網格狀帶齒加筋的拉拔特性

趙崗飛， 張孟喜， 蔡 春

(上海大學土木工程系，上海200072)

現代加筋土是由法國工程師Henri［1-2］于20世紀60年代提出來的.加筋土的原理在于將筋材沿土體主應變方向鋪設以彌補土體抗拉性能薄弱的缺陷［3-5］，加筋土的發展與土工合成材料的發展是分不開的.土工合成材料是一種新型的工程加筋材料，主要是采用聚合物(塑料、橡膠、化纖等)制成各種產品置于土體中，起到加強及保護土體的作用.土工合成材料主要分為土工織物、土工膜、特種土工合成材料和復合型土工合成材料等［6-7］.

加筋土通過筋土界面相互影響來發揮作用，因此，筋土界面特性試驗研究是加筋土研究中的重要內容.目前，國內外對于加筋土的界面特性試驗以直剪試驗和拉拔試驗為主，其中直剪試驗主要用于驗算筋土界面的抗剪強度，而拉拔試驗則用來確定土中筋材的抗拉拔強度［8-10］.實際工程中，拉拔試驗能更好地反映加筋土中材料的真實工作狀態.Raguif等［11］對砂中土工格柵進行了拉拔試驗研究，并與有限元計算結果進行了對比分析.Meye等［12］系統研究了豎向荷載和壓實度對筋土界面相互作用特性系數和拉拔力的影響.Sugimoto等［13］通過對一系列拉拔試驗結果的對比發現，試驗箱的大小、側壁摩擦和拉拔速率等對界面的特性都有重要的影響.

隨著加筋土研究的不斷深入，加筋土體內筋材的布置由以前的一維線性及二維平面逐漸向三維空間發展.張孟喜［14］首先提出了立體加筋土的概念.立體加筋是指在傳統水平加筋的基礎上布置豎向或空間形式的齒筋，因此，立體加筋除了具有傳統水平筋與填土摩擦作用外，豎向或空間形式的齒筋也將提供較大側阻力，從而顯著提高了加筋土的強度.

本研究在H-V加筋［15-18］的基礎上，提出一種網格狀帶齒加筋形式;然后，對該種加筋材料在多種法向應力的作用下進行拉拔試驗對比研究，并分析了相應的試驗結果.

1 網格狀帶齒加筋

網格狀帶齒加筋是一種集水平、豎向、空間為一體的三維立體結構.目前，在工程應用中，已出現多種網格狀加筋材料，如土工格柵(包括單向土工格柵和雙向土工格柵)(見圖1)、土工網、土工格室等.網格狀帶齒加筋(見圖2)是指在傳統的水平網格狀加筋的基礎上布置豎向齒筋.

在土中布置網格狀帶齒加筋材料以后，除了具有傳統水平筋與填土摩擦作用，豎向齒筋也提供了較大的側阻力，從而約束土體的側向變形，起到加固作用.又由于加筋材料含網格狀，因此能提供較大的環向應力，使土的圍壓增大，從而增大了填土的強度和剛度.

圖1 水平網格狀加筋Fig.1 Horizontal grid reinforcement

圖2 網格狀帶齒加筋Fig.2 Grid reinforcement of denti-inclusion

2 試驗材料及試驗方案

2.1 試驗材料

(1)筋材.試驗材料(見圖3)為有機玻璃.首先，對平板有機玻璃材料進行孔洞設置，并通過在孔洞后部布置一定的豎筋來構成網格狀帶齒加筋材料.拉拔試驗中試樣的尺寸(長×寬×厚)為45 cm× 29 cm×0.3 cm，其中有效長度為30 cm，剩余部分伸出試驗箱外并與夾具相連.材料加工過程中需要先確定試樣的孔洞大小，再通過對加筋效果的分析，確定材料的最佳開洞率.本試驗通過對多種不同孔洞大小的試樣進行加筋后的效果分析，最后選定了3種不同孔洞大小的筋材，孔洞大小(長 ×寬)分別為50 mm×60 mm，60 mm×60 mm，70 mm×60 mm，其中圖3(a)為60 mm×60 mm的試樣.通過添加不同高度的豎筋，構成了網格狀帶齒加筋材料(見圖3(b)).

(2)填料選用純凈河砂，其顆粒級配分布曲線如圖4所示.為了減少填料水分對試驗結果的影響，本研究采用了干砂試樣，試驗所用砂土的物理性質指標如表1所示.

2.2 試驗方案、設備及方法

本研究以網格狀帶齒有機玻璃為主要加筋材料，共設計由不同孔洞大小、不同齒筋高度組合而成的12種工況(見表2).

圖3 試驗材料Fig.3 Experimental materials

圖4 試驗用砂顆粒級配分布曲線Fig.4 Grain size distribution curves of sand used in tests

表1 砂樣的物理特性參數Table 1 Physical characteristic parameters of sand samples

按照實際工程中筋材的布置情況，法線應力范圍為10～100 kPa.因此，本試驗取各工況在法向應力分別為25，50和75 kPa時，對網格狀帶齒有機玻璃材料進行拉拔試驗研究，并得到拉拔力與法向應力、筋材位移的關系曲線.

本試驗采用上海大學自行研制的應變控制式拉拔試驗機(見圖5).試驗臺為簡單的鋼梁結構，寬0.2 m，長2 m，2根支撐柱通過地腳螺栓固定在地面上;拉拔試驗箱尺寸(長×寬×高)為30 cm× 30 cm×30 cm，壁厚2 cm，側面設有鋼化透明玻璃觀察視窗;垂直和水平荷載分別由氣壓系統和電動機提供，最大垂直壓力1 MPa，最大拉拔力2 t;內設數據自動采集系統，可根據同步采集到的數據繪制出關系曲線，以實現數據自動處理.

表2 試驗工況Table 2 Experimental cases

圖5 試驗儀器Fig.5 Experimental apparatus

試樣制備過程如下：首先，往箱中裝砂，按照統一的標準邊裝邊擊實，以保證土體的密實度一致，當裝到前孔高度時，放置筋材，筋材通過前孔與夾具相連;然后，繼續加砂，直到試樣制備完畢，對試樣施加垂直荷載后，開啟數據采集系統;最后，施加水平荷載開始試驗.

3 拉拔試驗結果及分析

3.1 試驗結果

根據網格狀帶齒有機玻璃材料在不同法向應力作用下的拉拔試驗結果，可繪制出拉拔力T與水平位移u的關系曲線.以齒筋高度h=5 mm的網格狀帶齒有機玻璃為例，在不同孔洞大小情況下，拉拔力與位移的關系曲線如圖6所示.

以孔洞大小為60 mm×60 mm的網格狀帶齒有機玻璃為例，在不同齒筋高度下，拉拔力與位移的關系曲線如圖7所示.

由圖6和圖7可知：①網格狀帶齒有機玻璃在不同法向應力作用下，拉拔力隨位移的增大而增大.拉拔力增大到一定值后開始緩慢增大，最終趨于穩定;②當齒筋高度h=5 mm時，孔洞大小為60 mm× 60 mm的網格狀帶齒有機玻璃材料的加筋效果最為理想，這是因為孔洞大小為50 mm×60 mm的筋材沒有將孔洞與填土的鑲嵌和咬合作用完全表現出來，而孔洞過大的70 mm×60 mm筋材與填料的接觸面積較小，所以摩擦力較小;③ 拉拔力隨法向應力的增大而顯著增大，同一孔洞大小的有機玻璃，拉拔力隨齒筋高度的增加而明顯增大.

3.2 齒筋作用分析

網格狀帶齒加筋研究的關鍵是齒筋的加筋效果，即齒筋對整個加筋的貢獻作用.具體要從以下幾個方面考慮：①齒筋是否能夠提高拉拔阻力;②齒筋在整個拉拔力中的貢獻有多大;③齒筋高度對加筋效果的影響.

圖6 不同孔洞大小情況下的網格狀帶齒加筋拉拔力與位移關系曲線Fig.6 Pull-out resistances versus displacement of grid reinforcement of denti-inclusion in different sizes

圖7 不同齒筋高度下網格狀帶齒加筋拉拔力與位移關系曲線Fig.7 Pull-out resistances versus displacement of grid reinforcement of denti-inclusion in different heights

以法向應力為25 kPa為例，不同齒筋高度的網格狀帶齒有機玻璃材料的極限拉拔阻力如表3所示，表中h為齒筋高度，Tult為極限拉拔力，K為極限拉拔力提高率.相對于網格狀水平有機玻璃材料，網格狀帶齒有機玻璃材料由于設置了齒筋，因此極限拉拔阻力明顯提高.如孔洞大小為50 mm×60 mm的網格狀帶齒加筋的極限拉拔力提高了18.7%～114.0%，孔洞大小為70 mm×60 mm的帶齒筋的極限拉拔力提高了13.0%～119.9%.這說明與水平網格狀有機玻璃材料相比，網格狀帶齒有機玻璃材料的加筋效果更為明顯.

表3 極限拉拔阻力Table 3 Ultimate pull-out resistance

界面特性參數(見表4)能較好地反映出筋土間的界面特性，表中c為似粘聚力，f*為土與網格狀帶齒加筋材料表面間的似摩擦系數.由表4可知，孔洞大小為60 mm×60 mm的網格狀水平加筋的似粘聚力為0.18 kPa，似摩擦系數為0.32;而該孔洞大小的網格狀帶齒加筋在齒筋高度為10 mm時的似粘聚力為4.90 kPa，似摩擦系數為0.46.

表4 界面特性參數Table 4 Parameters of interface characteristics

4 拉拔阻力分析

網格狀帶齒加筋拉拔過程中，筋土間的相互作用表現為摩擦-被動抵抗機制，其中網格狀水平筋與土間相互摩擦產生摩擦力，而與受拉方向垂直的齒筋主要提供側阻力(見圖8).圖9為拉拔阻力分析圖.

圖8 摩擦-側阻力相結合示意圖Fig.8 Combination of friction and bearing resistance

圖9 拉拔阻力分析圖Fig.9 Analysis graphics of pull-out resistances

網格狀帶齒加筋的拉拔阻力計算如下：

式中，T為網格狀帶齒有機玻璃的拉拔阻力，Tgf為土與網格狀水平筋接觸面的摩擦力，Tbf為齒筋上表面的摩擦力，Tb為齒筋的側阻力.下面介紹摩擦力及阻力的計算.

(1)網格狀水平筋摩擦力為

式中，σn為法向應力，As1，As2分別為網格狀水平筋上、下表面(已扣除齒筋面積)承受的法向應力的面積.

(2)齒筋上端面摩擦力為

式中，Abs為齒筋上端面的面積，fb為齒筋端面與填料之間的摩擦系數.

(3)齒筋側阻力的計算參照Moraci的土工格柵受力分析［19］，按下式計算：

式中，n為齒筋個數，Ab為齒筋側面承受阻力的面積，Ab=Bh，σb為齒筋側面所受側阻應力，σb按照Matsui等［20］提出的公式計算，即

式中，φ為土的內摩擦角，即

(4)將式(2)，(3)，(6)帶入式(1)，得到網格狀帶齒有機玻璃的拉拔阻力

下面對孔洞大小為60 mm×60 mm的網格狀帶齒加筋的試驗結果與理論值進行對比.齒筋厚度分別為0，5.0，7.5，10.0 mm，齒筋與水平筋的材料相同，f*=fb，砂土內摩擦角為31.6°.將上述參數分別代入式(7)，得到各工況下的拉拔阻力計算值(見表5).通過對比可以發現，計算值與試驗值基本吻合，誤差大多在10%以內，最大誤差為14.92%.

表5 極限拉拔阻力的試驗值與計算值對比Table 5 Comparison between experimental and analytical results of ultimate pull-out resistance

5 結論

本研究對有機玻璃進行了孔洞設置以及齒筋添加處理，并通過拉拔試驗初步探討了網格狀帶齒有機玻璃的界面特性.由試驗結果分析可得到如下結論.

(1)網格狀帶齒有機玻璃在不同法向應力的作用下，拉拔力隨位移的增大而增大.拉拔力增大到一定值后開始緩慢增大，最終趨于穩定，表現為強化階段.也有部分曲線先達到一個峰值，然后開始減小，表現為明顯的軟化階段.

(2)在相同法向應力作用下，網格狀帶齒有機玻璃材料加筋的拉拔阻力明顯高于水平網格狀有機玻璃材料.

(3)孔洞大小和齒筋高度對網格狀帶齒有機玻璃材料的極限拉拔阻力有重要影響.在相同法向應力作用下，極限拉拔力隨著齒筋高度的增加而增大.齒筋高度的增加可以提高筋材的摩擦系數，增加界面的摩擦特性.

(4)通過對試驗值和理論值的比較，發現二者基本吻合.

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