土工格栅与砂垫层界面力学特性试验研究

张 骏, 林永亮，张 波

(1.上海大学 土木工程系，上海 200072； 2.上海市建工设计研究院有限公司，上海 200050)

土工格栅与砂垫层界面力学特性试验研究

张 骏1, 林永亮1，张 波2

(1.上海大学 土木工程系，上海 200072； 2.上海市建工设计研究院有限公司，上海 200050)

筋土间相互作用是加筋土强度提高的根本原因，是土工合成材料加筋加固应用中的核心问题。通过室内拉拔试验，分析了法向应力、砂垫层厚度、土工格栅横肋间距3个因素对加筋体极限拉拔力的影响，从宏观角度揭示了筋土界面间的力学特性。结果表明：增设5 cm厚的砂垫层后，格栅的极限拉拔力得到显著提高；高法向应力下，砂垫层厚度对拉拔试验结果影响更显著；在土工格栅加筋软土体中，增大横肋间距会减小筋土界面摩擦角，但是对黏聚力影响不大；格栅网格形态是筋土界面特性的重要影响因素。

土工格栅；拉拔试验；加筋砂垫层；横肋间距；筋土界面参数

1 研究背景

随着近几年土工合成材料的不断发展以及软土上的基础建设的增多，采用加筋砂垫层处理软土地基的研究已成为岩土工程中的一个重要课题。利用加筋垫层处理软基时，垫层的应力扩散作用改变了软土地基的应力状态[1]，有效地减小了软土地基的沉降[2-3]、增强了地基强度以及稳定性[4]。同时一些新型的加筋型式被应用到加筋垫层处理软基上，对改善软土地基承载力以及变形方面有着更好的效果[5]。

筋-土间的相互作用机制是研究加筋土工程的关键。拉拔试验作为研究筋-土界面宏观特性的一种有效手段，已被国内外众多学者用来研究砂土或黏土的界面特性，并取得了丰硕成果[6-8]。但是，目前对加筋砂垫层的拉拔试验研究相对缺乏。张波等[9]针对黏土-砂土-筋带层状布置体系，利用直剪试验得出该体系对加筋黏土结构具有改善功能的结论；刘枫等[10]将不同厚度、不同级配砂土的砂垫层填入黏性土中，通过直剪试验和拉拔试验研究了筋材-砂土-黏土体系的筋土相互作用，但并未研究筋材的形态对加筋砂垫层筋土界面特性的影响。

鉴于土工格栅加筋土拉拔试验中，格栅的网格形态会影响格栅的嵌锁作用，从而改变筋土界面作用特性[11],本文采用拉拔试验分析砂垫层厚度对土工格栅拉拔力的影响，并通过改变土工格栅横肋间距研究格栅网格形态对筋土界面带来的影响。

2 试验装置与试验方法

2.1 试验设备

本次拉拔试验设备采用的是上海大学与上海深尔科技公司联合研制的应变控制式拉拔试验机，该试验机设计简约，功能全面，自动化程度较高,可自动完成力的加载和数据采集工作。拉拔试验箱内部有效尺寸为30 cm×30 cm×30 cm (长×宽×高)，壁厚为2 cm，整套试验装置如图1所示。水平加载装置可调节拉拔速率范围为0～3.5 mm/min。

图1 拉拔试验仪Fig.1 Pullout test apparatus

2.2 试验材料

试验采用的筋材为PET双向聚酯焊接土工格栅，型号为PET25-25。格栅的纵、横肋条宽度均为10 mm，拉伸性能一致，格栅的具体技术参数见表1。

表1 土工格栅的技术参数Table 1 Technical parameters of geogrid

为研究土工格栅横肋间距对拉拔试验结果的影响，将筋材进行修剪加工，经过加工的土工格栅试样如图2所示。

图2 试验采用的筋材形式Fig.2 Three types of geogrid samples

图3 试验用砂颗粒 级配分布曲线Fig.3 Curve of grain size distribution of test sand

所有土工格栅均有5根纵肋，A类土工格栅为原厂提供土工格栅，含有5根横肋，横肋间距为6 cm；B类土工格栅保留3根横肋，横肋间距为12 cm；C类土工格栅保留2根横肋，横肋间距为18 cm。

砂垫层所用砂砾材料由风干的纯净河砂砂砾筛分得到，其颗粒级配分布曲线如图3所示；软土取自工程现场，测得含水率为14.12%，压实度取0.7。

2.3 试验方案

本次试验共设计了3种填料方案:方案1为无砂垫层方案，模型箱内全部用软土填充;方案2在筋材上下各2.5 cm范围内采用砂土填充，其他区域采用软土填充，形成5 cm厚的砂垫层;方案3在筋材上下各5 cm范围内采用砂土填充，其他区域采用软土填充，形成10 cm厚砂垫层。3种填料方案中软土和砂土密实度均保持一致。将3类土工格栅分别在3种填料方案下进行拉拔实验，共9种试验方案。每种试验方案的法向应力分别为25，50和100 kPa。

3 试验结果及相关分析

3.1 砂垫层厚度对拉拔结果的影响

取A类土工格栅在3种填料方案中拉拔试验结果分析了砂垫层厚度对拉拔力的影响。在不同法向应力情况下，土工格栅拉拔试验结果见图4。

图4 不同砂垫层情况下拉拔试验结果Fig.4 Pullout test results with different sand cushion conditions

从图4中可看出：随着拉拔位移的增大，土工格栅的拉拔力也逐渐增大，但是拉拔力与位移曲线斜率逐渐减小；3种法向应力下，有砂垫层时拉拔力的峰值明显大于无砂垫层时的拉拔力峰值。无砂垫层的情况下，筋材的拉拔力达到峰值后在一定范围内保持不变；增设垫层后，极限拉拔力明显增大、且达到峰值后拉拔力出现一定程度的应变软化；增大砂垫层厚度，极限拉拔力基本不变，但达到峰值时的拉拔位移随垫层厚度的增加有所降低。

3.2 横肋间距对拉拔结果的影响

对3种土工格栅在3种填料方案中的拉拔试验曲线进行分析。3类土工格栅均有5根纵肋，不考虑改变横肋间距对网格刚度等其它因素影响的情况下，可认为3类土工格栅在拉拔试验过程中，纵肋所提供的摩擦阻力几乎一致，导致拉拔结果存在差异的是横肋所提供的阻力。以法向应力25 kPa和100 kPa为例，拉拔力-拉拔位移曲线如图5所示。

由图5可见，相同法向力下，A类土工格栅极限拉拔力>B类土工格栅极限拉拔力，C类土工格栅拉拔力最小。拉拔试验曲线显示，3类土工格栅在有砂垫层的情况下，拉拔力在达到峰值之后会有一定程度的降低，尤其是在高法向应力的作用下;而在无砂垫层的情况下拉拔力达到极限拉拔力后保持稳定。

图5 3种土工格栅在不同砂垫层情况下拉拔力-位移曲线Fig.5 Curves of pullout force vs. displacement of three geogrids in different sand cushion conditions

图6 3种格栅在不同砂垫层情况下拉拔力- 位移曲线拟合结果(σ=50 kPa)Fig.6 Fitting curves of pullout force vs. displacement of three geogrids in different sand cushion conditions (σ=50 kPa)

为了得出横肋对拉拔力的影响，将3类土工格栅在不同方案中的拉拔曲线进行拟合，以法向力为50 kPa为例，拟合后结果见图6。在拉拔位移0～16 mm范围内，分别将A类拉拔力-位移曲线拟合公式减去B类和C类土工格栅拉拔力-位移曲线拟合公式，结果如图7所示。

图7 横肋抗拔力发展曲线Fig.7 Curves of transverse ribs’ pullout resistance

以10 cm砂垫层为例，在6 cm拉拔位移时，B类和C类格栅的拉拔力相对于A类格栅拉拔力分别降低了近40%和53%。

从图7可以看出：在16 mm拉拔位移范围内，无砂垫层情况下，横肋抗拔力随拉拔位移增大而增大，达到峰值后保持稳定；增设砂垫层后，横肋的抗拔力随拉拔位移增大达到峰值，随后抗拔力减小。在2种垫层厚度中，抗拔力发挥规律有所差别。

对比分析图7(a)和图7(b)，相同垫层情况下，横肋的抗拔力达到峰值时对应的拉拔位移不一样。这是因为改变土工格栅网格形态对筋-土界面特性产生影响，同时格栅的网格形态影响了其横肋以及纵肋的抗拔力的发展规律。因此，筋-土界面参数不可仅仅根据土体和格栅的力学参数来确定，还需考虑格栅形状对筋土界面特性的影响。

图8 筋土界面抗剪强度曲线Fig.8 Shear strengths of geogrid-soil interfaces in pullout test

4 筋土界面参数分析

图8给出了3类土工格栅与土体界面抗剪强度包络线，可以发现增设一定厚度的砂垫层会显著增大筋土界面似摩擦系数，尤其是当格栅横肋间距较大时。相比于土工格栅加筋软土，增设5 cm厚砂垫 层后，A，B,C类土工格栅筋土界面的似摩擦系数分别增加184%，230%,340%。当进一步增加砂垫层厚度时，筋土界面似摩擦系数的增量会减小，因此选择适当厚度的砂垫层会增强筋土界面强度；在加筋软土中，更改横肋间距对筋土界面的似黏聚力影响不大，但会影响其摩擦特性，横肋间距越大,似摩擦系数则越小；在加筋砂垫层中，更改横肋间距对筋土界面的似黏聚力影响较大，对似摩擦系数的影响较小。

5 结 论

(1) 在软土中增设5 cm厚度的砂垫层后，显著提高了土工格栅的极限拉拔力，增大筋土界面似摩擦角。砂垫层厚度对极限拉拔力影响不显著，但在高法向力下会改变土工格栅抗拔力发展规律。

(2) 土工格栅横肋间距越大，格栅的网格形态改变越显著、刚度降低越大，极限拉拔力越小，筋-土界面的作用机制也将发生改变。

(3) 随着横肋间距的增大，加筋软土界面似摩擦系数减小，同时对加筋砂垫层界面的似黏聚力影响显著。

本文只对横肋间距与垫层厚度对筋土界面的力学特性影响进行了初步探讨。适当减小横肋间距，增加横肋数量会提升加筋效果，但是一味地减小横肋间距，增加横肋数量并不是提升加筋效果的最好方法。然而，砂土的级配与密实度、黏土的含水率、格栅的刚度与几何形状对砂垫层界面特性的影响均至关重要，尚需进一步的探讨。

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(编辑：黄 玲)

Experimental Investigation on Mechanical Behaviours ofthe Interface between Geogrid and Sand Cushion

ZHANG Jun1, LIN Yong-liang1, ZHANG Bo2

(1.Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2.Shanghai Construction Group, Shanghai 200050, China)

The interaction between soil and reinforcement is the fundamental cause of the strengthening of reinforced soil. It is also a key issue in the application of geosynthetic reinforced soils. In this article, the effects of normal stress, sand cushion thickness and spacing between transverse ribs on ultimate pullout resistance of reinforced body were analyzed through pullout test. The mechanical properties of reinforcement-soil interface were also revealed in a macro-sense. Results suggest that sand cushion of 5 cm thickness could remarkably enhance the ultimate pullout resistance of geogrid. The influence of sand cushion thickness on test result is more obvious under large normal stress. Moreover, the frictional angle of geogrid-soil interface decreases with the increasing of the spacing between transverse ribs; but the cohesion stays stable. The shape of geogrid is also an important factor affecting the properties of interface between reinforcement and soils.

geogrid; pullout test; reinforced sand cushion; spacing between transverse ribs; parameters of geogrid-soil interface

2016-03-28 ；

2016-06-08

国家自然科学基金项目(51209132)

张 骏(1990-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事土工加筋技术研究，(电话)15618989662(电子信箱)1142182055@qq.com。

林永亮(1977-)，男，山东烟台人，讲师，博士，主要从事土工加筋技术、土动力学研究，(电话)15821366195(电子信箱) lin_yliang@163.cm。

10.11988/ckyyb.20160281

TU411

A

1001-5485(2017)02-0041-04

2017,34(2):41-44