不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土界面剪切特性

熊 勃 童艳光 何江荟

（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）

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[5-8]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[12-13]。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[16-19]，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

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 mm×25 mm、35 mm×35 mm、45 mm×45 mm），分别在竖向应力为30 kPa、60 kPa、90 kPa 的条件下以三种剪切速率（0.5 mm/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25±5 mm，即密实度为87%。试验参数见表3。

表3 直剪试验方案

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2.5～6 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 mm×35 mm的格栅剪切应力峰值最大，45 mm×45 mm 孔径格栅的剪切应力峰值大于25 mm×25 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。

图3 三维立体格栅筋土界面剪切应力-剪切位移曲线

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φ。试验中界面似黏聚力和内摩擦角值如表4 所示。

表4 三维立体土工格栅筋土界面似黏聚力和内摩擦角

图4 三维立体土工格栅筋土界面峰值剪应力包络曲线图

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 mm×35 mm 孔径格栅的筋土界面似黏聚力相比于25 mm×25 mm 格栅减小了31.01%，45 mm×45 mm 孔径格栅的筋土界面似黏聚力相比于35 mm×35 mm 格栅减小了58.26%。孔径为35 mm×35 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 mm×45 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又缓慢上升的规律。表5 为45 mm×45 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。

表5 45 mm×45 mm 孔径立体格栅在不同剪切速率下峰值剪应力比较

图5 立体格栅在不同剪切速率下剪切应力-剪切位移曲线

2.3 竖向应力对筋土界面剪切特性的影响

图6 为25 mm×25 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。

图6 三维立体格栅的剪切应力-剪切位移曲线

表6 为25 mm×25 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%。

表6 25 mm×25 mm 孔径立体格栅在不同竖向应力下峰值剪应力比较

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。

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 mm×35 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。