竹筋加筋土筋土界面摩擦特性試驗(yàn)研究

周 治 民

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

竹筋加筋土筋土界面摩擦特性試驗(yàn)研究

周 治 民

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010)

針對(duì)臨時(shí)工程使用后復(fù)耕問題，將竹筋作為筋材應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)，并通過筋土界面摩擦試驗(yàn)對(duì)竹筋加筋土界面特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在相同條件下，加筋土界面特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于素土，竹筋加筋土的界面強(qiáng)度稍高于土工格柵加筋土；竹筋的間距對(duì)加筋土界面強(qiáng)度的影響較大；作用于竹筋加筋土的壓力大小直接影響加筋土的加筋效果。

臨時(shí)工程，竹筋，加筋土，界面摩擦

0 引言

在土木工程建設(shè)中，加筋土技術(shù)因能有效地增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，提高土體的強(qiáng)度和剛度而被廣泛應(yīng)用于地基處理、邊坡、路基加固等方面[1]。我國工程建設(shè)使用的筋材大多為土工格柵，但在一些臨時(shí)工程中，土地一般要求使用過后復(fù)耕，而回收土工格柵會(huì)大大提高工程造價(jià)[2]。

我國竹資源豐富，且其力學(xué)性能好，環(huán)保，可再生，將竹筋作為筋材應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)中具有重要的意義。對(duì)于加筋土結(jié)構(gòu)，筋—土界面處的摩擦特性是影響加筋土強(qiáng)度的重要因素[3-5]。目前國內(nèi)外對(duì)竹筋加筋土技術(shù)的研究較少，在工程設(shè)計(jì)和施工方面也沒有得出統(tǒng)一的界面摩擦參數(shù)指標(biāo)[2]，因而對(duì)竹筋加筋土界面摩擦特性的研究勢在必行。

竹筋的間距及作用其上的豎向壓力對(duì)竹筋加筋土界面摩擦特性的影響很大，故本文主要從竹筋編制方式、不同范圍豎向壓力兩個(gè)方面對(duì)竹筋加筋土的粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行測試。為了驗(yàn)證竹筋加筋土的適用性，試驗(yàn)中同時(shí)選用土工格柵進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料

1.1 路基填料

路基填料為細(xì)粒土，棕黃色，其主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 路基填料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 竹筋

竹筋選用四川本地資源較為豐富的斑竹。由于竹材的基本密度、順紋抗拉強(qiáng)度、徑向和弦向抗彎強(qiáng)度等隨竹齡的增加而增加[6]，5年～6年生竹子達(dá)最大值，干縮性隨竹齡增加逐漸減少。因此，項(xiàng)目選用5年～6年生，胸高直徑50 mm 以上，竹壁厚度4 mm以上的毛竹，人工加工成寬50 mm，厚4 mm～5 mm條狀，并分別按照間距為40 mm，20 mm和10 mm用直徑為4 mm的8號(hào)鐵絲進(jìn)行綁扎，如圖1所示。

1.3 土工格柵

土工格柵選用雙向塑料土工格柵(GSL20/PE)(見圖2)，其基本性能指標(biāo)見表2。

表2 土工格柵基本性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

竹筋加筋土的界面摩擦特性試驗(yàn)在巖土力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)中進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備條件，試樣尺寸為500 mm×500 mm，豎向可提供50 t載荷，水平向可提供50 t推力。

試驗(yàn)時(shí)，將土樣加水，調(diào)至最優(yōu)含水率附近，將土樣分三層裝入剪切盒內(nèi)并人工壓實(shí)(壓實(shí)度不小于95%)，水平加載采用應(yīng)變控制，按1.8 mm/min等速率施加荷載于下盒，水平位移采用電子位移計(jì)量測。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同筋材加筋土

為了更好地驗(yàn)證竹筋加筋土的界面摩擦特性，分別測試了竹筋加筋土(間距10 mm)、土工格柵加筋土和素土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并進(jìn)行了對(duì)比分析，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表3數(shù)據(jù)可以看出同一豎向壓力作用下，加筋土的抗剪強(qiáng)度明顯高于素土。主要原因在于土體剪切過程中，加筋土依靠筋材與土體的界面摩擦作用有效地提高了其界面摩擦指標(biāo)；另外網(wǎng)格狀的筋材形式在一定程度限制上下土體的側(cè)向變形，增強(qiáng)了土體的整體性，從而提高了土體的強(qiáng)度。通過對(duì)比同一豎向壓力作用下，水平抗力的大小可以得出：竹筋加筋土的力學(xué)性能要優(yōu)于土工格柵加筋土。其原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是竹筋具有抗拉強(qiáng)度高，彈性模量大，變形量小的優(yōu)點(diǎn)，從而有效地?cái)U(kuò)散土體的應(yīng)力、增加土體模量，限制土體側(cè)向變形。更重要的方面是由于竹筋凹槽和竹節(jié)的存在，使材料表面與土體(填料)的接觸不僅僅是摩擦，還有竹片側(cè)面以及竹節(jié)(竹竿節(jié)隔)的咬合與嵌固作用，使加筋土整體的抗剪強(qiáng)度得到了大大地提高。

3.2 不同間距竹筋加筋土

筋材的間距在一定程度上會(huì)影響竹筋加筋土的界面強(qiáng)度。所以本次試驗(yàn)選用間距為40 mm，20 mm和10 mm三種不同編制形式的竹筋，在同一壓力區(qū)段上，分別測試竹筋加筋土界面摩擦強(qiáng)度并得出相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同間距竹筋加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

從表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同豎向壓力作用下，竹筋間距為10 mm的加筋土的抗剪強(qiáng)度最高，竹筋間距為40 mm的加筋土的抗剪強(qiáng)度最低。這說明對(duì)于相同面積的三種竹筋，其中編制竹條間距越小，越密實(shí)的竹筋所對(duì)應(yīng)的加筋土界面強(qiáng)度更高，力學(xué)性質(zhì)更好。其原因主要跟竹筋凹槽的咬合和嵌固作用有著直接的關(guān)系。在相同面積下，竹筋間距越小，橫縱方向上所用的竹條就越多。試驗(yàn)時(shí)，在一個(gè)方向上凹槽與土體的作用面積增大，有效地提高了筋土界面的摩擦力。所以選用密實(shí)的竹筋有利于提高加筋土的強(qiáng)度。

與此同時(shí)，通過表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，隨著豎向壓力的增大，水平抗力的增長幅度有所提高。為此，研究豎向壓力對(duì)竹筋加筋土界面強(qiáng)度的影響很有必要。

3.3 不同壓力差竹筋加筋土

本次試驗(yàn)分別測試了間距為10 mm的竹筋加筋土在不同豎向壓力區(qū)段作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同壓力差下竹筋加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

從表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，竹筋加筋土在高壓力作用下，內(nèi)摩擦角增大而粘聚力有所降低。在實(shí)際工程中豎向荷載一般很大，根據(jù)庫侖定律可知，相比于粘聚力的增加，內(nèi)摩擦角的提高更

能很大幅度地改善土體的強(qiáng)度。所以竹筋加筋土表現(xiàn)的這一界面特性對(duì)應(yīng)用于實(shí)際有著重要的作用。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于豎向壓力的增大使得竹筋更好地嵌入土體內(nèi)，其凹槽的咬合和嵌固作用就體現(xiàn)地更充分(見圖3)。

4 結(jié)語

1)在土料、試驗(yàn)條件和周圍環(huán)境相同的情況下，加筋土的界面強(qiáng)度明顯高于素土。對(duì)于加筋土來說，竹筋加筋土的界面強(qiáng)度稍高于土工格柵加筋土；

2)在豎向壓力作用范圍相同的情況下，竹筋的間距對(duì)加筋土的界面強(qiáng)度影響較大。間距越小，其界面強(qiáng)度越高；

3)作用于竹筋加筋土的壓力很大程度上影響著加筋土的界面強(qiáng)度。隨著其上作用壓力的增大，竹筋加筋土的嵌固力和咬合力提高，從而有效地提高了竹筋加筋土的整體強(qiáng)度；

4)竹筋資源豐富，綠色環(huán)保，在使用年限較短的臨時(shí)工程中用以加筋，不但可以有效提高土體工程特性，且對(duì)于土地使用過后的復(fù)耕問題不會(huì)產(chǎn)生影響，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義；

5)由于試驗(yàn)條件和時(shí)間的限制，僅以個(gè)別狀態(tài)為例進(jìn)行試驗(yàn)，存在一定誤差，有待于進(jìn)一步研究。

[1] 何光春,周世良.加筋土技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2001,23(5):11-15.

[2] 張玲玲，文 華.川渝地區(qū)鉆前工程公路加筋土處治技術(shù)研究報(bào)告[R].綿陽：西南科技大學(xué)，2012.

[3] 陳云勇.加筋土筋土界面特性試驗(yàn)研究[J].公路交通技術(shù)，2010(1):8-11.

[4] 楊廣慶,李廣信,張保儉.土工格柵界面摩擦特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006,27(8):948-952.

[5] 楊廣慶，隋傳毅.土工格柵與土體界面摩擦特性試驗(yàn)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,23(2):46-52.

[6] 劉亞迪,桂仁意,俞友明,等.毛竹不同源竹材物理力學(xué)性質(zhì)初步研究[J].竹子研究匯刊，2008,27(1)：50-54.

Testing study on interface friction characteristics of bamboo reinforcements and earth

Zhou Zhimin

(SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China)

To the problem of rehabilitation after the temporary engineering, bamboo as the reinforced material, is used to the reinforced earth structure. And the interface characteristics between bamboo reinforcements and soid are studied with direct shear fraction test. The results show that: in the same conditions, the interface characteristics of reinforced earth is much better than soid. And more, the interfacial friction strength of bamboo reinforced earth is bigger than that of geogrid reinforced earth. Spacing between the bamboo has the great influenceon on the interfacial friction strength of bamboo reinforced earth. The pressure acting on the bamboo reinforced earth directly impacts the strength of reinforced earth.

temporary engineering, bamboo, reinforced earth, interface friction

2014-11-25

周治民(1994- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)04-0093-02

TU411.3

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