土工格柵間距和凸點厚度對其界面特性試驗的影響

唐曉松，王永甫，馮雨實

（1后勤工程學院軍事土木工程系，重慶401331；2重慶市地質災害防治工程技術研究中心，重慶400041；3重慶能源職業學院土木工程系，重慶402260）

土工格柵間距和凸點厚度對其界面特性試驗的影響

唐曉松1,2，王永甫1,2，馮雨實3

（1后勤工程學院軍事土木工程系，重慶401331；2重慶市地質災害防治工程技術研究中心，重慶400041；3重慶能源職業學院土木工程系，重慶402260）

土工格柵因其能有效咬合或嵌固周圍土體，改良土體的力學性能，且具有造價低廉等優點，因此在實際工程中得到了日益廣泛的應用。目前，大都采用室內界面特性試驗研究土工格柵的加筋機理，常用的有直剪摩擦特性試驗和拉拔摩擦特性試驗兩種。由于儀器尺寸等試驗條件的限制，現有的界面特性試驗大都未考慮土工格柵豎向間距和其特有的凸點結構的影響，因此亟需尋求新方法。該文基于數值方法，分別研究了土工格柵的直剪摩擦特性和拉拔摩擦特性，分析了土工格柵豎向間距和凸點厚度對其界面特性的影響。研究表明，土工格柵的豎向間距較小，且凸點厚度較厚時，界面的強度指標較大，其加筋作用越強。因此，實際工程中應考慮土工格柵豎向間距和凸點厚度的影響，從而合理選擇界面強度指標。

土工格柵；界面特性；數值方法；試驗模擬；強度指標

土工格柵是土工合成材料的一種，其二維網格或具有一定厚度的三維立體網格能有效咬合或嵌固周圍土體，從而改良土體的力學性能，因此土工格柵形成的加筋體結構，如：加筋土擋墻、加筋土邊坡、加筋土地基等廣泛應用于各類工程[1-4]。由于加筋體結構是加筋材料和其周圍土體兩種性質迥異的材料相互組合形成的，其共同作用機理十分復雜，其中尤以加筋材料界面特性的研究最為復雜，因此加筋體結構的設計理論遠滯后于工程實踐[5-6]。

目前，關于土工格柵界面特性的研究大都基于摩擦加筋理論，采用室內試驗、模型試驗和現場觀測等方法[7-10]。其中，室內試驗最為常見，主要有直剪摩擦特性試驗和拉拔摩擦特性試驗兩種。關于兩種常用的界面特性試驗，大都僅根據土工格柵的網孔尺寸和土體顆粒的大小確定試驗儀器的長和寬，且僅對直剪或拉拔界面處單層土工格柵的界面特性進行研究[11-13]，沒有結合工程實際考慮土工格柵通常按一定豎向間距鋪設，相鄰土工格柵對界面處土工格柵界面特性可能會產生影響。同時，為了增強土工格柵的整體性，在縱橫向土工格柵的連接處通常采用具有一定厚度和強度的凸點結構，以防止連接處剝離，目前關于凸點厚度對界面特性影響的研究也相對較少。

由此可以看出，由于儀器尺寸、試驗方法等試驗條件的限制，現有的土工格柵界面特性試驗無法考慮土工格柵豎向間距和凸點厚度的影響，亟需尋求新思路和新方法。

1 土工格柵界面特性試驗的數值模擬

國內外的研究表明，采用有限元法等數值方法研究土工格柵的界面特性是可行的[14-16]，因此文章采用荷蘭PLAXIS B.V.公司開發的PLAXIS 3D有限元程序模擬土工格柵的界面特性試驗。建立的數值模型中（如圖1所示），上、下盒的幾何尺寸為1000mm（長）×1000mm（寬）×900mm（高），土工格柵的豎向間距分別取300mm和600mm，通過在模型頂面設置面荷載模擬豎向加載，采用在上盒設置指定面位移模擬直剪摩擦特性試驗；采用在上、下盒界面處的土工格柵前部施加指定面位移模擬拉拔摩擦特性試驗。其中，土的基本物理力學性質指標取重度γ等于18kN/m3，粘聚力c土體等于1kPa，內摩擦角Φ土體等于30O。PLAXIS 3D程序采用界面單元基于彈塑性模型模擬土工格柵-土接觸界面的相互作用，如圖2所示。其中，土工格柵和土的界面抗剪強度指標取粘聚力c格柵-土體等于1kPa，內摩擦角Φ格柵-土體等于19.4O。采用板單元模擬土工格柵特有的凸點結構，其軸向楊氏模量取500kN/m2，剪切模量取192.3kN/m2，板單元厚度分別取2mm和5mm。土工格柵的軸向抗拉剛度取80kN/m，縱橫向土工格柵條帶寬15mm，網孔凈尺寸為120mm×120mm，如圖3所示。直剪試驗時，土工格柵滿鋪長度1000mm；拉拔試驗時，土工格柵長度770mm。

圖1 有限元數值模型

圖2 界面單元

圖3 土工格柵尺寸示意圖

根據《公路工程土工合成材料試驗規程》JTG E50-2006的相關要求[17]，在模擬直剪摩擦特性試驗時上盒設置的指定面位移量應為剪切面長度的16.5%，即165mm；模擬拉拔摩擦特性試驗時上、下盒界面處土工格柵前部施加的指定面位移為700mm。

通過數值計算可以得到的不同豎向荷載條件下界面合力和計算荷載步的關系曲線，根據其后部的近水平段，可以得到剪切或拉拔破壞時土工格柵整個界面上剪力的合力，如圖4所示。通過計算界面上合力和對應的橫截面面積的比值，可以得到不同豎向荷載條件下界面上的剪應力τ。以界面上剪應力τ為縱坐標，界面上正應力σ為橫坐標。通過直線擬合，可以得到界面的強度指標c界面和Φ界面，從而定量研究土工格柵的界面特性。

圖4 各加載步界面剪力合力和荷載步關系曲線

2 基于數值方法的界面特性研究

2.1 土工格柵直剪摩擦特性的研究

分別在有限元模型的頂面設置50kPa、100kPa、150kPa和200kPa的豎向面荷載，指定上盒發生165mm的水平位移，計算得到不同豎向荷載條件下剪切破壞時界面上剪力的合力，如表1所示。

表1 剪切破壞時界面上的合力

由于剪切過程中界面處土工格柵的實際接觸面積是遞減的，為變值，因此每次計算界面剪應力時均應使用與最大剪切力出現時相應的實際接觸面積值。以土工格柵豎向間距為300mm，凸點厚度為2mm，豎向荷載為50kPa時的計算結果為例，如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，在第750荷載步以后，界面剪力合力和計算荷載步關系曲線出現峰值，取此時的峰值45.6kN作為界面剪力的合力。同時，根據上盒水平位移增量和計算荷載步的關系曲線（如圖5（b）所示），對應界面剪力的合力出現峰值時，上盒的水平位移量為47mm，則此時界面實際接觸面的長度為953mm，寬為1000mm，面積為0.953m2。因此，可以得到此時界面的剪應力τ為45.6/0.953=47.85kPa。按上述方法，不同豎向荷載條件下剪切破壞時界面上的剪應力的計算結果如表2所示。

圖5 剪切破壞時界面有效接觸面積的確定

表2 剪切破壞時界面上的剪應力

對界面上正應力σ和界面上剪應力τ進行直線擬合，如圖6所示。其中，直線線性公式的常數項即為界面粘聚力c界面，系數項即為界面內摩擦角Φ界面的正切值，這樣就可以得到直剪條件下土工格柵界面的強度指標c界面和Φ界面，如表3所示。

圖6 界面正應力σ和界面剪應力τ的直線擬合（直剪摩擦特性試驗）

表3 土工格柵界面的強度指標（直剪摩擦特性試驗）

從計算結果可以看出，由于土工格柵和周圍土體的相互作用，界面處的抗剪強度指標相比于土體的抗剪強度指標得到了明顯提高。同時，土工格柵的豎向間距對界面直剪摩擦特性試驗是有影響的，豎向間距越小，界面的抗剪強度指標相對越高，這主要是由于土工格柵和周圍土體嵌固咬合在一起，形成一定的影響范圍，因此當土工格柵豎向間距變小時，會對剪切面處土工格柵的界面特性產生一定的影響。另外，凸點結構厚度對界面直剪摩擦特性的影響不是很明顯，相同豎向間距條件下，凸點厚度2mm和凸點厚度5mm對應的界面強度指標無明顯變化。分析其原因主要是，直剪試驗的剪切面相對固定，因此凸點結構的影響有限，如圖7和圖8所示，界面周圍土體水平位移增量的等值線圖基本一致。

圖7 界面周圍土體水平位移等值線圖（豎向間距300mm，凸點厚2mm，豎向正應力200kPa）

圖8 界面周圍土體水平位移等值線圖（豎向間距300mm，凸點厚5mm，豎向正應力200kPa）

2.2 土工格柵拉拔摩擦特性的研究

分別在有限元模型的頂面設置50kPa、100kPa和150kPa的豎向面荷載，且在上、下盒界面處土工格柵前部施加700mm指定面位移以模擬土工格柵界面的拉拔摩擦特性試驗，如圖1（b）所示。此時，拉拔界面土工格柵長770mm，相應的實際接觸面面積為0.77m2。通過界面正應力σ和界面剪應力τ的直線擬合（如圖9所示），可以得到拉拔條件下土工格柵界面的強度指標c界面和Φ界面，如表4所示。

圖9 界面正應力σ和界面剪應力τ的直線擬合（拉拔摩擦特性試驗）

表4 土工格柵界面的強度指標（拉拔摩擦特性試驗)

從表4中的計算結果可以看出，拉拔摩擦特性試驗得到的界面強度指標均大于直剪摩擦特性試驗得到的界面強度指標。分析其原因，主要是拉拔對周圍土體的影響較直剪范圍更大，因此其相對移動更為困難，相應的界面強度指標也更高。從圖10-圖13可以看出，土工格柵豎向間距越小，受土工格柵影響的土體范圍越大；相同豎向間距條件下，凸點厚度越厚，土工格柵的影響范圍也越大。因此，當土工格柵豎向間距較小，且凸點厚度較厚時，界面的強度指標較大。

圖10 界面周圍土體水平位移等值線圖（豎向間距300mm，凸點厚2mm，豎向正應力150kPa）

圖11 界面周圍土體水平位移等值線圖（豎向間距300mm，凸點厚5mm，豎向正應力150kPa）

圖12 界面周圍土體水平位移等值線圖（豎向間距600mm，凸點厚2mm，豎向正應力150kPa）

圖13 界面周圍土體水平位移等值線圖（豎向間距600mm，凸點厚5mm，豎向正應力150kPa）

3 結論

通過文中的研究可以看出，基于數值方法能較好模擬土工格柵和土體之間的相互作用，從而定量且直觀的研究土工格柵的界面特性，并得到如下結論：

（1）拉拔摩擦特性試驗得到的界面強度指標均大于直剪摩擦特性試驗得到的界面強度指標，分析其原因主要是拉拔土工格柵時對周圍土體的影響范圍更大，發生相對變形更困難。因此，實際工程中應根據土工格柵加筋體結構的破壞形式選擇相應的界面參數，從而保證設計的合理性和可靠性；

（2）土工格柵的豎向間距不同，界面特性試驗得到的界面參數也不同，因此界面特性試驗的試驗裝置除了滿足長度和寬度的要求，還應設計合理的儀器高度以考慮土工格柵間距的影響；

（3）采用板單元能夠模擬土工格柵特有的凸點結構及其厚度對土工格柵界面特性的影響。從計算結果可以看出，凸點厚度從2mm變化至5mm，土工格柵對周圍土體的咬合或嵌固作用也隨之增強，土工格柵的加筋作用更優，且對土工格柵界面拉拔摩擦特性的影響更為明顯。

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責任編輯：孫蘇，李紅

Influence of Geogrids Distance and Thickness of Salient Points on Interface Property Experiment

Geogrid has been growingly used because of its effective embedding with the surrounding soil,the mechanic property improvement for soil and low cost.At present,indoor experiments of interface property are conducted to study the reinforcement mechanism of geogrid,including direct shear friction experiment and pullout friction experiment.Due to the limitation of facility sizes and other experimental conditions,the influences of the vertical distances between geogrids and its peculiar salient points are hardly considered in most of current experiments,so some new method should be worked out.Based on numerical methods,this paper respectively studies the features of direct shear friction and pullout friction of geogrids and analyzes the influences of vertical distances between geogrids and the thickness of salient points on the interface property.The research shows that the strength indexes of interface are relatively larger and the functions of reinforcement are stronger when the vertical distances between geogrids are smaller and the thickness of salient points are larger.In practical engineering,the influence of vertical distances of geogrids and the thickness of salient points should be considered to choose reasonable strength indexes for the interface.

geogrids;interface property;numerical method;experimental simulation;strength index

TU599

A

1671-9107（2017）04-0035-05

基金論文：該論文為“重慶市教委科學技術研究項目（項目編號：KJ1754490)土工格柵摩擦加筋機理及其工程應用”的研究論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.035

2017-02-16

唐曉松（1979-），男，江蘇海門人，博士，高級工程師，主要從事巖土工程穩定性分析及其數值模擬研究。