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土工格栅加筋颗粒基层材料的安定分析
Qiming Chen1; Murad Abu-Farsakh, M.ASCE2; George Z. Voyiadjis3; and Gael Souci4
摘要：本研究旨在研究土工格栅加固未结合颗粒材料的安定行为，并评估影响安定应力限制的因素。为了实现这一目标，该研究是通过对未增强和土工格栅增强的未结合颗粒样品进行重复负载三轴试验（RLT）来进行的。选择多级RLT测试，其中仅需要一个样本来确定安定应力限制，优先于单级RLT测试，其中需要对多个样本进行多次测试。使用具有不同拉伸模量和不同孔径几何形状（三个矩形或双轴和两个三角形或三轴）的五个土工格栅。测试结果清楚地证明了在永久变形减少方面将土工格栅放置在未结合的粒状基础试样中的潜在益处。土工格栅的优点在较高的应力水平和较高的拉伸模量土工格栅中更为普遍。土工格栅的包含对于延迟范围B安定行为的发生（即，增加塑性安定限制）比对于在最佳条件下制备的样品的范围C安定行为（即，增加塑性蠕变限制）更具影响。和干燥的最佳方面。对于在最佳湿侧制备的样品，土工格栅对延迟B范围行为的发生（即，增加塑性安定限制）具有可忽略的影响，但对延迟范围C安定行为的发生具有显着影响（即，增加塑性蠕变极限）。在使用的五个土工格栅中，具有三角形几何形状和最高拉伸模量的三轴土工格栅TX2表现出始终优于其他四个土工格栅。
DOI:10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000601.copy;[]美国土木工程师学会。
CE数据库主题标题：土工格栅;形变;重复加载;三轴试验;粒状媒体。
作者关键词：基地;土工格栅;永久变形;重复负载三轴试验;多级;安定的行为。
介绍
路面设计的主要目标是确保在设计的路面使用寿命期间车辙不超过可接受的限度（例如，0.75英寸）。路面的表面车辙是各种路面层中不可恢复的应变积累的结果。我们在本研究中的主要关注点将集中在未绑定的粒度基础层，该层用于将负载从流量负载分散到路基。未结合的粒状基层在低体积道路中具有特别重要的意义，其中AC表面层很薄或仅利用表面处理。过度挤压未结合的粒状基础材料会导致路基局部过载并在基层内积累过量的永久变形。因此，更好地了解永久性颗粒基材的变形行为是成功路面设计的关键要求。
路面受到周期性而非单调性加载的事实使得人行道中的人行道中人们最不了解的结构（科林斯和博尔比班 2000).许多作者（例如，Collins和Boulbibane 1998, 2000; Werkmeister 2003）通过重复载荷详细描述了材料的自然行为，在这种载荷下，材料逐渐变质而不是突然坍塌导致失效。之前的学习（夏普和布克1984; Paute等人。1996年; 道森等人。1996年; 他们是2000年），使用低应力水平重复加载试验，表明在多次加 循环后变形可以达到渐近线。当达到这种渐近变形时，任何进一步发展的应变都是有弹性的（可恢复的）。然而，任何压力水平的增加都会导致进一步不可恢复的变形，如 Lekarp所发现的那样（1997).出于设计目的，这表明在永久变形开始无限增加之前存在可达到的最大允许载荷。处理这个问题的塑性理论被称为shakedown理论，并且路面中的这一点被定义为临界应力水平，或者基于shakedown理论概念，被定义为安定制。
最近进行了几项研究，以使用RLT测试表征未结合颗粒材料（UGM）的安定理论（Werkmeister等。 2001; ;Arnold2004 年; Werkmeister 2003, 2006; Abu-Farsakh等人。 2007;song和Ooi 2010; 陶等人。2010; Nazzal等人。 2011).Werkmeister等。（2001）是第一个提出可以应用shakedown概念来描述UGM的行为的人，并且他们提出了一套修改过的UGM响应，用于以安定的术语重复加载（2001）是第一个提出可以应用shakedown概念来描述UGM的行为的人，并且他们提出了一套修改过的UGM响应，用于以安定的术语重复加载。根据Werkmeister等人的说法。（2001），给定基础的永久变形行为
材料，取决于应用的压力水平，可以属于以下三个不同类别之一：
- 范围A或塑料安定范围（图1).如果施加的载荷低于塑性安全极限，则永久变形在相对较高的速率下累积有限数量的载荷循环（初级阶段），然后达到恒定值（次级阶段）。初级阶段的永久变形很可能归因于颗粒重新定向，其特征在于单个颗粒的旋转和滑动，以及初始颗粒破碎
（Werkmeister 2003).
- 范围B或塑性蠕变范围（图1).如果施加的载荷高于塑性弯曲极限并低于塑性蠕变极限，则在有限数量的载荷循环（初级阶段）开始时永久变形的累积速率将处于高水平，然后接近相对较低，几乎恒定的水平（第二阶段）。在大量的负载循环之后，永久变形的累积速率将加速直到材料失效（第三阶段）。在初级阶段，材料行为类似于在范围 A中发现的材料行为。相反，在第二阶段，永久变形很可能归因于颗粒接触磨损（即，通过接触点处的摩擦磨损颗粒）而不是颗粒破碎。这种持续的损害导致材料在达到第三阶段时崩溃（Werkmeister 2003).
- 范围C或增量坍塌范围（图1).如果施加的载荷高于塑性蠕变极限，类似于范围B，则在加载循环开始时（初级阶段）永久变形的累积率将处于高水平，然后处于相对较低的水平（次级阶段） 。在两个阶段中，范围C的永久变形率高于范围B的永久变形率。然而，永久变形累积率的再现将在比范围B（第三阶段）更少的负荷循环之后开始。在此范围内的永久变形可能是由颗粒磨损和颗粒破碎引起的，这使得颗粒重新定向相对较大并因此导致不稳定的骨料骨架（Werkmeister 2003).
Werkmeister (2006通过绘制永久应变率（每个载荷循环的永久应变）与永久应变的关系曲线，进一步提出了在重复载荷下区分三种不同材料响应的标准。当压实后（初级阶段）的永久应变率变得大于 1times;10minus;5，达到范围AB边界，并且当该速率接近8times;10minus;5 时，达到范围BC边界。
最常见的各种RLT测试是单级测试永久变形试验，其中试样在恒定的围压和循环应力下经受一定数量的载荷循环（通常为10,000次循环）。但是，单级永久性需要对多个样品进行多次测试 变形试验确定安定应力极限。这是相当耗时的并且不经济。然而，作为潜在的替代方案，多级永久变形测试仅需要一个样品，这既可以节省时间又可以最小化样品制备的可变性。在多级永久变形测试中，样品经受几种不同的应力状态，并且在每种应力状态下施加恒定数量的负载循环（例如， 10,000）。宋和欧（2010）进行了一项研究，以比较单级和多级永久变形 测试了五种不同的基础材料，并得出结论，多级永久变形测试能够解释基础骨料材料的安定应力极限。
使用土工格栅来改善UGM的性能以及因此道路结构的技术已越来越多地用于铺设和铺设的道路（例如，Hufenus等。 2006; Al-Qadi等人。2008年).土工格栅基础加固的好处传统上是通过使用单调负荷三轴试验来增加弹性模量/剪切强度来评估的（例如，Nazzal等人。2007年）使用单级RLT测试减少永久变形（例如，Moghaddas-Nejad和Small 2003; 珀金斯等人。2004年;和Nazzal等人。2007年）和多级RLT测试（例如，
Abu-Farsakh等人。2007年).作者进行了一项广泛的研究，以评估使用常规（10,000次循环）和高频率（100,000次循环）单级RLT测试的土工格栅加固颗粒基础试样的益处（AbuFarsakh等人。2012).试验结果表明，使用土工格栅加固的改进是土工格栅拉伸模量，土工格栅布置/位置的函数，土工格栅几何形状的影响较小。对于具有相同几何形状的土工格栅，较高的拉伸模量减少了累积的永久变形。将土工格栅放置在双重位置（即，样品高度的上下三分之一）产生了最大的改进。对于在最佳和最佳干燥条件下制备的样品，观察到比在最佳湿润条件下制备的样品更高的改进。试验结果未显示土工格栅加强的颗粒试样的弹性变形或弹性模量有任何明显的改善。本文主要侧重于探讨使用安定理论评估土工格栅加固在增强加固基础材料的安定应力极限方面的益处的可能性。为了实现这一目标，本研究使用未增强和土工格栅增强试样的多级RLT试验检验了土工格栅增强颗粒基础材料的安定行为。还评估了影响土工格栅增强颗粒基材的安定应力极限的因素。
材料特性和测试程序
材料特性
测试的基础材料取自选定的肯塔基碎石灰石材料，该材料通常用于路易斯安那州基层的构造。进行了一系列物理和机械性能测试以进一步表征基础材料。表中列出了这些测试的结果1.图。2 表示从湿（即洗涤的级配）和干筛分析获得的基础材料的粒度分布。如图所示。2通过湿筛分析发现12％的细粉，干筛分析不能准确地捕获较细颗粒的粒度分布。
两组土工格栅，TX为三角形孔，BX为矩形孔，在试验中用作加固。
表1.碎石灰石材料的物理和机械性质
|
物质属性 |
值 |
|
体积比重（(Gsb） |
2.59 |
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加州承载比（CBR） |
101 |
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最佳含水量a （％） |
6.6% |
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最大单位重量a （gamma;d;max） |
22 kN/m3 |
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平均粒径（D50） |
5mm |
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有效粒径（D10） |
0.28 mm |
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均匀系数（Cu） |
24 |
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曲率系数（Cc） |
1.97 |
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USCS分类 |
GW |
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AASHTO分类 |
A-1-a |
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摩擦角（phi;）b |
49° |
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内聚强度b |
26kPa |
a标准监考人员测试。
b单调三轴试验。
粒径（MM）
图2.粒度分布
在TX组中，评估了具有不同拉伸模量的两个土工格栅，而在 BX组中考虑了三个土工格栅。表中列出了制造商提供的这些增强材料的物理和机械性能2.TX1，TX2，BX1和BX2是挤压冲压和拉伸的土工格栅。BX3是编织和涂层土工格栅。
样品制备
遵循AASHTO T307的推荐（阿什托 2003），样品的大小基于材料的粒度。对于未经处理的未结合的颗粒材料，测试样品直径应至少比最大值大五倍 材料的粒度。在该研究中，最大粒径为19mm（即，大于19mm 的颗粒的一部分被筛出）;没有19mm加分数的材料的平均粒径（D50）约为3.7mm。然后使用150mm直径和300mm高度的测试装置。其他研究还建议使用直径为150 mm，尺寸为19 mm的300 mm [国家合作公路 研究计划（NCHRP）2004].
根据AASHTO的建议，拆分模具[图。3(a)]用于压实未结合的粒状材料。将材料在六个升降机中压实以实现均匀压实并保持最大干重单位重量的至少1％为22kN = m3和0.5％目标水分含量为6.6％。对于所有测试，将土工格栅放置在样品的中plusmn; 间[图。3(b)].每个样品包封两个乳胶膜（plusmn; 0.3mm厚）。两个膜的使用非常重要，因为第一个膜会因压实而轻微撕裂。使用第二膜密封样品。详细的样品制备程序可以在Abu-Farsakh 等人的文章中找到。（2012).
测试设置
所有多级RLT测试均使用具有闭环和伺服液压系统的材料测试系统（MTS810）进行。图3(a) 显示测试设备。使用2.5kN （5,000lbf）容量的测力传感器测量施加的载荷。使用两个线性可变差动传感器（plusmn; LVDT）测量轴向变形。两个LVDT固定在顶板上，压力传感器测量的压力是通过使用加压空气来实现的。将准备好的样品放置在负载传感器上，并通过基板将其固定在负载传感器上[ 图3(A)]。然后用o形环和夹子密封样品，这样就可以施加围压。
多级重复负载三轴试验
为了表征材料的安定行为，对未增强和土工格栅增强样品进行了多级RLT测试。多级RLT测试有助于确定不同应力水平下基层材料的变形特性。多级RLT测试包括一个半圆形负载脉冲，由 0.1 s负载持续时间和0.9 s休息时间组成。绞线负载脉冲的原因是为了更好地模拟交通负载条件。 在测试之前考虑样品的调节阶段时遵循AA
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资料编号：[2016]
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