中文摘要 加筋土技術(shù)自6 0 年代問世以來，國內(nèi)外的學(xué)者們對(duì)其基礎(chǔ)理論進(jìn)行了大量試 驗(yàn)研究。目前，國內(nèi)外對(duì)于加筋土的界面特性試驗(yàn)仍然以直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)為 主。但理論研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，還需要不斷地改進(jìn)試驗(yàn)方法與手段。加筋土 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要了解筋土界面特性，其中筋土界面摩擦力的大小及變化是進(jìn)行結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定分析最重要的參數(shù)。因此，土工合成材料與填料的界面作用特性直接決定 加筋土工程的內(nèi)穩(wěn)定性，土工合成材料與填料之間的相互作用成為揭示加筋材料 加固機(jī)理的最關(guān)鍵的技術(shù)課題。 為了能更為科學(xué)的研究土工合成材料的界面特性，比較直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn) 各自的特點(diǎn)，得出它們之間的關(guān)系，根據(jù)土工合成材料的試驗(yàn)要求，自行研制了 直剪試驗(yàn)箱，通過測(cè)試此設(shè)備的性能完全能滿足本次試驗(yàn)的要求。 本文通過直剪試驗(yàn)研究了加筋土填料為不同土質(zhì)的情況下，各種規(guī)格的土工 合成材料的界面特性，分析土質(zhì)的不同對(duì)加筋效果的影響，并與拉拔試驗(yàn)的結(jié)果 進(jìn)行比較分析。還研究了土體不同容重對(duì)加筋效果的影響。通過對(duì)格柵界面特性 的研究，給土工合成材料的生產(chǎn)和加筋土工程設(shè)計(jì)提供建設(shè)性的意見。 關(guān)鍵詞：土工合成材料，加筋土，擋土墻，直剪試驗(yàn)，界面特性 a b s t r a c t s i n c et h et e c h n i q u eo fr e i n f o r c e ds o i la p p e a r e di n1 9 6 0 s ，t h es c h o l a r sc a r d e do u t al o to fr e s e a r c h e sa n dt e s t sf o ri t sb a s i ct h e o r y r e c e n t l y , t h em a i nt e s t sf o rt h e i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i e so fr e i n f o r c e ds o i la r ep u l l o u tt e s ta n ds h e a rt e s t h o w e v e r , t h e a c a d e m i cr e s e a r c hi sm o r el a g g a rt h a np r a c t i c eo fe n g i n e e r i n g i ti sn e c e s s a r yt o a m e l i o r a t et h em e t h o do ft e s t w es h o u l dk n o wt h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i e so f r e i n f o r c e ds o i lt od e s i g nt h ef r a m eo fi t t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ri st h e m a g n i t u d ea n dc h a n g eo ff r i c t i o n s ot h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eg e o s y n t h e t i e s a n ds o i ld i r e c t l yd e t e r m i n et h ei n t e r i o rs t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e ds o i lp r o j e e t t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eg e o s y n t h e t i c sa n ds o i lb e c o m e st h em o s tk e yt e c h n o l o g i c a l s u b j e c to fs t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s mo fg e o s y n t h e t i e s i no r d e rt os c i e n t i f i c a l l yr e s e a r c hi n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i co fg e o s y n t h e t i e s ， c o m p a r et h ec h a m c t e r i s t i e so fp u l l o u tt e s ta n ds h e a rt e s t ，g e tt h e i rr e l a t i o n s h i p ，w e h a v ed e v e l o p e da n dd r a w nt h et e s t i n gm a c h i n eb ym y s e l fa c c o r d i n gt ot h et e s t d e m a n df o rt h eg e o s y n t h e t i e s , b yt h et e s tt h i se q u i p m e n tc a nt o t a l l ym e e to u rr e q u e s t t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg e o s y n t h e t i e so fd i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n st h r o u g hs h e a rt e s tu n d e rt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n so fs o i lp r o p e r t y t h e p a p e ra n a l y z e dt h ei m p a c to nt h er e s u l to fr e i n f o r c e do fd i f f e r e n ts o i lp r o p e r t y , e s p e c i a l l yd i s t u r b e dl a y e r so ft h i c k n e s sa n dm e c h a n i s m o fd e s t r u c t i o nw i t hr e i n f o r c e d s o i la n dc o m p a r e dt h er e s u l tw i t ht h a to fp u l l o u tt e s t i ta l s os t u d i e dt h ed i f f e r e n t c l o s e l yk n i td e g r e eo fs o i lb o d y i tt oi n f l u e n c ew i t hr e i n f o r c er e s u l t t h ep a p e r p r o v i d e st h ec o n s t r u c t i v es u g g e s t i o nf o rt h ep r o d u c t i o no fg e o s y n t h e t i c sa n dt h e r e i n f o r c e ds o i le n g i n e e r i n gd e s i g nt h r o u g ht h es t u d yo ni n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：g e o s y n t h e t i e s ，r e i n f o r c e ds o i l ，s h e a rt e s t ，i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤洼盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：歹己售 簽字日輒2 一 o ，年月知日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)墨鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：己己d 簽字日期：w 年，月砷日 一顰哆如 簽字日期：廁年，月a r 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 背景 第一章緒論 土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 加筋土作為一種復(fù)合材料及新型加固技術(shù)， 被稱為“巖土工程界的一場(chǎng)革命”，它具有施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、美化環(huán)境的特 點(diǎn)，為巖土工程提供了一種經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的加固手段。加筋增強(qiáng)土體的基本原理是： 在軟弱土中加入抗拉筋材，通過筋土界面間的應(yīng)變協(xié)調(diào)( 此處僅指應(yīng)變的相互影 響作用，并非完全應(yīng)變協(xié)調(diào)) 約束土體的側(cè)向變形，使土的抗壓強(qiáng)度和筋材的抗 拉性能結(jié)合起來，從而改變了原軟弱土體性狀，力學(xué)性能得到改善，提高了土體 的整體強(qiáng)度。 加筋土技術(shù)的推廣和應(yīng)用起始于1 9 6 5 年法國工程師h e n r iv i d a l 提出的加 筋土的概念和設(shè)計(jì)理論。起初的加筋材料主要是金屬材料，由于金屬材料抵御化 學(xué)腐蝕的能力較弱，而且成本高，其使用范圍受到較大限制。 土工合成材料是以人工合成的聚合物，如纖維、塑料、合成橡膠等為原料制 成的新型巖土工程材料，將其置于土體內(nèi)部、表面或土、砂、碎石等之間，發(fā)揮 排水、反濾、加筋、保護(hù)或防滲作用。從上世紀(jì)8 0 年代初我國開始將土工合成 材料應(yīng)用于加筋土工程，到9 0 年代中期，其應(yīng)用范圍已涉及鐵路、公路工程的 軟基處理，加筋擋土墻，加筋土橋臺(tái)，加筋陡坡，加筋地基等。近年來，在海岸 工程中也得到迅速推廣應(yīng)用。但是，目前國內(nèi)在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、模型試驗(yàn)和理論研究 方面還相對(duì)滯后。 因此，盡快完善加筋土的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)理論成為當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵 問題。 加筋土工程以其顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益使其迅猛發(fā)展，我國從1 9 7 9 年至今，建 筑的加筋土工程數(shù)以萬計(jì)。當(dāng)初引進(jìn)技術(shù)時(shí)，主要是用拉筋帶修建加筋土擋墻， 后來應(yīng)用范圍發(fā)展到以土工格柵加固軟土地基，修建擋土墻、邊坡、護(hù)岸和防止 路面開裂等等。 在土工合成材料加筋土工程中，利用筋材的抗拉特性，通過加筋材料與周圍 土體問的摩擦和嵌固作用，改變了加筋土內(nèi)部應(yīng)力及位移場(chǎng)的分布，使土的強(qiáng)度 及穩(wěn)定性得到提高。因此，土工合成材料與填料的界面作用特性直接決定加筋土 工程的內(nèi)穩(wěn)定性，所以土工合成材料與填料之間的相互作用成為揭示加筋材料對(duì) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 土體加筋加固機(jī)理的最關(guān)鍵的技術(shù)課題。國外許多學(xué)者( h o l t z ，1 9 7 7 ； m y l e s ，1 9 8 2 ：m i y a m o r i ，1 9 8 6 ；w i l l i a m s ，1 9 8 6 ；d e g o u t l e ，1 9 8 6 ；o c h i a i ，1 9 9 2 ； b e r g a d o ，1 9 9 2 ；h a u s m a n n ，1 9 9 4 ；k o u t s o u r a i s ，1 9 9 8 ) ，利用直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn) 研究了土工合成材料與填料的界面作用特性。其中，h a u s m a n n 和c l a r k e ( 1 9 9 4 ) 是通過直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)對(duì)塑料拉伸土工格柵與粉煤灰的界面特性進(jìn)行初步 研究1 1 。國內(nèi)學(xué)者( 趙愛根等，1 9 8 7 ；李海芳等，王吉力等，1 9 9 2 ；吳景海， 陳環(huán)等，2 0 0 1 ；施有志，2 0 0 3 ) 也通過直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)研究了國產(chǎn)土工合成 材料與填料的界面作用特性【1 刪。 鑒于當(dāng)前國內(nèi)外的土工合成材料與填料的界面作用特性研究現(xiàn)狀，國內(nèi)外很 多學(xué)者都對(duì)現(xiàn)有的界面特性成果存在爭(zhēng)議，觀點(diǎn)難統(tǒng)一，這可以從多次國內(nèi)、國 際土工合成材料會(huì)議上可以看出，存在著很多不足之處。急需要通過科學(xué)試驗(yàn)更 深層次的對(duì)土工合成材料與填料作用的界面作用特性進(jìn)行研究。 1 2 土工合成材料的分類及其功能簡(jiǎn)介 1 2 1 土工合成材料的分類 土工合成材料大體可以分為土工織物、土工膜、特種土工合成材料和復(fù)合型 土工合成材料四大類，每類材料又都有各自的相關(guān)產(chǎn)品。 1 土工織物 土工織物是采用編織技術(shù)生產(chǎn)的透水性土工合成材料，他的特點(diǎn)是重量輕、 整體連續(xù)性好?？勺鞒奢^大面積的整體，長度可達(dá)數(shù)百米乃至上千米。并且施工 簡(jiǎn)便、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕和微生物侵蝕性好，根據(jù)制作方法的不同又可分為以 下幾種： ( 1 ) 編織物是采用纏結(jié)、扎結(jié)等工藝制作； ( 2 ) 機(jī)織物是用機(jī)器編織而成的具有經(jīng)、緯線的土工織物； ( 3 ) 無紡織物是采用機(jī)械固結(jié)法、化學(xué)粘結(jié)法將纖維集成在一起的織物； ( 4 ) 復(fù)合織物是采用縫制、針刺方法將上述產(chǎn)品組合在一起的織物。 2 土工膜 土工膜是一種不透水的土工合成材料，可分為瀝青土工膜和聚合物土工膜兩 類。瀝青土工膜主要為復(fù)合型的。聚合物土工膜視原材料的不同分為塑性土工膜 和組合型土工膜。 土工膜的主要特點(diǎn)是透水性極低，其工程特性隨類別、制作方法、產(chǎn)品類型 的不同而發(fā)生很大的變化。土工膜還有很好的彈性和應(yīng)變能力、良好的耐老化能 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 力，尤其適用于水下工程。 3 特種土工合成材料 土工格柵、土工網(wǎng)、土工模袋、土工墊和土工室以及輕型土工合成材料統(tǒng)稱 為土工合成材料。土工格柵是經(jīng)過拉伸工藝形成的具有方形或矩形格柵的聚合物 板材，主要用作加筋材料。土工網(wǎng)是合成材料條帶編織或合成樹脂壓制成的具有 較大孔眼、剛度較大的網(wǎng)狀合成材料，是主要的加筋材料。土工模袋是一種雙層 聚合物化纖織物制成的袋狀材料，他可以代替模板成型混凝土或砂漿。土工墊和 土工室是合成材料特制的三維結(jié)構(gòu)，前者多為透水聚合物網(wǎng)墊，后者多為蜂窩狀 或網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，主要用于護(hù)坡或植草綠化。 4 復(fù)合型土工合成材料 ( 1 ) 復(fù)合土工膜 土工膜土工織物組合，稱為復(fù)合土工膜，主要用于防滲、加筋和增加與 土面之間摩阻力的作用。 ( 2 ) 土工復(fù)合排水材 土工復(fù)合排水材是以無紡?fù)凉た椢锖屯凉ぞW(wǎng)或不同形狀合成材料芯材組成 的土工應(yīng)用的排水材料，常用的入塑料排水板，用于軟土地基處理，可加速排水 固結(jié)【塒。 1 2 2 土工合成材料的功能 1 過濾功能 把土工織物置于土體表面或相臨土層之間，可以有效的阻止土顆粒的通過， 從而防止土顆粒過量流失而造成土體的破壞，同時(shí)允許土中的水或氣體穿過織物 自由排出，以免由于空隙水壓力的升高造成土的失穩(wěn)破壞。 2 排水功能 較厚的針刺無紡織物和具有多孔隙的復(fù)合型土工合成材料多可以起到排水 作用，在土體中形成排水通道，把土中的水分匯集起來，并沿著材料的平面排出， 增強(qiáng)土體的水穩(wěn)定性和抗凍性。 3 隔離功能 土工織物和土工膜都可以起到隔離作用。把兩種不同粒徑的填料( 如土、砂、 碎石等) 與其他結(jié)構(gòu)分隔開來，從而保持材料和結(jié)構(gòu)各自的完整性，或避免發(fā)生 土質(zhì)流失現(xiàn)象。這種功能用于公路路基與地基之間、土石混合壩、石籠及沙袋與 軟土地基之間的隔離等。 4 加筋功能 加筋功能可以有效的分布土體的應(yīng)力，增加土體的強(qiáng)度，限制土體的側(cè)限位 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 移，提高土體的整體性及穩(wěn)定性?？梢岳猛凉じ駯偶咏盍Ａ蠅|層處理公路軟土 地基，可以有效的控制土基的工后沉降，避免路基不均勻沉降造成路面開裂破壞。 隨著土工合成材料的日益發(fā)展，產(chǎn)品形式的日益增多，其分類和功能也將日趨復(fù) 雜，因此，他是不能按某些分類進(jìn)行限制的。 1 3 土工合成材料試驗(yàn)研究現(xiàn)狀 1 3 1 試驗(yàn)研究 加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要了解筋土界面特性，其中筋土界面摩擦力的大小及變 化是進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析最重要的參數(shù)。目前，國內(nèi)外對(duì)于加筋土的界面特性試驗(yàn) 仍然以直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)為主。下面分別論述直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的方法與成 果。 1 直剪試驗(yàn) 1 ) 試驗(yàn)儀器及材料 一般是由有機(jī)玻璃或鐵板做成的剪切盒，尺寸一般在l o o m 1 0 0 咖3 0 0 唧 x 3 0 0 m m 左右，垂直加荷和水平加荷方式各有不同，法向壓力有利用杠桿系統(tǒng)的， 也有用螺旋千斤頂施加的；水平剪切力，有利用蝸桿加手輪的，也有利用變速電 動(dòng)機(jī)控制的螺旋千斤頂施加的。在直剪試驗(yàn)中，隨著剪切位移的產(chǎn)生，上下盒相 互錯(cuò)動(dòng)，當(dāng)上下盒尺寸相同時(shí)，隨著剪切變形的逐漸增加將導(dǎo)致試驗(yàn)過程中筋材 與填料接觸面積逐漸減小，由于接觸面積的變化，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，為消除 接觸面積變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，所以有些試驗(yàn)，采取上下試驗(yàn)盒大小不一樣的 試驗(yàn)方法，試驗(yàn)裝置見圖卜1 。 圖1 - 1 直剪試驗(yàn)裝置示意圖 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 國內(nèi)試驗(yàn)采用的加筋材料大都是國產(chǎn)的土工合成材料，有聚乙烯單向土工格 柵、聚丙烯雙向土工格柵、聚乙烯土工網(wǎng)、滌綸纖維經(jīng)編土工格柵、玻纖士工格 柵和有紡?fù)凉た椢?、針刺無紡?fù)凉た椢锏鹊取?填料土采用礫石、粗砂、殘積土和粉煤灰等。 2 ) 試驗(yàn)方法 上、下盒內(nèi)均為填料土，土工合成材料放在上下盒之間并固定，施加垂直荷 載，使土樣固結(jié)一定時(shí)間后，再施加水平荷載，剪切速度一般為0 5 m m m i n 。通 常施加4 組以上不同垂直荷載。 3 ) 已有試驗(yàn)成果 1 9 8 6 年，艾金布德和拉克制造了兩種簡(jiǎn)單的直接剪切儀，采用四種類型的 土( 無粘性土、粘土) 、十九種土工織物( 織造和非織造) 以及二種土工膜進(jìn)行試驗(yàn)， 發(fā)觀土與土工織物之間的摩擦角小于土本身的摩擦角【5 1 。1 9 8 7 年，威廉姆，豪維 利漢，萊佛柳等( l a f l e u r ，e t 枷報(bào)導(dǎo)了同樣的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)密實(shí)砂與土工 織物反復(fù)剪切后，所發(fā)揮出的摩阻力幾乎與疏松狀態(tài)下的相同1 4 1 。 1 9 8 6 年，趙愛根用應(yīng)變式直剪儀測(cè)定了上海產(chǎn)和天津產(chǎn)針刺型土工織物與 高嶺土及標(biāo)準(zhǔn)中砂接觸界面的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土與土工織物界面剪應(yīng)力一 剪切位移曲線呈非線性性狀，界面剪應(yīng)力的發(fā)揮需筋材和土體發(fā)生一定的相對(duì)位 移，影響土與土工織物界面相關(guān)系數(shù)的主要因素是材料的物理、力學(xué)性質(zhì)；當(dāng)土 工合成材料相同時(shí)，上覆法向應(yīng)力和試驗(yàn)剪切速率對(duì)界面相關(guān)系數(shù)也有一定影 響。砂與土工織物界面抗剪強(qiáng)度線呈折線；粘土與土工織物界面抗剪強(qiáng)度線呈直 線，而且粘性土的固結(jié)狀態(tài)對(duì)界面抗剪強(qiáng)度有明顯影響，欠固結(jié)粘土的界面強(qiáng)度 比正常固結(jié)粘土的界面強(qiáng)度值要小【1 4 j 。 1 9 8 8 年，李海芳和李放芝用應(yīng)變控制式直剪儀( 剪切盒尺寸為2 0 0 m mx 2 0 0 r a m 、1 5 0 r a mx 1 5 0m m 、l o o m mx 1 0 0m m 三種) 做了土與土工織物接觸界面間 摩擦特性試驗(yàn)，得出結(jié)論：剪切盒的尺寸對(duì)界面的摩擦角有一定的影響，尺寸為 1 5 0 r a mx 1 5 0m i l l 時(shí)，界面摩擦角有較大值。但土工織物的不均一性對(duì)界面特性 的影響比較大，建議盡量采用較大尺寸的剪切盒為好。 1 9 8 9 年，姚代祿在研究加筋土擋墻筋與土摩擦性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：加筋后，筋材 與土之間的剪阻力比原壓實(shí)土的剪阻力有所降低，但加筋卻增加了土的整體強(qiáng) 度；土與加筋的摩擦性質(zhì)是線性關(guān)系，符合摩爾一庫侖強(qiáng)度包線的直線表達(dá)式。 建議在加筋土擋墻的設(shè)計(jì)中，對(duì)粘性填土要考慮粘聚力作用【1 5 】。 2 0 0 3 年，華僑大學(xué)的施有志、馬時(shí)冬用直剪試驗(yàn)研究了土工格柵的界面特 性。剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大到剪切位移達(dá)到6 _ - 8 m m ，達(dá)到最大值【1 9 】。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 2 拉拔試驗(yàn) 1 ) 試驗(yàn)儀器及材料 試驗(yàn)儀器有應(yīng)變式和應(yīng)力式兩種。拉拔試驗(yàn)箱大小也各異，垂直加荷方式， 一般利用千斤頂配量力環(huán)，水平荷載有利用機(jī)械千斤頂配壓力傳感器、施加砝碼 等，試驗(yàn)裝置見圖1 2 。 國內(nèi)試驗(yàn)采用的加筋材料大都是國產(chǎn)的土工合成材料，有聚乙烯單向土工格 柵、聚丙烯雙向土工格柵、聚乙烯土工網(wǎng)、滌綸纖維經(jīng)編土工格柵、玻纖土工格 柵和有紡?fù)凉た椢?、針刺無紡?fù)凉た椢锏鹊取?填料土采用礫石、粗砂、殘積土和粉煤灰等。 2 ) 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)盒固定，逐級(jí)施加水平荷載，拉拔土工合成材料，力的大小隨試驗(yàn)儀器 及要求而定。 避囪盛，l 圖1 - 2 拉拔試驗(yàn)裝置示意圖 3 ) 已有試驗(yàn)成果 1 9 8 6 年，俄乃斯特柯勞斯和靡力普得爾瑪斯等在大型剪切盒( 5 0 0 r a mx 2 5 0 m m ) 做了剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，得出結(jié)論：在所有情況下，拉拔試驗(yàn)所獲得 的相關(guān)系數(shù)小于剪切試驗(yàn)所獲得的值；土工織物自身的特性對(duì)士一土工織物系統(tǒng) 的剪切強(qiáng)度有影響，其主要影響因素是織物的孔徑和變形模量。 1 9 9 2 年，王吉力和馬時(shí)冬通過拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)研究了土與土工織物接 觸界面問摩擦特性，獲得以下初步成果：砂與土工織物的共同作用產(chǎn)生不為零的 凝聚力，其大小隨著砂密度的增加而增大。砂與土工織物之間的摩擦角小于砂本 身的摩擦角；在所有情況下，拉拔試驗(yàn)所獲得的土與土工織物之問的相關(guān)系數(shù) 皆小于剪切試驗(yàn)所獲得的相關(guān)系數(shù)值；在加筋土工程中，土與土工織物之間有剪 切( 粘結(jié)) 和拉拔( 錨固) 兩種形式。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)不同的工程問題，選用剪 切作用參量或拉拔作用參量1 1 6 1 。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 9 9 7 年，閻澍旺和英國的b e nb a r r 合作對(duì)土工格柵與土相互作用進(jìn)行有限 元分析，分別做了小型格柵拉拔試驗(yàn)和大型格柵拉拔試驗(yàn)，通過有限元分析方 法，采用小型拉撥試驗(yàn)所取得的計(jì)算參數(shù)，對(duì)大型拉撥試驗(yàn)進(jìn)行了分析計(jì)算，并 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。從試驗(yàn)可以看到，土對(duì) 處于拉撥狀態(tài)格柵的阻力由兩部分組成：土與格柵的表面摩阻力以及土對(duì)橫肋的 阻力，其發(fā)揮程度與格柵變形的大小有關(guān)。摩阻力在較小的變形時(shí)即已達(dá)到峰值， 此后橫肋阻力隨格柵變形的進(jìn)一步增加而逐漸占主導(dǎo)地位，承擔(dān)著9 0 左右的 荷載l r 丌 2 0 0 1 年，陳環(huán)教授和吳景海等人用自行研制的試驗(yàn)裝置對(duì)土工合成材料與 土界面作用特性進(jìn)行了研究，對(duì)不同土工合成材料分別傲了直剪試驗(yàn)和拉拔試 驗(yàn)，比較了各種材料與不同填料的界面特性，得出了一些對(duì)工程實(shí)踐頗有價(jià)值研 究結(jié)果，并且驗(yàn)證了前人的研究成果【“。 綜上所述，拉拔試驗(yàn)測(cè)得的摩擦系數(shù)大于直剪摩擦試驗(yàn)值，這是因?yàn)樵谥奔?摩擦試驗(yàn)中，筋材只有一個(gè)面與填料產(chǎn)生摩擦作用，而在拉拔試驗(yàn)中則有兩個(gè)面。 填料為砂礫石時(shí)，比值較大，這是因?yàn)楦駯趴籽蹖?duì)砂礫石顆粒的咬合、嵌固作用 較強(qiáng)。 1 3 2 計(jì)算方法的研究 目前，對(duì)加筋土工程的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要有極限平衡法和有限單元法兩種方法 【冽。從分析思路上分，通常有兩種思路，一種是把加筋上看成由土與筋材兩種不 同性質(zhì)的材料組成，兩者通過界面相互影響、相互作用；另一種是把加筋土看成 宏觀上均勻的各向異性復(fù)合材料。第一種方法需要筋材、土、界面三種本構(gòu)關(guān)系 模型和相應(yīng)計(jì)算參數(shù)，當(dāng)加筋層較多時(shí)，計(jì)算的工作量較大后一種思路的缺點(diǎn) 在于復(fù)合材料是各向異性的，其剛度矩陣計(jì)算、方程求解都比較困難，而且它的 各向異性復(fù)合材料參數(shù)也難以獲得。所以現(xiàn)在用的比較多的還是第一種，計(jì)算時(shí) 皆要列入土與筋材的界面反應(yīng)特性。 在用極限平衡法和有限元法中，第一種思路是最常見的。目前人們提出的極 限平衡法有很多，對(duì)擋土墻的計(jì)算方法如下： 經(jīng)典朗肯法：假定土體主應(yīng)力方向?yàn)樨Q宣和水平方向，最大垂直應(yīng)力等于上 覆土重，加筋材料承擔(dān)上下兩個(gè)三間距的水平土壓力。潛在破裂面為與墻底水平 面成4 5 。+ 艫2 的斜面朗肯方法也稱之為楔形體分析法。 半經(jīng)驗(yàn)的0 3 h 法：假定潛在破裂面為折線型，在墻頂寬度為0 3 h ( h 為墻 高) 下部為一與墻底水平面成4 5 。+ 妒2 的斜面該方法又稱有粘聚力的重力分 析法或粘聚重力分析法。 天律大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 對(duì)加筋土邊坡，常用計(jì)算方法如下： 直線滑動(dòng)楔形體破壞分析法：假定破壞面為直線，土坡破壞以楔體形式下滑。 這種方法對(duì)垂直邊坡來說，等價(jià)于朗肯方法。 折線滑動(dòng)楔形體破壞分析法：即假定破壞面是由兩條直線組成的折線，土坡 破壞以楔體形式下滑。此種方法相似直線滑動(dòng)楔體破壞分析法。 圓弧滑動(dòng)法：假定破壞面為圓弧，筋材中的力為土坡提供一個(gè)附加抗滑力 矩可以用瑞典條分法或畢肖普法計(jì)算其安全系數(shù)，這是一種較為常用的方法、 其中又分瑞典法和荷蘭法 對(duì)數(shù)螺旋線滑動(dòng)法：假定滑裂面為對(duì)數(shù)螺旋線，有一些以此為基礎(chǔ)的改進(jìn)方 法：l e s h c h i n s k y 和y o l k 在假定滑裂面為對(duì)數(shù)螺旋線的同時(shí)還考慮了筋材中力 方向的改變魏戈峰在其研究工作中也做了相應(yīng)的考慮1 2 1 1 。 位移法：6 0 u r c 等提出了位移法位移法以極限平衡理論為基礎(chǔ)，假定織物 的作用為一嵌壓膜，考慮了織物變形以及土與織物間的相互作用關(guān)系位移法對(duì) 加筋土坡和擋土墻都是適用的。 j u r a n 法j u r a n 提出了一種應(yīng)變相容分析的方法( s t r a i nc o m p a t i b i l i t y a n a l y s i s ) 。 此外，王釗、劉祖德等利用彈性理論和極限平衡分析所提出的方法對(duì)加筋擋 土墻及加筋土坡的設(shè)計(jì)計(jì)算也具有重要的指導(dǎo)意義。在加筋土計(jì)算方法上， s c h o l s s e r 、s e g r e s t i n 等都做過許多工作，o s m a n 也用能量法原理分析加筋土結(jié) 構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性。 極限平衡法是目前廣泛采用的方法，它的優(yōu)點(diǎn)是能給出安全系數(shù)的指標(biāo)；設(shè) 計(jì)時(shí)僅需考慮強(qiáng)度方面的參數(shù)。計(jì)算工作量較小，而且與素土邊坡及擋墻的分析 方法相近，易為工程界接受。但它偏于保守，易造成浪費(fèi)，對(duì)筋材強(qiáng)度許可變 形等取值具有很大的任意性；所研究的是假想的極限平衡狀態(tài)而不是實(shí)際工作狀 態(tài)沒有充分揭示土與織物的相互作用機(jī)理，不能充分考慮各種影響穩(wěn)定的因素； 目前各種計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出入較大，此外這種計(jì)算方法不能計(jì)算土體的應(yīng)力 和變形，也不能模擬施工進(jìn)程。 有限元法一般是分別考慮土、筋材及二者界面的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)用表示這 些關(guān)系的本構(gòu)模型和有限元基本方法進(jìn)行分析計(jì)算。把筋土看成兩種不同材料 并考慮其相互作用關(guān)系的思路比較直觀，應(yīng)用也較為廣泛。由于有限元法要進(jìn)一 步表征土、筋材的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程使計(jì)算更為復(fù)雜，除對(duì)特殊問題的 探討，目前應(yīng)用尚不普遍。所以有些學(xué)者，針對(duì)某些情況，如地基填料、纖維加 筋土等，建議采用第二種思路的方法，即把由筋與土組成的加筋土復(fù)合體看成一 種均質(zhì)材料，土與筋材的作用表現(xiàn)為內(nèi)力而不對(duì)其進(jìn)行具體的應(yīng)力分析。在這種 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 思想指導(dǎo)下的算法也有極限平衡法、結(jié)構(gòu)力學(xué)或彈性力學(xué)解析法、有限元法等。 但是，長期以來的理論與實(shí)踐均表明，土的力學(xué)性復(fù)雜多變，而土工合成材 料更是應(yīng)力一應(yīng)變非線性，具明顯的蠕變性和時(shí)溫效應(yīng)，測(cè)試指標(biāo)又是離散性大 的材料，加上埋在土內(nèi)時(shí)的力學(xué)性狀與無側(cè)限時(shí)的差別很大，故企圖單純憑借力 學(xué)分析與理論計(jì)算來用定值法設(shè)計(jì)加筋土體，較為困難。為此，有的情況下，特 別是以集中荷載和往復(fù)荷載為主的加筋土，半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)方法仍然是目前工程設(shè) 計(jì)中采用的主要方法。這類方法的建立有賴于原型觀測(cè)的大量積累和合理的反饋 分析。 1 4 目前存在問題 首先，從產(chǎn)品生產(chǎn)上來看，目前我國的土工合成材料產(chǎn)品與先進(jìn)國家相比， 存在著制造工藝與質(zhì)量上的差距，產(chǎn)品離規(guī)格化和系列化有一定的距離，并且對(duì) 產(chǎn)品的基礎(chǔ)理論研究也不夠，新產(chǎn)品的開發(fā)比較緩慢。我國土工合成材料應(yīng)用的 經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)大體上是仿照外國，土工合成材料與其他建筑材料相比，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)比 較多，相對(duì)的理論研究比較少，還很不成熟。理論落后于實(shí)踐造成了現(xiàn)有規(guī)范的 局限性，使土工合成材料的特點(diǎn)和長處沒有充分體現(xiàn)。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法尚不完善。 為使土工合成材料在實(shí)際施工中更好的應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)土工合成材料計(jì)算理論和試 驗(yàn)方面的研究，特別是有關(guān)界面特性的研究。 還有，雖然前人的研究取得了一定的成果，但只是從表面得出一些與相應(yīng)材 料有關(guān)的數(shù)據(jù)，由于受到自身試驗(yàn)條件的限制，例如采用的試驗(yàn)儀器也都相對(duì)較 小，誤差較大，很多理論與實(shí)際不相適用，沒有更深層次的對(duì)土體與土工合成材 料的作用機(jī)理進(jìn)行研究。喬面摩擦力是設(shè)計(jì)、計(jì)算加筋結(jié)構(gòu)物的重要參數(shù)，它應(yīng) 模擬工程實(shí)際情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)的界面摩擦試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)確定，不應(yīng)僅由經(jīng) 驗(yàn)推測(cè)，所以很有必要加強(qiáng)土工合成材料的界面特性的研究。 我們雖已經(jīng)知道土與土工合成材料之間的摩擦力由幾個(gè)方面組成，但是各占 多大的比重，哪部分起主要作用還不清楚，還有土的擾動(dòng)層厚度，以及其擾動(dòng)變 形和界面特性參數(shù)之間的關(guān)系也是目前急需要解決的。這些都會(huì)對(duì)土工合成材料 的設(shè)計(jì)和應(yīng)用產(chǎn)生有很大的影響。這也是今后試驗(yàn)研究的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。 此外，還必須加強(qiáng)加筋土計(jì)算方法的研究，現(xiàn)有極限平衡法雖比較成熟，但 對(duì)加筋材料作用機(jī)理的考慮還存在很多問題，由此造成的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)際情 況，使工程設(shè)計(jì)很難應(yīng)用。有限元法是比較先進(jìn)的方法，也是目前研究較多的對(duì) 象。還有上面我們提到的第二種思路的計(jì)算方法也是加強(qiáng)研究的對(duì)象。 土工合成材料的廣泛應(yīng)用是在2 0 世紀(jì)中期以后，8 0 年代進(jìn)入我國。但它發(fā) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 展迅速，并滲入到土建工程的各個(gè)領(lǐng)域。加筋是土工合成材料的主要功能之一， 在陡坡、軟土地基加固及修建加筋土擋墻中具有重要的作用目前土工合成材料 的加筋機(jī)理不是十分清楚，計(jì)算方法不成熟，理論研究落后于工程實(shí)踐。因此， 需要進(jìn)行更深入的研究。 本文通過直剪試驗(yàn)，研究不同土質(zhì)條件下各種型號(hào)格柵的界面特性，并對(duì)試 驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象進(jìn)行分析，與拉拔試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較分析，還對(duì)在加筋土工程中， 土工合成材料的加筋效果進(jìn)行了探討。 1 5 本文的主要研究工作和意義 鑒于先i i 國內(nèi)外研究土工合成材料的界面特性存在不少的缺點(diǎn)和不足，本文 將通過拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對(duì)土工合成材料的界面特性進(jìn)行分析研究。 目前，雖然已有若干利用拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對(duì)土工合成材料的研究成果， 但是由于試驗(yàn)設(shè)備及方法的局限性，試驗(yàn)結(jié)果的分析并未取得系統(tǒng)的、有實(shí)用價(jià) 值的結(jié)果。對(duì)土工合成材料界面特性的試驗(yàn)研究更是缺乏。鑒于目前的研究現(xiàn)狀 【3 1 刪，本文進(jìn)行的主要工作如下： 1 ) 對(duì)已有的先進(jìn)的拉拔試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，自制了直剪試驗(yàn)箱，使其不僅能 完成拉拔試驗(yàn)，也可以較好地完成直剪試驗(yàn)； 2 ) 土工合成材料加筋效果隨不同土質(zhì)的變化關(guān)系： 3 ) 土工合成材料加筋效果與密實(shí)度的變化關(guān)系； 4 ) 提出對(duì)土工合成材料進(jìn)行直剪試驗(yàn)的注意要點(diǎn)及建議； 5 ) 提出在實(shí)際工程運(yùn)用中，運(yùn)用土工合成材料的建議。 對(duì)土工合成材料的界面特性研究尤為重要，搞清楚土工合成材料的晃面特 性，不僅對(duì)研究加筋土的加筋機(jī)理有重要意義，還給加筋土工程的設(shè)計(jì)與計(jì)算提 供更為可靠的科學(xué)依據(jù)，可以驗(yàn)證和推導(dǎo)出更為科學(xué)的理論計(jì)算公式。研究土工 合成材料的界面特性還能更好的指導(dǎo)土工合成材料的生產(chǎn)，指導(dǎo)生產(chǎn)工藝的改 進(jìn)，節(jié)省原材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加加筋土工程的安全性。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 2 1 試驗(yàn)設(shè)備調(diào)研 第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 2 1 1 加筋土試驗(yàn)的現(xiàn)狀及問題 土工合成材料是一種較為新興的土工建筑材料，所以國內(nèi)對(duì)土工合成材料尚 無統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，國際比較著名的標(biāo)準(zhǔn)有：國際土工合成材料學(xué)會(huì)( i g s ) ，美 國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)( a s m l ，國際標(biāo)準(zhǔn)組織0 s o ) ，德國標(biāo)準(zhǔn)化研究所( d i n ) 等。國內(nèi) 外的科研單位設(shè)備都是根據(jù)自身的試驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)加工。這也就導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè) 備的多樣性，且各設(shè)備的性能也高低不等。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范，所以至今國內(nèi) 外沒有一個(gè)土工儀器廠生產(chǎn)過這種類型的設(shè)備。根據(jù)目前情況很有必要研制一種 國際先進(jìn)的試驗(yàn)機(jī)，既能完成拉拔試驗(yàn)，又能完成相同條件的直剪試驗(yàn)，以便對(duì) 二者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，要求此設(shè)備能吸收當(dāng)今較先進(jìn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，并排除其缺點(diǎn)， 為科學(xué)試驗(yàn)研究以及以后制定規(guī)范提供借鑒。 本次試驗(yàn)計(jì)劃利用具有國際先進(jìn)水平的試驗(yàn)設(shè)備，此設(shè)備至少能滿足現(xiàn)行土 工合成材料試驗(yàn)規(guī)范所需的最高標(biāo)準(zhǔn)，拉拔速度必須保持勻速，速度范圍0 5 5 m m m i n 。同時(shí)，設(shè)備還需能自動(dòng)施加并調(diào)節(jié)垂直荷載，保持垂直壓力不變的特 點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集方面要求實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)采集并繪制數(shù)據(jù)曲線，達(dá)到整個(gè)試驗(yàn)過程的全 自動(dòng)化。 根據(jù)本次試驗(yàn)的要求及設(shè)備的研制計(jì)劃，首先對(duì)國內(nèi)各科研單位的拉拔試驗(yàn) 設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)拉拔試驗(yàn)設(shè)備各種形式都有，從水平加荷形式上 分，主要有應(yīng)變式控制和應(yīng)力式控制兩種，以前者為主。應(yīng)力式設(shè)備都比較簡(jiǎn)陋， 缺點(diǎn)突出。 國內(nèi)外多數(shù)科研單位的拉拔設(shè)備采用的是應(yīng)變式控制方式，絕大多數(shù)單位的 拉拔試驗(yàn)設(shè)備都比較簡(jiǎn)陋，普遍存在上面提到的缺點(diǎn)。也有個(gè)別單位投入了不少 人力物力，制造出的設(shè)備與同類設(shè)備比還是相當(dāng)先進(jìn)的，但不是純粹的拉拔試驗(yàn) 設(shè)備，針對(duì)性不夠強(qiáng)，所以從控制拉拔試驗(yàn)的精度要求等上面來說，還是存在缺 陷。另外，國內(nèi)外的許多設(shè)備雖然具備了一定的優(yōu)點(diǎn)，但有的投入太大，而且比 較笨重，不具推廣性。 1 ) 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)陋，一般為木制的，箱體材料也多為木質(zhì)，整體框架的強(qiáng)度不 能滿足試驗(yàn)要求，即使是鋼制的，普通角鋼以及這種螺母連接的方式， 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 也存在很多缺點(diǎn)，變形太大，不穩(wěn)定，試驗(yàn)中箱體容易發(fā)生變形破壞。 2 ) 難以控制水平拉拔速度保持勻速，而且也達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的拉拔速 度應(yīng)控制在0 5 5 m m m i n ，控制不方便，各種量測(cè)精度也不夠。而且所 受拉力不均勻，將會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性產(chǎn)生很大影響。 3 ) 不能自動(dòng)補(bǔ)壓，無法自動(dòng)調(diào)節(jié)上覆壓力，嚴(yán)重不能滿足試驗(yàn)要求。 4 ) 無觀察視窗，不能觀察拉拔過程中土體擾動(dòng)的情況。 5 ) 加荷及數(shù)據(jù)采集根本不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集，數(shù)據(jù)記錄完全人工記錄，采 集量不夠，后處理也麻煩。 以下是國內(nèi)外一些儀器的照片。 圖2 一l 拉拔試驗(yàn)機(jī)雛形 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 圖2 - 2 接觸面剪切儀( 清華大學(xué)) 圖2 - 3 大型拉拔試驗(yàn)機(jī)( 新加坡國立大學(xué)) 此設(shè)備的研制應(yīng)不僅吸收國內(nèi)外現(xiàn)有較為先進(jìn)設(shè)備所具有的優(yōu)點(diǎn)，還能克服 它們的缺點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)創(chuàng)新出現(xiàn)有所有設(shè)備所不具有的優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到國際領(lǐng)先水 平。 天津大學(xué)碩七學(xué)位論文第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 2 1 2 直剪試驗(yàn)的缺陷 直剪試驗(yàn)主要用于土與筋材界面強(qiáng)度驗(yàn)算，拉拔試驗(yàn)主要用于確定土中筋材 地抗拔強(qiáng)度。和拉拔試驗(yàn)相比，直接剪切試驗(yàn)側(cè)重于模擬筋土界面相互作用的抗 剪特性，可獲得筋土界面的粘聚力c 。和摩擦角6 或視摩擦剪切系數(shù)，。 目前，國內(nèi)外所做的直剪試驗(yàn)一般存在以下一些缺陷： 1 ) 在法向應(yīng)力作用下，土工織物會(huì)下陷，即存在一碗狀拱面，這樣會(huì)導(dǎo)致筋材 與土體界面應(yīng)力不均勻分布，剪應(yīng)力非非平面。 2 ) 由于常規(guī)直剪試驗(yàn)的上盒與下盒面積相等，致使在剪切過程中接觸面積不斷 減少，以致： 土工織物與土界面面積不斷減少； 正應(yīng)力不穩(wěn)定； 在直剪試驗(yàn)中，土樣所受正應(yīng)力是由作用于試樣形心頂部的豎向荷載p 通過 剛性傳壓裝置產(chǎn)生的，見圖2 - 4 。剪切開始前，剪切盒內(nèi)的試樣上表面受大小均 等的正應(yīng)力口，見圖2 - 5 。 a ，衛(wèi) 4 式中：p 為垂直壓力：a 為初始剪切面面積。 f ，：?jiǎn)挝幻娣e上的翦應(yīng)力j f ：作用于剪切金上的剪力。 圖2 - 4 理想剪切面示意圖圖2 5 剪切開始時(shí)各點(diǎn)正應(yīng)力分布示意圖 當(dāng)剪切開始后，由于上下剪切盒發(fā)生了相對(duì)位移，使作用于上剪切盒頂部的 集中力口的作用線偏離了剪切盒內(nèi)試樣的形心位置( 見圖2 6 ) ，從而導(dǎo)致剪切盒 內(nèi)試樣所受正應(yīng)力的大小隨剪切位移的增加不斷發(fā)生變化，使各點(diǎn)正應(yīng)力的大小 發(fā)生了重新分布，而不再是剪切前各點(diǎn)大小均等的正應(yīng)力，見圖2 7 。由于上下 剪切盒內(nèi)的土樣產(chǎn)生相對(duì)位移，此時(shí)，上剪切盒內(nèi)土樣相對(duì)于下剪切盒內(nèi)土樣移 出的部分相當(dāng)于懸臂梁，見圖2 8 。作用于a b 段的線性荷載使a b 段試樣產(chǎn)生繞b 點(diǎn)的力矩，從而使a b 段試樣形成繞b 點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。此時(shí)，a 點(diǎn)的線性荷載 仃 o r 。由力學(xué)平衡可知，當(dāng)剪切位移產(chǎn)生后，作用 于剪切盒內(nèi)土樣有效剪切面上的正應(yīng)力大于剪切開始時(shí)的正應(yīng)力，并隨剪切位移 的增加和有效剪切面積的減小不斷增大。同時(shí)，由于剪切盒內(nèi)土樣偏心受力導(dǎo)致 天津大學(xué)碩十學(xué)位論文第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 有效剪切面上正應(yīng)力的非均勻分布。 直盤 圖2 - 6 試樣偏心受力示意圖圖2 - 7 剪切開始后各點(diǎn)正應(yīng)力的重新分布圖 圖2 - 8 上剪切盒相對(duì)移出部分受力示意圖圖2 - 9 主應(yīng)力示意圖 試驗(yàn)在施加剪應(yīng)力前，試樣內(nèi)最大主應(yīng)力仉，為作用于試樣上的豎向應(yīng)力 o 。因試樣處于側(cè)限狀態(tài)，故d ：一吒一k o ，( 七為側(cè)壓力系數(shù)) 。有學(xué)者認(rèn)為， 當(dāng)剪應(yīng)力施加后，主應(yīng)力的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)并隨剪應(yīng)力的增大偏轉(zhuǎn)方向逐漸增大， 見圖2 - 9 。 剪應(yīng)變分布是不均勻的，這與庫侖公式的應(yīng)用條件存在差異； 在剪切過程中，垂直荷載發(fā)生偏心，致使應(yīng)力計(jì)算誤差加大。 3 ) 由于剪切位移有限，不能得到準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力值。 4 ) 剪應(yīng)力集中及剪應(yīng)力分布不均勻。 目前，國內(nèi)普遍采用的應(yīng)變控制式直剪儀的剪切盒為圓形。在試驗(yàn)資料的分 析中，假定試樣所受剪應(yīng)力均勻分布。但實(shí)際上并非如此。土樣剪切時(shí)先從試樣 邊緣開始，而圓形剪切盒一開始則在剪切盒邊緣處形成了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象， 靠近剪力作用于剪切盒的作用點(diǎn)處剪應(yīng)力最大，向兩側(cè)分布逐漸減小，并且有使 試樣向剪力作用點(diǎn)處擠密的趨勢(shì)，見圖2 1 0 。在整個(gè)剪切過程中，雖然剪力作用 于剪切盒作用點(diǎn)處的剪應(yīng)力在逐漸減小，其兩側(cè)的剪應(yīng)力在逐漸增大，但始終存 在剪應(yīng)力分稚不均勻的問題。此外，整個(gè)剪切面上在剪切過程中也始終存在剪應(yīng) 力分布不均勻的問題。 ，暫茗鼻 畫 圖2 1 0 剪應(yīng)力分布示意圖圖2 1 1 應(yīng)變分布示意圖 直蜀盆 天律大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 同時(shí)，圓形剪切盒不利于按實(shí)際剪切面積計(jì)算剪應(yīng)力。國外一些著名儀器生 產(chǎn)廠商( 如e l e 公司) 生產(chǎn)的直剪儀的剪切盒則為方形。直剪試驗(yàn)的試樣被剪壞時(shí)， 靠近剪力盒邊緣處的應(yīng)變最大，而試樣中間部分的應(yīng)變要小得多，見圖2 一1 1 。 5 ) 實(shí)際剪切面并非理想剪切面 理想剪切面為限定在上下剪切盒中間的平面，見圖2 一1 2 。雖然該平面未必是 剪切盒內(nèi)試樣剪切破壞時(shí)的最薄弱面，但實(shí)際剪切面既非理想剪切面，也未必是 破壞時(shí)的最薄弱面。試驗(yàn)開始時(shí)，施加在試樣上的壓力為軸向正壓力p 。當(dāng)剪切 開始后，試樣上下被剪開的兩部分隨剪切盒發(fā)生相對(duì)位移，這樣的相對(duì)位移使原 來的軸向正壓力變成了偏離軸向的偏軸壓力，從而使實(shí)際剪切面偏離了原來預(yù)定 的理想剪切面，發(fā)生了斜剪現(xiàn)象。 l 圖2 - 1 2 剪切面對(duì)比示意圖 在剪切過程中，隨著剪切位移的增加，土樣有效剪切面積在不斷減小，而且 隨著剪應(yīng)力的增加，破壞時(shí)的相對(duì)位移最大，其有效剪切面積變得更小。土工試 驗(yàn)方法在標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程中給定的計(jì)算剪應(yīng)力的公式為： f ；堡x l o o 式中；_ r 為剪應(yīng)力，k p a ；c 為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)n o o l m m ；r 為測(cè)力計(jì)讀 數(shù)0 o l m m ；1 0 為單位換算系數(shù)。上式中：以為剪切盒內(nèi)士樣初始剪切面面積， 但在實(shí)際剪切過程中，土樣有效剪切面積是變化的。因此，在利用該公式計(jì)算時(shí)， 始終采用剪切開始前試樣的初始剪切面面積不符合實(shí)際情況【堋。 根據(jù)以上一些問題，所設(shè)計(jì)的直剪試驗(yàn)儀應(yīng)具備以下幾點(diǎn)特征： ( 1 ) 垂直加荷系統(tǒng)能自動(dòng)改變壓力等級(jí)，并能長時(shí)間穩(wěn)定在某壓力值，誤 差范圍不超過1 。 ( 2 ) 水平拉拔系統(tǒng)保持勻速拉拔，拉拔速度能超過現(xiàn)行規(guī)范的最高要求。 ( 3 ) 垂直和水平方向都配備高精度拉壓力傳感器，水平方向還配高精度的 位移傳感器，每個(gè)傳感器都配備采集顯示儀表，和與計(jì)算機(jī)連接的接口。 ( 4 ) 試驗(yàn)箱留有透明的觀察視窗，可以方便觀察土體擾動(dòng)變形情況。能滿 足做各種剪切和拉拔試驗(yàn)，還要輕便，不顯得太笨重。 ( 5 ) 編制采集數(shù)據(jù)軟件，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中采集數(shù)據(jù)的可視化。 ( 6 ) 自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以在一個(gè)人操作下完成試驗(yàn)的全過程。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章直剪試驗(yàn)設(shè)備的研制 ( 7 ) 使下箱體的面積大于上箱體的面積，以便在剪切工程中使得接觸面積 保持不變。 ( 8 ) 在剪切面上可以固定土工格柵，防止格柵拱起變形。 2 2 試驗(yàn)設(shè)備的研制改進(jìn) 2 2 1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 i ) 試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)和基本參數(shù) 試驗(yàn)臺(tái)能承受l o 噸重的垂直荷載，5 噸左右的水平荷載，所以試驗(yàn)臺(tái)的 結(jié)構(gòu)合理，能保證在極限荷載下穩(wěn)定不變形，而且尺寸不適宜，不笨重。 可放入試驗(yàn)室，有操作空間。 臺(tái)面高度不超過0 5 r a , 方便抬動(dòng)拉拔試驗(yàn)箱。 留有安裝固定垂直加荷和水平加荷設(shè)備的空間。 結(jié)構(gòu)鋼梁不遮蓋觀察視窗。 2 ) 水平加荷架及試驗(yàn)箱的特點(diǎn) 水平加荷架能保證在拉拔狀態(tài)下不變形，可以均勻施加拉拔力，避免格柵 受水平力不均勻。 與加荷架相連的夾具能夾住各種土工合成材料，而且能達(dá)到不讓土工合成 材料從夾具中脫落，還不會(huì)破壞土工合成材料。 試驗(yàn)箱的尺寸為4 0 0 n 砷x 3 0 0 r a m x 3 0 0 r a m ，試驗(yàn)箱要求能在極限荷載下，不 損壞，不變形，重量還不太重。 試驗(yàn)箱上的加荷板能在承受1 0 噸的壓力下不變形。 3 ) 垂直加荷系統(tǒng) 設(shè)計(jì)了液壓裝置配傳感器的系統(tǒng)，此系統(tǒng)要求能自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直壓力，壓力范 圍0 5 噸可調(diào)，試驗(yàn)整個(gè)過程中能保持恒壓不變，并且能精確測(cè)量的垂直荷載 的數(shù)值。 此系統(tǒng)包括： 液壓裝置，包括比例閥、液壓包、變送器、控制箱、蓄能器、液壓表； 高精度推力傳感器( 包括數(shù)字顯示儀表) 。 4 ) 水平加荷系統(tǒng) 此