筋材在加筋土不同受力阶段作用机理的试验研究

雷胜友

（长安大学公路学院，西安710064）

筋材在加筋土不同受力阶段作用机理的试验研究

雷胜友

（长安大学公路学院，西安710064）

为了探讨加筋材料在土样的击实、固结和剪切阶段对土体强度增加的影响，进行了加筋土、素土和2种损伤土的三轴剪切试验，在试验中按累积递增次序分别考虑加筋材料参与土样的击实、固结和剪切过程，结果表明：加筋材料对土体强度增加的贡献主要在土体的固结阶段，剪切阶段贡献比较小，击实阶段没有贡献。因此，要提高加筋土的强度，应该在土的固结和剪切阶段对加筋材料采取相应的措施。

加筋土；素土；损伤土；击实；固结；剪切

加筋土结构因具有许多优点而风靡全球，出现了大量加筋土形式的结构，如加筋土的地基、大坝、桥台、挡墙等土工构筑物，同时对加筋土强度的研究也非常多，集中表现在室内研究，尤以加筋土三轴试验研究居多，其中加筋土试样中筋材可分为成层布置［1－5］、立体布置［6］以及混合布置［7］。以上研究均表明土体加筋后强度显著提高，在强度参数上表现为内摩擦角基本保持不变，而粘聚力有显著提高。但谢婉丽［8］和王勇，舒子亨［9］的试验结果却与此相反，即加筋土的强度比素土的强度低。因此，有必要探究加筋是否会造成土体强度的降低及其原因是什么？

笔者认为，要研究以上问题，首先得研究加筋材料在加筋土的形成和受力变形过程所起的作用。因为加筋土与素土的区别仅仅是前者有加筋材料的存在，也即在加筋土的形成、固结和剪切过程中有加筋材料的参与，因此只有将加筋材料在各个阶段对土体强度的影响通过试验的方法定量地确定下来，才能认识加筋材料对土体强度增强的贡献。为此，本文着重考虑加筋材料的隔离夹层影响，并在损伤土样的制作和试验方法上做较多的改进，进行加筋土作用机理的三轴试验研究，旨在探索加筋材料在各个阶段所起的作用，为进一步揭示加筋土作用机理提供试验方面的支持。

1 试验方法与材料

一般加筋土三轴试验所用的试样通常是由分层击实而成试件，如果进行的是固结不排水剪试验，三轴试验又可分为固结和剪切2个阶段，如果能把加筋材料在击实、固结、剪切3个阶段的作用定量地区分开来，就能分析加筋土强度的提高或降低的原因。因此，本文在三轴试验上是这样考虑的，加筋材料的作用分别按以下方式对待，情况一：加筋材料仅仅在土样的击实过程参与，其试样称为损伤土试样1；情况二：加筋材料在土样的击实和三轴固结过程中参与，而在剪切过程中不参与，其试样称为损伤土试样2；情况三：加筋材料在土样击实、三轴固结和剪切过程都参与，其试样称为加筋土试样。

本研究试验用土为西安黄土［10］，采用轻型击实所得的最优含水量Wop＝18．6%，最大干密度ρdmax＝1．70g／cm3。试验用土按最优含水量配土，分层击实成为Ø6．18cm×12．5cm的试样，然后进行的试验为三轴固结不排水剪。试验所用设备为应变控制式三轴仪。加筋材料为涤纶布，比较柔软，厚度为0．007mm，大小同试样直径，按等强度作用水平布置加筋材料，加筋层数取为1～8，分层击实成加筋土试样，其试验过程同素土。

损伤土试样1：将击好的加筋土试样放在三轴仪台座上，将加筋材料去掉，吻合好试样的缝隙，然后进行三轴剪切试验。

损伤土试样2：将加筋土试样在三轴仪上进行等向固结，固结完成后，撤去围压，排出三轴压力室的水，擦干橡皮膜，小心地取出试样，将其中的加筋材料去掉，然后又细心地吻合好试样，再次绑扎好橡皮膜，给三轴压力室加水，使围压恢复到固结时的压力，待固结变形稳定后，进行不排水剪。

损伤土试样的制作和剪切过程如图1所示。

图1 损伤试样的击实、固结、剪切示意图Fig．1The procedure of compaction，consolidation and shear for two kinds of damaged soils

2 试验结果与分析

试验结果如图2和图3所示。

由图2可见，加筋土的应力应变曲线在素土的应力应变曲线之上，而素土的应力应变曲线又在损伤土1的应力应变曲线之上。由于曲线属硬化型，若以轴向应变为15%时所对应的应力值为破坏应力，图1显示其强度的排序为：加筋土的强度最大，素土次之，损伤土1的强度最小。另外，加筋层数为1层时，加筋土应力应变曲线只比素土的提高少许，说明加筋层数为1层时，加筋的效果不显著，相反，由1层筋所形成的损伤土的应力应变曲线却远在素土的应力应变曲线之下，这说明损伤土的强度远比素土的强度低，也说明加筋土的强度是在损伤土强度基础上多以一个增量。

对于加筋层数为2层的情形，损伤土的应力应变曲线虽在素土的应力应变曲线之下，但没有加筋层数是1层的降低的幅度大，这也说明加筋层数是1层的损伤效果好。笔者认为加筋效果好，就意味着损伤效果差，而加筋效果差，就意味着损伤效果好，所以加筋与其给土体带来的损伤，两者有着此消彼长的势态。通常1层的加筋效果不如2层，相应的1层筋的损伤效果就比如2层的显著，这在以往的加筋土文献中都可得到印证。

图3显示：加筋材料在固结阶段是存在的，但在剪切阶段是不存在的，其试验结果却是损伤土的应力应变曲线在素土的应力应变曲线之上，损伤土的强度比素土的强度大，损伤土的强度值介于素土和加筋土之间，这一结果与试验前的设想相反。

虽然加筋材料在剪切阶段没有参与受力和变形，但是加筋材料在土样的固结阶段同土样一起固结变形，由于加筋材料比较柔软，在土样的击实过程中，随着土体的不断击实下沉，加筋材料也随之下沉，但是由于边界效应，中心部位的加筋材料的下沉量大，边缘部分的下沉量小，这样加筋材料在击实好的土样中呈锅底状分布，加之在固结时，施加的是等向围压，这种锅底效应会更明显，这样加筋材料对土体有加强作用，使土体局部密度增加，在土体中又有土拱的形成，使得土体能够承受更大的荷载，因此损伤土2的强度比素土的大。又由于在剪切阶段没有加筋材料的参加，这种锅底效应没有进一步发展，加筋带附近的土体密度不会再增加，土体内的拱也不会进一步向有利于承载力提高的方面发展，所以损伤土2的强度势必会低于加筋土的强度。

结合图2可知：随着剪切变形的增加，加筋材料在土体中形成的拱在进一步发展，并且是有利于土体强度的提高，筋带附近滑移带上土体的密度进一步提高，所有这些都使得土体的整体强度提高，最终表现为加筋土的强度比损伤土2的强度有大的提高。所以在土体的强度排序上是这样的，加筋土的强度最大，损伤土2的强度次之，素土的最小。

结合这试验结果可知，文献［8］的结果主要是在试验中采用了刚度比较大的加筋材料，加之试样又比较小，难于实现加筋的效果，这点在试验中是值得注意。所以在加筋土试验中，还应充分考虑筋土的刚柔比，并体现在加筋土设计中。

图2 损伤土1、素土、加筋土应力应变曲线比较Fig．2The curves of stress－strain of damaged soil＃1，soil and reinforced soil

图3 损伤土2、素土、加筋土应力应变曲线比较Fig．3The curves of stress－strain of damaged soil＃2，soil and reinforced soil

为了定量分析合理比较加筋土、素土、损伤土的强度，减小试验结果的离散性，用素土的强度去除加筋土、损伤土的强度，得归一化强度，然后结合笔者已有的成果［11］得到表1、表2。

从表1可知：加筋土的强度是素土强度的1．0～1．50倍，损伤土的强度是素土强度的0．47～0．92倍、加筋土强度的0．42～0．78倍。加筋土与损伤土的归一化强度之差为0．24～0．71，可见加筋土强度是在损伤土强度的基础上，加上加筋材料提供的约0．24～0．71倍的素土强度。由素土与损伤土1的差值可知，加筋给土体造成的强度损失约为0．072～0．0564倍的素土强度。

由表2可见：加筋土的强度是素土强度的1．1～1．42倍，损伤土的强度是素土强度的1．11～1．16倍；损伤土与加筋土的强度比值为0．78～0．99，因此，加筋材料对土体强度提高的贡献主要在土体固结阶段，而在剪切阶段的贡献仅占0．01～0．22。从绝对值看，固结阶段加筋材料的贡献约为0．107～0．159倍素土强度，剪切阶段加筋材料的贡献仅为0．017～0．31倍素土强度。

表1 素土、损伤土1、加筋土的归一化强度对比Tab．1Normalization strengths of soil，reinforced soil and damaged soil＃1

表2 素土、损伤土2、加筋土的归一化强度对比Tab．2Normalization strengths of soil，reinforced soil and damaged soil＃2

4 结论

本次试验结果表明，加筋材料对土体强度提高的贡献由二部分组成，即加筋材料在固结阶段和在剪切阶段对土体强度提高的贡献；加筋材料仅仅在土样的击实过程参与，土体的强度难于提高。所以要提高加筋土的强度，应该在固结和剪切阶段采取有效的措施。如果进行加筋土的三轴快剪试验，固结和剪切阶段不能区分，各自阶段加筋材料对土体强度提高的贡献难于量化。如何样提高加筋的效果，减少加筋的损伤作用，将是下一步研究的任务。

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［9］王勇，舒子亨．加筋粘性土的应力应变和强度特性的试验研究［C］／／中国土木合成材料工程协会．第五届全国土工合材料学术会议论文集．香港：现代知识出版社，2000：735－738．

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［12］ Muni Budhu．Soil mechanics and foundations［M］．Hoboken：John Wiley ＆ Sons Inc，2007．

Experimental Investigation of the Contributions of Reinforcement to the Strength Increase of Soils in Three Different Phases

LEI Shengyou
（Highway College，Chang＇an University，Xi＇an 710064）

In order to explain that the reinforcement can contribute to the strength increase of soil in the phase of compaction，consolidation and triaxial compaction shear，the author carried out the triaxial tests on the damaged soil，pure soil and reinforced soil，in which there are two kinds of the damaged soil specimens；one of them contains reinforcement only in compaction，another contain reinforcement only in compaction and consolidation．The tests confirmed that the reinforcements contribute more to the strength increase of soil in consolidation，and less in shearing，do not completely in compaction．Some measurements should be done to the reinforcement in the phase of consolidation and shearing so as to increase the strength of soil．

reinforced soil；soil；damaged soil；compaction，consolidation；shear

TU442

A

2009－09－13

国家自然科学基金项目（59479017），陕西省自然科学基金项目（2001C01），地质灾害防治与地质环境保护国家重点试验室开放基金项目（GZ2005－03），陕西省交通科技项目（06－01K）

雷胜友（1965－），教授，博士生导师，从事岩土力学及工程研究；e－mail：rongrong11085310＠sina．com。