颗粒粒径对立体格栅网–砂界面剪切特性影响.pdf
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1、土木工程DOI:10.15961/j.jsuese.202200143颗粒粒径对立体格栅网砂界面剪切特性影响童艳光1,刘文召2,刘飞禹3*,武文静3,蔡增姣4,张亿凯2(1.广州环保投资集团有限公司,广东 广州 510330;2.中国建筑一局(集团)有限公司广州分公司,广东 广州 510000;3.上海大学 力学与工程科学学院,上海 200444;4.广州环投花城环保能源有限公司,广东 广州 510830)摘要:传统平面格栅限制土体侧向位移的能力较弱,而立体格栅网在传统平面格栅基础上增强了横肋与土体的侧阻力作用,有助于增强加筋土结构中筋土界面的相互作用,提高加筋土结构抗变形能力和整体稳定性。为
2、了研究网孔尺寸和颗粒粒径对立体格栅网石英砂界面剪切特性的影响,通过3D打印技术制作不同网孔尺寸和不同增强型横肋数量的立体格栅网,利用室内大型直剪仪进行一系列单调直剪试验。试验分析了颗粒粒径、格栅网孔开口率和增强型横肋数量变化时界面的似黏聚力、摩擦角及剪切强度系数的变化规律;基于试验,建立了界面剪胀系数模型,定量分析了颗粒平均粒径和格栅网孔开口率对立体格栅网砂界面剪胀特性的影响。结果表明:当颗粒粒径增大,界面似黏聚力最大提高了65.53%,摩擦角最大提高了7.85%,表明颗粒粒径对立体格栅网砂界面的似黏聚力影响更明显,对摩擦角的影响较小。当竖向应力从20增大至60 kPa,不同立体格栅网砂界面最
3、大剪胀角降幅为38.1%60.8%,表明界面最大剪胀角随竖向应力的增加而逐渐降低。当颗粒粒径较大、格栅网孔开口率较小时,界面的剪胀量较大;剪切强度系数随粒径的增大而增加,增幅最高可达8.76%,表明立体格栅网与粒径较大的填料之间具有更好的互锁作用。关键词:颗粒粒径;立体格栅网;筋土界面;剪切特性;网孔尺寸;剪胀系数中图分类号:U416.2文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)04-0153-09Effect of Particle Size on Shear Characteristics of Three-dimensional GeogridSand InterfaceTO
4、NG Yanguang1,LIU Wenzhao2,LIU Feiyu3*,WU Wenjing3,CAI Zengjiao4,ZHANG Yikai2(1.Guangzhou Environmental Protection Investment Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510330,China;2.China Construction First Building(Group)Co.,Ltd.,Guangzhou Branch,Guangzhou 510000,China;3.School of Mechanics and Eng.Sci.,Shanghai Un
5、iv.,Shanghai 200444,China;4.GZEPI Huacheng Environmental Protection Energy Co.,Ltd.,Guangzhou 510830,China)Abstract:Based on the traditional planar grid,the lateral resistance between transverse ribs and soil is enhanced by the vertical grid,which ishelpful to enhance the interface interaction betwe
6、en reinforcement and soil,and improve the anti-deformation ability and overall stability of thereinforced soil structure.To analyze the effect of mesh size and particle size on the shear characteristics of the three-dimensional geogrid-quartzsand interface,a series of monotonic direct shear tests we
7、re carried out with three-dimensional geogrids with different mesh sizes fabricated by 3Dprinting technology.The effects of particle size,normal stresses,the percent open area of geogrid on the friction angle,dilatancy angle,and inter-face shear strength coefficient were analyzed.The interface dilat
8、ancy coefficient model was established,and the effects of the average particle sizeand the percent open area of geogrid were quantitatively analyzed on the three-dimensional geogrid-sand interface dilatancy.The results show thatwith the increase of particle size,the maximum apparent cohesive force i
9、ncreases by 65.53%and the maximum friction angle increases by 7.85%,indicating that particle size has a more obvious effect on the apparent cohesive force of geogrid-sand interface,but has little effect on the friction收稿日期:2022 02 14基金项目:国家自然科学基金项目(51678352)作者简介:童艳光(1968),男,高级工程师.研究方向:岩土勘察设计、监测检测及地质
10、灾害评估治理等;岩土工程治理.E-mail:tyg-*通信作者:刘飞禹,教授,E-mail:网络出版时间:2022 09 16 11:23:55 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 4 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.42023 年 7 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESJuly 2023angle.With the increase of normal stress from 20 kPa to 60 kPa,the maximum dilatancy angle decreases by 38.1%60.8%,
11、respectively,indicat-ing that the maximum dilatancy angle decreases gradually with the increase of the normal stress.It is found that,as the increase of particle size,ordecrease of the percent open area of geogrid,the shear dilatancy increases obviously.The shear strength coefficient is with the inc
12、reasing ofparticle size,the increase was as high as 8.76%,indicating that the coarse particle has a better reinforcement effect with three-dimensionalgeogrid.Key words:particle sizes;three-dimensional geogrid;reinforced soil interface;shear properties;mesh size;dilatancy coefficient 为进一步提高土体抵抗侧向变形的能
13、力,通常在公路桥台、挡土墙、软基处理及路堤等工程中加入土工格栅,依靠格栅与土体之间的摩擦和互锁作用,达到提高构筑物稳定性的目的13。其中,筋土界面是加筋土结构失稳破坏不可忽视的潜在破坏面,其强度参数是加筋土结构设计和施工的重要指标,近年来备受学术界的关注。Biabani等4分析了不同类型土工合成材料、相对密实度等因素对筋土界面剪切特性的影响,发现三轴格栅加筋效果优于双轴格栅。Vangla等5通过直剪试验和电镜扫描研究发现颗粒粒径影响筋土界面极限摩擦角,中等粒径下筋土界面抗剪强度最高。Sweta等6研究了不同剪切速率、竖向应力、格栅孔洞形状与尺寸下界面抗剪强度及其参数和颗粒破碎特征。Arulra
14、jah等7研究发现土工格栅加筋能有效提高再生混凝土的抗剪强度。王家全等8研究了土工格栅横肋和竖向应力对筋土界面拉拔阻力和似摩擦系数的影响,发现有完整横肋的格栅拉拔阻力强。刘飞禹910和Liu1112等研究了颗粒形状、剪切幅值及循环应力历史等因素对筋土界面相互作用机理的影响。此外,关于填料粒径对筋土界面剪切特性的影响逐步被一些学者关注到。Kim等13评估了颗粒粒径对土工格栅加固粗粒土剪切行为的影响,认为刚性土工格栅加固土体的黏聚力大于柔性格栅加固土体的黏聚力。Tavakoli等14发现界面剪切强度随填料平均粒径和相对密度的增大而增加。Han等15探究了颗粒粒径与格栅孔径之间的相互作用机理,发现当
15、双向和三向土工格栅的孔粒比(格栅孔径和颗粒平均粒径之比)分别在1.301.71和1.081.43范围内时,可实现有效的互锁作用。Wang等1617针对颗粒尺寸效应及孔粒比对界面循环剪切特性的影响展开了研究。然而,以往关于筋土界面剪切特性的影响研究均以传统平面土工格栅展开。为了进一步提高界面的相互作用,张孟喜等18通过在平面筋材上粘贴和焊接竖筋得到HV筋材,并分析了其加筋效果。Makkar19、Mosallanezhad20、Isik21等通过在传统格栅上粘贴、绑扎或拼接竖向构件构成3维立体增强格栅进行研究,发现相较于普通格栅,立体格栅的加筋效果有了很大程度的提升;但该立体筋材的制作工艺复杂,且
16、整体性较差,难以在实际工程中应用。近年来,3D打印技术已逐渐被应用于土木工程中,相关研究包含3D打印混凝土22、岩石节理23、砂土颗粒材料24及应用于加筋土工程领域的土工合成材料2526。例如:Stathas等25利用3D打印技术制作了小型土工格栅模型,研究其几何形状和在工作条件下的拉伸特性,使小型模型试验更能代表现场工况;Fowmes等26研究了3种快速成型技术对土工膜加固效果的影响,并对土工膜表面微凸体的间距和高度对界面剪切强度的影响进行了研究;刘飞禹等27研究不同肋厚的3D打印立体格栅网的剪切特性,并提出立体格栅网的被动抗侧阻力计算公式。综上所述,关于颗粒粒径对筋土界面剪切行为和体变响应
17、的研究主要以传统平面土工格栅展开,砂土与立体格栅相互作用的研究还未见报道。本文利用3D打印技术制作不同网孔尺寸、增强型横肋数量的立体土工格栅,通过室内大型直剪仪对立体格栅网砂界面的直剪特性进行了一系列研究,探讨颗粒尺寸效应和格栅网孔尺寸对筋土界面剪切强度、剪胀特性等剪切特性的影响。1 筋土界面试验 1.1 试验设备在外荷载作用下,加筋土边坡存在潜在破裂面,在斜坡底部附近可能会发生土体与筋材相对滑动,通过直剪试验可以更好地表征两种材料之间的相互作用。试验设备为大型直剪仪,如图1所示,仪器已在文献9中详细介绍。控制器位移传感器测力传感器反力架上剪切盒下剪切盒螺栓数据采集终端图 1大型直剪仪Fig.
18、1Large scale direct shear apparatus 154工程科学与技术第 55 卷立体格栅网通过PMAX T1000型3D打印机制备。该仪器主要采用熔融沉积技术实现3维实体模型的成型,打印精度为0.1 mm,可支持PLA、ABS、PHA、TPU、碳纤维等多种材料的制作。试验打印材料选择热塑性良好的PLA;填充方式选择45交叉填充,填充率为100%。1.2 试验材料及方案为增强土工格栅横肋对土体的侧阻力作用,在传统平面格栅基础上对横肋进行加强处理,形成具有增强型横肋的立体格栅网(图2),相关参数见表1。试验中设定立体格栅网横、纵肋宽度及纵肋厚度均为5 mm,增强型横肋厚度为
19、15 mm。增强型横肋仅铺设在剪切面长度范围内,以保证剪切过程中下剪切盒的正常移动。试验填料选择石英砂粗粒土。为了更直观地研究颗粒尺寸效应对立体格栅网砂界面剪切特性的影响,采用3种不同粒径范围的砂土试样:S1(12 mm)、S2(24 mm)和S3(48 mm),如图3所示。各组石英砂粗粒土试样的颗粒级配曲线如图4所示,基本物理指标见表2。试验主要研究不同竖向应力下3种不同粒径的砂土(S1S3)和7种不同网孔尺寸的立体格栅网(G1G7)的界面剪切特性。试验水平剪切速率为1.0 min/mm,试验总组数为21组。通过3D打印技术制作一定规格的立体格栅网,分析其与不同颗粒粒径试样的剪切特性,研究该
20、特性对加筋土稳定性的影响。3D打印技术能够精确制造结构形式多样、满足试验研究需求的小批量土工格栅模型,对3D打印的立体格栅网加筋土结构的推广和应用有促进作用。2 试验结果及分析 2.1 颗粒粒径对界面剪切特性的影响图5(a)(c)分别为立体格栅网G2与不同粒径的石英砂(S1、S2、S3)在20、40、60 kPa的竖向应力作用下界面的应力剪切位移曲线。表 1立体格栅网参数Tab.1 Parameters of three-dimensional geogrids 立体格栅网编号网孔尺寸/(mmmm)增强型横肋数量n增强型横肋厚度/mm格栅网孔开口率/%G13417111567.4G234347
21、1576.3G3345151579.3G4346841580.0G5173471570.1G6513471578.6G7683471581.0 表 2砂土试样的物理性质参数Tab.2 Physical property parameters of sand samples 试样编号颗粒粒径/mm最大孔隙比emax最小孔隙比emin相对密度Gs不均匀系数Cu曲率系数Cc有效粒径d10中值粒径d30平均粒径d50限定粒径d60S11.291.551.442.110.710.562.6281.640.924S22.402.672.823.450.760.582.6161.440.922S34.985
22、.375.756.300.780.552.6201.260.929 增强型横肋(b)立体格栅网模型(a)传统平面土工格栅模型图 2传统土工格栅和立体格栅网对比Fig.2Comparison between conventional geogrid andthree-dimensional geogrid S1(12 mm)S2(24 mm)S3(48 mm)图 3不同颗粒粒径的砂土试样Fig.3Sand samples with different particle sizes 0.1020406080100 S1 S2 S3颗粒粒径/mm小于某粒径的颗粒质量百分数/%100.010.01.0
23、图 4颗粒级配曲线Fig.4Grain size distribution curves of sand samples 第 4 期童艳光,等:颗粒粒径对立体格栅网砂界面剪切特性影响155由图5可知,G2S1、G2S2、G2S3界面的应力剪切位移曲线表现出相似的趋势,剪应力的变化经历快速增长、应力回落及剪切硬化3个阶段。剪切初期,剪应力快速增长并迅速达到峰值。峰值剪应力随颗粒粒径的增大有较大程度的增长,对应的剪切位移也有一定程度增加。颗粒粒径较大时,更有利于填料与立体格栅网形成良好的互锁作用,导致界面相互剪切力更大。具体地,相较于粒径较小的G2S1界面,竖向应力40 kPa下,G2S2、G2S
24、3界面的峰值剪应力分别提高了20.15%和51.73%。剪应力在峰值后均出现了明显的回落现象,紧接着有一个短暂的屈服状态;粒径越大,屈服状态对应的剪应力及剪切位移均有一定程度增加。剪切中后期,界面剪应力呈应变硬化特征。这是由于立体格栅网在剪切初期无法充分体现加筋效果,增强型横肋需相对较大的剪切位移才能完全发挥其被动阻抗作用28。竖向应力40kPa下,G2S1、G2S2、G2S3界面剪切硬化开始时,对应的剪切位移随颗粒粒径的增大而逐步增加,分别为15、22和27 mm,表明颗粒粒径是影响立体格栅网中横肋被动侧阻力发挥的重要因素。竖向应力由20增加至60 kPa时,G2S3界面破坏剪应力由45.0
25、6kPa上升至83.94 kPa,表明更高的应力水平会使得颗粒间的孔隙率变小,平均接触数增大,反映在宏观现象上就是颗粒更加致密,粒间咬合能力增强,从而使得界面的剪切阻力增大29。2.2 颗粒粒径对体变特性的影响图6为G2S1、G2S2、G2S3界面的最大剪胀量与竖向应力和颗粒粒径的关系曲线。最大剪胀量随着竖向应力的增加而减小,随着颗粒粒径的增大而增大。在竖向应力为20 kPa时,3种平均粒径时的最大剪胀量分别为2.255、4.109、5.194 mm。剪胀特性除了与格栅和颗粒间的互锁作用有关30,还可能与剪切过程中土颗粒需要克服颗粒间的咬合作用,攀爬、翻越立体格栅网的增强型横肋有关。对于粒径较
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