ABS-3D打印土工格柵加筋土三軸試驗研究

魏文超，熊甜甜，2，郭天旭，鄒鑫鵬，鄭振普 （. 西安思源學院 城市建設學院，陜西 西安 70038；2. 西安交通大學 人居環境與建筑工程學院，陜西 西安 70049）

0 引言

現代城市多樣的交通方式使得人們的出行更加多元化，人們享受出行便利的同時，山間公路山體的滑坡以及公路的塌陷裂縫等會給人們的生命財產安全造成一定程度的損害。基于此，項目組準備制備一種新型加筋土，應于公路及山體的土體中。山體滑坡、公路塌陷裂縫，究其本源，是因為原有土地的抗剪能力不足以承受某種因素所帶來的破壞。3D 打印技術可以快速成型，實現任何材料、任何數量、任何位置、任何領域的應用。新型加筋土是基于3D打印技術下，以一種新型材料ABS 作為原材料制作的一種土工格柵，應用于土體中形成加筋土。該土工格柵既能彌補市場上一般土工格柵不能改變厚度的缺點，又能滿足加筋土的抗拉抗壓強度的要求。它是一種集成型快、抗拉抗壓強度高、應用范圍廣、耐久性及延展性能優異于一體的新型材料。

伴隨著3D打印技術的成熟，本文在現有研究的基礎上，將3D 打印ABS 材料作為新型的加筋材料應用于土體中。通過三軸試驗，在某一固定周圍壓力下逐漸增大軸向壓力直至試樣破壞的一種三軸剪切試驗，采用不固結不排水剪試驗（UU）方法進行實驗研究。通過試驗的對比，選取最合理的參數作為制備土工格柵的規格，進行加筋土的優化設計。

1 實驗儀器及材料介紹

1.1 實驗材料

本文在西安市灞橋區向陽溝附近某路面工程施工地進行取土以及試驗。該土屬于粉質黏土，w=27%，干密度ρd=1.49 g/cm3。ABS 材料具有良好的耐腐蝕性和韌性，使用時間長，其次它還擁有成本低、重量輕、無毒無害的特點。最重要的是ABS 材料可以在3D 打印中使用。如圖1-圖4所示。

圖1 新型材料土工格柵a

圖2 新型材料土工格柵b

圖3 新型材料土工格柵c

圖4 新型材料土工格柵d

1.2 實驗設備

使用MakerBot Replicator 2X 打印機打印立體格柵網模型，該打印機采用燒熔纖維作為成型原理，將X、Y 軸定位精度提升為0.0110 mm，將Z 軸定位精度提升為0.0025 mm，如圖5所示。

圖5 MakerBotReplicator2X 打印機

采用TSZ-1 型應變控制式三軸儀，直徑為Φ39.1 mm 的土試樣，如圖6 所示。

圖6 TSZ-1 型應變控制式三軸儀

2 試驗方法

方法一：采用不固結不排水的實驗方法將土工格柵分為三種形式，即土的中部、土的上表面和下表面、土的上中下層，將其嵌入制備好的土試塊中，進行壓實，使土工格柵與土體相結合。將壓實好的試塊放入三軸儀中，分別對主應力為100 kPa、200 kPa、300 kPa 的規格進行實驗，得出應力應變曲線圖，對曲線圖進行分析，得出最優的曲線圖。

方法二：在方法一的基礎上選擇最優曲線圖對應的層數和主應力的大小，改變土工格柵橫縱肋的厚度，厚度分別為+3 mm、+6 mm、+9 mm。以4 種主應力進行實驗得出改變后的應力應變曲線圖，選擇最優厚度作為方法三的基礎。

方法三：以方法二作為基礎條件，改變土工格柵內部密實程度（格柵內部間距采用6 mm×6 mm、9 mm×9 mm、12 mm×12 mm），以4 種主應力進行實驗，得出應力應變曲線圖。

裝土的試樣不高，所以可以很精確地進行加筋。首先在不加筋時，將土分三次擊實刮花加入，以保證土體的整體性和連貫性；接著在加1 層筋時，將土分二次加入，在第一次加土結束后，將土工格柵加入擊實并將土體表面刮花。以保證土體的完整性；接著在加2 層筋時，先加三分之一的土擊實拉花，然后放土工格柵擊實。接著再放入三分之一土擊實拉花，然后放入土工格柵擊實，最后放入最后的三分之一的土擊實；在加3 層筋時，放四次土，每次放四分之一的土，然后擊實拉花，放入土工格柵，直至完成。在每次脫模前都要用刮刀將多余的土體刮掉。

3 試驗研究

3.1 加筋土破壞形態

加筋土的破壞形式主要有兩種，分別是拉斷破壞和摩擦破壞。因為土工格柵有足夠大的抗拉強度，所以試樣在破壞中不會產生明顯的破裂面，而是加筋層處的土膨脹稍小，處于加筋層之間的土膨脹稍大，試樣被破壞但加筋材料依然完好，如圖7所示。

圖7 破壞試樣圖

從本次試驗結果可看出，本試樣符合莫爾-庫侖抗剪強度破壞準則，說明加筋材料對增加土體強度抑制土體變形有極大作用。

3.2 圍壓、加筋層對加筋土影響

為了探究圍壓對加筋土的影響，筆者將素土以不同圍壓進行實驗，接著又依次將ABS 材料加筋1 層、2 層、3 層進行實驗，并將它們所有數據進行記錄，如圖8-圖11所示。

圖8 素土應力差應變關系圖

圖9 加1層筋試樣應力差應變圖

圖10 加2層筋試樣應力差應變圖

圖11 加3層筋試樣應力差應變圖

從圖8-圖11 的曲線可以看出，隨著軸向應力的增大，試樣的主應力差也在不斷增大，其增大速率由一開始迅速上升，經過一個范圍后速率減緩，最終趨近于一條平行于X軸直線。

3.3 土工格柵形狀對加筋土影響

為了研究不同尺寸的土工格柵對加筋土的影響，筆者將ABS 材料打印成4種不同形狀并且都在試樣中加筋2 層進行對比實驗，如圖12-圖14所示。

圖12 加2層筋b型應力差應變圖

圖13 加2層筋c型試樣應力差應變圖

圖14 加2層筋d型試樣應力差應變圖

由圖12-圖14 的曲線得出，隨著土工格柵的橫、縱肋的變化，土的性質也會發生改變。在合適的范圍內，土的性質會隨著土工格柵的橫、縱肋的增大而增長，但當土工格柵的橫、縱肋超過一定范圍時土的性質不會在增長。

4 結論

①在一般的土工格柵加筋土的試驗下，土體試樣的破壞會出現徑向鼓脹破壞，加筋處膨脹破壞比其他地方明顯小的多，在加筋層之間存在腫大。但對于具有足夠抗拉強度的加筋土來說，試樣在進行實驗中不會出現明顯的破裂面，但會產生鼓包現象，產生磨擦破壞。

②加筋土在不同圍壓下應力應變關系不同，其應力增加幅度會隨著應變的持續增長先增大后平緩。在軸向應變0%～10%時，其性能會大幅穩健的增加；在經過軸向應變10%～15%期間，上升速率減緩；最終在經過軸向應變15%之后，增幅趨近于一條平行于X軸的直線。

③土工格柵橫、縱肋不同會對土體產生不同影響。橫、縱肋厚度在0～9 mm 范圍內，土的性質會隨著土工格柵的橫、縱肋的增大而增長；但當土工格柵的橫、縱肋突過厚度9 mm 時，土的性質不會再快速增長。

④隨著圍壓的增長，破壞強度數值也隨之升高，加筋的效果也有相對的提升。隨著加筋層數的增加，主應力差也在增大，破壞強度也隨之成正比增長，加筋效果也就隨之呈正比增長，3 層加筋為本次試驗最強抗剪。