拉拔速率对土工格栅-砾性土界面摩擦特性的影响分析

祁航翔　王家全　林志南　唐滢

摘  要：为研究土工格栅与砾性土的界面特性，通过室内拉拔试验研究了拉拔速率、法向应力对界面参数的影响，分析了拉拔力峰值、界面摩擦参数及界面摩擦系数比的变化规律.试验结果表明：不同拉拔速率下的拉拔力与拉拔位移曲线均呈现出应变软化特征，且随着拉拔速率的增大，相同法向应力下拉拔力峰值对应的拉拔位移基本相同;随着法向应力的增大，相同拉拔速率下拉拔力峰值对应的拉拔位移逐渐增大;土工格栅-砾性土界面的似摩擦角在拉拔速率（v≤0.9 mm/min）下变化较小，随着拉拔速率的进一步增加，界面的似摩擦角略有提升，且随着拉拔速率的增加，存在一个临界拉拔速率（v=0.9 mm/min），此时土工格栅-砾性土界面的似黏聚力达到最大，为最小界面似黏聚力的1.9倍左右;界面摩擦系数比K随着拉拔速率的增加呈现出先增后减的趋势，拉拔速率在0.3～4.5 mm/min时，K的变化范围为1.29～1.58;从偏安全角度考虑，实际加筋土工程设计中应选择低速率试验工况下的界面摩擦系数比.

关键词：砾性土;土工格栅;界面特性;拉拔速率;应变软化

中图分类号：TU47            DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.003

0    引言

礫性土作为一种重要的工程材料，在自然界分布广泛且储存量大，具有压实性好、透水性强、抗剪强度高、承载力高等特点，被广泛运用于土石坝、铁路路基、桥梁墩台以及处理软弱地基的砂石垫层等工程中[1].

在筋土结构中，筋土界面特性直接影响加筋土结构的内部稳定性、筋材拉力发挥以及结构极限破坏型式，是筋土结构设计、变形及稳定分析最为关键的技术指标，目前研究筋土界面特性主要是通过试验的方法进行研究[2-4]，主要通过室内直剪试验和拉拔试验进行分析.谢宝琎等[5]为研究不同含水率下尾矿与土工格栅的界面特性进行了室内拉拔试验，在界限含水率下的界面似黏聚力最大，似摩擦角最小.靳静等[6]利用室内拉拔试验研究不同横肋间距单向拉伸土工格栅的筋土界面作用特性，发现当横肋间距较小时，拉拔曲线呈现出应变硬化特征，在横肋间距增大的过程中，拉拔曲线由应变硬化向应变软化转变.王家全等[7-8]通过直剪试验研究了素粗粒土和加筋粗粒土界面特性，发现加筋粗粒土相对于素粗粒土内聚力有所增加，内摩擦角有所降低.徐超等[9]采用室内拉拔试验研究土工格栅与砂土相互作用机制以及格栅几何特征对拉拔阻力的影响，认为横肋和纵肋的减小不仅造成拉拔阻力的减小，而且也会降低格栅的拉伸模量、网格刚度和抗拉摩阻力，最终导致筋土相互作用的机制发生改变.杨敏等[10]以土工布作为筋材，进行了黄土加筋土的直剪试验和拉拔试验，分析了不同压实度条件下筋土界面间的直剪和拉拔强度以及摩擦系数.以上学者研究筋土界面特性采用的拉拔速率或剪切速率比较单一，而不同拉拔速率下的加筋土结构的稳定性也有所差异，因此，有必要研究不同拉拔速率下的筋土界面特性.

目前，有一些学者研究了拉拔速率对筋土界面参数的影响.史旦达等[11]利用拉拔试验研究了拉拔速率对黏性土与单向土工格栅拉拔结果的影响，试验结果显示拉拔阻力峰值随着拉拔速率增加而增大;而对于砂土与双向土工格栅界面作用特性，随着拉拔速率增加，界面剪应力略微下降，但规律性不强.易富等[12]分析了3种拉拔速率下的土工格栅与碎石土填料的界面摩擦特性，在法向应力一定时，最大拉拔力随着拉拔速率的增加而增大.张利阳等[13]研究了拉拔速率对尾矿与土工布界面特性的影响，在法向应力一定时，界面剪应力峰值随着拉拔速率的增加略有增加，而界面似黏聚力呈现先增后减的趋势，界面摩擦角先略微减小后快速增加.易富等[14]通过拉拔试验研究尾矿与土工格栅在3种不同拉拔速率下的界面特性，试验结果发现界面似摩擦角随着拉拔速率的增加逐渐变大，而似黏聚力先缓慢减小后迅速增大.Lopes等[15]通过开展砂土与土工格栅的拉拔试验，结果表明拉拔阻力随着拉拔速率的增加而增大.

综上所述，以上学者研究拉拔速率对筋土界面摩擦特性的影响，所选的拉拔速率变化范围较小，很难准确反映筋土界面的真实情况，且对砾性土与土工格栅筋土界面的研究较少.基于此，本文以砾性土为试验填料，探讨了拉拔速率、法向应力对土工格栅-砾性土界面拉拔摩擦特性的影响，得到了一些有益的结论，可为土工格栅加筋土工程建设提供参考.

1    试验准备

1.1   试验设备

试验设备采用TZY-1型土工合成材料综合测定仪，该仪器由南京土壤仪器厂有限公司生产.水平荷载采用应变控制加荷方式，由步进电机驱动变速箱均匀施加，最大拉力为10 kN;拉拔速率有12种档位可供选择，速率范围为0.04～13.00 mm/min.法向荷载采用高精度调压阀和滚动隔膜气缸组成的闭环反馈稳压系统进行施加;数据采集由8031单片微机控制，采样速度10次/s，自动判断峰值，实时传输力与位移的数据给计算机或试验结束后一次传输整个试验的全部数据.拉拔试验盒由上盒和下盒组成，拉拔试验盒上盒内部尺寸为200 mm（长）×200 mm（宽）×37 mm（高），下盒内部尺寸为       200 mm（长）×200 mm（宽）×63 mm（高），试验设备如图1所示.

1.2   试验材料

试验所用的填料为柳州地区工程建设所用的河砂，通过筛分试验得到粒径范围为0～10 mm的砂土，经过人工配比，调配出的砾性土的不均匀系数Cu=5.38，曲率系数Cc=1.16，故砾性土级配良好，砾性土的颗粒级配曲线如图2所示.筋材采用双向拉伸HDPE土工格栅，试验时格栅尺寸为300 mm×160 mm（长×宽），如图3所示，具体技术指标如表1所示.

1.3   试验方法

试验时，以砾性土的密度控制装砂量，将试验填料从下往上分层填筑装入试验盒，每层填筑高度为25 mm，保证每组试验的密实度相同;填筑完成后将刚性承压板盖上，通過调压阀和气缸组成的闭环反馈稳压系统在预定的法向应力下进行预压;预压结束后，在不同拉拔速率和法向应力进行试验，当土工格栅拉拔位移达到35 mm或者拉拔力达到峰值并稳定后结束试验.

1.4   试验内容

为研究土工格栅-砾性土之间的界面特性，采用级配良好的砾性土为试验填料，双向拉伸HDPE土工格栅为试验筋材，分别在25 kPa、50 kPa、75 kPa这3种法向应力下进行5种不同拉拔速率（0.3 mm/min、0.6 mm/min、0.9 mm/min、1.5 mm/min、4.5 mm/min）的拉拔试验.

2    结果分析

2.1   拉拔速率对拉拔结果的影响

图4（a）—图4（e）为砾性土与土工格栅在5种不同拉拔速率和3种不同法向应力下拉拔力与拉拔位移的曲线关系图.由图4可知，拉拔力与拉拔位移的曲线发展规律无显著变化，在各拉拔速率下曲线的发展规律基本一致，均表现为应变软化特征.在不同拉拔速率下，当法向应力σ从25 kPa增大到50 kPa、75 kPa时，拉拔力峰值均呈现逐渐增大的趋势.以拉拔速率v=0.3 mm/min为例，当法向应力σ从25 kPa增加到50 kPa时，拉拔力峰值从        2.64 kN增加到4.69 kN，增幅为77.7%;当法向应力σ从50 kPa增加到75 kPa时，拉拔力峰值从    4.69 kN增加到6.72 kN，增幅为43.3%.可见随着法向应力的增加，拉拔力峰值增加的幅度有所减小.此外，由图4可知，在相同的法向应力作用下，随着拉拔速率的增大，各拉拔速率下拉拔力峰值对应的拉拔位移基本相同;在拉拔速率一定时，随着法向应力的增大，拉拔力峰值对应的拉拔位移逐渐增大.

图5为不同拉拔速率下法向应力与最大剪应力的拟合关系，线性拟合相关系数R2均在0.95以上，表明拟合结果具有很好的可靠性.此外，根据拟合关系表达式可得到最大剪应力与拉拔速率的曲线关系，如图6所示.从图6中可以发现，不同法向应力下，最大剪应力随着拉拔速率的增加均呈现出先增大后减小的趋势.以法向应力25 kPa为例，当拉拔速率v从0.3 mm/min增大到1.5 mm/min时，最大剪应力持续增加，增幅为22.8%;当拉拔速率v进一步从1.5 mm/min增大到4.5 mm/min时，最大剪应力开始减小，减幅为12.8%;随着拉拔速率的增加最大剪应力会存在一个最大值，表现出先增后减的趋势.

通过该拟合结果可以得到土工格栅-砾性土界面参数似黏聚力和似摩擦角，将不同拉拔速率下的界面参数汇总到表2.由表2可知，随着拉拔速率的增加，界面似黏聚力呈现出先增加后减小的趋势.而当拉拔速率v≤0.9 mm/min时，界面似摩擦角变化较小;当拉拔速率v>0.9 mm/min时，相对拉拔速率界面似摩擦角略有提升.当拉拔速率v从0.3 mm/min增大到0.9 mm/min时，似黏聚力增大至最大值，增幅为88.3%，似摩擦角持续减小，减幅为0.2%;当拉拔速率v从0.9 mm/min增大到4.5 mm/min时，似黏聚力持续减小，减幅为38.7%，似摩擦角略有提升，增幅为2.6%.不难发现，随着拉拔速率的增加，存在一个临界拉拔速率（v=0.9 mm/min），在该速率下界面似黏聚力最大.

分析其原因，当拉拔速率较小时，土工格栅与周围的土颗粒能及时重新排列，其镶嵌、咬合作用更强，格栅横肋以及土体的塑性变形来不及发展，从而导致拉拔摩擦阻力增大，因此，砾性土与土工格栅的界面参数似黏聚力变大.而当拉拔速率较大时，土工格栅与周围的土颗粒不能及时重新排列，其镶嵌、咬合作用变小，主要靠纵肋和横肋端承阻力提供摩阻力，因此，拉拔摩擦阻力减小，从而使得砾性土与土工格栅的界面参数似黏聚力变小.且由于土颗粒发生相对错动较小，所以界面参数似摩擦角变化较小.

2.2   拉拔速率对拉拔力峰值的影响

拉拔力峰值随拉拔速率的变化曲线如图7所示.由图7可知，随着拉拔速率的增加，各法向应力下的拉拔力峰值均呈现出先增加后减小的趋势，且拉拔力峰值随法向应力的增加而增大.在低法向应力下（σ≤50 kPa），当拉拔速率v=0.9 mm/min时，拉拔力峰值达到最大;而在法向应力σ=75 kPa下，拉拔力峰值达到最大，对应的拉拔速率v=1.5 mm/min.这是因为在低法向应力下（σ≤50 kPa），土工格栅与周围土体的侧限约束较小，且拉拔速率从   0.3 mm/min增加到0.9 mm/min，拉拔速率变化比较小，土工格栅与周围土颗粒能及时重新排列，其镶嵌、咬合作用变大，故拉拔力峰值进一步增大;而当拉拔速率从0.9 mm/min增大到4.5 mm/min时，拉拔速率变化比较大，土工格栅与周围土颗粒不能及时重新排列，其镶嵌、咬合作用变小，故拉拔力峰值有所降低.相对而言，在法向应力σ=75 kPa下，土工格栅与周围土体的侧限约束较大，当拉拔速率从0.3 mm/min增大到1.5 mm/min时，拉拔力峰值逐渐增大;而当拉拔速率从1.5 mm/min增到4.5 mm/min时，土颗粒平移以及转动比较明显，但由于土颗粒不能及时重新排列，其与土工格栅的镶嵌、咬合作用变小，从而导致拉拔峰值减小.

2.3   拉拔速率对界面摩擦系数比的影响

依据《公路土工合成材料应用技术规范》（JGT/TD32—2012）[16]中界面摩擦系数比的定义，即：

[K=tan?g-stan?s-s]                                   （1）

式中：[?g-s]为土工格栅-砾性土界面的似摩擦角;[?s-s]为砾性土的摩擦角，[?s-s]=44.50°.

图8为土工格栅-砾性土界面摩擦系数比随拉拔速率变化曲线.由图8可知，界面摩擦系数比K随着拉拔速率的增加整体呈现出先增大后减小的趋势，根据规范所得的界面摩擦系数比的变化范围为1.29～1.58.此外，发现低拉拔速率下（v≤0.9 mm/min），界面摩擦系数比的变化范围比较小，近似一条水平直线，且界面摩擦系数比的最小值与最大值仅相差0.8%;而当0.9 mm/min

3    结论

为研究砾性土与土工格栅的界面特性，进行了5种不同拉拔速率和3种不同法向应力下的拉拔试验，得到如下结论：

1）在土工格栅与砾性土的拉拔试验中，不同拉拔速率下的拉拔力与拉拔位移曲线均表现出应变软化特征;且随着拉拔速率的增大，相同法向应力下拉拔力峰值对应的拉拔位移基本相同;随着法向应力的增大，相同拉拔速率下拉拔力峰值对应的拉拔位移逐渐增大.

2）随着拉拔速率增加，界面似黏聚力呈现出先增后减的趋势，而界面似摩擦角的影响较小;且随着拉拔速率增加，存在一个临界拉拔速率            （v =0.9 mm/min），此时界面似黏聚力最大，最大界面似黏聚力是最小界面似黏聚力的1.9倍左右.

3）随着拉拔速率的增加，各法向应力下的拉拔力峰值均呈现出先增加后减小的趋势;在低法向应力下（σ≤50 kPa），在拉拔速率v=0.9 mm/min时，拉拔力峰值达到最大;而在法向应力σ=75 kPa下，拉拔力峰值达到最大，对应的拉拔速率                     v =1.5 mm/min.

4）土工格栅和砾性土的界面摩擦系数比K随着拉拔速率的增加呈现出先增后减的趋势，拉拔速率在0.3～4.5 mm/min时，K的变化范围为1.29～1.58;从偏安全角度，实际加筋土工程设计中应要选择低速率试验工况下的界面摩擦系数比.

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Impact analysis of pullout velocity on interface friction characteristics of geogrid-gravel soil

QI Hangxiang， WANG Jiaquan*， LIN Zhinan， TANG Ying

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the interface characteristics of geogrid-gravel soil， the effects of pullout velocity and normal stress on interface parameters were studied through indoor pullout tests. The variation law of the peak pullout force， the interface friction parameters and the interface friction coefficient ratio were analyzed. The test results show that the curves of pullout force and pullout displacement under  different pullout velocities all show strain softening characteristics， and with the increase of the pullout velocity， the pullout displacement corresponding to the peak pullout force of the same normal stress is basically the same; with the increase of normal stress， the pullout displacement corresponding to the peak pullout force gradually increases at the same pullout velocity; The friction-like angle of the         interface geogrid and gravel soil changes little at the pullout velocity （v≤0.9 mm/min）. With the further increase of the pullout velocity， the friction-like angle of the interface is slightly increased，and with the increase of the pullout velocity， there is a critical pullout velocity （v =0.9 mm/min）. At this time， the     cohesive force of the geogrid-gravel soil interface reaches the maximum， which is about 1.9 times of the minimum interface cohesion. The interface friction coefficient ratio K shows a trend of first           increasing and then decreasing with the increase of the pullout velocity， When the pullout velocity is 0.3 mm/min-4.5mm/min， the change range of K is 1.29-1.58; From a safety perspective， the interface      friction coefficient ratio under low velocity test conditions should be selected in the actual engineering design of reinforced soil.

Key words： gravel soil; geogrid; interface characteristic; pullout velocity; strain softening

（責任编辑：罗小芬、黎   娅）

收稿日期：2020-10-04

基金项目：国家自然科学基金项目（41962017）;广西自然科学基金项目（2017GXNSFAA198170）;广西研究生教育创新计划项目（YCSW2020222）资助.

作者简介：祁航翔，硕士研究生.

通信作者：王家全，博士，教授，研究方向：加筋土结构、地基基础工程等，E-mail：wjquan1999@163.com.