土工格栅横肋与纵肋加筋机理研究

陈榕，郝冬雪，栾茂田，赵维

（1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132012；2.大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116085）

土工格栅是一种由横肋和纵肋构成的高聚乙烯网状加筋材料，凭借其良好的土体加筋特性，在近几年得到了广泛的工程应用.相比于土工带和土工膜之类的土工加筋作物，土工格栅的加筋作用更为有效，但同时，其与土之间的相互作用及应力转移机制也更为复杂.这主要是因为其结构不规则所产生的三维效应.

土工格栅与土之间所形成的加筋阻力主要包含两部分［1］：（1）产生于格栅表面的界面摩擦阻力；（2）产生于格栅横肋前的被动阻力.界面摩擦阻力通过室内直剪试验即可得到相关参数，但是横肋所产生的被动阻力比较复杂，只能通过格栅拉拔试验确定.

现有的国内外大型土工格栅拉拔设备，无论在垂直加载装置、水平拉拔装置还是试验精度上都已得到了长足发展，并且在格栅整体拉拔机制理论方面的研究也日趋完善［2－4］.但是关于土工格栅的横、纵肋分别对于整体拉拔力的贡献及贡献比例，以及两者相互影响等方面的研究还相对有限.

因此，本文以土工格栅的横、纵肋加筋机理为重点研究目标，开发并制作了小型的土工格栅横肋拉拔试验装置，并针对加筋工程特点，进一步考虑了格栅拉拔速率的影响，在不同的法向荷载和拉拔速率下，进行了多组室内横、纵肋独立拉拔试验，对土工格栅的横、纵肋加筋作用的影响因素进行了详细研究和分析.

1 横、纵肋条的独立拉拔试验

1.1 试验装置

拉拔试验装置主要由水平拉伸装置和模型填土槽两部分组成.本次试验中土工格栅的纵肋拉拔试验设备由大连理工大学岩土工程研究所设计，详细尺寸可参考文献［5－6］.小型土工格栅横肋拉拔试验装置为自行开发制作，如图1所示.为防止在高应力下箱体产生变形，选用1cm 厚度的钢板为材料，其内腔尺寸长15cm，宽7cm，高7cm，在两侧挡板上留有高1cm 的孔口.试验中通过液压千斤顶给土层施加稳定的法向荷载压力.水平拉拔装置安装了高灵敏度传感器，可以直接读取瞬时拉拔力大小.

图1 横肋拉拔试验装置Fig.1 Transverse－rib pullout device

1.2 填土的基本性质

试验采用的回填土为大连市夏家河子地区某部队正在建设的工程地基土.对所取填土进行了室内常规试验，确定为粉土，随后分别测试了填土的最大干密度、最优含水率、黏聚力、内摩擦角这4项常用指标，见表1所示.

1.3 土工格栅性能指标

试验所用格栅为青岛旭域土工材料股份有限公司提供的EG90单向土工格栅，其相关参数如图2所示.其中，网孔长AL＝252mm，宽AT＝17.10mm；纵肋宽FWL＝5.79 mm，厚tF＝1.40 mm；横肋宽BWT＝18.68mm，厚tB＝4.00mm.

表1 试验用土的基本性质参数Table 1 Physical and mechanical parameters of test soil

图2 单向土工格栅Fig.2 Uniaxial geogrids

1.4 试验方法

本次试验采用应变控制式拉拔方法.根据室内常规试验结果，对填土进行含水率配比，使其达到最优含水率，格栅的上、下土层压实度控制为95%.

在格栅纵肋拉拔试验中，将格栅横肋部分去掉.为了保证拉拔过程中筋土之间总体接触面积不变，共截取125cm 的格栅纵肋，其中100cm 埋入填土槽中，预留出的前端安装长度和尾端槽外长度有25cm.在格栅横肋拉拔试验中，截取15cm 左右的格栅横肋，横穿过特制的小型试验槽（如图1），筋土之间有效接触长度为7cm，横肋两端用特制夹具固定，确保肋条与拉拔方向垂直.试验中，填土的法向荷载p 分别为10，25，50kPa；拉拔速率v 分别为3.75，7.50，15.00mm／min.在各拉拔速率下整个试验过程始终保持匀速.

2 结果分析

2.1 格栅的纵肋拉拔试验

格栅的纵肋拉拔试验共进行9组，结果见图3.由图3可知：在拉拔初期，格栅纵肋所产生的摩擦阻力增长迅速，当拉拔位移为1mm 时，即可达到极限摩擦阻力的60%以上，当拉拔位移为5mm 左右时，所有拉拔曲线均已出现峰值.值得注意的是，在法向荷载为10kPa的情况下，格栅纵肋的拉拔力在峰值后出现了非常明显的回落，其最终稳定值仅为其拉拔力峰值的50%左右.在法向荷载为25，50kPa的情况下，纵肋拉拔力在达到最大值后，拉拔曲线逐渐趋于平缓，其最终稳定值近似为摩擦阻力极限值.

图3 格栅的纵肋拉拔试验结果Fig.3 Results of longitudinal－rib pullout tests

对图3进行观察后还可发现，在法向荷载相同的情况下，拉拔力曲线在3种拉拔速率下的变化趋势几乎一致，数值大小也无明显差别.由此可知，格栅的拉拔速率对纵肋摩擦阻力的影响并不明显.

2.2 格栅的横肋拉拔试验

格栅的横肋拉拔试验同样进行9组，结果见图4.将图4与图3进行比较后发现，横肋所产生的被动阻力增长相对较慢，往往需要产生一定量的前期拉拔位移才可以完全发挥其被动阻抗作用，并且随着法向荷载的增大，所需要的前期拉拔位移越大，如在法向荷载为50kPa的情况下，格栅横肋约需要25mm相对位移才可发挥出最大的被动阻抗作用.由图4可见，在同一拉拔速率下，随着法向荷载的增大，横肋所产生的被动阻力明显增大，如50kPa法向荷载作用下横肋所产生的被动阻力比10kPa时提高了近3倍.由此可见，法向荷载对横肋加筋作用具有较大影响.另外还可发现，随着拉拔速率的提高，横肋所产生的被动阻力也有一定的提高，如50kPa的法向荷载作用下，拉拔速率为15.00mm／min的横肋被动阻力比3.75 mm／min时增长了近45%.由此可见，法向荷载越大，拉拔速率所引起的被动阻力增幅越明显，法向荷载可以放大拉拔速率对横肋被动阻力的影响.

图4 格栅的横肋拉拔试验结果Fig.4 Results of transverse－rib pullout tests

3 理论分析

3.1 格栅纵肋的界面摩擦阻力理论

对于无黏性土，土工格栅纵肋所产生的摩擦阻力Ff的表达式为［1］：

式中：As为土工格栅的摩擦面积；σ′n为格栅所在深度的有效正应力；δ为界面摩擦角.

格栅所在深度的有效正应力为土体自重应力与法向荷载之和.在本次纵肋拉拔试验中，格栅上部填土厚度为15cm，其自重应力约为2.7kPa.在图5中，将不同有效正应力以及不同拉拔速率下的纵肋极限摩擦阻力结果进行了整体比较和分析.其中，在法向荷载为25，50kPa的情况下，极限摩擦阻力值比较稳定，可直接选取；在法向荷载为10kPa的情况下，土工格栅纵肋的摩擦阻力变化较大，其稳定值仅为极限值的50%左右，因此在图5中将10kPa法向荷载作用下摩擦阻力的极限值与最终稳定值同时列出.

对3种有效正应力下格栅纵肋所产生的极限摩擦阻力值进行线性拟合，可发现其拟合直线并不符合公式（1），直线存在一定的截距（约1kN）.但若选择摩擦阻力的最终稳定值进行拟合，其结果可较好地符合公式（1），界面摩擦角δ≈24.5°.

图5 不同有效正应力下纵肋的摩擦阻力Fig.5 Frictional resistance of longitudinal－rib under different effective stress

分析其截距产生的原因，可能与回填土性质有关.本次试验采用的回填土为存在一定黏性的粉土，可能导致土体与格栅表面存在一定的初始黏结作用，在法向荷载较小时，该黏结作用所占比例较大，因此尤为显著，但在筋土相对位移出现后，黏结作用逐渐较小，摩擦阻力最终趋于真实值，其稳定值仍符合公式（1）.

3.2 格栅横肋的被动阻力理论

对于土工格栅横肋所产生的被动阻力Fb，表达式为［7］：

目前横肋破坏模式主要存在以下两种：常规剪切破坏模式［7］和冲剪破坏模式［8］，如图6所示.常规剪切破坏模式中：

冲剪破坏模式中：

将式（3），（4）分别代入式（2）中，并引入回填土体的强度参数，可以得到基于两种破坏模式下的被动阻力理论曲线.进一步将其与不同拉拔速率及有效正应力作用下横肋所产生的被动阻力数据进行对比，结果如图7所示.

由图7可见，当拉拔速率一定时，在有效正应力较小的情况下，横肋被动阻力接近于冲剪破坏模式，随着有效正应力的增加，横肋被动阻力逐渐向常规剪切破坏模式过渡.横肋的拉拔速率对横肋被动阻力的破坏模式同样具有一定的影响，当有效正应力一定时，随着拉拔速率的增加，其破坏模式逐渐由冲剪破坏模式向常规剪切破坏模式过渡.

基于图7中数据的对比和分析，作者提出如下建议：当有效正应力和拉拔速率均较小时（p＜10kPa，v＜3.75mm／min），格栅横肋所产生的被动阻力值非常接近基于冲剪破坏模式的理论值，因此建议将其作为横肋拉拔阻力的理论下限解；当有效正 应力和拉拔速率较大时（p ＞50 kPa，v ＞15.00mm／min），格栅横肋所产生的被动阻力非常接近基于常规剪切破坏模式的理论值，因此建议将其作为横肋拉拔阻力的理论上限解.在加筋工程设计中，应针对具体工程情况，合理选择格栅横肋的破坏模式及解法进行相应计算.

4 结论

（1）土工格栅纵肋产生的界面摩擦阻力与格栅表面上有效正应力成线性关系；拉拔速率对纵肋的界面摩擦阻力影响并不明显；在有效正应力较小时，黏性回填土会提高筋土界面摩擦阻力的极限值，但在拉拔位移产生后逐渐回落为真实值.

（2）有效正应力和拉拔速率对格栅横肋所产生的被动阻力影响较大.随着有效正应力和拉拔速率的增大，土体破坏模式逐渐由冲剪破坏模式转变为常规剪切破坏模式.建议将冲剪破坏模式和常规剪切破坏模式分别作为理论计算的上下限解，并根据实际工程情况，选择相应的破坏模式进行计算.

（3）格栅纵肋的摩擦加筋作用发挥较快，而格栅横肋的被动阻抗作用需要一定量的前期拉拔位移才可以充分发挥.建议在工程中对土工格栅进行相应的预应力拉拔措施.

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