土工格柵拉拔試驗(yàn)及筋材受力特性分析

王家全，周岳富，陸夢(mèng)梁，李　良

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006)

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土工格柵拉拔試驗(yàn)及筋材受力特性分析

王家全，周岳富，陸夢(mèng)梁，李良

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006)

摘要：為了研究土工格柵的筋土界面作用特性與受力變形特征，利用自行研發(fā)的土工合成材料拉拔試驗(yàn)裝置，對(duì)土工格柵進(jìn)行不同豎向荷載的室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，分析格柵不同嵌固長(zhǎng)度處的位移及應(yīng)變特性，以揭示筋土相互作用的受力機(jī)理。結(jié)果表明，隨著拉拔力的增加，土中格柵受力沿著嵌固長(zhǎng)度方向發(fā)展，格柵前部分的應(yīng)變持續(xù)明顯增大；拉拔力沿格柵嵌固長(zhǎng)度對(duì)周圍土體的影響減少減弱，格柵嵌固長(zhǎng)度越大，其相對(duì)位移與格柵應(yīng)變?cè)叫。浑S著豎向荷載的增加，土工格柵的應(yīng)變總趨勢(shì)是變??；在拉拔力相對(duì)較小時(shí)，25 kPa、50 kPa和75 kPa豎向荷載作用下格柵應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相近，但隨著拉拔力的變大，格柵受到土體摩擦力沿嵌固長(zhǎng)度擴(kuò)展，嵌固長(zhǎng)度越大格柵后半段變形越少，末段格柵受力越小。

關(guān)鍵詞：土工格柵；拉拔試驗(yàn)；界面作用；應(yīng)變

0引言

土工合成材料提高了土體結(jié)構(gòu)的抗剪與抗壓強(qiáng)度[1]，以達(dá)到對(duì)土體的加固作用，使得加筋土技術(shù)在巖土領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。目前，加筋土技術(shù)在廣大的地質(zhì)工程中已發(fā)揮了重要作用，所以土工合成材料筋土界面特性的研究顯得尤為關(guān)鍵，能有效地揭示筋土相互作用的特性，為加筋土技術(shù)的工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參數(shù)，推動(dòng)加筋土技術(shù)的發(fā)展。在土工試驗(yàn)中通常采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)來(lái)測(cè)定土與筋材的摩擦特性。為了研究筋土界面特性，國(guó)外制定了相關(guān)的直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]，而我國(guó)制定的《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》(SL235-2012)[3]也都以直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)作為其基本方法。通常認(rèn)為，直剪試驗(yàn)多用于剛度較小的土工合成材料中，而對(duì)于剛度較大的土工合成材料，普遍采用拉拔試驗(yàn)確定其界面參數(shù)[4]。在研究格柵與土體的筋土界面特性時(shí)，拉拔試驗(yàn)則成為最有效的測(cè)試手段[5]。

拉拔試驗(yàn)?zāi)芊从辰畈膹耐亮现斜话纬鰰r(shí)與周圍土的摩擦作用，并在筋土界面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生土體變形，形成帶狀剪切區(qū)域。普遍認(rèn)為拉拔試驗(yàn)?zāi)茌^好地獲得筋土界面參數(shù)[6]，而國(guó)內(nèi)外的學(xué)者為了探索筋土界面的特性已經(jīng)做了不少針對(duì)土工格柵的拉拔試驗(yàn)研究。Juran等[7]通過(guò)大量的土工拉拔試驗(yàn)，研究了邊界條件、操作程序，尤其是壓實(shí)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。Sugimoto 和Alagiyawanna[8]通過(guò)拉拔試驗(yàn)，研究了不同的土工材料剛度與上覆荷載對(duì)其結(jié)果的影響。Lopes等[9]改變?cè)囼?yàn)的側(cè)限應(yīng)力以及格柵變形，對(duì)拉拔試驗(yàn)中的格柵抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究。Morci和Recalcati[10]通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究了不同的加筋結(jié)構(gòu)與剛度，以及上覆荷載、埋設(shè)長(zhǎng)度等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。王家全等[11]采用體視顯微鏡及數(shù)碼拍攝技術(shù)等手段研究了土工格柵與砂土的界面摩擦特性及細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。楊廣慶等[12]進(jìn)行了土工格柵在砂礫料以及粘性土中的拉拔試驗(yàn)。陳榕等[13]通過(guò)改變上覆荷載，研究了筋土界面的摩擦力分布特征，并獲得了以時(shí)間為變量的格柵拉拔力函數(shù)。

圖1　拉拔試驗(yàn)裝置Fig.1　The pull-out test device

學(xué)者們通過(guò)拉拔試驗(yàn)，改變?cè)囼?yàn)的加載方式、側(cè)壁邊界效應(yīng)和尺寸效應(yīng)、填料厚度、壓實(shí)度和筋材夾持情況以及筋土結(jié)構(gòu)等幾方面工況，分析了影響拉拔試驗(yàn)的主要因素，以獲得筋土界面的設(shè)計(jì)參數(shù)。目前的研究對(duì)于宏觀方面較為成熟，但是針對(duì)加筋界面的細(xì)觀分析仍在初步發(fā)展階段[14]。本文針對(duì)土體內(nèi)部筋材受力與應(yīng)變開(kāi)展研究，分析拉拔過(guò)程中土體與筋材在拉拔力的作用下的變化趨勢(shì)，能更真實(shí)反映拉拔過(guò)程筋土界面的摩擦特性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更有意義的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1土工格柵拉拔試驗(yàn)

1.1拉拔試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)儀器采用了如圖1所示的自行研發(fā)的拉拔試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了土工格柵拉拔試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝置主要分為三部分，拉拔模型箱、豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)。拉拔模型箱采用鋼板焊接，一面由鋼化玻璃共同組建而成，在模型箱的左側(cè)面設(shè)有開(kāi)口，以便拉拔格柵進(jìn)出，模型箱內(nèi)部尺寸為60 cm×40 cm×50 cm(長(zhǎng)×寬×高)。豎向加載系統(tǒng)主要是由電動(dòng)油泵、液壓桿、液壓板和油壓表組成的豎向荷載系統(tǒng)。水平加載系統(tǒng)則包含了最左端的拉拔電機(jī)和在拉拔桿末端連接的滑動(dòng)夾具，以及在最右端的位移傳感器。在拉拔電機(jī)的伸縮桿上裝有位移傳感器，并能通過(guò)控制面板的軟件獲得拉拔電機(jī)的時(shí)間與力、位移與力的數(shù)據(jù)。

1.2試驗(yàn)土料及土工格柵參數(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)土料是廣西柳州本地的礫類粗粒土，該粗粒土具體的物理性質(zhì)指標(biāo)為：有效粒徑d10=0.58 mm，中值粒徑d30=1.36 mm，限制粒徑d60=3.06 mm，不均勻系數(shù)Cu=5.24，曲率系數(shù)Cc=1.04。砂土的具體顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。

表1　粗粒土顆粒級(jí)配

土工格柵采用如圖2所示、由山東省肥城市肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司生產(chǎn)的TGSG-30型號(hào)雙向土工格柵。該土工格柵的具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，根據(jù)試驗(yàn)要求，土工格柵的長(zhǎng)度取為85 cm，其在拉拔試驗(yàn)箱中的嵌入長(zhǎng)度為60 cm。

圖2　拉拔試驗(yàn)裝置

每延米縱向拉伸屈服力/(kN·m-1)每延米橫向拉伸屈服力/(kN·m-1)縱向屈服伸長(zhǎng)率/%橫向屈服伸長(zhǎng)率/%網(wǎng)孔尺寸/mm32.832.513.711.240×30

1.3試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)具體工況和試驗(yàn)要求，本試驗(yàn)采取了速度控制位移方法。拉拔開(kāi)始前，在模型箱里埋填土料，通過(guò)找平與預(yù)壓，然后植入土工格柵，并通過(guò)滑動(dòng)夾具固定土工格柵的左端，同時(shí)把格柵的模型箱出口處、模型箱內(nèi)格柵的中部及末端三個(gè)測(cè)點(diǎn)通過(guò)鋼絞絲與最右端的位移傳感器連接；接著在模型箱內(nèi)繼續(xù)填埋土料，并通過(guò)油壓表控制施加指定豎向荷載。本次試驗(yàn)開(kāi)展了三個(gè)級(jí)別為25 kPa、50 kPa、75 kPa豎向荷載的拉拔試驗(yàn)。在位移傳感器置零后，通過(guò)儀器的控制面板設(shè)置參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)要求，進(jìn)行豎向荷載圍壓并開(kāi)展試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，采集拉拔模型箱中埋置格柵的前中后3個(gè)測(cè)點(diǎn)位移，如圖3所示，分別對(duì)應(yīng)圖3中的B、C、D三點(diǎn)位置，獲得3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)位移和計(jì)算出埋置格柵前半部分以及后半部分的應(yīng)變。通過(guò)拉拔裝置控制面板的軟件采集數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)獲得拉拔電機(jī)的拉拔位移(A點(diǎn)位移)和拉拔阻力。格柵的拉拔速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很大[15]，拉拔試驗(yàn)的拉拔速度應(yīng)當(dāng)控制在0.1～20 mm/min之間，本次拉拔試驗(yàn)采用的拉拔速度為2 mm/min。試驗(yàn)的結(jié)束以達(dá)到儀器拉拔阻力峰值或格柵斷裂為標(biāo)志。

圖3　土工格柵位移測(cè)點(diǎn)平面布置圖

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1土工格柵測(cè)點(diǎn)處相對(duì)位移與嵌固長(zhǎng)度關(guān)系

在不同的豎向荷載下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，通過(guò)土工格柵的B、C、D共3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)0 cm，30 cm，60 cm的嵌固長(zhǎng)度所在位置，觀測(cè)土工格柵的實(shí)時(shí)相對(duì)位移，所得測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移—嵌固長(zhǎng)度關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4中可得，在整個(gè)拉拔過(guò)程中，格柵前端的監(jiān)測(cè)點(diǎn)B，相對(duì)位移的總趨勢(shì)是隨著拉拔力的增加而增加，但前期的變化并不明顯，而后期仍在增大。此現(xiàn)象與實(shí)際試驗(yàn)中格柵斷裂均在模型箱開(kāi)口處到夾具部分相吻合。在格柵中部處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)C，相對(duì)位移的變化趨勢(shì)跟監(jiān)測(cè)點(diǎn)B相近，但其變化的增值相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)B要小。處于格柵末端的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D，其相對(duì)位移的變化較平緩，在前期基本保持不變，后期的增值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C的趨勢(shì)相近，均為增大。可以判斷土中格柵的相對(duì)位移隨著拉拔力的增加而增加，隨著格柵嵌固長(zhǎng)度的增加而減小。通過(guò)不同的豎向荷載的相對(duì)位移—嵌固長(zhǎng)度圖的分析可得，豎向荷載越大，其他影響因素不變情況下，相同的拉拔阻力，格柵相對(duì)位移均減小。根據(jù)圖4的格柵嵌固長(zhǎng)度與相對(duì)位移的曲線斜率，可得豎向荷載越大，土中格柵的前半部分的斜率在增大，后半部分反而斜率減小，在豎向荷載達(dá)到50 kPa后，格柵后半部分位移很小，說(shuō)明土中格柵的受力分布，在嵌固長(zhǎng)度上是不均等的，總趨勢(shì)是嵌固長(zhǎng)度越小，則格柵先受力，在整個(gè)受力過(guò)程中，從模型箱開(kāi)口處的格柵往縱深方向延伸，格柵的受力在不斷減小。豎向荷載越大，格柵的嵌固長(zhǎng)度產(chǎn)生的相對(duì)位移越小，若嵌固長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，拉力傳遞到格柵的末端時(shí)已接近零，該部分格柵幾乎不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。

(a) 豎向荷載為25 kPa

(b) 豎向荷載為50 kPa

(c) 豎向荷載為75 kPa

圖4土工格柵測(cè)點(diǎn)處相對(duì)位移與嵌固長(zhǎng)度關(guān)系

Fig.4Geogrid measuring point and the relative displacement of fixed length relationship

2.2土工格柵的應(yīng)變與嵌固長(zhǎng)度關(guān)系

在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，處理土工格柵的應(yīng)變與嵌固長(zhǎng)度及豎向荷載關(guān)系的數(shù)據(jù)，如圖5和圖6所示。結(jié)合圖3可知，AB段為夾具到模型箱開(kāi)口段格柵，BC段和CD段分別為模型箱的前半段和后半段格柵。在圖5中，豎向荷載為25 kPa時(shí)，裸露在模型箱外AB段格柵應(yīng)變比在土中格柵的前半部分BC段要大得多，而土工格柵后半部分CD段的應(yīng)變則更小。隨著拉拔力的增加，格柵的應(yīng)變均呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，模型箱外的格柵應(yīng)變明顯增大，但土中格柵沿嵌固長(zhǎng)度的應(yīng)變?cè)隽孔冃?，尤其是模型箱中后半部分CD段格柵應(yīng)變很平緩。豎向荷載為50 kPa的格柵應(yīng)變與嵌固長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)跟25 kPa的類似。豎向荷載為75 kPa時(shí)，總體趨勢(shì)不變，但是豎向荷載對(duì)埋置在土中格柵的應(yīng)變影響顯得更為突出，表現(xiàn)為豎向荷載越大，土中格柵BC段和CD段的應(yīng)變均在變小。在25 kPa、50 kPa和75 kPa豎向荷載作用下，裸露在模型箱外的AB段格柵應(yīng)變均較為接近，達(dá)到約10%，且數(shù)值均遠(yuǎn)大于其他部位的格柵應(yīng)變，但是土中格柵的應(yīng)變隨著豎向荷載的增加而減小。

因此，根據(jù)AB、BC、CD段格柵的應(yīng)變規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，格柵沿嵌固長(zhǎng)度方向受力并不均勻，格柵受力沿嵌固長(zhǎng)度方向由前往后依次減少，當(dāng)豎向荷載繼續(xù)增大時(shí)，可以推斷嵌固在土中末段格柵應(yīng)變趨于零，此時(shí)該段格柵將不受拉力左右，即土中格柵縱向埋置長(zhǎng)度是否全程受力，一方面取決于拉拔力的大小，另一方面，還取決于豎向荷載的大小。豎向荷載越大，土對(duì)格柵的嵌固作用越顯著，土中格柵的應(yīng)變?cè)叫?，相反裸露在土外的格柵?yīng)變?cè)酱螅駯潘璧那豆搪裆铋L(zhǎng)度越小，即可使格柵達(dá)到拉拔阻力峰值或使格柵拉斷破壞。

(a) 豎向荷載為25 kPa

(b) 豎向荷載為50 kPa

(c) 豎向荷載為75 kPa

圖5不同嵌固長(zhǎng)度段土工格柵應(yīng)變與拉拔阻力關(guān)系

Fig.5Different lengths of fixed geogrid strain and pull-resistance relationship

如圖6所示，反映了不同豎向荷載下格柵應(yīng)變與豎向荷載關(guān)系。在圖6(a)中，當(dāng)拉拔力小于4.8 kN時(shí)，開(kāi)口處至格柵中部BC段格柵應(yīng)變隨豎向荷載的增大而不斷減小。BC段格柵是拉拔阻力的主要來(lái)源，該段格柵的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖6(b)的CD段格柵應(yīng)變，結(jié)合圖4土中格柵各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移情況，B、C、D格柵測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移以此減少，土工格柵對(duì)土體的剪切摩擦及橫肋擠壓作用也是沿格柵嵌固長(zhǎng)度方向遞減。隨著拉拔力的增大，格柵拉力沿嵌固長(zhǎng)度擴(kuò)散，使得嵌固長(zhǎng)度方向上格柵受力不斷出現(xiàn)并增大。格柵的應(yīng)變隨豎向荷載的增大而減小。

(a) 土中格柵前端至中部BC段應(yīng)變

(b) 土中格柵中部至末端CD段應(yīng)變

圖6不同格柵拉拔力下豎向荷載與格柵應(yīng)變關(guān)系

Fig.6The curve of geogrid strain and vertical load for different geogrid pullout force

2.3土工格柵的應(yīng)變與拉拔力關(guān)系

通過(guò)拉拔試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取土工格柵的變形量，與拉拔儀器采集的拉拔力繪出如圖7所示的應(yīng)變與拉拔力關(guān)系圖。在圖7(a)中，拉拔力增加時(shí)，土中BC段格柵的應(yīng)變亦逐漸增加；在拉拔力小于3.84 kN時(shí)，25 kPa、50 kPa和75 kPa豎向荷載下的格柵應(yīng)變曲線基本一致。當(dāng)拉拔力繼續(xù)增加時(shí)，25 kPa和50 kPa豎向荷載下的格柵應(yīng)變?nèi)栽陲@著增加，但豎向荷載為75 kPa的格柵應(yīng)變?cè)黾硬⒉幻黠@，直到拉拔力為10.5 kN后，對(duì)應(yīng)格柵應(yīng)變突然增大。在圖7(b)中，在土中格柵中部至末端CD段的應(yīng)變均為很小的值，亦表現(xiàn)隨拉拔力的增加而變大。相比較，25 kPa豎向荷載下的格柵應(yīng)變呈線性遞增趨勢(shì)。50 kPa豎向荷載下的格柵應(yīng)變相對(duì)來(lái)說(shuō)，發(fā)展得較慢，當(dāng)拉拔力達(dá)到3.84 kN時(shí)才開(kāi)始增加顯著，但增值較小。同樣的發(fā)展趨勢(shì)，表現(xiàn)在75 kPa豎向荷載的曲線中，其發(fā)展的時(shí)間更遲，直到拉拔力達(dá)到5.76 kN?？梢耘袛嗬卧囼?yàn)的拉拔力在增加，豎向荷載越大，土中格柵發(fā)展得越慢，但其發(fā)展趨勢(shì)均表現(xiàn)為增量增大的遞增發(fā)展。同拉拔力下格柵沿嵌固長(zhǎng)度方向的應(yīng)變減小，不同豎向荷載時(shí)，總趨勢(shì)表現(xiàn)為豎向荷載增大，其應(yīng)變變小。

(a) 土中格柵前端至中部BC段應(yīng)變

(b) 土中格柵中部至末端CD段應(yīng)變

圖7土工格柵的應(yīng)變與拉拔力關(guān)系

Fig.7The relationship between strain and the pullout force of geogrid

3結(jié)論

采用自行研發(fā)的拉拔試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了多種工況的室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，分析土工格柵不同部位的變形規(guī)律，揭示土工格柵與粗粒土相互受力機(jī)理。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

①土工格柵與粗粒土的相互作用，隨著拉拔力的增加，格柵受力沿著嵌固長(zhǎng)度方向發(fā)展。作用在格柵上的拉拔力沿嵌固長(zhǎng)度不斷減小，土工格柵沿嵌固長(zhǎng)度對(duì)周圍土體的剪切摩擦擠壓等作用減少減弱。格柵嵌固長(zhǎng)度越大，其相對(duì)位移與應(yīng)變?cè)叫　?/p>

②土工格柵的應(yīng)變隨著豎向荷載的增加而變小。在拉拔力相對(duì)較小時(shí)，25 kPa、50 kPa和75 kPa豎向壓力作用下的格柵應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)較為相近，但格柵與土體的界面摩擦力及橫肋被動(dòng)阻力沿格柵嵌固長(zhǎng)度方向依次變小，嵌固長(zhǎng)度越大格柵末段受力越小，應(yīng)變?cè)叫　?/p>

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(責(zé)任編輯唐漢民梁健)

Pull-out test and analysis on geogrid mechanical characteristics

WANG Jia-quan, ZHOU Yue-fu, LU Meng-liang, LI Liang

(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University of Science and Technology,

Liuzhou 545006, China)

Abstract:In order to study the deformation of soil reinforcement geogrid and the interaction between soil and geogird, a self-developed geosynthetic pullout test device was used for the pull-out test under different indoor vertical loads to analyze the displacement and strain characteristics corresponding to different embedded lengths. The results show that with the increase of geogrid pullout force, the stress of geogrid along the direction of geogrid longitudinal depth develop, and the strain at the front part of geogrid continue to increase obviously. The pullout force in the surrounding soil is reduced and weakened along the direction of longitudinal depth of geogrid, and the relative displacement and strain of the geogrid is small. With the increase of vertical load, the general trend of geogrid strain is smaller. When the pullout force is relatively small, the development trend of geogrid strain under 25 kPa, 50 kPa and 75 kPa vertical loads is similar. But with the increase of pullout force, the friction between geogrid and soil along the longitudinal depth expands. The greater the longitudinal depth is, the fewer the latter part of grid deformation and the smaller the stress of end of grid are.

Key words:geogrid; pullout test; interface action; strain

中圖分類號(hào)：TU 41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)01-0134-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0134

通訊作者：王家全(1981—)，男，廣西南寧人，廣西科技大學(xué)教授，博士; E-mail：wjquan1999@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51469005,51009030)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015GXNSFAA139257,2015GXNSFAA139270)；廣西科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目(院科博1011)

收稿日期：2015-05-13；

修訂日期：2015-12-16

引文格式：王家全，周岳富，陸夢(mèng)梁,等.土工格柵拉拔試驗(yàn)及筋材受力特性分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：134-140.