基于不同速率的格栅与标准砂拉拔试验及界面位移图像分析

王家全，祁航翔，梁宁,2，唐毅,2

(1.广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；2.广西壮族自治区岩土灾变与生态治理工程研究中心，广西 柳州 545006)

0 引言

自法国工程师Henri Vidal于1963年提出“加筋土”以来，在世界各国土木工程领域得到了迅速的发展和广泛应用，加筋土是由土体与筋材组成的复合体，它们共同受力，协调变形[1]。目前用作加筋材料的土工合成材料按不同结构需要可分为土工格栅、土工织物、土工带和土工格室等，因其造价低、施工方便而被广泛运用在加筋土挡墙、加筋土垫层、加筋土坡、加筋土桥台及桥墩、大坝抗震防护结构等加筋土工程中[2-3]。已有研究表明，土工合成材料用作加筋材料可以改善土体强度，提高土工结构物稳定性和地基承载力[4-6]；但土工合成材料与土体界面的相互作用直接影响加筋土结构的稳定性与安全性，故此对其界面特性的研究具有重要的意义。

目前，国内外学者一般以室内拉拔试验和直剪试验对筋土界面的特性展开研究，而拉拔试验被认为是一种最简单、最直接的研究筋土界面特性的试验方法，可快速获取加筋土结构设计所需的相关参数[7]。现如今，众多学者通过拉拔试验得到了许多有益的结论。张孟喜等[8]通过室内拉拔试验分析了加强节点布置方式对筋土界面特性的影响，并基于刺入剪切破坏理论得到了极限拉拔阻力理论模型。王家全等[9-10]采用自行研制的可视化大型拉拔仪探讨了土工格栅与砂土界面的受力性能，得出筋土界面摩擦力占拉拔阻力的29%～33%，而横肋与土体挤压咬合产生的承载力占总拉拔阻力的67%～71%，同时得到了土工格栅在拉拔过程中各区段格栅的应变变化规律。曹文昭等[11]以三向和双向土工格栅为研究对象进行了一系列拉拔直剪试验，发现双向土工格栅与砂土界面的峰值摩擦角和残余摩擦角均大于三向土工格栅的，但黏聚力刚好相反；且竖向压力对直剪试验和拉拔试验所得筋土界面强度参数均有明显影响。靳静等[12]研究了不同横肋间距的单向土工格栅与砂土界面相互作用特性，认为筋土界面的拉拔力峰值及其对应的拉拔位移随着土工格栅横肋间距的增大逐渐减小，且黏聚力和摩擦角也呈减小的趋势。上述学者主要从不同类型的土工合成材料对筋土界面的摩阻特性进行研究，但筋土界面相互作用极其复杂，不仅与试验材料性质有关，也与试验方法及加载方式有关。

目前，部分学者对不同拉拔速率下筋土界面的摩擦特性进行了相关的研究。Lopes等[13]研究了4种不同拉拔速率(1.8、5.4、11.8、22.0 mm/min)对筋土界面抗拔力的影响，认为拉拔阻力随拉拔速率的增大而增大。Farrag等[14]发现随着拉拔速率的增加，拉拔阻力峰值会有所减小，最大减小25%。高翔等[15]研究表明拉拔速率对筋土界面的剪切特性的影响主要表现在似摩擦系数随拉拔速率的增加而减小，而似黏聚力的影响较小。史旦达等[16]分析了不同拉拔速率对砂土-双向格栅的界面强度影响，发现拉拔速率提高后，界面剪应力峰值会略微下降，但规律性并不明显。汪明元等[17]通过拉拔试验研究了土工格栅与膨胀土的界面特性，得出拉拔速率较大时，拉拔力增长较快，其拉拔力峰值和界面强度较大。张利阳等[18]采用土工织物与尾矿砂进行拉拔试验，得出随拉拔速率增加，界面剪应力峰值也会随之增大，界面黏聚力呈先增后减的趋势，而界面摩擦角则先略有减小后快速增加。

上述学者在研究拉拔速率对土工合成材料与土体界面相互作用特性影响时，选取的拉拔速率一是分布范围小，二是拉拔速率虽然分布范围大但相邻拉拔速率之间间隔较大，且不同学者得到的结果也有所差异。基于此，本文通过拉拔试验着重探讨了5种不同拉拔速率分别在4个种不同法向应力下标准砂与土工格栅界面的相互作用特性，研究结果可为加筋土工程设计选择何种拉拔速率的界面参数提供参考依据。

1 室内拉拔试验

1.1 试验设备

试验所用设备为自行研制的直剪拉拔测试系统，该设备可以进行拉拔及直剪试验，试验仪器由试验箱、法向力液压系统、水平控制系统和数据采集系统4个部分组成，如图1所示。本次试验采用拉拔试验，运用可视化拉拔试验箱，试验箱的内部尺寸为600 mm×400 mm×500 mm(长×宽×高)，试验箱正面正中间有一块尺寸为400 mm×200 mm(长×宽)的钢化玻璃；法向力液压系统输出的压力范围为0～300 kPa，通过油阀来施加法向应力；水平控制系统由伺服电机、受力传感器、导杆、位移传感器、夹具组成，通过计算机控制拉拔速率，拉拔速率范围为0.2～20 mm/min，试验测试位移范围为0～120 mm；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，试验结束后保存并导出数据，方便后续试验结果分析。

图1 拉拔试验设备

1.2 试验材料

试验所用填料为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂，如图2所示，该标准砂的具体物理性质指标为：有效粒径d10=0.16 mm，中值粒径d30=0.45 mm，限制粒径d60=0.82 mm，经计算得出砂土的不均匀系数Cu=5.13>5，曲率系数Cc=1.54在1～3之间，说明该砂土的级配良好，砂土的具体物理指标见表1。试验所用筋材为双向塑料土工格栅，该类土工格栅在实际加筋土工程中有着较好的应用效果，如图3所示，格栅的具体物理力学指标见表2。

图2 标准砂

图3 试验土工格栅

表1 标准砂的具体物理性质指标

表2 土工格栅具体物理力学指标

1.3 试验内容

试验时，以标准砂的密度控制装砂量，并在填筑的过程中采用砝码进行分层压实，保证每组试验的密实度相同，填筑完成后将承压板放下，调节油阀进行预压，依据《公路工程土工合成材料试验规程(JTG E50—2006)[19]，预压20 min，预压结束后，设置各项试验参数开始试验，同时用高清数码相机对可视化模型箱钢化玻璃面进行图像拍摄，当拉拔力达到峰值并趋于稳定时结束试验。

1.4 试验方案

国内外研究拉拔速率对筋土界面摩擦特性影响存在的主要问题：一是选取的拉拔速率范围小；二是拉拔速率虽然分布范围大，但相邻拉拔速率之间间隔较大，因此，本文选取了5种不同拉拔速率，研究不同拉拔速率对筋土界面摩擦特性的影响，并结合数字图像分析技术探究拉拔过程中筋土界面土颗粒位移变化规律，为了防止拉拔过程中格栅被拉断，进行预试验确定进行本次试验格栅的埋入长度、宽度以及在拉拔过程中所施加的上部法向应力，具体试验方案见表3。

表3 试验方案

2 试验结果分析

2.1 不同拉拔速率下的筋土界面摩阻特性分析

根据不同拉拔速率各法向应力下的试验结果，绘制出5种不同拉拔速率下拉拔力随拉拔位移的变化关系曲线，如图4所示。从图4中，可以发现在拉拔初期，不同拉拔速率各法向应力下，拉拔力随拉拔位移的增加急剧增大，呈线性增长趋势，此时法向应力对拉拔力的增长影响较小，曲线基本完全重合。随着格栅拉拔进一步发展，拉拔力的增长速率随拉拔位移的增加开始放缓，到达拉拔力峰值后，拉拔力随拉拔位移继续增大而持续减小，呈现出应变软化的特征。由于不同拉拔速率下拉拔力与拉拔位移变化规律基本一致，故本文仅对拉拔速率v=1.5 mm/min的情况进行讨论分析。从图4(b)中可知，拉拔力峰值随法向应力的增加而增大，且拉拔力峰值对应拉拔位移也呈增大的趋势；当法向应力从15 kPa增加到60 kPa时，拉拔力峰值从4.947 kN增长到11.884 kN，拉拔力峰值对应的拉拔位移从10.01 mm增加到22.10 mm，拉拔力峰值及其对应的拉拔位移分别增长了240.23%、120.78%，与学者刘文白等[20]、徐超等[21]得到的试验结果一致。分析原因，在法向应力较小时，土颗粒之间以及土颗粒与土工格栅表面和格栅横肋对土颗粒的端承阻力作用较弱，从而导致在拉拔过程中达到的拉拔力峰值较小，随着法向应力进一步增大，这种作用力较强，故拉拔力峰值也因此继续增大。

(a)拉拔速率v=0.5 mm/min

2.2 拉拔速率对拉拔力峰值及拉拔位移的影响分析

根据图4中不同拉拔速率下各法向应力拉拔力随拉拔位移的变化规律，得到了不同法向应力下拉拔力峰值随拉拔速率的变化规律以及不同法向应力下达到拉拔力峰值时所对应的拉拔位移随拉拔速率的变化规律，如图5、6所示。由图5可知，拉拔力峰值随拉拔速率的增大均呈现出先增后减再增的趋势，说明拉拔速率影响着拉拔力峰值的大小。随着拉拔速率的增大，存在一个临界拉拔速率v=1.5 mm/min，在该拉拔速率下拉拔力峰值最大，在法向应力σv=15 kPa，临界拉拔速率下的拉拔力峰值分别是拉拔速率为0.5、3.0、5.0、7.0 mm/min的114.0%、116.8%、117.1%、111.7%；且随着法向应力的增加，拉拔力峰值也会有所增大。分析其原因，在拉拔速率较小时，随着格栅被拔出的过程中，格栅周围的土颗粒有足够的时间重新定向排列，此时格栅网孔对土颗粒的嵌固、咬合作用较强，而随着拉拔速率继续增大，土颗粒之间以及土颗粒与格栅表面的摩擦、格栅网孔的咬合作用较弱，故此时的拉拔力峰值相对拉拔速率较小时有所降低。

图5 不同法向应力下拉拔力峰值随拉拔速率的变化规律

图6为不同法向应力下拉拔力峰值所对应的拉拔位移随拉拔速率的变化规律。为了方便描述，定义峰值拉拔位移lmax的概念(lmax为达到拉拔力峰值时所对应的拉拔位移)。从图6中不难发现，峰值拉拔位移随法向应力的增加而增大，且不同法向应力下的峰值拉拔位移大致稳定在一固定值附近上下波动，不同拉拔速率下峰值拉拔位移分别稳定在9.00、11.00、16.00、20.00 mm附近，可以发现随着法向应力从15 kPa增大到60 kPa时，峰值拉拔位移增幅为122.22%。同时根据图6中不同法向应力下峰值拉拔位移随拉拔速率的变化规律，将不同法向应力下的峰值拉拔位移进行曲线拟合，发现峰值拉拔位移与法向应力呈良好的指数函数关系，拟合结果如图7所示，且拟合相关系数R2均在0.90以上，表明拟合结果具有较好的可靠度。

图6 不同法向应力下峰值拉拔位移随拉拔速率的变化规律

图7 峰值拉拔位移与法向应力的拟合关系曲线

2.3 不同拉拔速率下筋土界面强度参数分析

根据图4、5的试验结果以及众多学者的研究，采用莫尔-库仑准则对不同拉拔速率下的界面剪应力峰值与法向应力进行线性拟合，拟合结果如图8所示，线性拟合相关系数R2均在0.94以上，表明拟合效果较好，得到的结果可靠度较高。根据图8中的线性拟合表达式可得到界面似黏聚力与界面似摩擦角，界面参数随拉拔速率的变化规律如图9所示。由图9可知，界面似黏聚力随拉拔速率的增加呈现出先增后减的趋势，界面似黏聚力最大值是最小值的1.23倍，而界面似摩擦角表现出先增后再递增的趋势，且界面似摩擦角的最大值与最小值两者相差8.86°，表明拉拔速率对界面参数似黏聚力与似摩擦角均有一定的影响，不同拉拔速率下的界面参数并不是一个恒定值。究其原因，当拉拔速率较小时，土工格栅与周围的土颗粒定向排列比较及时，土颗粒发生相对错动较大，其嵌固、咬合作用较强，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，故界面似黏聚力和界面似摩擦角较大；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，土颗粒发生相对错动较小，土工格栅网孔咬合作用较弱，相对拉拔速率较小的情况而言，拉拔阻力有所减小，此时界面参数似黏聚力和界面似摩擦角也有所减小[22]。

图8 不同拉拔速率下的抗剪强度直线

图9 界面参数随拉拔速率的变化规律

2.4 筋土拉拔界面土体的位移变化规律分析

通过数字图像系统得到了不同拉拔速率下达到拉拔力峰值时的颗粒位移矢量图。由于不同法向应力下土颗粒运动规律基本一致，故本文选取法向应力σv=15 kPa下的情况进行阐述。由图10可知：①砂土颗粒运动特征以土工格栅为界出现显著差异。在拉拔力的作用下，拉拔界面土颗粒随着格栅的拔出一起向前平行移动，离拉拔界面越近，受到拉拔影响越大，土颗粒位移越大。离拉拔界面越远，颗粒位移越小且从平行位移转为向斜左上方运动。②土工格栅与砂土界面附近土颗粒位移方向与拉拔方向基本一致，但土工格栅上部土颗粒的位移明显大于下部土颗粒的，这是由于格栅张拉力抵消部分竖向压力，使得上部土颗粒的压实度高于下部土颗粒的，进而上部土颗粒与格栅嵌固咬合更为紧密，故拉拔时上部土颗粒位移比下部土颗粒的大。③随着拉拔速率的增加到v= 7.0 mm/min时，砂土颗粒位移矢量在拉拔界面小范围最大，其他范围位移量显著减小，说明随着拉拔速率较大时，土颗粒间来不及重新定向排列，故表现出界面附近土颗粒位移较大的特征。

(a)v=0.5 mm/min

3 结论

通过室内拉拔试验进行了5种不同拉拔速率、4种不同法向应力下的拉拔试验，并结合数字图像相关方法对筋土界面土体的位移规律进行了相关分析，得到了如下结论：

① 拉拔力峰值随着拉拔速率的增加基本上均呈现出先增后减再递增的趋势，但总体上呈现出先增后减的变化规律，且随着拉拔速率的递增，存在一个临界拉拔速率v=1.5 mm/min，该拉拔速率下拉拔力峰值最大，在法向应力σv=15 kPa时分别是拉拔速率为0.5、3.0、5.0、7.0 mm/min的114.0%、116.8%、117.1%、111.7%。

② 随着法向应力的增加峰值拉拔位移也会有所增大，且不同拉拔速率各法向应力下的峰值拉拔位移在一固定值附近上下波动；不同拉拔速率下的峰值拉拔位移与法向应力均呈现良好的指数函数关系。

③ 当拉拔速率v≤3.0 mm/min时，界面似黏聚力随拉拔速率的增加而增大，界面似摩擦角则呈现出先增后减的趋势；随着拉拔速率继续增大到5.0、7.0 mm/min时，界面似黏聚力达到最大后开始递减，而界面似摩擦角则呈现递增的趋势。

④ 在拉拔界面的土颗粒随着格栅的拔出一起向前做水平运动，离拉拔界面越近，土颗粒位移越大；相反，离拉拔界面越远，土颗粒位移越小并表现出向斜左上方运动的趋势，而且拉拔界面上部颗粒的位移明显大于下部颗粒的。