路堤加筋土拉拔穩定性試驗研究

藺鳳宇

(天津市國騰新立公路工程試驗檢測有限公司，天津 300170)

0 引 言

近年來，加筋路堤因其強度高、壽命長、價格低廉等優點備受施工單位的青睞，尤其是在高填方路基的應用中更是頻頻出現。加筋路堤，顧名思義，就是在路堤的某些位置加入性能良好的土工合成材料，使路堤的穩定性得到加強的一種新型路堤。目前在土工合成材料中，土工格柵是使用最廣泛的一種，土工格柵具有較強的柔韌性、抗拉伸性以及耐疲勞性，能較大限度的約束路堤側向位移，減緩路基沉降速率，增強路基的整體穩定性等等。

當前，我國在高填方路基中應用加筋路堤的例子已數不勝數，可是加筋路堤對高填方路基的穩定性并沒有起到預期的效果，我國高速公路路堤失穩現象頻頻出現，這也是我國道路建設者無比困擾的問題。因此從理論上深入研究高填方路基的作用機理至關重要，加筋作用機理對解決路堤的關鍵性問題起著至關重要的作用。

1 加筋路堤的加筋機理

加筋土之所以擁有抗拉強度，是由于筋材與土體的變形模量差異較大，當筋材與土體共同受力時，筋土之間會產生摩擦力來抵擋，這種摩擦力能增強土體穩定性，此時筋材能承受較大的拉力作用從而達到了使土體也防止變形的目的。目前，國內外關于加筋土加筋機理的研究已數不勝數，其中最典型加筋理論當屬摩擦加筋機理。

摩擦加筋機理告訴我們筋材與土的相互受力作用有三大類：第一，土與筋材表面的摩擦阻力；第二，筋材的橫肋對土的阻力；第三，土顆粒與筋材中的孔眼相互咬合的作用力。該三種作用力均能抑制土體的沉降或側向位移，使土體的穩定性加強，從而防止路堤失穩。

如圖1所示，若不考慮筋材和單元土的重量，拉筋的左右截面受力分別為T1和T2，壓住拉筋的法向壓力為N。設土粒與拉筋之間的摩擦系數為f，b為拉筋的寬度，土具有的水平推力所引起的該微元段筋材的拉力為dT，則dT=T1-T2。

2N·f·b·dL>dT

(1)

由此可見土的水平推力被筋土之間的摩擦力克服，筋土不會產生相互錯動，微元體達到平衡狀態。從式(1)可知，該不等式要成立，筋土之間必須具有較大的摩擦力，因此要求加筋材料表面粗糙以增大接觸面摩擦。

圖1 加筋結構受力分析

2 加筋土界面拉拔穩定性試驗

拉拔試驗是模擬加筋材料埋置于填土中在兩側受力時被拔出的過程。目前基本上都在改裝的直剪儀上進行，拉拔試驗的試驗設備與方法上還沒有統一的標準，導致了試驗條件存在不一致的情況，但拉拔試驗比其它實驗更能模擬實際情況。

2.1 試驗儀器及材料

本文選用拉拔試驗箱做拉拔試驗，拉拔試驗箱屬于400 mm×300 mm×300 mm(長×寬×高)的矩形，整個試驗箱具有較大的強度和剛度，不易變形且能承受較大的外力作用。在箱體側壁半高處開出供土工格柵拉出箱體用的高約5 mm全寬窄縫。內壁上緊貼窄縫處安置一個插板，調整縫隙的大小，拉拔試驗儀器如圖2。

圖2 拉拔試驗裝置

為研究不同類型土工格柵對土體力學性能的影響程度，選取了三種型號的土工格柵，分別為：EG3030雙向土工格柵，如圖3；EG90R單向土工格柵，TGDG80單向土工格柵，如圖4。

圖3 雙向土工格柵 圖4 單向土工格柵

拉拔摩擦試驗中格柵的尺寸為450 mm×260 mm，拉拔試驗箱中有效面積為370 mm×260 mm。其技術指標如表1。

選擇赤承高速施工現場用土為實驗用土，其基本參數見表2。

表1 土工格柵的技術指標

表2 填料的基本參數

2.2 試驗步驟

土工格柵和砂土的界面摩擦特性試驗分為三組：EG90R型單項土工格柵、EG3030型雙向土工格柵和不同垂直荷載的條件下(25 KPa、50 KPa、100 KPa)TGDG80型單項土工格柵與砂土的拉拔摩擦特性試驗。拉拔試驗的操作步驟。

(1)使分層壓實試驗箱中土體壓實度達到93%，必須保證試驗箱的窄縫下邊緣低于土體的水平面。

(2)將土工格柵鋪在土體表面，確保土工格柵平整且完好無損，將試樣的一端引出8 cm，插板在低于插板下緣時固定。

(3)分層壓實，在砂土表面均勻的撒布細沙可使加壓板受力均勻。如圖5為格柵的埋置及應變片的粘貼。

(4)將加荷系統對準實驗箱，施加長于15 min荷載以固結填料。施加水平荷載，保持裝置繃緊。圖6所示為雙向土工格柵破壞瞬間。

(5)清零儀表盤讀數，再以拉拔速率為3 mm/min后開始試驗。當水平拉力出現峰值，或水平荷載穩定時試驗停止。

圖5 格柵粘貼應變片 圖 雙向土工格柵破壞瞬間

2.3 試驗結果和分析

土工格柵水平鋪埋在試驗箱填料內，對其施加水平拉力和垂直壓力，沿其表面方向的拉力Td會在力的方向上引起應力和應變，同時受拉時法向應力在上下界面引起沿格柵受拉方向非均勻分布的摩擦阻力，且隨各點的應變不同而不同，其極限摩阻力的平均值為

τ=Td/2LB

(2)

式中：τ—界面摩擦阻力平均值，KPa；Td—格柵的極限抗拔力，KN；L、B—格柵埋在填料內部的長度、寬度，m。

假設拉拔試驗箱內的填料上覆垂直壓力的做作用下產生的法向應力σ均勻分布

σ=F/A

(3)

式中：F—垂直壓力，KN；A—拉拔試驗箱的面積，m2。

表3 拉拔試驗方案

拉拔試驗結果如下圖7～圖9所示。

圖7 EG90R型格柵拉拔試驗特性

圖8 TGDG80型格柵拉拔試驗特性

圖9 EG3030型格柵拉拔試驗特性

圖7、圖8、圖9所示為不同垂直荷載作用下不同類型土工格柵在砂土中的界面摩擦特性曲線。其中，EG90R型單項土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標為：c=12.18，f=0.078；TGDG80型單項土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標為：c=15.77，f=0.153；EG3030型雙向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標為：c=14.16，f=0.148。

TGDG80型單項土工格柵的拉拔力在相同垂直荷載作用下大于EG90R型單項土工格柵。為了保證土工合成材料最大發揮其抗拉性能，要依據實際的工程條件，來選擇相應的上覆荷載做室內拉拔試驗。

試驗結果表明：拉拔試驗界面摩擦特性τ-L曲線呈非線性關系。起初，垂直荷載不同的情況下，當拉拔位移小于5 mm時，τ-L曲線呈線性關系，拉拔位移和垂直荷載逐漸增大后，曲線明顯地呈非線性關系，拉拔力的峰值對應的位移量也有相同的趨勢。

拉拔試驗顯示，與單項土工格柵相比，EG3030型雙向土工格柵容易被拉斷。土工格柵的網格與土體的空間連鎖作用下產生的被動阻力，和土工格柵表面與土體之間的摩擦力共同構成土工格柵與土體之間的摩擦力。雙向土工格柵具有網格和橫肋結構，空間連鎖效強，且橫肋較細，容易開裂導致雙向土工格柵被拉斷。

對比分析拉拔試驗的結果，EG90R型單項土工格柵在砂土中的摩阻力低于EG3030型雙向土工格柵，高于TGDG80型單項土工格柵。

4 結 論

拉拔位移與摩擦阻力的曲線中，當拉拔位移小于5 mm時，τ-L曲線呈線性關系，當拉拔位移和垂直荷載逐漸增大后，曲線明顯地呈非線性關系，拉拔力的峰值對應的位移量也有相同的趨勢。

不同類型的土工格柵與砂土具有不同的摩擦特性，EG90R型單項土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標為c=12.18，f=0.078，TGDG80型為c=15.77，f=0.153，EG3030型為c=14.16，f=0.148。即土工格柵在砂土中的摩擦阻力的大小順序為EG3030型雙向土工格柵優于EG90R型單項土工格柵，TGDG80型單項土工格柵最小。