土工格柵－黏性土界面特性的拉拔試驗分析

肖成志，馮曉靜

（1.河北工業大學 河北省土木工程技術研究中心 天津300132；2.大連交通大學 交通運輸工程學院 遼寧 大連116028）

筋 土界面相互作用特性研究一直是加筋土領域內的熱點之一。研究人員借助直剪或拉拔試驗對具有較大內摩擦角和良好排水性能的粒狀土與筋材間的界面作用機理進行了研究。如Schlosser等［1］首先采用三軸直剪試驗研究金屬條加筋砂土。隨后，國內外針對筋材 填料的界面作用特性的試驗研究主要涉及的為砂土和碎石土，筋材主要是土工織物或土工格柵［2－5］，這些試驗結果表明筋材抗拔阻力主要由筋 土界面摩阻力和土對格柵橫肋的阻力構成，且筋材變形較小時界面摩擦力即達到峰值，進而隨格柵變形的增大，其橫肋阻力逐漸增加并最終承擔大部分格柵加筋承載拉力。近些年來，隨著加筋結構廣泛用于公路軟基處理、港口岸墻和堤壩等加固結構中，而且一些實際工程受地域條件限制，采用黏性土作為回填料的加筋土結構工程日益增多。因此，研究筋材與黏性土之間的界面相互作用特性就顯得尤為重要。Bergado［6］試驗指出鋼制格柵在風化黏土中的抗拔性能主要受筋材的橫肋影響。Collin［7］現場試驗指出當黏性土中含水量變大時，筋 土界面黏結效果明顯下降。Mohiuddin［8］通過室內和現場拉拔試驗分析了筋材在黏性土體中的抗拔機理，筋材抗拔力受界面法向荷載力與筋材長度的影響明顯。Murad等［9］基于室內、外拉拔試驗得出適當控制黏性土回填料的含水量時，黏性土與筋材之間也能提供合適的抗拔阻力。張波［10］、馮曉靜［11］基于拉拔試驗指出，采用黏性土為填料時筋 土剪切性能不良且水穩定性較差，當采用高液限黏性土為回填料時，應降低接觸面設計強度指標。本文擬通過中型拉拔儀詳細分析黏性土含水量和界面法向應力對格柵 黏性土界面相互作用的影響。

1 格柵黏性土界面特性的拉拔試驗

1.1 拉拔試驗儀

圖1所示的格柵 黏性土界面特性的拉拔儀采用中型直剪設備改裝而成，該裝置主要由模型槽和應變控制式水平加載系統組成。模型槽的長、寬和高分別為100、40、50cm，采用厚1cm的鋼板焊接而成，四周用三角鋼進行加固，且靠近加載端的擋板上預留寬和高分別20、1cm的槽口。模型槽上部有反力架，筋 土界面正應力通過安放在剛性鋼板上的千斤頂施加，并通過壓力傳感器獲取壓力值。千斤頂加載能力為10t。另外，應變控制式水平加載拉伸系統由傳力齒輪組、滑道、水平加載桿與夾具等構成。格柵水平縱向的拉拔力通過恒定的齒輪轉速提供，并在水平加載桿上安裝了高靈敏度拉力傳感器來讀取瞬時拉拔力大小。

圖1 筋 土界面拉拔試儀

1.2 拉拔試驗中格柵夾具

為了避免拉拔試驗中夾具與格柵之間產生滑移，采用專門制作防滑且方便的夾具與格柵連接，如圖2所示。為了防止因夾具剛度過大而對土工格柵材料產生嚴重地損害，試驗時需要在格柵與夾具之間放置一層柔性橡膠。

圖2 拉拔試驗中格柵夾具圖

1.3 黏性土工程特性

試驗采用的黏性土經烘干、碾散后進行篩分處理，其黏性土的物理性質指標如表1所示。此外，為了研究黏性土的抗剪強度隨含水量的變化，針對試驗所用的黏性土進行了不固結不排水試驗，獲得了不同含水量時填土的抗剪強度指標，如圖3所示。

表1 黏性土物理性質指標

由圖3可知，黏性土的內摩擦角和黏聚力受含水量變化的影響明顯，而格柵加筋結構內部穩定性主要依靠筋 土界面相互作用，因此，有必要進行格柵 黏性土界面作用特性的試驗研究。

圖3 黏性土抗剪強度指標隨含水量的變化關系

1.4 土工格柵材料性質及其應變測試

試驗筋材采用HDPE材質的EG90R單向土工格柵，其單位面積質量為0.60kg／m2，抗拉強度Fu為88kN／m，格柵在應變為2%和5%時所對應的抗拉力分別為23.7、45.2kN／m。格柵長度為110cm，其中90cm長度的格柵埋置填料內，加載端伸出槽外的部分20cm。格柵寬度約13.4cm，包含6根縱肋，如圖4所示。格柵兩根橫向肋條之間分別埋設3個相對位移計和3個應變計，測試拉拔試驗中筋 土間的相對位移及格柵的應變值，三個測試點距離模型槽加載端面板距離D分別約為25、50、75cm。

圖4 格柵變形測試圖

1.5 格柵 黏性土界面特性試驗

為了對比分析黏性土含水量對筋 土界面特性的影響，試驗采用的界面正應力分別為30、60kPa時，試驗分析了黏性土含水量分別為16%、22%、25%、27%、29%和35%時格柵 黏性土界面特性。為了獲得不同含水量的黏性土，將計算所需要水量通過噴壺逐步加入到土中，并在噴水過程中均勻地翻動土體，使土樣的含水量均勻。每次配制好一組試驗的填料后，用塑料薄膜蓋上并將填料置于溫室下放置24小時后分層回填壓實，直到預定鋪設格柵層的高度。為了確保獲得準確的回填料含水量，需要在鋪設層附近取土進行含水量測試，然后鋪設帶有貼好應變片的格柵，并將導線引出以便測試。隨后將格柵上鋪設土體并壓實，上層覆土厚為30cm。界面正應力通過千斤頂置于頂層的鋼板進行加載獲得，勻速加載速度約為1mm／min。

2 格柵黏性土界面拉拔試驗結果

2.1 黏性土含水量對筋材極限抗拔力Pu的影響

圖5所示為兩種界面正應力作用下格柵極限抗拔力Pu與抗拉強度Fu比值隨黏性土含水量的變化趨勢圖。由圖可知，總體上格柵極限抗拔力隨黏性土含水量增加而呈現逐漸減少的趨勢，并最終趨于平穩，且當含水量相對較低時（如低于25%），極限抗拔力隨界面正應力的增加而明顯增大，當含水量在該范圍內持續增加時，筋材極限抗拔力顯著減小，并且界面正應力較大時，極限抗拔力下降幅度越明顯。當含水量大于25%而小于黏土塑限值時，格柵極限抗拔力隨含水量增加呈現一定波動，但總體變化趨于緩和，且隨著含水量增加并接近黏性土塑限含水量時，二者之間格柵極限抗拔力趨于平穩且大致相同，表明當含水量增加到一定程度后，筋材極限抗拔力受界面正應力影響不明顯。

圖5 Pu／Fu隨黏性土含水量的變化曲線

2.2 黏性土含水量對筋 土界面摩擦特性的影響

筋土界面拉拔系數是反映加筋效果和工程設計的重要參數，而目前規范涉及回填料材料通常為顆粒料如砂性土等，對筋材與黏性土界面的摩擦系數涉及極少。當前，國內公路土工合成材料應用技術規范針對筋 土界面摩擦系數的表達形式為［12］

式中：φsg為格柵與填料間界面摩擦角（°）；φs為填料的內摩擦角（°）；Kpo為筋 土界面的摩擦系數。

另外，反映界面抗剪強度的τsg公式為

式中：csg為筋 土界面的黏聚力，kPa；σn為界面間的正壓力，kPa；其它符號與上同。

結合式（1）和式（2），針對在不同筋 土界面法向荷載作用下，格柵極限抗拔力受黏性土含水量的影響，進而得到不同黏性土含水量下拉拔試驗中界面的抗剪強度參數值，并整理得界面間摩擦系數和內摩擦角隨黏性土含水量變化的影響，如圖6所示。由圖可知，隨著黏性土含水量的增加，筋 土界面間摩擦系數Kpo（或內摩擦角φsg）出現先減少，隨后出現略微增大的趨勢，且在含水量趨于黏性土塑限含水量時達到穩定；而界面間黏聚力csg隨著黏性土含水量的增加先增大后減小，在黏性土達到最佳含水量附近時達到峰值。

結合圖5和圖6可知，格柵極限抗拔力、界面摩擦系數Kpo和黏聚力csg在黏性土含水量達到塑限值后均趨于穩定，且界面拉拔系數Kpo幾乎為零。因此，界面抗剪強度主要由界面黏聚力csg提供。且界面摩擦系數在黏性土接近最佳含水量時最小，此時格柵抗拔力主要由筋 土界面間的黏聚力提供。

圖6 黏土含水量對界面抗剪強度參數的影響

2.3 格柵抗拔力 位移關系曲線

圖7 所示為格柵抗拔力與位移之間的關系曲線。由圖可知，不同黏性土含水量時，拉拔位移和抗拔力曲線均表現出拉拔位移隨著拉拔力增加而增大，總體上抗拔力 位移曲線主要呈現3個變形階段：第1階段為線性增加階段，該階段拉拔位移較小，各個含水量階段的抗拔力 位移曲線幾乎重合，且主要是加載初期的格柵 土體相互咬合階段。此外，隨著黏性土含水量增加，曲線斜率略有下降，表面界面剛度系數隨含水量增加呈下降趨勢；第2階段呈現非線性增加趨勢，隨著荷載增加，界面土體開始由加載端向后逐漸傳遞荷載，且部分界面土體屈服導致該階段內筋材拉拔力的增長速度逐漸降低，并隨著界面位移達到一定變形量后，格柵抗拔力趨于穩定。隨著載荷持續增加，格柵抗拔力由穩定階段會達到某一極限值，隨后會出現界面失效，位移突然增加，即抗拔力達到極限的第3個階段。

由圖7可知，隨著黏性土含水量變化，荷載 位移曲線在各個階段上略有不同，當含水量增加到一定程度后，曲線上非線性增加階段持續時間縮短，表明含水量增加軟化了界面間作用效果，使筋材在較短時間內達到了拉拔極限荷載。總體上不同含水量下格柵極限抗拔力約為其抗拉強度的40%～60%。

圖7 格柵抗拔力與位移關系曲線

2.4 拉拔試驗中格柵的荷載 應變曲線

圖8 和圖9分別給出了2種含水量（16%和29%）下考慮格柵縱向和橫向肋條上距離加載端面板不同距離點的荷載 應變曲線。

圖8 格柵縱肋的載荷 應變關系（D為距加載端面板的距離）

由圖8和9可知：

1）不同黏性土含水量時格柵橫肋和縱肋的荷載 應變曲線具有基本相同的變化趨勢，格柵橫肋與縱肋測點應變非常接近，表明隨著含水率的增加，格柵與縱橫肋的摩擦作用減弱，致使在加載端力逐漸向后傳遞，而縱肋應力變化并不大。

2）相同條件下距離加載端面板距離越近，格柵應變越大，格柵應變隨著距離加載端面板距離的增加而逐漸減少，表明格柵沿長度方向受力不均勻。

圖9 格柵橫肋的載荷 應變關系曲線（D為距面板的距離）

2.5 土體中格柵應變隨時間的變化

圖10 土體中格柵應變隨時間的變化

為了分析土體中格柵應變隨時間的變化，當施加拉拔力并使格柵應變達到約2%時，停止加載，對格柵進行約100hr的持續觀測，其格柵應變隨時間（對數坐標）變化關系如圖10所示。由圖可知：卸載后格柵橫肋應變隨時間有增大趨勢，而格柵的縱向肋條應變呈現減小的趨勢。出現這種現象的原因在于當格柵處于拉拔狀態時，格柵網孔內土體短時間內無法完成應力重新分布，導致格柵橫肋此時所受阻力相比較大，從而引起橫肋應變增加。

3 結 論

利用中型拉拔儀對格柵 黏性土界面特性進行了試驗研究，并分析了界面正應力和黏性土含水量等因素對格柵 黏土界面特性的影響。

1）不同界面應力作用下格柵極限抗拔力隨黏性土含水量增加而逐漸減少，且格柵極限拉拔力在黏性土含水量較小時相差很大。而當黏性土含水量達到塑限值時，極限抗拔力趨于穩定。

2）格柵 黏性土界面上的黏聚力和摩擦系數隨土體含水量變化差異明顯，黏聚力隨含水量增加出現先增大后減小的趨勢，而摩擦系數隨著含水量的增加呈現先減小后，隨后略微增大的趨勢并最終在含水量趨于黏性土塑限含水量時達到穩定。

3）格柵抗拔力 位移曲線變化總體上相同，均呈線性增加、非線性變化階段和拉拔極限階段，但隨著黏性土含水量的增加，二者關系曲線中從線性增長向極限狀態發展的中間階段逐漸不明顯。

4）持續加載達到一定應變后卸載，由于界面處應力重新分布的滯后性，格柵橫向方向肋條的應變有增大的趨勢，而格柵縱肋應變呈現減小的趨勢。

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