筋土界面特性宏細觀分析試驗儀器研制與應用

易 富，杜常博，王政宇，于 犇

(1.遼寧工程技術大學建筑與交通學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

近年來，筋土界面特性試驗設備的研制備受關注，分析筋土界面作用特性的試驗儀器主要是直剪試驗設備和拉拔試驗設備，由于試驗機理的差異，導致使用這兩種設備得到的試驗結果也有很大不同[1-3]。張嘎等[4]得出直剪試驗和拉拔試驗都不能完整反映筋土界面作用特性，但二者可相互補充；劉文白等[5]認為拉拔試驗在土工格柵與土相對位移較大時能反映實際情況，而直剪試驗卻在位移較小時能反映實際情況；史旦達等[6]對比單、雙向土工格柵加筋工況，認為單向格柵加筋時的直剪和拉拔曲線表現為應變軟化型，而雙向格柵加筋的兩種試驗曲線一般表現為應變硬化型。

國內外許多學者對直剪和拉拔這兩種試驗設備進行了大量研制和改裝。S.C.Desai 等[7]研制了多自由度循環直剪儀；M.Sugimoto 等[8-9]研制了主要用于分析土工格柵與砂土界面作用的中型拉拔測試儀，尺寸為680 mm×300 mm×620 mm，豎直加載采用了雙面氣囊；張嘎等[10]研制了剪切盒尺寸為250 mm×250 mm、500 mm×360 mm 的大型接觸面循環加載剪切試驗機；徐林榮等[11]研制一套適用于研究土工格柵與膨脹土界面特性的室內模型試驗裝置；N.Morci 等[12]利用尺寸為1 700 mm×600 mm×680 mm 的拉拔箱對筋土界面特性影響因素進行了拉拔試驗研究；楊和平等[13]為分析土工格柵與膨脹土界面特性研制了CS-LB01 大型數控土工合成材料拉拔試驗系統；劉煒等[14]研制了500 mm×500 mm×400 mm 大尺寸直剪儀；肖朝昀等[15]采用大尺寸直剪儀研究了HDPE 土工膜與無紡土工布的界面剪切性能；陳凱等[16]利用DSJ-2 型電動四聯等應變直剪儀，分別進行了黏土與不同粒徑砂和不同含水率砂的直剪試驗；王軍等[17]應用美國公司生產的ShearTracⅢ直剪儀，開展了玻璃纖維土工格柵與標準砂的室內直剪試驗；高俊麗等[18]改裝了現有大型拉拔剪切儀，使加載方式能夠實現柔性承壓和剛性承壓；蔡劍韜[19]應用疊環式剪切試驗機分析了土工格柵與膨脹土的界面特性；王家全等[20]研制了一臺大尺寸可視直剪試驗儀器，實現了直剪試驗過程的可視和數據自動化采集；易富等[21]改裝的拉拔設備采用萬能試驗機施加水平拉力，豎向荷載由砝碼控制；孟凡祥等[22]研制了土工合成材料剪切儀，可進行土工合成材料直剪和拉拔試驗，但其設備尺寸較小且兩種試驗箱底面積不同。

目前國內外尚無一種公認的標準或試驗方法，所研究設備均存在不足之處：首先，試驗過程無法可視，無法進行界面特性的細觀分析；其次，直剪試驗和拉拔試驗需用兩種試驗設備分別進行，無法在同一設備上進行兩種試驗，且兩種試驗箱底面積不相同，不利于兩種試驗的對比分析；最后，試驗數據的讀取與處理存在誤差。所以，為了更方便地在同一設備上開展直剪拉拔試驗并進行對比分析，研制出一種新型土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗系統至關重要。

1 試驗儀器的設計

本試驗儀器由南京華德儀器公司生產的YT1200 土工合成材料直剪拉拔試驗系統改制而成，在現有儀器的基礎上改進了試驗箱的尺寸，可方便兩種試驗的對比分析，增加了圖像攝錄系統，可進行試驗過程細觀分析。該系統主要包括試驗箱(直剪和拉拔)、垂直加載系統、水平加載系統、圖像攝錄系統和數據采集系統，試驗設備如圖1 所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

1.1 試驗箱

本儀器設計兩種試驗箱，直剪試驗箱和拉拔試驗箱，如圖2 所示。直剪試驗箱分為上直剪箱(圖2左)和下直剪小車，試驗時土工合成材料固定在下直剪小車上，上直剪箱內徑為300 mm×300 mm×150 mm(長×寬×高)，在上直剪箱側面中央開口200 mm×50 mm 尺寸大小；拉拔試驗箱(圖2 右)內徑為300 mm×300 mm×220 mm，在試驗箱前后正中開300 mm×10 mm 窄縫，供土工合成材料的引出，試驗時筋材水平鋪設在試驗箱的窄縫高度位置，在拉拔箱側面中央開口200 mm×90 mm 大小；在直剪試驗箱和拉拔試驗箱的開口處內側粘上10 mm 厚的鋼化有機玻璃，便于觀測試驗過程中筋材的變形并拍攝照片，以實現試驗過程中筋土界面的可視化。

圖2 儀器試驗箱組成Fig.2 Test cases

1.2 豎向加載系統

豎向加載系統由帶壓力傳感器的氣缸通過反力裝置施加上覆壓力，氣缸為30 L 的空氣壓縮機，在氣壓加載系統頂部有一塊295 mm×295 mm×10 mm大小的承壓板，可均勻施加0～200 kPa 范圍內上覆壓力。

1.3 水平加載系統

水平加載系統采用速率可控的帶拉力傳感器拉壓電機，可為試驗施加0～5 mm/min 范圍內恒定加載速度并測量試驗力。

1.4 圖像攝錄系統

圖像采集系統由奧斯微AO-3M140 視頻視顯微鏡、專用光源及支架組成，采用細觀測量技術采集分析處理筋土界面圖像；圖像采集系統直接與計算機相連，進行圖像的采集與初步處理。

1.5 數據采集系統

本試驗機設有控制面板(圖1)，左側控制面板與豎向加載系統相連，可進行上覆壓力的設定，右側控制面板與水平加載系統相連，可將試驗結果實時地反映在顯示屏上，實現了對試驗數據的實時監控，以便試驗出現問題后及時分析或停止；試驗時數據自動采集保存，試驗機與計算機相連，在試驗結束后數據可導入計算機。

1.6 試驗儀器的特點

相較于國內外其他類似直剪拉拔設備，本文研制的土工合成材料直剪拉拔試驗系統具有如下技術特點。

a.直剪與拉拔兩用，兩種試驗箱底面面積相同，可方便開展不同工況的直剪與拉拔試驗，并進行對比分析，這是本設備相較于其他同類設備具備的一個顯著的技術優點。

b.試驗箱由具有一定剛度的鋼板和受力時不變形的有機玻璃組成，可避免試驗時邊界效應的影響，尤其對于直剪試驗來說，試驗箱的尺寸比同類試驗箱尺寸大，對尺寸效應有一定減小，而拉拔試驗裝置的尺寸效應可通過潤滑側壁和控制筋材長寬比來減少這一影響。

c.加載系統控制方便。在豎直方向上，采用氣壓加載系統控制試驗設備的豎向加載，便于荷載的控制和卸載，可以對試驗箱內的填料施加不同的恒定上覆壓力；在水平方向上，由拉壓電機控制水平加載的恒定速度，可設定不同的加載速度。

d.試驗過程可視化。在試驗箱側面開口處安裝視頻顯微鏡，對整個試驗過程進行攝錄，獲得直剪與拉拔試驗過程中筋土界面區域填料顆粒位移及細觀參數的變化規律。

e.數據采集自動化。試驗過程中實現了試驗數據的實時監測和自動采集，保證了試驗的高效及結果的準確性。

f.試驗儀器一體化。整個試驗設備除圖像攝錄系統外統一安裝在一個實驗臺上，使拉壓電機作用在試驗箱的力和反力裝置產生在試驗箱的反作用力相互抵消，便于試驗控制及減少試驗誤差。

2 試驗裝置的應用

通過試驗研究筋–尾礦的界面特性有助于指導加筋尾礦的設計與施工。為了檢驗新改制試驗設備的可靠性與實用性，使用該儀器分別進行了土工格柵與土工布加筋尾礦砂的直剪試驗與拉拔試驗。

2.1 試驗原理

進行試驗時，在土工合成材料即被拉出時，假定筋材表面剪應力均勻分布且滿足平衡條件，計算直剪和拉拔界面摩擦強度[20]：

式中τf1、τf2為直剪、拉拔摩擦強度，kPa；Td1、Td2為筋材受到的最大剪應力、最大拉拔力，kN；A為筋材在直剪或拉拔試驗箱內的面積，即為試驗箱底面積，經計算A=0.09m2。

直剪試驗和拉拔試驗均在不同法向應力σn作用下進行，可繪制出τf-σn曲線并進行線性擬合，當曲線符合莫爾–庫倫定律時，由此可確定出直剪或拉拔試驗的界面參數似黏聚力c和似摩擦角φ。

筋土之間的相互作用特性可以用筋土界面似摩擦系數f描述，一般為界面摩擦強度τf與對應法向應力σn的比值：

2.2 尾礦填料及土工合成材料參數指標

試驗所用尾礦砂填料來源于內蒙古包頭市大中股份有限公司的尾礦庫，密度為1.83 g/cm3，含水率為3.75%。該尾礦砂具有的物理性質指標為：有效粒徑d10=0.10 mm，中值粒徑d30=0.19 mm，限制粒徑d60=0.30mm，不均勻系數Cu=3＜5，曲率系數Cc=1.2，說明該尾礦砂屬于級配不良，具體顆粒級配見表1。

表1 尾礦砂顆粒級配Table 1 Grain gradation of tailings

如圖 3 所示，試驗采用的土工合成材料為TGSG35 雙向拉伸塑料土工格柵(圖3 左)和短纖針刺土工布(圖3 右)，這兩種土工合成材料在各種加筋工程中有較好的應用效果，具體加筋材料參數見表2。

圖3 試驗所用土工合成材料Fig.3 The geosynthetic used in test

表2 土工合成材料性能參數Table 2 The technology parameters of geosynthetics

2.3 試驗方案

設計在土工格柵和土工布上進行直剪和拉拔試驗，法向應力取10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa，兩種試驗共計16 組。為了降低試驗結果的離散性，每組試驗進行1～3 組平行試驗。試驗時，以尾礦砂的密度控制試驗槽的裝砂量，并在裝砂過程中分層壓實，保證每組試驗的密實度相同；同時，在拉拔試驗箱兩側均勻涂上潤滑油以減少試驗過程的尺寸效應；直剪試驗和拉拔試驗的試驗速度均設定為2 mm/min，試驗嚴格參照JTG E 50—2006《公路工程土工合成材料試驗規程》[23]進行。

2.4 直剪試驗結果分析

a.直剪界面宏觀特性

圖4 土工格柵和土工布的直剪試驗曲線Fig.4 Direct shear test curves of geogrids and geotextiles

圖4 為不同法向應力下土工格柵和土工布與尾礦的直剪試驗結果。由圖4 可知，土工格柵和土工布與尾礦的直剪試驗曲線變化規律基本一致，剪切力首先隨著剪切位移增大而增大，達到峰值后剪切力基本穩定(圖4b 中試驗曲線在較大法向應力下土工布與下直剪小車發生滑落導致試驗結束，但不影響試驗結果的分析)；直剪試驗曲線的總體規律都是在剪切位移達到10 mm 前，剪切力增長較快，隨后逐漸減緩，且法向應力越大，剪切力達到的峰值越大。

根據式(1)計算可得直剪摩擦強度與法向應力的變化關系，如圖5 所示。從圖可以發現，土工格柵和土工布的直剪摩擦強度與法向應力都有很好的線性關系，相關系數都在97%以上，驗證了該儀器直剪試驗的可靠性；圖5 中的線性擬合公式根據摩爾–庫倫強度準則可得土工格柵和土工布與尾礦的界面參數，其中似黏聚力分別為7.36 kPa、4.78 kPa，似摩擦角分別為29.57°、20.96°；土工格柵計算得到的界面參數均比土工布的界面參數大，其中似黏聚力相差54%，似摩擦角相差41.1%，由此可知，直剪試驗條件下筋材網孔的有無對筋–尾礦界面參數似黏聚力和似摩擦角均有較大影響。

圖5 直剪摩擦強度與法向應力的關系Fig.5 Relationship between direct shear friction strength and normal stress

根據式(3)可計算得到直剪似摩擦系數與法向應力變化關系，如圖6 所示。由圖6 可知，土工格柵和土工布的直剪似摩擦系數與法向應力均呈負指數關系，隨著法向應力的增大，似摩擦系數減小，且減小速度逐漸減緩；土工格柵的直剪似摩擦系數介于 0.74～1.32，土工布的直剪似摩擦系數介于0.49～0.82，相同法向應力條件下，土工格柵的直剪似摩擦系數比土工布的約大56%。

b.直剪界面細觀特性

試驗過程中采用視頻顯微鏡在可視玻璃窗口前方拍攝直剪筋–尾礦界面區域內尾礦顆粒的運動狀態，圖7 顯示土工格柵在法向應力20 kPa 作用下的直剪界面尾礦顆粒運動變化。由圖7 可知，尾礦顆粒在筋–尾礦直剪界面處主要表現為平移形式，對比圖中標志顆粒1 和顆粒2 可發現，越靠近界面處的顆粒位移越大；在剪切過程中隨著界面區域內顆粒的運動，區域外的細小顆粒會逐漸向界面內運動。

圖6 直剪似摩擦系數與法向應力的關系Fig.6 Relationship between direct shear pseudo-friction coefficient and normal stress

圖7 直剪界面尾礦顆粒運動狀態變化(法向應力20 kPa)Fig.7 Motion state of tailing particles at direct shear interface

根據圖像分析軟件可求得直剪過程中的細觀系數，孔隙率為孔隙所占的像素點數目除以整個直剪界面區域的像素點總數的百分比(非填料真實孔隙率，為界面區域的細觀孔隙率)[24]，而統計范圍內每一填料顆粒的平均接觸數目認定為平均接觸數。圖8 為土工格柵在不同法向應力下直剪界面區域內細觀參數孔隙率和平均接觸數的變化規律。由圖8 可以發現，剛開始剪切過程中，顆粒從原來的位置發生平移，尾礦體發生剪漲現象，使得細觀孔隙率增大，平均接觸數減小，當剪切過程處于相對穩定狀態后，顆粒被壓密，導致孔隙率降低，平均接觸數增多；但由于尾礦屬于不良級配，顆粒比較均勻，導致在試驗時細觀孔隙率和平均接觸數隨剪切位移的變化不明顯。進一步分析可得到，細觀參數與宏觀變量之間的關系，隨著宏觀變量法向應力的增加，細觀參數孔隙率減小，平均接觸數增加，而反映在宏觀上的現象為填料顆粒被壓密，筋材需要克服的阻力增大，從而導致剪切力隨著法向應力的增加而增加，當剪切力達到峰值平穩后，細觀參數也開始趨于穩定。

圖8 直剪界面區域細觀參數的變化規律Fig.8 Variation rule of mesoscopic parameters in direct shear interface region

2.5 拉拔試驗結果分析

a.拉拔界面宏觀特性分析

不同法向應力下土工格柵和土工布與尾礦的拉拔試驗結果如圖9 所示。在圖9 中，不同法向應力下土工格柵與尾礦的拉拔試驗曲線隨拉拔位移的增大緩慢達到峰值，而土工布的拉拔試驗曲線中，拉拔力隨著拉拔位移增大迅速達到峰值后明顯下降。對比圖4 可以看出，直剪和拉拔試驗的剪切力峰值均隨著法向應力增大而增大。

圖9 土工格柵和土工布的拉拔試驗曲線Fig.9 Pull-out test curves of geogrids and geotextiles

根據式(2)和式(3)分別計算得到拉拔摩擦強度和拉拔似摩擦系數與法向應力變化關系，如圖10、圖11 所示。在圖10 中，土工格柵和土工布的拉拔摩擦強度與法向應力也呈線性相關，符合摩爾–庫倫強度準則，相關系數都在92%以上，驗證了該儀器拉拔試驗的可靠性。根據摩爾–庫倫強度準則，由圖10 中的線性擬合公式可得土工格柵和土工布與尾礦的界面參數似黏聚力分別為10.22 kPa、6.08 kPa，似摩擦角分別為21.31°、19.85°，土工格柵計算得到的界面參數也都比土工布的界面參數大，其中似黏聚力相差68.1%，似摩擦角相差7.4%，由此可知，拉拔試驗條件下筋材網孔的有無對筋–尾礦界面參數似黏聚力的影響較為顯著，對似摩擦角的影響較小。圖11 中土工格柵和土工布的拉拔似摩擦系數與法向應力均呈負指數相關，土工格柵的拉拔似摩擦系數介于0.63～1.31，土工布的拉拔似摩擦系數介于0.51～0.88，相同法向應力條件下，土工格柵的拉拔似摩擦系數要比土工布的約大36%。

圖10 拉拔摩擦強度與法向應力的關系Fig.10 Relationship between pull-out friction strength and normal stress

圖11 拉拔似摩擦系數與法向應力的關系Fig.11 Relationship between pull-out pseudo-friction coefficient and normal stress

b.拉拔界面細觀特性

土工格柵在法向應力為20 kPa 作用下的拉拔界面尾礦顆粒運動狀態如圖12 所示。由圖12 可知，尾礦顆粒在筋–尾礦拉拔界面區域內主要表現為平移形式，對比顆粒1 和顆粒2 可發現，越靠近界面處的顆粒位移越大，在界面區域外上面的尾礦顆粒比界面區域外下面的運動明顯，且在拉拔過程中界面區域外上面的細小顆粒會逐漸向界面內運動。

圖12 拉拔界面尾礦顆粒運動狀態變化(法向應力20 kPa)Fig.12 Variation of motion state of tailing particles at pull-out interface

土工格柵在拉拔界面區域內不同法向應力下孔隙率和平均接觸數的變化規律如圖 13 所示。由圖13 可以發現，在拉拔過程中由于尾礦屬于不良級配，顆粒比較均勻，使得試驗時細觀孔隙率和平均接觸數隨拉拔位移的變化不明顯；尾礦體剛開始會發生剪漲現象，使得細觀孔隙率增大和平均接觸數減小，拉拔達到相對穩定顆粒會被壓密，孔隙率降低，平均接觸數增多。隨著宏觀變量法向應力增加，細觀參數孔隙率減小，平均接觸數增加，當拉拔力達到峰值平穩后，細觀參數也開始趨于穩定，反映在宏觀上的現象就是填料顆粒被壓密，筋材需要克服的阻力增大，進而導致拉拔力隨著法向應力的增加而增加。

圖13 拉拔界面區域細觀參數的變化規律Fig.13 Variation rule of mesoscopic parameters in pull-out interface region

2.6 兩種試驗結果的對比分析

表3 為直剪和拉拔兩種試驗結果的對比情況。由表3 可知，兩種試驗條件下，土工格柵與尾礦的界面參數(似黏聚力和似摩擦角)和似摩擦系數均分別比對應土工布與尾礦的界面參數及似摩擦系數大，土工格柵加筋尾礦的效果更理想；對于土工格柵和土工布，由拉拔試驗計算得到的界面參數似黏聚力均比直剪試驗得到的似黏聚力大，其中土工格柵的似黏聚力相差38.9%，土工布的似黏聚力相差27.2%，但拉拔試驗得到的似摩擦角卻比直剪試驗得到的小，其中土工格柵的似摩擦角相差38.7%，土工布的似摩擦角幾乎相同。由此，直剪和拉拔兩種試驗種類對于土工格柵加筋尾礦界面參數似黏聚力和似摩擦角的影響都比較顯著，而試驗種類對于土工布加筋尾礦界面參數似黏聚力的影響顯著，對似摩擦角的影響較小，造成這種現象的原因是直剪和拉拔兩種試驗機理不同及土工格柵獨特的網孔結構對于尾礦的咬合和鑲嵌作用[3]。

從兩種試驗得到的土工格柵細觀參數孔隙率和平均接觸數的數值關系可以看出，拉拔試驗得到的細觀參數均比直剪試驗的細觀參數稍大，考慮到似黏聚力在筋土界面作用中占主導作用[25]，這樣從細觀上也驗證了得到的宏觀界面參數變化關系。

表3 直剪和拉拔試驗的結果對比Table 3 Comparison of results of direct shear and pull-out tests

結合以上分析可知，土工格柵對加筋尾礦的效果更理想，這是由于其特有的網孔結構對尾礦顆粒的鑲嵌和咬合作用，但土工格柵網孔尺寸的確定有待進一步研究。由于直剪和拉拔兩種試驗機理不同，在加筋尾礦工程中應根據實際情況充分考慮筋材在加筋尾礦中所處的位置，合理判斷出是屬于直剪摩擦還是拉拔摩擦，從而選取合適的試驗方法及界面參數指標。

3 結論

a.改制了一臺用于加筋土界面特性宏細觀分析可視化試驗儀器，該儀器可開展土工合成材料與填料的直剪和拉拔試驗，尤其是對于兩種試驗的對比分析，能夠獲得較為可靠的試驗力–位移曲線和界面細觀參數分析圖。該儀器相較其他同類產品具有優點：①直剪與拉拔試驗的對比分析；② 大尺寸試驗箱；③控制方便的豎向和水平加載系統；④ 試驗過程可視化；⑤ 數據采集自動化；⑥ 試驗儀器一體化。

b.兩種試驗條件下，由于土工格柵特有的網孔結構，產生對尾礦顆粒的鑲嵌和咬合作用，土工格柵與尾礦的界面參數(似黏聚力和似摩擦角)以及似摩擦系數均比對應土工布與尾礦的界面參數及似摩擦系數大，土工格柵加筋尾礦的效果更理想；同時直剪和拉拔兩種試驗對于土工格柵加筋尾礦界面參數似黏聚力和似摩擦角及似摩擦系數的影響都比較顯著，而試驗種類對于土工布加筋尾礦界面參數似黏聚力的影響顯著，對似摩擦角的影響較小。

c.尾礦砂顆粒在筋–尾礦界面區域主要表現為平移形式，越靠近界面處的顆粒位移越大，在試驗過程中區域上面的細小顆粒會逐漸向界面區域內運動；隨著宏觀變量法向應力的增加，細觀參數孔隙率減小，平均接觸數增加，反映在宏觀上的現象就是填料顆粒被壓密，筋材需要克服的阻力增大。