大变形条件下加筋砾砂力学特性研究
王家全 侯森磊 唐毅 孙富轩
摘要：为了研究大变形条件下加筋砂土的变形承载特性，以土工格栅为加筋材料，进行了剪切应变达到25%的不同加筋形式和加筋层数下加筋砾砂三轴试验。对比分析了加筋形式和加筋层数对加筋砾砂试样应力-应变特性及体应变的影响规律。结果表明：加筋能够显著提高砾砂的峰值强度和残余强度，且对砾砂残余强度的提升效果要高于峰值强度;其中环形组合加筋的提升效果最明显，对偏差应力峰值、初始残余强度、极限残余强度的提升效果分别达到77.1%、117.0%、200.5%。加筋能够约束砾砂试样的体积变形，其中环形组合加筋对砾砂试样体积变形的约束能力最强，且能有效抑制大变形条件下砂土剪胀速率增大的趋势。
关 键 词：
加筋土; 三轴试验; 大变形; 残余强度
中图法分类号：
TU411
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.029
加筋土技术因具有施工工序便捷，经济效益高，占地面积小等优势，现已广泛应用于水利工程中[1-2]。
加筋边坡是指在原始边坡表面嵌入高模量筋料如土工格栅、土工织物等加固坡体形成复合边坡。相比于原始边坡，加筋边坡的安全性能得到了显著提升[3]。研究筋-土界面特性是揭示加筋边坡稳定性的一个必不可少的步骤。李飞[4]提出筋-土界面特性主要表现为筋材与土体之间的摩擦阻力能够限制土体扩张，使土颗粒之间存在吸引力，从而提高加筋边坡的稳定性。魏红卫[5-6]认为筋材能够对滑移带相对运动产生一定抑制作用且筋材的抗拉性能对抵抗土体的剪切滑移起关键作用，同时也发现在排水条件下，加筋效果能够更充分发挥，试样的峰值强度和残余强度能够得到明显提高，得到排水条件是影响加筋体强度和稳定性的主要因素的结论。对加筋边坡的破坏模式研究中，李波[7]通过离心模型试验和数值模拟研究了加筋边坡的工作机理及破坏模式，发现加筋边坡破坏位置主要在1/6～1/3边坡高度处。曹延波[8]通过有限元软件分析加筋边坡的渐进性变形破坏模式，发现相比于无筋边坡，在峰值及峰值后残余状态下，加筋边坡后下方的应变较小，剪切带穿过筋材向下发展，能够形成更深的破坏面。介玉新[9]通过离心模型试验进行了不同形式的加筋土边坡破坏形式研究，确定了边坡最易发生局部破坏的位置范围及加筋土边坡裂缝产生原因。蒋薇[10]则基于極限平衡思想，提出了确定加筋土边坡滑裂面的水平条分法，并用数学优化方法确定边坡滑裂面的具体位置和形状。
目前在对加筋边坡破坏失稳的研究中，学者们大多采用的是室内离心模型试验[7，9，11-13]，而常规的三轴压缩试验因其剪切变形量较小，不能有效地反映加筋结构破坏后的残余强度变化规律，故在对加筋结构的失稳后的强度研究中很少使用。常规的加筋形式均为水平平铺加筋，目前仅有部分学者对新型加筋形式展开了初步研究。庄维健[14]率先提出环形加筋的加筋形式，并认为环形筋材能够承担侧向压力，阻断环内的侧向土压力向环外传递。Nie[15]进行了不同直径、高度和层数的环形竖向加筋三轴试验，并指出竖向加筋能有效抑制土体侧向变形，其核心加固效果优于平铺加筋。张孟喜等[16-18]首次提出了H-V（水平-竖向）立体加筋的概念，并进行了立体加筋砂土三轴试验，肯定了立体加筋工程性能的优越性。而在新型加筋形式的研究中对加筋结构的失稳后强度研究却很少。基于此，本文以加筋边坡为工程背景，针对不同加筋形式的加筋试样进行大变形（轴向应变25%）条件下的加筋三轴试验。以工程常用土工格栅为加筋材料，以砾砂为试验土体，进行无筋、平铺、环形、环形组合立体等不同加筋形式的砾砂三轴试验，研究大变形条件下不同加筋形式加筋砾砂强度和变形的变化规律。
1 试验概述
1.1 试验材料
本试验所用土样为柳州本地河砂，经筛分试验，剔除粒径为0.25 mm以下颗粒后，得出该砂的粒径范围为0.25～10.00 mm，不均匀系数Cu=5.38，曲率系数Cc=1.16，可知该土样为级配良好的砾砂，其干密度为1.693 g/cm3。该砾砂的级配曲线如图1所示，实物如图2所示。考虑试验的可操作性，选取网孔尺寸20 mm×20 mm的双向塑料土工格栅作为加筋筋材，具体参数如表1所列。
1.2 试验设备
试验所用仪器为英国GDS仪器设备有限公司生产的DYNTTS-电机控制式动态三轴测试系统。该系统兼容所有静三轴测试系统的测试功能，选用GDS三轴测试系统的标准三轴试验模块进行试验。该三轴测试系统的轴向冲程为±50 mm，最大围压/反压为2 MPa，轴向荷载最大可加载至10 kN，能进行试样直径为50，100，150 mm的三轴试验。考虑到试样要达到25%的剪切应变，选取直径100 mm试样。
1.3 试验方案
为了研究大变形条件下不同加筋形式和加筋层数的加筋砾砂强度和变形的变化规律，共设置5组工况。其中针对加筋形式对加筋砾砂强度和变形的影响，设计了无筋、单层平铺、单层环形、单层环形组合立体加筋等4种不同加筋形式的工况。同时为了研究大变形条件下加筋层数对加筋砾砂强度和变形的影响，增设双层环形组合立体加筋工况。每组试验均为固结排水三轴试验，围压为50 kPa。当轴向应变达到25%时，认为试样达到停机标准，停止剪切。各加筋形式如图3所示（通过细铁丝在格栅横肋处进行绑扎，制成环形筋材，环形筋材高度h=25 mm;环形组合立体加筋方式中平铺筋材和环形筋材没有进行连接）。
将砾砂烘干，用干砂制成直径100 mm高200 mm的圆柱形试样。每组试样质量2 800 g，分5层击实装样，控制每一层击实次数为30次、砾砂质量为560 g，从而保证每组试样的密实程度保持一致。制样完毕，待压力室通满水后，进行CO2和水头饱和，当孔隙水压力系数B大于0.95时，试样饱和完毕。然后对试样进行等向固结，当反压体积不再变化时，则认为试样已经固结完毕。固结完成后进入剪切阶段，控制剪切速率为0.02 mm/min，当轴向剪切应变达到25%时，停止试验。
2 试验结果分析
2.1 加筋形式对砾砂力学特性影响
2.1.1 砾砂承载特性分析
围压50 kPa下不同加筋形式砾砂试样的应力应变曲线如图4所示。不同加筋形式下的砾砂试样的应力-应变曲线呈应变软化趋势。砂体承受的偏差应力峰值随加筋形式的改变而改变。与无筋砂土相比，加筋砂土的偏差应力峰值得到明显的提升。这是因为在加筋砂土中，筋材限制了砂土的侧向变形，相当于增加了一个等效围压，或者说使加筋砂土具有了准凝聚力[19-20]，从而提高了砂体的强度。
如图4所示，试样的偏差应力在达到峰值后开始下降，且在大变形条件下，加筋试样的偏差应力会出现小幅度的上升，在应力应变曲线中部出现一个谷值。这是因为当试样达到峰值后，试样内部开始出现剪切带，在轴向荷载作用下，砂体颗粒滑动、错位，不能形成有效的持力结构，砂体承受的偏差应力数值开始减少。由于筋材对土体剪切滑移带相对运动的抵抗，对土体产生了约束作用，使土体颗粒在滑动、错位中更易重组成新的相对稳定持力结构，使砂体承受的偏差应力值不在下降，甚至继续增大。已有学者发现加筋能够改变土体的剪切破裂面长度，能增大土体剪切破裂面总体摩擦力[6]，提高残余强度。
本文将砂体偏差应力到达谷值后的的状态视为砂体进入了残余状态。由于未在无筋试样的应力应变曲线中部发现谷值，但在轴向应变为 15%左右时其应力-应变关系曲线明显趋缓，故将轴向应变大于15%的状态视为无筋砂体进入了残余状态。将刚进入残余状态时的应力定义为初始残余强度，将残余状态内的偏差应力最值定义为极限残余强度。各工况的残余强度及所对应的轴向应变详如表2所列。
由表2可知：相比于无筋试样，平铺加筋试样的偏差应力峰值提高了22.0%，初始残余强度提高了26.2%，极限残余强度提高了76.5%。环形加筋分别提高了44.3%，63.4%，142.2%，环形组合立体加筋对各强度的提升效果最大，为77.1%，117.0%，200.5%。由此可看出：加筋能够明显提高试样的峰值强度及残余强度，对土体残余强度的提升效果要高于峰值强度，且加筋能有效抑制土体峰值后强度的衰减。这是因为筋材的约束作用需要一定的变形积累才能充分发挥。比较各工况下峰值强度与初始残余强度之间的应力差值，发现无筋试样强度降低了46.1%，平铺加筋试样降低了44.3%，环形加筋则为39.0%，环形组合加筋试样的降低幅度为34.0%，其中环形组合加筋的降低幅度最小，相当于无筋试样强度丧失程度的74%。
结合图4和表2发现：在进入残余状态后，无筋试样应力值持续减小，而平铺加筋试样则持续增加。环形加筋试样在轴向应变为24.3%时达到峰值，环形组合加筋则在轴向应变22.8%处达到峰值。试验结果表明环形组合加筋有助于砂土在残余状态中快速形成新的有效持力结构，提高结构的使用性能。
因此在高陡坡或其他易产生滑坡的边坡工程中，使用环形组合加筋边坡能够更有效地提高边坡的承载能力，增强边坡稳定性，同时能够在滑坡产生时，快速形成新的稳定状态，减小滑坡的破坏性。
2.1.2 砾砂变形特性分析
不同加筋形式加筋砾砂体应变和轴向应变关系曲线如图5所示。
（1） 不同加筋形式砾砂试样除了在试验前期由于轴向应力导致砾砂孔隙减少，发生小幅体缩现象外，随后均出现明显的体胀现象。这种剪胀性是由于剪应力使砾砂颗粒产生位移，颗粒之间发生翻滚、滑移，使其排列发生变化，加大了颗粒间的孔隙，从而发生体积膨胀。
（2） 砾砂加筋后体应变减小。这是由于筋材对砂土的约束作用限制了砂土的侧向变形，使得加筋粗粒土获得了一定的准凝聚力，因此土体的抗剪强度增强，体积变形减少。
（3） 环形加筋砾砂的体应变要小于平铺加筋，而环形组合加筋砾砂的体应变最小。相较于平铺加筋和环形加筋，环形组合加筋对砾砂的约束能力更强，能更好地限制砾砂体积变形。
（4） 不同加筋形式的砾砂试样在剪胀阶段均表现为前期剪胀速率较大，中期剪胀速率降低，曲线走势变缓。在剪胀后期，无筋试样在轴向应变19%处剪胀速率突然增大，曲线由平缓转为向上翘起，平铺加筋与环形加筋试样的体应变曲线在轴向应变21%处翘起，而环形组合加筋则在轴向应变24%处才出现上翘趋势。曲线出现上翘的原因为大变形下，试样结构失稳，砂体颗粒之间的咬合及摩擦作用逐渐衰退，砂体径向膨胀的速度加快，剪胀速率增大。由此也可体现出环形组合加筋约束砾砂变形能力的优越性。
因此，使用环形组合加筋边坡能更加有效地減小边坡失稳时的变形，提高边坡延性，降低边坡失稳造成的损害。
2.2 加筋层数对砾砂力学特性影响分析
2.2.1 砾砂承载特性分析
围压50 kPa下不同层数的环形组合加筋砾砂试样的应力应变曲线如图6所示。由图6可以看出：在相同围压下，不同加筋层数砾砂试样应力-应变曲线走势规律与加筋形式变化所呈现的规律相似，但在双层组合立体加筋应力应变曲线中，偏差应力在第二个峰值后出现了骤降后再上升的现象。这是由于在试样承载过程中，底部的2层组合立体加筋结构中的平铺筋材发生断裂，导致试样内部持力结构破坏，承载力降低。筋材破坏后，在轴向荷载作用下，砾砂试样内颗粒滑动、错位，重组成新的相对稳定持力结构，偏差应力开始继续增大。不同加筋层数下各工况的残余强度及所对应的轴向应变详见表3。
由表3可看出：随着加筋层数的增加，试样的强度得到明显的增大。相比于无筋试样，单层环形组合立体加筋试样的偏差应力峰值提高了77.1%，初始残余强度提高了117.0%，极限残余强度提高200.5%。双层环形组合立体加筋则分别提高了142.0%，236.0%，326.7%。同时，比较不同加筋层数下试样偏差应力峰值强度与初始残余强度之间的应力差值，发现无筋试样强度降低了46.1%，单层环形组合立体加筋试样降低了34.0%，双层环形组合加筋试样的降低幅度仅为25.2%。随着加筋层数的增加，试样的强度丧失现象得到明显的抑制。
2.2.2 砾砂变形特性分析
围压50 kPa下不同加筋层数的加筋砾砂体应变和轴向应变关系曲线如图7所示。从图7可以发现，不同加筋层数的加筋砾砂体应变变化规律与不同加筋形式的加筋砾砂体应变变化规律一致，均为前期发生剪缩，然后发生剪胀。且双层环形组合立体加筋试样与单层环形组合立体加筋试样的体应变曲线的间隔远小于单层环形组合立体加筋试样与无筋试样的间距，即随着加筋层数的增加，加筋对体应变的约束作用增量减弱。这可用筋材的间接加固作用来解释[21]。筋材会对筋土界面以外一定范围的土体产生间接加固作用，即“间接影响带”。加筋层数的增加，不同层筋材之间的间接影响带相互叠加、相互作用，影响间接加固作用的发挥，造成加筋对体应变的约束作用的增量减弱。
图8为达到剪切变形25%的单层环形组合立体加筋试样与双层环形组合立体加筋试样。加筋试样都出现了加筋区下方膨胀，加筋位置处缩颈的现象。这是由于环形组合立体加筋结构是由下部的平铺格栅和上部的环形格栅组合而成，相比平铺格栅，环形格栅对土体的约束能力更强，因此膨胀位置都出现在加筋区下方。而平铺格栅约束了格栅周围颗粒的运动，因此会出现缩颈现象。图9为双层环形组合立体加筋试样2层加筋区的平铺格栅和环形格栅。试验结束后发现，平铺格栅已经破坏，破坏形式为沿格栅对角线发生节点处格栅肋断裂。而环形格栅虽有径向的变形，但未发生破坏。这也体现了环形筋材的径向抗拉性能要优于平铺筋材。
3 结 论
本文通过进行大变形条件下不同加筋形式的加筋砾砂三轴试验，研究了大变形条件下不同加筋形式对加筋砾砂承载和变形特性的影响，主要结论如下。
（1） 加筋能够明显提高砾砂试样峰值强度及残余强度，环形组合加筋的提升效果最明显，对偏差应力峰值、初始残余强度、极限残余强度的提升效果分别为77.1%，117.0%，200.5%，且加筋对砾砂残余强度的提升效果要高于峰值强度。
（2） 加筋能有效抑制砾砂峰值后强度的衰减，且环形组合加筋的强度衰减幅度最小，仅为无筋试样强度衰减程度的74%。
（3） 环形组合加筋有助于砾砂在残余状态中快速形成新的有效持力结构，提高结构的性能。
（4） 加筋能够明显限制砾砂试样体积变形，其中环形组合加筋形式约束砾砂变形的能力最强，能有效抑制大变形条件下砾砂剪胀速率增大的趋势。
（5） 试样的力学性能随着加筋层数的增加而增强，且随着试样形变程度的增大，平铺格栅先于环形格栅破坏。
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（编辑：郑 毅）
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