不同含水率花崗巖殘積土-格柵界面的循環剪切特性

中圖分類號：TU411.7 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0058-08

Cyclic shear characteristics of granite residual soil-geogrid interface with different water contents

ZHOUWeidong1，CHENShuqi2，LIUFeiyu2，LIUHongbo3 （1.Guangzhou Environmental Protection Investment Group Co.，Ltd.，Guangzhou 5lo33o，P.R.China; 2. Department of Civil Engineering，Shanghai University， Shanghai2OO444，P.R. China; 3. GZEPI Zengcheng Environmental Protection EnergyCo.，Ltd.，Guangzhou5ll3oo，P.R.China）

Abstract：Water content has a great influence on the mechanical properties of granite residual soil reinforced with geogrids. In order to study the cyclic shear characteristics of granite residual soil-geogrid interface under diferent water contents，a series of cyclic shear tests were carried out by large-scale indoor direct shear apparatus.The shear stress-shear displacement curves，shear strength，shear stiffess and volume of the soilreinforced interface were analyzed under four values of water content （ 13% ， 19% ， 25% ， 32% ），three values of normal stress （50，100， 150kPa ），four shear frequencies（O.2，O.5，1， 2Hz ）and four shear amplitudes （5，10， 15， 20mm ）.The test results show that：When the soil is saturated with water content of 32% ，the peak shear stress and shear stifness of the interface increase first and then decrease during the cyclic shearing process. The initial increase of the peak shear stress under the normal stress of 5O，1OO and 150kPa is 6.2% ， 22.3% and 33.0% ，respectively，indicating that the increase of the normal stress is greater than that of the interface at the initial stage.The interface of soil-reinforced unsaturated soil shows shear softening characteristics.Under different normal stresses，the cyclic shear strength of the interface is negatively correlated with the water content. When the water content is 13% ， 19% ， 25% and 32% ，the final shear shrinkage of the interface is 4.6， 7.7，8.6 and 7.2mm ，respectively，indicating that the shear shrinkage increases first and then decreases with Water content.At each water content，the maximum shear stiffness of the interface decreases first and then increases with the increase of shear frequency，and decreases with the increase of shear amplitude.The shear frequency of 0.5Hz has the strongest weakening effect on the interface shear stiffness of the interface.

Keywords： reinforced soil interface；water content；granitic residual soil; cyclic shearing;shear stiffness

加筋土結構在邊坡工程、道路工程、水利工程中應用廣泛。回填土的性質和筋土界面相互作用特性是影響加筋土結構穩定性的關鍵因素。在實際工程中，回填土常就近取材，廣泛分布于中國東南沿海地區的花崗巖殘積土常常作為回填土用于加筋土結構。花崗巖殘積土屬于黏性土，內部具有較多裂隙、易擾動，遇水易發生變形和軟化，含水率對其物理力學性質影響較大[1]。

針對含水率對筋土界面力學性能影響的研究已取得一些成果。Abu-Farsakh等[2]、Ferreira等[3-4]針對黏土-土工合成材料界面進行了單剪試驗，研究了含水率、干密度以及不同類型筋材對筋土界面剪切特性的影響，結果表明，含水率增加時界面抗剪強度大幅降低。Hatami等[5]、Namjoo等通過直剪試驗和拉拔試驗，研究了含水率對土體-編織土工布界面和砂土-格柵界面剪切特性的影響，試驗發現筋土界面抗剪強度參數隨著含水率的升高而降低。Bergado等根據垃圾填埋場真實條件模擬了復合襯砌系統-黏土界面，并研究干濕條件、土工織物和土工膜對界面直剪特性的影響，發現不同條件下襯砌系統均有較好的穩定性。

考慮到地震、車輛等動荷載的作用，研究筋土界面動剪切特性具有重要意義。劉飛禹等[8-9]、應夢杰等[10和徐超等11對粗顆粒-格柵界面、砂-格柵界面進行了系列循環剪切試驗，研究了剪切速率、法向循環荷載瀕率、粒孔比、法向應力等因素的影響。Ferreira等[12]、周斌等[13]、Cen等[14-15]及Alaie等[16]分別研究了花崗巖殘積土-土工格柵界面、砂-土工膜界面及EPS砂混合物-格柵界面動剪切特性受剪切幅值、剪切頻率等因素的影響，發現剪切頻率對界面剪切剛度的影響較小，剪切幅值的影響較大，循環應力歷史有利于界面抗剪強度的增加。Nye等對黏土-土工合成材料界面進行了循環剪切試驗，研究不同剪切幅值、剪切頻率、循環次數和波形下界面的動剪切特性，結果表明，循環剪切幅值對界面剪切特性影響較大。Wang等[18-19]和劉飛禹等[20-21]開展了單剪、循環剪和循環后直剪試驗，研究顆粒粒徑、粒孔比、剪切速率、循環次數、循環應力歷史等因素對筋土界面動、靜剪切特性的影響。Liu等22]和Ying等[23]針對顆粒形狀對筋土界面動剪切特性的影響進行了試驗研究，利用圖像處理技術將顆粒形狀進行量化，結果表明，顆粒形狀對界面剪切特性和體變特性的影響顯著。

綜上所述，在筋土界面研究領域，針對含水率對筋土界面剪切特性影響的研究大多在靜力條件下進行。而在筋土界面動剪切特性研究中，學者們探究了動力加載條件、土體特性和筋材特性等因素對界面剪切特性的影響，并取得了豐富的研究成果。在土體特性影響因素研究中，對土顆粒粒徑、形狀、顆粒級配等因素的研究較多，而考慮含水率因素影響的研究較為缺乏。筆者利用室內大型直剪儀，進行循環剪切試驗，探究含水率、剪切幅值及剪切頻率等因素對花崗巖殘積土-格柵界面動剪切特性的影響。

1試驗設備、材料及方案

1.1 試驗設備

采用型號為RAW-60/2的電液伺服動態大型直剪儀（圖1），其上剪切盒尺寸為 600mm×200mm× 50mm ，下剪切盒尺寸為 800mm×200mm×50mm 。

該直剪儀通過傳感器和數據采集系統為試驗剪切過程中數據的完整性和有效性提供保障。

1.2 試驗材料

試驗筋材為雙向聚丙烯土工格柵（圖2），其技術指標如表1所示。試驗土樣為廣州市增城區的花崗巖殘積土，試驗室定名為砂質黏性土。不同含水率的試驗土樣由天然狀態下的土樣烘干處理后加不同水量配置得到，即篩除天然狀態下土樣中的雜質后，放置在烘箱中，以 105^°C 的溫度烘干 12h ，其間將土樣拿出后輕輕敲散，防止完全烘干后成硬塊而無法敲散。計算不同含水率的試驗土樣所需的干王質量和用水量，用電子秤稱量對應的干王和水，將其混合配置成一定含水率的土樣。不同含水率下的土樣外觀、顆粒形態如圖3所示，呈褐色、黃褐色，含中粗礫粒及碎石較多，偶見塊石，物理性質指標如表2所示。土體顆粒級配曲線如圖4所示，不均勻系數和曲率系數分別為38.1、0.42。

1.3 試驗方案

根據含水率相關物理指標以及工程中邊坡豎向應力的分布，對含水率及豎向應力進行合理取值。參考Chang等[24的研究，在直剪試驗中模擬一般地震可以采用頻率為 1Hz 的正弦波循環加載。試驗中動荷載采用正弦波，對殘積土-格柵界面循環剪切100次，具體試驗方案如表3所示。為控制各組試樣干密度一致，采用分層裝樣，每次裝填厚度25mm ，分4次裝填。土工格柵置于上下剪切盒之間，用螺栓和卡扣固定在下剪切盒兩端。

2 試驗結果分析

2.1含水率對剪切位移-剪應力曲線的影響

剪切頻率為 1Hz ，剪切幅值為 10mm ，豎向應力為 50kPa 時，不同含水率和豎向應力作用下筋土界面剪應力-剪切位移曲線如圖5所示。圖6為100，150kPa 下含水率為 32% 的筋土界面剪應力-剪切位移曲線。含水率為 13%19%25% 的筋土界面峰值剪應力與循環次數呈負相關，而含水率為32% 的筋土界面峰值剪應力隨著循環次數的增加先升高后降低。在剪切過程中，低含水率試樣經簡短的壓密后便開始抵抗剪切作用[24]，剪切面在低豎向應力作用下受壓實作用弱，因此， 50kPa 豎向應力作用下含水率越低的筋土界面峰值剪應力下降越顯著，而 100kPa 豎向應力作用下峰值剪應力降幅減小。當豎向應力進一步增大，筋土界面相互作用愈強，界面受剪切弱化作用更顯著，表現為峰值剪應力降幅更大。土體含水率高時，土顆粒在水的作用下形成團聚體，裝填后試樣初始孔隙率高，壓縮性強，壓縮空間大，豎向應力使土體被擠密壓實，土顆粒間和筋土間相互作用更充分，因此，在剪切初期，含水率為 32% 的筋土界面峰值剪應力升高，50、100，150kPa 豎向應力作用下峰值剪應力初始增幅分別為 6.2%.22.3%.33.0% ，這可能是因為豎向應力越大，壓實效果越顯著，筋土界面因壓實作用產生的峰值剪應力初期增幅越大。

2.2含水率對抗剪強度及參數的影響

剪切頻率為 1Hz 剪切幅值為 10mm 時，不同含水率和豎向應力下筋土界面的循環抗剪強度如圖7所示。由圖7可知，不同豎向應力下筋土界面循環抗剪強度呈現相同的趨勢，即隨著含水率的增大，界面抗剪強度減小。當含水率從 13% 升至32% ，豎向應力 σ_n 為 50，100，150kPa 的筋土界面抗剪強度分別從 43kPa 降至 29.78kPa 從 75kPa 降至 48.4kPa 從 114.9kPa 降至 65.3kPa 。豎向應力50kPa 下筋土界面抗剪強度參數隨含水率的變化規律如圖8所示。由圖8可知，循環摩擦角隨著含水率的升高而不斷降低，循環黏聚力先升后降，在 25% 含水率時達到峰值黏聚力。在低豎向應力（ 50kPa ）作用下，界面剪切作用弱， 25% 含水率時界面的高黏聚力能有效增強界面抗剪強度。

將花崗巖殘積土-格柵界面在循環剪切和單調直剪下的抗剪強度參數隨含水率的變化規律進行對比，如圖8所示。從圖8可以看出，二者變化趨勢一致：界面內摩擦角隨著含水率的升高分別降低了45.2% 和 81.2% ；界面黏聚力隨著含水率的升高先增后降，在 25% 含水率時達到峰值黏聚力。二者差異在于循環黏聚力整體低于靜黏聚力，循環內摩擦角整體高于靜內摩擦角。這可能是因為相比于單調直剪，循環剪切過程能讓土顆粒與土顆粒、土顆粒與土工格柵的相互作用更充分地發揮，而含水率越高，試樣孔隙率越高，壓縮擠密空間大，循環剪切的上述效果就越明顯。

2.3 體變特性

剪切過程中，試樣的剪切面積保持不變，豎向位移量能反映剪切過程中的體積應變。以豎向應力 100kPa 為例，不同含水率下筋土界面豎向位移-剪切位移曲線如圖9所示。含水率為 13%.19% 25%.32% 時筋土界面最終剪縮量為4.6、7.7、8.6、7.2mm ，豎向位移隨著含水率的增加先增大后減小，且含水率越高，剪切前期豎向位移增幅越大，后期變化量越小。隨著含水率的上升，土體初始孔隙率升高，壓縮性更強，壓縮空間更大。因此，在豎向應力和循環荷載作用下，隨著含水率的升高，試樣剪縮量整體呈上升趨勢，但含水率由 25% 上升至32% 時，剪縮量下降。這是因為 32% 最接近殘積土飽和含水率，飽和時試樣由土顆粒、自由水和筋材構成，三者體積壓縮量微小，由于試驗條件的限制，剪切過程中自由水無法排除，宏觀表現為較小的剪縮量。

2.4 剪切剛度

2.4.1含水率的影響

剪切剛度是土體動力響應中的重要動力參數，能夠分別反映土體在動荷載作用下的剛度變化情況。基于筋土界面在循環剪切作用下的典型剪切位移-剪應力滯回曲線，Nye等[17]、Vieira等[25]將剪切剛度 K 應用于筋土界面動剪切特性分析。豎向應力為 100kPa 時，不同含水率筋土界面剪切剛度在循環剪切過程中的動態變化規律如圖10所示。由圖10可以看出，非飽和含水率筋土界面剪切剛度隨循環次數的增加呈遞減趨勢，飽和含水率（ 32% ）筋土界面剪切剛度先升高后緩慢降低。在循環剪切作用下， 13%19%25% 含水率筋土界面剪切剛度整體降低了 20.2%.7.4%.19.1% ，而 32% 含水率界面剪切剛度在循環第20次后降低了 6.6% 。13% 、 25% 含水率下剪切剛度降幅最大，界面剪切剛度軟化速度快。 19% 含水率界面剪切剛度降幅小，說明該含水率下筋土界面在循環動荷載作用下剪切剛度弱化程度小，抵抗變形的能力較強。循環剪切100次后，僅 32% 含水率下筋土界面剪切剛度整體提高了 13.0% ，其余含水率下均表現為剪切軟化，表明循環動荷載對于飽和土筋土界面剪切剛度有一定的增強效果，而對中低含水率筋土界面則為弱化效果。

2.4.2 剪切頻率的影響

圖11為豎向應力 100kPa 時不同剪切頻率和含水率條件下筋土界面最大剪切剛度。從圖中可以看出，隨剪切頻率的升高，各含水率下筋土界面最大剪切剛度先減小后增大，且剪切瀕率為 0.5Hz 時達到最小值，說明 0.5Hz 的剪切頻率對筋土界面剛度弱化作用最強。土體接近飽和（ 32% 時，筋土界面剪切剛度受剪切頻率影響較小。峰后強度比是循環最后一圈（ N=100 筋土界面剪應力峰值與抗剪強度的比值，能反映筋土界面的軟化特性。表4為豎向應力 100kPa 時筋土界面在不同含水率和剪切頻率條件下的峰后強度比。從表中可以看出，19% 和 32% 含水率下筋土界面峰后軟化程度小。各含水率下，筋土界面峰后強度比隨剪切頻率的升高先增大后減小，表明剪切時間越長、剪切速率越大，筋土界面峰后軟化越顯著。

2.4.3 剪切幅值的影響

圖12為豎向應力 100kPa 下各含水率筋土界面的骨架曲線。從圖12可以發現，剪切幅值不大于10mm 時，各含水率筋土界面最大剪應力隨剪切幅值的增大而增大；剪切幅值大于 10mm 時， 13% 含水率筋土界面最大剪應力隨剪切幅值的增大而減小，其余中高含水率下界面最大剪應力受剪切幅值影響較小。圖13為界面最大剪切剛度隨剪切幅值的變化規律，由圖13可見，不同含水率下的變化趨勢相似，筋土界面最大剪切剛度與剪切幅值負相關，且隨著剪切幅值的增大，降幅逐漸減小。剪切幅值越大，代表剪切荷載強度越大[24]，筋土界面最大剪切剛度越小。

3結論

1）含水率接近飽和（ 32% 時，筋土界面峰值剪應力和剪切剛度在循環剪切過程中先升高后降低，而非飽和含水率下筋土界面呈現剪切軟化特征。

2）不同豎向應力作用下，筋土界面循環抗剪強度隨著含水率的升高而降低。

3）筋土界面在循環剪切作用下發生剪縮，剪縮量隨著含水率的升高先增大后減小，并與豎向應力正相關。

4）各含水率下，筋土界面最大剪切剛度隨剪切幅值的增大而減小，剪切頻率為 0.5Hz 時筋土界面軟化最顯著。

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（編輯胡英奎）