不同土工合成材料与再生混凝土骨料界面动剪切特性研究

吴建奇， 李 磊， 王 军

(1.江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000；3.温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325035)

废旧混凝土的再生利用是响应国家可持续发展的基本战略，所以就如何使废旧混凝土在实际工程领域高效利用的问题成为现阶段研究重点之一。国外许多学者对废旧混凝土直剪特性进行了研究，Arulrajah等[1]发现建筑垃圾中的废旧混凝土具有较高的抗剪强度，可在加筋结构中作为填料使用。Poon等[2-3]发现C&D中的再生混凝土骨料(RCA)在实际工程中是良好的替代材料。而土工格栅作为加筋垫层材料在路基工程、支护挡墙工程中应用较为广泛[4-5]，且加筋界面的相互作用对实际工程的安全及稳定性有显著影响[6]。赵雨朦等[7]分析不同格栅数量和格栅分布方式对加筋土界面力学特性的影响，抗剪强度与节点厚度及相对开孔面积正相关，与肋条的长度宽度负相关。Ybriancon等[8]用一种称为“标准位移程序”的新方法对描述斜面确定土工合成材料界面摩擦角的方法进行改进。黄大维等[9]用高炉渣改良填料进行大型直剪试验分析发现法向应力小于150 kPa时黏聚力很小,法向应力大于150 kPa时表现出较好的黏聚力。Arulrajah等[10]通过使用改进的大型直剪仪研究了RCA与土工合成材料的界面抗剪性能。研究表明改进的直剪试验装置下土工格栅加筋混凝土与界面抗剪强度高于常规试验方法，且在不同加筋填料中RCA的抗剪强度最高。

但在实际工程，有些加筋土结构通常会受到地震、交通荷载、机械引起的震动等动力作用的影响，因此研究者对筋土界面作用特性的研究不再局限于静载作用，开始关注循环荷载等动力作用的影响。Vieira等[11]通过单调直剪试验和循环直剪试验，对应力控制与位移控制下砂土与土工织物界面剪切试验结果进行了对比分析，研究发现位移控制循环直剪试验的剪切刚度和阻尼比稍高。刘飞禹等[12-14]对不同剪切速率、填料密实度、循环剪切幅值等因素下筋土界面的剪切特性进行了研究，研究表明剪切速率对循环剪切后的筋土界面剪切特性有较大影响，对单调直剪的筋土界面的剪切特性影响不大。密实度对循环剪切后的筋-土界面剪切特性影响显著，密实度越大，剪缩量越小。王军等[15]对不同颗粒级配砂土-格栅进行了界面静，动剪切特性对比研究，研究表明颗粒级配良好的筋土界面抗剪强度最大，循环剪切后砂土的筋土界面抗剪强度显著提高，界面似黏聚力减小，内摩擦角增加。

综上所述，RCA的研究主要集中在材料本身的直剪特性，且研究都在静力试验方面。关于不同土工合成材料对RCA-加筋界面的静力与动力特性的影响还未见报道。为更好了解不同土工合成材料对RCA-加筋界面的静、动力特性的影响，采用室内大型直剪仪，对RCA与不同土工合成加筋种类进行了不同剪切幅值条件下的单调直剪试验、循环剪切试验和循环剪切后单调直剪试验，探讨了不同土工合成材料，不同剪切幅值对RCA与筋材界面静、动力特性的影响，为工程应用提供科学依据。

1 试验设备与材料选取

1.1 试验设备

本次试验研究所用设备为美国Geocomp公司制造的ShearTrac III室内大型直剪仪，直剪仪的上盒及下盒的尺寸大小及设备内部构造如图1(a)所示,加载波形如图1(b)所示。下剪切盒在剪切方向上的长度较上剪切盒长，采取此不同直剪盒大小是保障剪切面积不变的同时以避免剪切面积减小而产生的试验影响。剪切位移运行范围为0～100 mm，可调控的最大剪切速率为15 mm/min。试验数据由机载软件实时自动读取,记录储存并生成相关图表。

(a) 直剪仪内部构造详图

(b) 循环剪切加载波形图图1 室内大型直剪仪(mm)Fig.1 Large-scale direct shear apparatus(mm)

1.2 试验材料

本次试验所用的废旧混凝土通过人工翻捡的方式取自茶山镇附近的拆迁现场，将废旧混凝土运至试验场地风干，初步的筛选之后进一步使用破碎机进行破碎，以减小废旧混凝土的颗粒尺寸增大其均匀程度。根据JTJF10—2006《公路路基施工技术规范》[16]，将破碎后的废旧混凝土进行筛分，并取4.75～26.5 mm作为试验样本，简称再生混凝土骨料(RCA)。根据GBT 20123—1999《土工试验方法标准》[17]，将不同粒径区间的RCA按一定比例配制成级配良好的材料S1，RCA的级配曲线如图3所示，物理参数见图3。试验所用土工合成材料如图4所示，包括5种不同种类的土工合成材料，筋材的技术指标见表1。

2 试验方案

本次试验分别进行了在不同法向应力(60 kPa、90 kPa、120 kPa)，剪切幅值(5、10、15 mm)条件下，针对RCA与5种不同土工合成材料界面进行单调直剪(MDS)，循环剪切(CDS)和后循环单调直剪(PCDS)试验，如表2所示。根据JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》和刘博等[18]的研究来看,设定各组试验的剪切速率设定为1 mm/min。为减少RCA与剪切盒壁之间的摩擦影响，试验前在盒壁四周涂凡士林。试验材料RCA的密实度控制是一个关键点。根据相对密实度Dr的分类标准，选取90%密实度的RCA试样进行研究。由于直剪盒的体积不变，所以可以通过控制装入直剪盒内的RCA的质量来控制，采用分层装填法来控制填料密实度。将总质量一定的试样分5层(每层2 cm)，控制每层填入相同质量的RCA，并用普式锤夯实至标定高度，就可使每次试验具有同样的密实度。土工合成材料通过下剪切盒前后的钢板、螺栓等固定在装好填料的下剪切盒上。

图2 试验所用RCA试样Fig.2 RCA specimens for testing

(a) PG

(b) FG

(c) WK

(d) WG

(e) GT图4 试验用土工合成材料Fig.4 Geosynthetics for testing

表1 土工合成材料的技术指标

表2 试验方案

3 试验结果及分析

3.1 循环剪切试验结果及分析

图5在法向应力90 kPa、剪切幅值15 mm、剪切速率为1 mm/min的循环剪切试验条件下5种不同加筋界面剪应力-剪切位移关系曲线，RCA作为对比组。由图可以看出，在循环剪切过程中，5种不同加筋界面的剪应力-剪切位移滞回曲线随循环剪切圈数的增加由内逐渐向外扩大，表现出明显的界面剪切硬化现象，并且在同一循环圈数下，5种加筋界面在初始剪切方向上的峰值抗剪强度大于相反方向上的峰值抗剪强度。这表明不同土工合成材料与RCA的界面循环特性在不同剪切方向上是不同的，这种现象可能与初始剪切过程中RCA的各向异性有关。在CDS的试验中，最后一个循环滞回圈中5种加筋界面与RCA界面的界面抗剪强度从大到小依次为PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、RCA、WG-RCA界面，其值大小依次为294.5 kPa、265.4 kPa、242.4 kPa、222.5 kPa、211.7 kPa、199.6 kPa。分析原因可能为PG、GT、FG、WK等加筋材料在循环剪切过程中发生明显的颗粒-孔径互锁，加筋材料的横肋提供了良好的“被动阻力”作用，显著加强了筋土界面的抗剪强度，而WG的加入阻碍了颗粒与颗粒的互锁，且没有格栅横肋的“被动阻力”作用，导致加筋效果不明显。

图5 不同土工合成材料与RCA界面剪应力-剪切位移曲线Fig.5 Shear stress-shear displacement curve at the interface between different geosynthetics-RCA interface

图6为法向应力90 kPa下5种不同加筋界面的界面剪切位移与竖向位移关系曲线，RCA作为对照组。由图6可知，5种加筋界面在CDS试验中表现出明显的剪缩现象，在每次循环周期中，RCA、PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA界面的剪缩与剪胀现象交替出现，在前期循环圈数下，界面剪缩量非常明显，随后在后后期的循环剪切作用下，5种加筋界面的剪缩量的增长速率在逐渐降低。5种加筋界面的剪缩量比RCA界面的剪缩量都明显减小，表明土工合成材料的加入能明显改善RCA界面的剪切变形，且PG-RCA界面改善效果最好。5种加筋界面与RCA界面在CDS试验中界面竖向位移与循环圈数的关系曲线如图7所示。由图7可知，RCA、PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA界面的界面最大收缩值(λC)依次为14.62、10.57、13.79、12.94、12.89、11.63 mm。加筋材料之所以能改善RCA的剪切变形的直接原因就是能很好的限制RCA自由运动，减小爬坡效应。

3.2 循环剪切作用对加筋界面的剪切刚度与阻尼比的影响

土的剪切动态响应通常由割线剪切模量和阻尼比来表示，Desai等[19]对该方法进行了修改，使其适用于砂和混凝土界面。本试验用相似方法对5种不同加筋界面与RCA界面循环响应进行表征。引入割线剪切刚度与阻尼比的概念[20]，定义剪切刚度K值为

(1)

(2)

式中:D1，D2分别为第一个和第二个半周期的阻尼比;A为滞回圈围起来的总面积;A1，A2为图8中定义的面积。

利用式(1)与(2)得到了5种加筋界面与RCA界面的剪切刚度和阻尼比，5种加筋界面与RCA界面的剪切刚度和阻尼比随循环次数的变化规律如图9所示。RCA界面的剪切刚度随循环次数的增加数值变化不大，而5种不同加筋界面的界面剪切刚度随循环次数的增加而呈现出整体上升趋势，界面剪切刚度有升有降，可能原因是由于RCA的破损与颗粒的重新排列所导致界面抗剪强度的变化有关。比较5种加筋的界面剪切刚度可知，剪切硬化程度大小依次为PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、RCA界面。对于阻尼比而言，它通常随循环次数的增加而逐渐减小。如图9(b)所示，从PG-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA、GT-RCA 5种加筋界面测得的第1圈与第10圈的界面阻尼比之差的大小分别为0.016、0.038、0.037、0.22、0.049、0.02。5种加筋界面的阻尼比整体趋势减小，相比于RCA界面，5种加筋界面的阻尼比大小变化更加明显，最大的为WG-RCA界面，其次是PG-RCA界面，最小的为GT-RCA界面。产生此现象的原因为CDS试验中加剧了RCA颗粒的剪碎与重排，而土工合成材料中格栅横肋提供的“被动阻力”作用更加明显，从而导致5种加筋界面的阻尼比相较于RCA界面变化更明显。

图6 不同土工合成材料与RCA剪切位移-竖向位移曲线Fig.6 Shear displacement-vertical displacement curves of different geosynthetics-RCA interface

3.3 循环剪切幅值对RCA加筋界面的影响

图10显示了不同循环剪切幅值(Δa)下CDS试验中PG-RCA界面的剪切位移-剪应力关系图，PCDS试验中Δa值为5、10、15 mm的界面峰值剪应力分别为241.9 kPa、270.6 kPa、316.27 kPa。试验结果表明，幅值从5 mm增加到15 mm，PG-RCA界面的PCDS阶段的界面峰值剪应力随剪切位移幅值的增大而增大。同时还表明当Δa值越大时，PCDS阶段的界面峰值剪应力出现在越大的剪切位移处。图11显示了CDS试验中Δa值为5、10、15 mm的剪切位移-竖向位移关系曲线，由图11可知，对于每个Δa值，PG-RCA界面在CDS试验中表现出整体收缩的现象，并且在每个循环直剪中收缩和膨胀交替出现，并且当Δa值越大，收缩与膨胀交替程度更加明显。当Δa值为5、10、15 mm时，CDS试验阶段中PG-RCA界面的整体收缩量为8.53 mm、9.46 mm、10.57 mm，收缩量随循环剪切幅值增大时增幅分别为18.6%，22.2%。这意味着CDS试验作用引起的收缩量随Δa值增加而显著增大。这种现象的可能原因为当Δa值越大时，RCA的磨损与啃断效应更加明显。

(a)

(b)

图10 不同循环剪切幅值下PG-RCA界面剪应力-剪切位移曲线Fig.10 Shear stress displacement curves of PG-RCA interface under different cyclic shear amplitudes

图11 不同循环剪切幅值下PG-RCA界面剪切位移-竖向位移曲线Fig.11 Shear displacement-vertical displacement curve of PG-RCA interface under different cyclic shear amplitude

3.4 循环剪切历史对RCA加筋界面的影响

图12 MDS和PCDS试验剪切应力-剪切位移曲线的比较Fig.12 Comparison of the MDS and the PCDS tests for the shear stress-shear displacement curves

图13 MDS和PCDS试验中不同土工合成材料与不同法向应力对c和θ的影响Fig.13 Influence of different geosynthetics on c and θ in MDS and PCDS tests under various normal stresses

表3 MDS与PCDS测试的界面似黏聚力和摩擦角比较结果Tab.3 Comparison of the MDS and PCDS tests for the interface apparent adhesion and for the friction angle

4 结 论

(1) 在CDS试验中，5种不同加筋界面均明显出现循环剪切硬化现象，基于不同加筋界面的剪切刚度值，界面硬化程度从大到小依次为PG-RCA、GT-RCA、FG-RCA、WK-RCA、WG-RCA界面。5种加筋界面的界面剪切刚度随循环次数的增加而逐渐增大，阻尼比随循环次数的增加而整体趋势减小。在循环剪切初期，5种加筋界面的剪缩量增加明显，随着循环次数增加剪缩量的增长速率在逐渐降低。土工合成材料的加入能明显改善RCA界面的剪切变形，且PG材料改善效果最好。

(2) 在CDS试验中，从循环剪切幅值因素影响来看，当Δa值逐渐增大时，PG-RCA界面在PCDS阶段的界面峰值剪应力随Δa值的增大而增大。CDS试验阶段中PG-RCA界面表现出整体收缩的现象，每个循环圈中收缩和膨胀交替出现，Δa值越大收缩与膨胀交替程度更加明显，并且PG-RCA界面在CDS试验作用引起的收缩量随Δa值的增大而显著增加。

(3) 在MDS与PCDS试验阶段中，5种不同加筋界面均出现明显的峰后剪切软化的现象，PCDS试验中的软化现象比MDS试验更加明显，且达到峰值剪应力所需的剪切位移更小，且PG-RCA界面最为明显。对比PCDS和MDS试验结果，5种加筋界面的峰值、残余似黏聚力与内摩擦角在循环剪切作用后均增大。