横肋间距对土工格栅拉拔特性影响试验研究

靳　静，杨广庆，刘伟超

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄　050043；2.河北科技大学 建筑工程学院，河北 石家庄　050018)

土工格栅作为重要的加筋材料已广泛用于处理各种岩土工程问题，如控制路基的不均匀沉降，提高地基承载力以及处理新旧路基间的差异沉降等[1-3]。土工格栅的加筋作用是通过土工格栅与周围土体的相互作用实现的，因此，筋土界面行为是影响土工格栅加筋机制的重要因素。

国内外许多学者为了研究土工格栅加筋土结构的行为，进行了筋土界面特性以及筋土复合材料特性的各种试验，其中拉拔试验被认为是分析筋土界面作用的一种有效试验方法。Abdi等[4]通过拉拔试验分析了土工格栅与各种填土之间的界面参数。Wang等[5]通过拉拔试验和傅立叶级数逼近法对最大拉拔力和拉拔位移的关系进行了分析。Alagiyawanna等[6]在拉拔试验中通过改变格栅纵肋和横肋的根数研究横肋和纵肋分别对拉拔力的贡献和作用。Moraci等[7]的研究结果表明横肋的被动阻力承担了75%以上的拉拔荷载。马存明等[8]通过拉拔试验得到筋土之间不仅存在表面摩擦力，还存在着镶嵌咬合力。包承纲[9]认为土工格栅的加筋作用产生在接触界面以及界面以外一定范围内的土体内，共同组成“加筋土体”。凌天清等[10]通过室内拉拔试验，对比了原样土工格栅和去除横肋的土工格栅之间的界面摩擦特性，土工格栅的横肋对筋土界面特性的影响非常明显,贡献率高达50%以上。徐超等[11]初步揭示了格栅横肋和纵肋在拉拔模式下的作用机制和格栅网格刚度对拉拔力的影响。李磊等[12]研究了带加强节点的土工格栅筋土界面作用特性，探讨了横肋间距和加强节点厚度对最大拉拔力的影响。史旦达等[13]通过直剪试验和拉拔试验，对比分析了单、双向格栅的加筋效果和界面剪应力的不同发挥机制。

近年来，为了降低材料生产成本，国内外采用高密度聚乙烯(HDPE)单向拉伸塑料土工格栅时，横肋的间距呈逐渐增大的趋势。当横肋间距增大后，加大了加筋土结构填筑过程中土工格栅的施工损伤概率，对土工格栅筋材的耐久性不利，同时不同的横肋间距也会对筋土界面特性产生影响。然而，土工格栅在工程中广泛应用的同时，相关的加筋机制和计算方法的研究却已落后于工程实践的发展。因此，研究不同横肋间距条件下HDPE单向拉伸土工格栅的加筋机制就成为加筋工程中重要而又紧迫的课题。

本文针对不同横肋间距的单向拉伸塑料土工格栅进行砂土介质中系列法向应力条件下的拉拔试验。通过对埋置于试验箱填土中的土工格栅筋材施加水平拉力，使加筋材料在土体中滑动或滑移，探究填土与加筋材料界面的特性。通过对试验结果的分析，研究土工格栅的不同横肋间距和法向应力对筋土界面摩擦特性的贡献，为加筋土工程设计时选用合理的加筋材料提供技术参考。

1　试验设备、材料和方案

1.1　试验设备

试验所用设备为自行研制，整套试验设备由拉拔试验箱、加载装置、拉拔装置和试验数据采集系统4部分组成，如图1所示。试验箱的净空尺寸为：长×宽×高=600 mm×400 mm×500 mm，试验箱材料为10 mm厚的刚性钢板，为增大箱体刚度，在箱体四周加有矩形钢条，以保证在加载过程中试验箱侧壁钢板不会出现外凸变形。用于固定法向加载设备的反力架设在箱体上方，对试验箱内的试样施加法向应力。在试验箱前端面距箱底面253 mm处留1道窄缝，用于将土工格栅两端伸到试验箱外。法向加载系统由标定最大量程为150 kN的液压千斤顶和额定量程为150 kN的压力传感器组成，其中用以读取和控制法向应力的传感器与应变仪连接。测力系统由拉力传感器、前位移传感器及后位移传感器组成，额定量程为100 kN，用以测量拉拔过程中任意时刻的水平拉拔力。前、后位移传感器量程均为150 mm。拉拔试验数据由高精度的荷载和位移传感器及配套软件自动采集。

图1　自制拉拔试验仪

1.2　试验材料

筋材为单向拉伸HDPE塑料土工格栅，根据试验箱尺寸，土工格栅宽度B取为30 cm，土工格栅横肋厚度h为6 mm，如图2所示，试验所用土工格栅的横肋间距s分别为28，35和50 cm，埋置于试验箱中的拉筋长度L分别为43，50和59 cm，其技术指标见表1。填土选用的砂土，通过颗粒筛分试验、相对密度试验和直剪试验得到该填土的物理力学指标，见表2。填土颗粒级配见表3，填土颗粒级配曲线如图3所示，由级配组成得知该填土为级配良好的粗砂。

图2　单向土工格栅

横肋间距/cm抗拉强度/(kN·m-1)2%应变时的拉伸强度/(kN·m-1)5%应变时的拉伸强度/(kN·m-1)峰值应变/%28176 552 68101 5911 2835183 266 76136 917 2450175 058 63109 868 93

表2　填土物理力学指标

表3　填土颗粒级配

1.3　试验方案

为研究土工格栅的横肋间距对筋土界面作用特性的影响，3种不同横肋间距的土工格栅在拉拔试验中始终保证2根横肋在试验箱中。试验箱内的土样分4层分别夯实，控制压实度为90%，土样总高度为50 cm，土工格栅位于土样中间，格栅上下土样高度各为25 cm，土工格栅从试验箱中部开缝处伸出后与夹具相连。在填满并压实土样的试验箱上加盖刚性加压板，试验共选取4种法向应力σv：50，100，150和200 kPa。参照JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》[14]，并考虑到土工格栅网孔尺寸较大，试验过程中拉拔速率为3 mm·min-1，以保证试验过程中土工格栅不产生扭转。当拉拔力不再增加或者持续降低时，停止试验。在试验箱的侧壁内表面均涂抹润滑剂用以减小箱壁对填土的摩擦，试验过程中保证土工格栅试样的宽度小于试验箱的宽度，使其与箱体侧壁具有一定距离，尽量将边界效应和尺寸效应的影响降到最低。

图3　填土颗粒级配曲线

2　试验结果与分析

2.1　土工格栅横肋间距对筋土界面特性的影响

根据不同法向应力下3种横肋间距土工格栅的试验数据，绘制拉拔力与拉拔位移的关系曲线，如图4所示。由图4可以看出：①在相同法向应力作用下，最大拉拔力随着土工格栅横肋间距的增加而逐渐较小，达到最大拉拔力所需的拉拔位移也随着土工格栅横肋间距的增加而逐渐减小；②在各法向应力作用下，横肋间距为28和35 cm时，土工格栅的拉拔曲线一般没有出现明显的峰值，最终趋于平缓，主要呈现出应变硬化现象，而对于横肋间距为50 cm的土工格栅，其拉拔力达到峰值后开始缓慢减小，呈现出应变软化特征，即随着土工格栅横肋间距的增加，拉拔曲线呈现出由应变硬化向应变软化转化的趋势。分析其原因，拉拔力主要来自于土工格栅表面与砂土的摩擦力以及格栅横肋的端承阻力。横肋间距较大(s=50 cm)时，随着拉拔位移的发展，拉拔力达到一定程度后，随着嵌固在砂土的格栅长度减小，拉拔力开始逐渐减小；而横肋间距较小(s=28 cm和s=35 cm)时，由于土工格栅抗弯刚度相对较大，尤其是横肋的端承阻力发挥作用增大，使得筋土相互作用机制更强，呈现出应变硬化的特征。当然这并不能说明土工格栅的横肋间距越小越好，过小的横肋间距可能会影响格栅横肋被动阻力的发挥。因此在工程实际中，应根据实际的工程情况选择合适的土工格栅横肋间距，这样才能保证土工格栅在实际工程中发挥其最佳的抗拉性能。

图4　不同横肋间距下拉拔位移与水平拉拔力的关系曲线图

不同法向应力作用下，最大拉拔力与土工格栅横肋间距的关系曲线如图5所示。

图5　土工格栅横肋间距与土工格栅最大拉拔力的关系

根据图5的试验数据，由式(1)计算最大拉拔力下筋土界面的剪应力。

τ=Tdmax/2LB

(1)

式中：Tdmax为土工格栅拉拔端的最大拉拔力；L和B分别为土工格栅埋在砂土中的长度和宽度。

图6给出了不同横肋间距、不同法向应力时筋土界面的剪应力。

图6不同横肋间距、不同法向应力时土工格栅与砂土界面的剪应力

由图6和筋土界面相互作用的Mohr-Coulomb 模型可得到不同横肋间距下砂土与土工格栅界面的强度参数，具体数值见表4。

表4　砂土与土工格栅界面的强度参数

从表4可以看出，横肋间距的改变对砂土与土工格栅界面处的黏聚力c和摩擦角φ有较大影响。当横肋间距从28 cm增大到35 cm时，黏聚力由 15.62 kPa降低到11.21 kPa，降幅为28.23%，摩擦角由13.76°降低到10.33°，降幅为24.93%；横肋间距从35 cm增大到50 cm时，黏聚力由11.21 kPa降低到9.47 kPa，降幅为15.52%，摩擦角由10.33°降低到6.49°，降幅为37.17%。即随着土工格栅横肋间距的增加，筋土界面处的黏聚力和摩擦角均呈减小的趋势。从筋土界面强度参数分析，随着横肋间距的增加，筋土界面的摩擦强度会降低，导致施工机械强度的损伤折减系数也会增大。

2.2　法向应力对筋土界面特性的影响

图7给出了3种横肋间距的土工格栅在不同法向应力作用下拉拔力与拉拔位移的关系曲线。

图7　不同法向应力下拉拔力与拉拔位移的关系

根据图7中的试验数据，由式(2)计算出土工格栅与砂土填土间的界面摩擦系数(压实度均为 90%)，见表5。

(2)

式中：f为筋土界面摩擦系数；A为土工格栅位于试验箱中的面积。

在试验过程中，土工格栅保证有两横肋埋入粗砂中，经计算，对应横肋间距28，35和50 cm间距的土工格栅在砂土中的面积分别约为0.114 0，0.143 2和0.145 5 m2。

表5　砂土与土工格栅的界面摩擦系数

由图7和表5，可以得出以下结论。

(1)土工格栅在拉拔初始阶段，拉拔力随拉拔位移的增加急剧增大，基本呈线性趋势；随着拉拔位移的继续增大，拉拔力到达最大值，并稳定在最大值附近小范围波动，达到相对稳定状态。拉拔力峰值及其对应的位移均随着法向应力的增加而增大。因为土工格栅拉拔力随着拉拔位移的产生而逐渐发挥作用，随着施加法向应力的增大，筋土界面的约束作用越强，拉拔力达到峰值时发生的位移量也就越大。

(2)当横肋间距为50 cm 时，土工格栅与粗砂的界面摩擦强度发展较快，达到峰值拉拔力时对应的位移较小，并且出现峰值后拉拔力与拉拔位移的关系曲线产生了应变软化现象。而当横肋间距为28和35 cm时土工格栅与粗砂土的界面摩擦强度发展较慢，达到峰值拉拔力时对应的位移较大，且出现峰值后拉拔力与拉拔位移的关系曲线下降段产生了应变硬化现象。这主要是因为横肋间距为50 cm时土工格栅位于试验箱中的格栅横肋间距较大，表面摩擦作用占界面抗剪强度的比例较大，这种表面摩擦作用在位移较小时就能发挥到峰值，所以拉拔曲线一般表现为应变软化型；而对于横肋间距为28和35 cm的土工格栅，由于横肋间距的减小，格栅孔眼面积减小，填土对土工格栅的横肋抗阻力作用随之加强，横肋抗阻力随着位移的增大而逐渐发挥作用，故拉拔曲线一般表现为应变硬化型。

(3)施加于填土的法向应力越大，砂土与土工格栅间界面的摩擦系数有减小的趋势，这与普通无加筋材料的砂土填土间的摩擦系数变化规律相似。如土工格栅的横肋间距为28 cm时，当法向应力为50 kPa时，对应的界面摩擦系数为0.617；当法向应力为100 kPa时，对应的界面摩擦系数降为0.367，降低了40.52%。界面摩擦系数随法向应力增加而减小的趋势与文献[15]中的实验结果一致。界面摩擦系数随着法向应力的增加而变化的趋势表明，筋土界面摩擦系数不是一个常量，所以在分析研究土工格栅的加筋作用时，不能抛开法向应力而仅仅以界面摩擦系数大小评价加筋效果。

3　土工格栅拉拔力分析

包承纲[9]认为：埋设在土中的土工格栅受到拉拔作用时，筋土界面作用主要由两部分组成，即土工格栅与土之间的表面摩擦力和土颗粒与土工格栅横肋之间的端承阻力，如图8所示。

图8　土工格栅拉拔受力示意图

根据拉拔试验结果分析，土工格栅的加筋作用主要表现在以下2个方面：筋土界面的摩擦作用和土体对横肋的被动阻抗作用，它们之间的关系可以用下式表示[16]。

Td=Ts+Tb

(3)

式中：Td为土工格栅拉拔端的拉拔力；Ts为筋土界面摩擦力；Tb为土工格栅横肋端承阻力。

筋土界面摩擦力可表示为

Ts=2Aτ=2Aσvtanδ

(4)

式中：δ为土体与土工格栅表面的摩擦角，由直剪试验得到。

土工格栅横肋端承阻力为

Tb=Td-Ts

(5)

取法向应力分别为50，100，150和200 kPa，横肋间距分别为28，35和50 cm，在共计12种组合情况下，计算得到的各组合下最大拉拔力各部分的数值及比例见表6。

从表6中可以看出如下结果。

表6　最大拉拔力各部分数值及比例

(1)当法向应力较小时，土与土工格栅接触面的摩擦力大于土工格栅横肋的端承阻力，表面摩阻力为界面强度的主要影响因素；随着法向应力的增大，横肋的端承阻力逐渐成为主导因素，而界面摩擦力的影响逐渐减小。这是因为在较低的法向应力水平下，达到最大拉拔力需要的位移较小，横肋的端承阻力还未得到发挥就达到峰值，所以表面摩擦力占界面强度的比例较大；而随着法向应力的增加，界面约束作用增强，达到最大拉拔力需要的位移逐渐增大，土工格栅横肋的端承阻力增大，所以土工格栅横肋产生的阻抗作用会随着拉拔位移的增加而逐渐发挥出来，因此可以认为在高应力水平下的横肋加筋效果更为显著。

(2)土工格栅的最大拉拔力受横肋间距和法向应力的共同影响。横肋间距一定时，最大拉拔力随着法向应力的增大而增大；当法向应力一定时，最大拉拔力随着土工格栅横肋间距的增加而减小。

(3)横肋端承阻力Tdb是最大拉拔力的主要来源，最大比例达88.31%。

4　结　论

(1)在土工格栅拉拔过程中，筋土界面拉拔力的发展为一个渐进发展的过程，随着法向应力的增加，土工格栅越不容易屈服。且随着土工格栅横肋间距的增加，拉拔力与拉拔位移的关系曲线由应变硬化向应变软化转化，当横肋间距增大到50 cm时应变软化现象较为明显。

(2)随着土工格栅横肋间距的增加，界面黏聚力和摩擦角呈减小趋势，横肋间距从28 cm增加到50 cm时，黏聚力减小39.37%，摩擦角减小52.83%。对于横肋间距较小的土工格栅，填土对土工格栅的嵌锁咬合力增强，宏观上表现为较高的界面黏聚力，因此其加筋效果优于横肋间距较大的土工格栅。

(3)随着法向应力的增加，界面摩擦系数呈逐渐减小的趋势，对于横肋间距为28 cm的土工格栅，当法向应力由50 kPa增加到 200 kPa时，界面摩擦系数由0.617减小0.335，降低了45.71%。而在工程设计中常取界面摩擦系数为常数值，故存在一定误差。若考虑到界面黏聚力的影响，在工程设计中采用界面强度参数更加合理一些。

(4)筋土界面的拉拔力由界面摩擦力和横肋端承阻力两部分组成。当拉拔位移较小时，以界面摩擦力为主；随拉拔位移的增加，横肋端的承阻力逐渐成为拉拔力的主要来源，并且高应力水平下的横肋加筋效果更为显著，横肋端承阻力的最大比例接近90%。

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