结论,可指导土工合成材料的优选和研究土工合成材料的加筋机理。关键词 土工合成材料 加筋 三轴试验 直剪试验 拉拔试 验 砂 石灰粉煤灰中图分类号:TU47213+4 文献标识码:

2、A文章编号:1000131X(2002)060093071 引 言加筋土已经有数千年的历史。法国工程师HenriVidal(1965)提出现代加筋土的理论。在美国和法国,从70年代开始将土工合成材料用于加筋土工程,目前已经比较广泛地用于各类加筋土工程中,如挡土墙、陡坡、软基处理等;在国内,从80年代初开始将土工合成材料用于加筋土工程,取得了可喜的成果,但主要用于软基处理。目前土工合成材料加筋机理不是十分清楚,计算方法不成熟,理论研究明显落后于工程实践,需要进一步深入研究。Schlosser和Long(1974)首先用三轴压缩试验研究金属条加筋砂土。后来,国内外许多学者(Broms,1977;M

3、cG own,1978;Gray,1986;Moroto,1992;Atmatzidis,1994;保华富,1999)利用三轴压缩试验研究了土工合成材料加筋砂土和加筋碎石土,加筋材料主要是土工织物,其次是塑料拉伸土工格栅,同时提出了“等效围压原理(Equivalent confining stress con2cept)”和“准粘聚力原理(Pseudo-cohesion con2cept)”。国内外学者主要研究加筋对砂土强度和变形的影响16。在土工合成材料加筋土工程中,土工合成材料与填料的界面作用特性影响加筋土工程的内部稳定性,所以土工合成材料与填料的界面作用特性是关键的技术指标。国外许多学者

4、(Holtz,1977;Myles,1982;Miyamori,1986;0chiai,1992;Bergado,1992;Can2celli,1992;Hausmann,1994;K outsourais,1998)利用直剪试验和拉拔试验研究土工合成材料与填料的界收稿日期:2000212203,收到修改稿日期:20010321面作用特性,填料主要是砂和粘性土,土工合成材料包括有纺土工织物、无纺土工织物、塑料拉伸土工格栅。Hausmann和Clarke(1994)通过直剪试验和拉拔试验对塑料拉伸土工格栅与粉煤灰的界面摩擦特性进行了初步研究815。国内学者(赵爱根等,1987;李海芳等,1990

5、;王吉力等,1992)利用直剪试验和拉拔试验研究国产土工合成材料与填料的界面作用特性,土工合成材料仅限于土工织物16。近5年来国产土工合成材料种类增多,相继出现了单向和双向塑料拉伸土工格栅、经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅和土工网。本文以6种不同种类的国产土工合成材料(土工织物、塑料拉伸土工格栅、经编土工格栅、玻纤土工格栅和土工网)为加筋材料,以砂和石灰粉煤灰为填料,进行三轴压缩试验比较不同种类土工合成材料对砂土的加筋效果;进行直剪试验和拉拔试验比较不同种类土工合成材料与填料的界面摩擦特性,得到一些有益的结论,可指导土工合成材料的优选和研究加筋机理。2 试验仪器、材料和试验方法211 试验仪器三

6、轴试验采用从美国引进的材料试验系统(Ma2terials Testing System,简称MTS),试验过程控制和数据采集全由计算机完成。三轴试样尺寸为 15218mm200mm,最大轴向荷载为98kN。直剪试验装置:剪切盒尺寸为150mm150mm;垂直加荷利用杠杆系统;水平加荷利用蜗杆加手轮。拉拔试验装置:试验箱尺寸为500mm240mm300mm(长 宽 高);垂直加荷利用油压千斤顶配 第35卷第6期土 木 工 程 学 报Vol135No162002年12月CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNALDec.2002 1994-2009 China Academic J

7、ournal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/量力环;水平加荷利用机械千斤顶配压力传感器。212 试验材料试验采用6种不同种类的国产土工合成材料,分别是针刺无纺土工织物、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅、单向塑料拉伸土工格栅、双向塑料拉伸土工格栅和土工网。技术指标见表1。采用干粗砂和石灰粉煤灰两种填料。砂的技术指标见表2;粉煤灰为天津市军粮城电厂的粉煤灰,石灰、粉煤灰和石灰粉煤灰混合料的技术指标见表3。从表3可以知道,石灰粉煤灰比一般粘性土轻约25%,石灰粉煤灰作为填料既有利于减少软土地基的沉降,也有利于减小土压

8、力。213 试样制备三轴压缩试验中,制备砂样的干密度d=1166gcm3。将土工合成材料剪成圆盘形,直径为150mm,沿水平方向铺设在砂样的中间位置。直剪试验和拉拔试验中,制备砂样的干密度d=1166gcm3,制 备 石 灰 粉 煤 灰 的 干 密 度d=1114gcm3,分层夯实。214 试验方法三轴试验采用应变控制式,加荷速率为1mmmin(1mm为015%轴向应变),剪切过程中关闭排水阀,剪切到峰值后或达到15%轴向应变为止。直剪试验采用应变控制方式,剪 切 速率为015mmmin,上、下盒均为填料。土工合成材料放在上、下盒之间。上盒不动,下盒动。拉拔试验采用应变控制方式,拉 拔 速率为

9、110mmmin。表1 土工合成材料的技术指标无 纺土工织物经 编土工格栅玻璃纤维土工格栅单向塑料拉伸土工格栅双向塑料拉伸土工格栅土工网规 格TGS2GG B1012TG DG25TGSG25CE131原 材 料丙纶涤纶纤维玻璃纤维聚乙烯聚丙烯聚乙烯刺破强度(kN)0143CBR顶破强度(kN)2105单位面积质量(gm2)398560643293415673极限抗拉强度(kNm)13175512401337151911914纵极限延伸率(%)7814231611981933122916向2%延伸率抗拉强度(kNm)01591810106151115%延伸率抗拉强度(kNm)015171825

10、191212313极限抗拉强度(kNm)1011521662142010511横极限延伸率(%)10617271321715124411向2%延伸率抗拉强度(kNm)01591559175111115%延伸率抗拉强度(kNm)01513111015118网孔尺寸(mm)25252525405020表2 砂的技术指标颗 粒 组 成2015001500125012501100110限 制 粒 径(mm)d60d50d30d10名 称CuCc62%25%9%4%01770162014301203181120粗 砂表3 石灰粉煤灰的技术指标石 灰CaOMgO粉 煤 灰烧失量Fe2O3Al2O3SiO2

11、石 灰 粉 煤 灰(不养生)配合比(石灰 粉煤灰)最佳含水量wop最大干密度dmax(gcm3)压实度施工控制干密度(gcm3)33111%17121%3195%7180%28182%49143%192410%112790%111449土 木 工 程 学 报2002年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3 三轴压缩试验7选用砂为填料,分别用土工织物、双向土工格栅、经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅和土工网五种土工合成材料加筋进行三轴压缩试验。311 加筋对砂土

12、抗剪强度的影响在加筋砂土中,土工合成材料加筋限制砂土的侧向变形,相当于增加了周围压力,使加筋砂土具有了准粘聚力,因而目前对土工合成材料加筋机理有两种等价的解释,分别为:(1)等效围压原理:(1)Rf=(3+3)Kp(1)3=FH(2)(2)准粘聚力原理:(1)Rf=(3)Kp+2cRKp(3)cR=FKp2H(4)cR=3Kp2(5)式中 3为等效周围压力;(1)Rf为加筋砂土破坏时的大主应力;3为周围压力;Kp=tan2(45+2)为被动土压力系数;为纯砂的摩擦角;cR为准粘聚力;F为加筋砂土破坏时,加筋沿径向单位宽度的拉力;H为加筋的间距。表4 加筋效果的比较纯砂无纺土工织物经编土工格栅玻

13、璃纤维土工格栅双向土工格栅土工网(峰值)土工网(残余)摩擦角()4516431950135018481447124415粘聚力cR(kPa)0611035172918291331132319相关系数R2019954 019927 019995019959019978 019998 019948F=2H(Kp)12cR(kNm)1014512341234154194103 由于加筋砂土与纯砂的摩擦角不同,仅相差10%左右,故作为近似估算。从表4可以发现:(1)加筋砂土仍符合MohrCoulomb抗剪强度理论;(2)无纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角基本相同;(3)经

14、编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土的摩擦角比纯砂的摩擦角大1110%左右;(4)除无纺土工织物加筋砂土的纵向截距较大和土工网(残余强度)的纵向截距较小外,其它土工合成材料加筋砂土的纵向截距比较接近;(5)加筋砂土破坏时,除无纺土工织物加筋的拉力较大外,其它土工合成材料加筋的拉力相近。对上述试验结果进一步分析如下:(1)无纺土工织物加筋沿径向均匀伸长;双向土工格栅加筋的纵、横向筋条被拉长;土工网加筋形成两条互相垂直宽的串“糖葫芦”式拉伸破坏带,加筋在试验中不被拉断和滑动,加筋砂土的破坏由砂土破坏控制,因此加筋仅增加砂土的粘聚力分量,而不改变砂土的摩擦分量。经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋的纵

15、、横向筋条在结点处相对摩擦滑动,加筋砂土的破坏由加筋的结点抗剪强度控制,因此加筋既改变砂土的摩擦分量,又增加砂土的粘聚力分量。(2)经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅的结点的连接相对太弱,导致筋条的抗拉强度远没有充分发挥,即加筋砂土的强度与筋条的极限抗拉强度无关,由筋条的结点抗剪强度所决定,所以国产经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅需要提高结点的连接强度,以便充分发挥筋条的抗拉强度。(3)在加筋砂土中,砂土会限制土工合成材料的侧向收缩,阻止土工合成材料的“颈缩”,导致土工合成材料的抗拉模量增加,故无纺土工织物、双向土工格栅和土工网加筋发挥的拉力较大于无约束拉伸试验延伸率相应的拉力是合理的。在加筋砂土中

16、,砂土对各种土工合成材料侧向收缩的约束作用程度有差异,对易于“颈缩”的土工合成材料(如无纺土工织物和土工网)侧向收缩的约束作用显著。加筋土工程中需要考虑填料对土工合成材料侧向收缩的约束作用。312 加筋对砂土应力与应变特性的影响为了更好地评价土工合成材料加筋砂土对强度和变形的影响,引入两个评价土工合成材料加筋效果系数R和R。R=(1-3)Rf(1-3)f(6)R=R1f1f(7)式中 R为强度加筋效果系数;(1-3)Rf为加筋砂土破坏强度的主应力差;(1-3)f为纯砂破坏强度的主应力差;R为轴向应变加筋效果系数;R1f为加筋砂土破坏强度对应的轴向应变;1f为纯砂破坏强度对应的轴向应变。从图1可

17、见:在不同周围压力下,各种土工合成材料的强度加筋效果系数均大于110,说明土工合成材料加筋可以提高砂土的抗剪强度。强度加筋效果系数从高到低对应的土工合成材料依次为:玻璃纤维土工格栅,经编土工格栅,无纺土工织物,土工网(峰值强度)与双向土工格栅,土工网(残余强度)。土59 第35卷 第6期吴景海等 土工合成材料加筋的试验研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/11 纯砂;21 土工织物加筋砂土;31 经编土工格栅加筋砂土;41 玻璃纤维土工格栅加筋砂土;51

18、 双向土工格栅加筋砂土;61 土工网加筋砂土图1 轴向应变与主应力差的关系曲线工网(峰值强度)和双向土工格栅的强度加筋效果系数基本相同。随着周围压力逐渐增大,土工合成材料的强度加筋效果系数R逐渐减小,这是由于周围压力较低时,砂土剪胀,侧向变形较强,土工合成材料加筋限制砂土侧向变形的作用较强,因而强度加筋效果系数R较大;周围压力较高时,砂土的侧向变形较弱,土工合成材料加筋限制砂土侧向变形的作用较弱,因而强度加筋效果系数R较小。玻璃纤维土工格栅、土工网(峰值强度)的轴向应变加筋效果系数R均为110,加筋没有改变破坏强度对应的轴向应变。无纺土工织物、经编土工格栅,双向土工格栅和土工网(残余强度)的变

19、形加筋效果系数R均大于110,说明加筋砂土比纯砂破坏强度对应的轴向应变大。当轴向应变较小(1%)时,加筋砂土与纯砂的应力与应变关系曲线很接近;随着轴向应变的逐渐增大,加筋砂土与纯砂的应力与应变关系曲线距离逐渐加大,说明土工合成材料加筋作用只有当轴向应变较大时才比较明显;当轴向应变继续增大时,各种土工合成材料加筋砂土的应力与应变关系曲线的变化趋势是不一致的。关于加筋土工合成材料选型的讨论:无纺土工织物加筋,既可以提高砂土的破坏强度,又可以改善砂土的延性。随着轴向应变逐渐增加,无纺土工织物加筋砂土的强度逐渐增大,认为无纺土工织物适合用于允许大变形的加筋土工程,如无纺土工织物加筋砂垫层处理软土地基。

20、玻璃纤维土工格栅加筋,可以大幅度提高砂土的破坏强度,但不能改善砂土的延性,属于脆性破坏,认为玻璃纤维土工格栅适合用于对变形有严格限制的加筋土工程,如防治沥青混凝土路面的反射裂缝,设计时需要较大的安全系数。土工网加筋,可以提高砂土的峰值强度,但加筋砂土的残余强度与纯砂的峰值强度相差较小,并且不能提高砂土达到峰值强度对应的轴向应变,认为土工网适用低等级的加筋土工程。经编土工格栅和双向土工格栅加筋,可以提高砂土的破坏强度,随着轴向应变逐渐增加,加筋砂土的强度逐渐趋向稳定,也可以改善砂土的延性,认为经编土工格栅和双向土工格栅均适合用于对变形有较严格要求的加筋土工程,如加筋土挡墙和加筋土桥台。4 直剪试

21、验17选用砂和石灰粉煤灰为填料,分别与土工织物、双向土工格栅、经编土工格栅和土工网四种土工合成材料进行直剪试验。69土 木 工 程 学 报2002年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图2 剪应力与法向应力的关系曲线(直剪试验)表5 土工合成材料的直剪系数填 料:砂砂土 工织 物双向土工格栅经 编土工格栅土工网填 料:石灰粉煤灰石 灰粉煤灰土工织物双 向土工格栅经 编土工格栅土工网摩擦角,()43133810411741153815401638133315

22、37184010粘聚力,c(kPa)2115515191615191911回归系数,R2019595019509019859019708019798019894019825019981019971019965直剪系数,Cds01830194019401840192017701901100直剪系数的计算公式如下:Cds=tansg ss(8)式中 Cds为直剪系数;sg为土工合成材料与填料的界面摩擦角;ss为填料的摩擦角。从图2和表5可以发现:(1)石灰粉煤灰的抗剪强度较高,摩擦角高达4016,相当于中、粗砂,此外石灰粉煤灰存在长期硬化现象,抗剪强度还会有所提高;(2)直剪系数的变化范围为017

23、71100;(3)石灰粉煤灰与砂的直剪系数几乎相同(4)各种土工合成材料的直剪系数相差很小。土工合成材料的直剪系数一般低于1100,即土工合成材料与填料的界面摩擦角低于填料的摩擦角,土工合成材料与填料之间的界面是软弱滑动面,所以土工合成材料加筋土工程需要演算沿土工合成材料平面的抗滑稳定性。5 拉拔试验17同样选用砂和石灰粉煤灰为填料,分别与土工织物、单向土工格栅、双向土工格栅、经编土工格栅和土工网五种土工合成材料进行拉拔试验。拉拔系数的计算公式如下:Cpo=tansg ss(9)式中 Cpo为拉拔系数;sg为土工合成材料与填料的界面摩擦角;ss为填料的摩擦角。图3 剪应力与法向应力的关系曲线(

24、拉拔试验)79 第35卷 第6期吴景海等 土工合成材料加筋的试验研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表6 土工合成材料的拉拔系数填 料:砂土 工织 物单 向土工格栅双 向土工格栅经 编土工格栅土工网填 料:石灰粉煤灰土 工织 物单 向土工格栅双 向土工格栅经 编土工格栅土工网摩擦角,()91614131913221991716172419251536112214粘聚力,c(kPa)02120119910165711631257102413600196回

25、归系数,R2019994019691019418019831019087019994019893019790019822019869拉拔系数,Cpo0118012701370145011801350154015601850148砂的c、值:=4313;c=0kPa石灰粉煤灰的c、值:=4016;c=2115kPa从图3和表6可以发现:(1)砂作为填料时拉拔系数的变化范围为01180145,石灰粉煤灰作为填料时拉拔系数的变化范围为01350185;(2)石灰粉煤灰比砂的拉拔系数相对偏高50%150%;(3)拉拔系数从高到低排序为经编土工格栅最高,塑料拉伸土工格栅次之,土工网较低,土工织物最低;(

26、4)粘聚力分量均相当小,并且不稳定,所以计算锚固长度时可以忽略不计。土工合成材料的拉拔强度由两部分组成:(1)土工合成材料表面与填料摩擦力;(2)填料对土工合成材料横格的部分被动土压力。土工织物仅存在第一部分;其它土工合成材料两部分均存在,由于其它土工合成材料表面与填料的接触面积太小,所以第二部分起控制作用。对上述试验结果进一步分析讨论如下:(1)由于石灰粉煤灰比砂的颗粒细,比表面积较大,石灰粉煤灰与土工合成材料接触面积较大,并且压实后石灰粉煤灰以团粒存在,团粒比砂粒变位困难,即石灰粉煤灰比砂对土工合成材料嵌固作用大,所以石灰粉煤灰比砂的拉拔系数较大;(2)土工织物仅存在土工织物表面与填料的摩

27、擦作用,不存在填料被动土压力部分,并且被动土压力部分对拉拔强度起控制作用,尽管土工织物表面与填料的接触面积最大,最终土工织物的拉拔系数还是最低。土工网的侧向约束较弱,产生的被动土压力太小,导致土工网的拉拔系数较低。塑料拉伸土工格栅的肋条刚度较大,侧向约束较强,产生的被动土压力较大,所以塑料拉伸土工格栅的拉拔系数较高。经编土工格栅的网孔最小,侧向约束作用最强,产生的被动土压力最大,并且表面接触面积最大和表面粗糙,所以经编土工格栅的拉拔系数最高;(3)经编土工格栅和塑料拉伸格栅的拉拔系数较高,并且它们的抗拉强度高、延伸率低,所以对变形有严格要求的加筋土工程,如加筋土挡墙和加筋土桥台,优先采用经编土

28、工格栅和塑料拉伸土工格栅;(4)由于不同填料、各种土工合成材料的拉拔系数相差较大,所以具体加筋土工程的拉拔系数需要通过拉拔试验确定。7 结 论(1)无纺土工织物适合用于允许大变形的加筋土工程;经编土工格栅和塑料拉伸土工格栅均适用于对变形有较严格要求的加筋土工程;玻璃纤维土工格栅适合用于对变形有严格限制的加筋工程,设计时需要较大的安全系数;土工网适用低等级的加筋土工程。(2)土工合成材料加筋砂土具有准粘聚力,加筋砂土仍符合MohrCoulomb抗剪强度理论。无纺土工织物、双向塑料拉伸土工格栅和土工网加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦角基本相同;经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土的摩擦角与纯砂的摩擦

29、角不同。(3)无纺土工织物、双向塑料拉伸土工格栅和土工网加筋砂土的破坏由砂土破坏控制;经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅加筋砂土破坏由加筋纵、横向筋条结点的抗剪强度控制。目前国产经编土工格栅和玻璃纤维土工格栅需要提高结点的连接强度。(4)加筋土工程中需要考虑填料对土工合成材料侧向收缩的约束作用。(5)石灰粉煤灰不但自重较轻,而且抗剪强度较高,并且石灰粉煤灰比砂的拉拔系数相对偏高一倍左右,因此石灰粉煤灰是理想的土工合成材料加筋土工程的填料。(6)加筋土工程需要演算沿土工合成材料平面的抗滑稳定性。为了安全起见,推荐直剪系数采用01700180。(7)土工合成材料的拉拔系数从高到低排序为经编土工格栅最高

30、,塑料拉伸土工格栅次之,土工网较低,土工织物最低。具体加筋土工程采用的拉拔系数需要通过拉拔试验确定。89土 木 工 程 学 报2002年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/参 考 文 献1 Broms B B,Chanddrasekaran B,Wong K S.Fabric reinforcedretaining walls A.Proc:Int Symposium on Application ofGeosynthe tic Technology C,

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38、PERIMENTAL STUDY ON GEOSYNTHETIC REINFORCEMENTWu Jinghai1,2Wang Dequn2Wang Lingjuan2Chen Huan1(11Tianjin University;21Tianjin Municipal Engineering Research Institute)AbstractA test on the geosynthetic reinforcement is carried out in the paper.An attempt is made to study the interaction betweensand,

39、lime fly ash,and geosynthetics.The triaxial compression tests are made for the sand reinforced bygeosynthetics.Com2prehensive investigations into the interaction are also made between sand,lime fly ash and geosynthetics by the direct shear,and pull out tests.Based on the test results,some useful con

40、clusions are obtained;it is helpful to choose a preferable type ofgeosynthetics.Key Words:geosynthetics,reinforcement,triaxial compression test,direct shear test,pull out test,sand,lime fly ash吴景海 高级工程师。1993年获天津大学岩土工程硕士学位,现为天津大学的博士研究生。曾从事过结构工程的设计、工程地质勘察,现主要从事软土地基处理、土工合成材料的工程应用和科研工作。通讯地址:300074 天津市河西区平山道39号 天津市市政工程研究院王德群 学士,工程师。王玲娟 学士,助理工程师。陈 环 教授。99 第35卷 第6期吴景海等 土工合成材料加筋的试验研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/