经编格栅与不同填土界面作用特性试验研究

魏军扬， 王保田， 张海霞，2， 赵 波， 张静华， 周 斌

(1. 河海大学 土木与交通学院， 江苏 南京 210098;2.河海大学 岩土工程水利部重点实验室， 江苏 南京 210098;3.扬州大学 建工学院， 江苏 扬州 225127; 4.上海斯耐迪工程咨询监理有限公司, 上海 200233)

加筋土是一种复合结构体系，由水平分层铺设在填土中抗拉强度较好的加筋材料和抗压强度较好的填土组成，具有高抗剪强度和一定的抗拉强度，是一种稳定性较好的挡土或护坡工程形态。国内外对加筋土做过许多研究[1～10]。施有志等[2]通过试验发现筋材与填料间的界面是软弱滑动面。Ingold[3]，Rowe等[4]都通过拉拔试验研究了土工格栅与填土界面间的作用机理以及加筋与填土间的界面作用特性；Reda等[5]通过现场拉拔试验研究了土工织物与填土界面间的作用特性；Lee等[6]通过直剪试验研究了无纺土工织物和编织土工织物与均匀中砂间的界面作用特性。岳祖润等[7]通过室内拉拔试验研究了镀锌铁带和混凝土板两种加筋材料与粉煤灰间的界面作用特性；闫澍旺[8]采用切向刚度系数随应力水平变化的双曲线模型来模拟筋土间的接触特性。王峰[9]利用FLAC软件中的接触面模型模拟筋土间的接触特性。Rowe等[10]通过数值模拟发现，影响连续面板加筋挡土墙水平变形的主要因素是筋材的刚度和填土的内摩擦角。在加筋土工程中，界面特性对工程的稳定和安全有重大影响，在加筋土挡墙设计中也是最关键的技术指标[1]。有些试验的最大法向应力较低，仅为 50 kPa[1]，在实际工程中法向应力绝对不止于此。本文以经编涤纶土工格栅(以下简称经编格栅)为加筋材料，以粉土、粗砂为填土材料，分别进行不同法向力下室内拉拔试验，研究了格栅-粉土界面作用特性与格栅-粗砂界面作用特性，希望能供加筋土研究参考，为加筋土工程借鉴。

1 试验仪器及操作步骤

土工格栅条带之间存在较大网孔，进行直剪试验测得的摩擦强度中土体之间的摩擦强度特性占较大比重，因此采用拉拔摩檫试验。

1.1 试验仪器

本试验采用微机控制土工合成材料直剪拉拔摩擦试验系统，其简图如图1，拉拔箱内拉拔试验示意图如图2。本试验主要技术指标：位移传感器：量程0～300 mm，精度：0.04 mm；拉压力传感器0～ 30 kN，精度：0.05% FS。

图1 微机控制土工合成材料直剪拉拔摩擦试验系统

图2 拉拔试验示意

(1)试验箱：试验箱为一矩形箱体，侧壁有足够刚度，受力时不变形。长×宽×高为25 cm×25 cm×20 cm。试验箱一面侧壁的半高处开一横贯全宽的水平窄缝，高约5 mm，供试样引出箱体用；紧贴窄缝内壁，安置一可上下抽动的插板，用以调整窄缝的缝隙大小，防止土粒漏出。

(2)加载系统：包括施加垂直荷载和水平荷载系统。水平荷载通过拉力夹具作用于试样，将试样从试验箱侧壁的窄缝引出，要求受拉时试样不得在夹具内打滑，也不得在试验箱外或夹具内拉断。作用于试样的拉力应为轴心荷载，水平荷载作用位置应尽量靠近试验箱侧壁，试样夹持位置距箱壁距离不大于10 cm。

(3)数据采集系统：由拉压力传感器、位移传感器、数据采集仪、微机等部分组成。测力采用拉压力传感器；测水平位移采用数显位移传感器。

1.2 试验操作步骤

(1)将土料填入试验箱，按要求的密度分层压密，压密后土面水平，且略高于箱侧窄缝下缘。

(2)将试样平放于土面上，要求平整无皱。在长度方向，试样埋入土中的长度为10～15 cm，试样应居中放置，试样一端从窄缝引出箱外，注意两边对称，并和水平夹具连接。插入可调整窄缝高度的插板，使该板下缘正好在试样表面之上，将插板固定。

(3)继续往箱内填土，分层压密至要求的密度，压密后土面平整，略低于箱顶，放上加压板。

(4)安装水平位移传感器。将杠杆压轮对准试验箱正中，对加压板施加一微量垂直荷载，使板与土面接触好，将位移传感器清零。将夹有试样的夹具连接到水平加荷装置上。

(5)施加要求的垂直荷载，使土料固结。固结时间视土性和排水距离而定，对粒状土固结时间不少于15 min；对黏性土，要求垂直变形增量每小时不大于0.00025h(h为土样高度，mm)。作为固结稳定标准，测记相应的压缩量。施加一微量水平荷载，使水平加荷机构各处绷紧，将位移传感器清零。

(6)施加水平荷载。由微机进行整个试验过程自动控制。拉拔速率视土性而定，可由软件选择；对本实验粗砂，可采用0.5 mm/min，粉土采用0.6 mm/min。

(7)试验进行到出现下列情况自动停止：如果水平荷载(剪应力)出现峰值，试验进行至获得稳定值(残余强度)；如果不出现峰值，或试样被拉断，表明试样长度超过了拨出长度，应缩短埋在土内的长度，再按JTJ/T 060-98《公路土工合成材料试验规程》15.0.4条1～7的步骤作试验。

(8)改变垂直荷载，重复《公路土工合成材料试验规程》15.0.4条1～7各步骤，进行各垂直荷载下相应的拉拔摩擦试验值。

为求得拉拔摩擦强度指标，一般在四种不同垂直荷载下进行试验，其中最大的一级荷载(压力)不小于设计荷载。

2 试验材料

图3 粉土的粒径分布曲线

本研究使用的经编土工格栅为涤纶材料，其拉伸实验强度Ts=61.1 kN/m，伸长率εp=12.75%，变异系数Cv=6.95%。 本研究所用粉土的比重为2.70，液限为25.4%，塑限为15.2%，塑性指数为10，粒径分布曲线见图3。经标准击实试验得到试验粉土的最大干密度ρdmax=1.66 g/cm3，最优含水率wop=14.6%。试验时，土样的干密度控制在压实度为95%，即干密度1.62 g/cm3。制样含水率分别为15.6%、17.7%。本研究采用的粗砂样的粒径分布曲线见图4。粗砂的最大干密度ρdmax=1.61 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.35 g/cm3。试验时，制备土样的干密度为1.52 g/cm3，相对密实度为Dr=0.69，处于密实状态，含水率为7.4%。

图4 粗砂的粒径分布曲线

3 试验结果

3.1 经编土工格栅与粉土界面拉拔摩擦强度

经编土工格栅与粉土界面间的摩擦阻力τ与拉拔位移ΔL关系曲线见图5，经编土工格栅与粉土界面τf～p的曲线见图6。从图5中可以看出，经编土工格栅与粉土界面间的摩擦阻力τ与拉拔位移ΔL关系曲线有峰值，峰值对应的表观摩擦阻力τf并不完全随法向应力增加而增加，存在突变区域，且会变小。从图6可以看出，经编土工格栅与粉土界面间的强度包线也由两段斜线组成。当界面上的法向应力较小时，强度包线为一条斜线，此时经编土工格栅被整体拔出；当法向应力较大时，强度包线为另一条斜线，此时经编土工格栅的纵肋被拔出破坏。即法向应力在某一范围内时，经编土工格栅和粉土界面间的破坏形式由经编土工格栅的整体被拔出破坏转变为经编土工格栅的纵肋被拔出破坏，且强度会变小。因此在设计时要避开此突变区域或者取其较小值。经编土工格栅整体被拔出破坏时摩擦角大于纵肋被拔出破坏时的摩擦角，内聚力变化则相反。

图5 粉土摩擦阻力与拉拔位移关系曲线

图6 不同含水率粉土与格栅界面摩擦强度与法向应力关系曲线

经编土工格栅和不同含水率条件下粉土界面间的摩擦角和内聚力见表1。从表1可以看出，不论经编土工格栅是被整体拔出破坏还是纵肋被拔出破坏，经编土工格栅和粉土界面间的摩擦角和内聚力均随着含水率的增加而降低。粉土实验组其突变区域均大约为50～60 kPa，且两组对应摩擦强度突变幅度均较大，但彼此相差不大。

表1 经编土工格栅和粉土界面间的摩擦角和内聚力

3.2 经编土工格栅与粗砂的拉拔摩擦强度

经编土工格栅与粗砂界面间的摩擦阻力τ与拉拔位移ΔL关系曲线见图7，经编土工格栅与粗砂界面间的τf～p曲线见图8。经编土工格栅埋设在粗砂中的拉拔试验破坏形式和强度曲线变化规律与埋设在黏土中的相似。

图7 粗砂与格栅的摩擦阻力与拉拔位移关系曲线

图8 粗砂与格栅界面摩擦强度与法向应力关系曲线

4 结 论

(1)经编土工格栅与填土界面的极限摩擦阻力随法向应力的增加而增加，但存在强度突降区，由于经编土工格栅由整体被拔出破坏到纵肋被拔出破坏所致。

(2)不同填土或相同填土具有不同含水率，其突变区域不同，不论何种破坏形式，经编土工格栅和粉土界面间的摩擦角和内聚力均随含水率的增加而降低。

(3)在突变区域之前较低的法向应力作用下的摩擦角大于突变区域之后，黏着力则相反。

(4)粗砂实验组与粉土试验组相比，突变法向应力区域数值较粉土试验组大，但其对应得摩擦强度突变幅度较小。在设计或工程中应避免突变降低区域或者取其较小值，会更加安全稳定。

[1] 吴景海,陈 环,王玲娟,等.土工合成材料与土界面作用特性的研究[J].岩土工程学报,2001, 23(1): 89-93.

[2] 施有志，马时冬. 土工格栅的界面特性试验[J]. 岩土力学，2003，24(2):296-299.

[3] Ingold T S. Laboratory of pull-out testing of geogrid reinforcements in sand[J]. Geotechnical Testing Journal, ASTM, 1983, 6(3):101-111.

[4] Rowe R K, Ho S K, Fisher D G. Determination of Soil-geotextile Interface Strength Properties[C]//Second Canadian Symposium on Geotextiles and Geomembranes, 1985:25- 34.

[5] Bakeer Reda M, Abdel-Rahman Ahmed H, Napolitano Phillip J. Geotextile friction mobilization during field pullout test[J]. Geotextiles and Geomembranes, 1998, 16(2):73-85.

[6] Lee K M, Manjunath V R. Soil-geotextile interface friction by direct shear tests [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37(1):238-252.

[7] 岳祖润，赵维钧，张兴明，等. 粉煤灰中的筋条拉拔试验[J]. 石家庄铁道学院学报，1994，7(2):78-82.

[8] 闫澍旺，Ben Barr. 土工格栅与土相互作用的有限元分析[J]. 岩土工程学报，1997，19(6):56-61.

[9] 王 峰. 土工合成材料在斜坡高填方路堤中的应用研究[D]. 长沙：中南大学，2008.

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