加筋粗粒土大型拉拔模型試驗分析

張東東 榮華

摘要：為明確加筋礫類粗粒土筋土界面之間的相互作用以更好地指導工程實踐，在土工格柵加筋粗粒土上采用基于自主設(shè)計的可視化大型拉拔設(shè)備完成拉拔試驗。采用高清數(shù)碼跟蹤技術(shù)研究加筋粗粒土拉拔界面的形成演化規(guī)律，探討粗粒土的P5粗粒含量、土工格柵嵌入長度以及上覆應力的變化對筋土界面性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，格柵嵌入長度、粗粒含量、上覆應力的增加均可有效提高拉拔力峰值和剩余抗拔力;土工格柵嵌入長度短且粗粒含量低的情況下，筋土拉拔界面位移帶形成較早;通過加入更多粗粒量與縮小嵌入長度，可以使拉拔試樣內(nèi)摩擦角與表面黏聚力提升;上覆應力在0～50 kPa范圍中升高，可大幅度降低似摩擦系數(shù)，上覆應力超過50 kPa時，似摩擦系數(shù)下降趨勢保持平緩狀態(tài)。建議工程實際應用中優(yōu)先考慮提高粗粒含量。所得結(jié)果對于合理控制粗粒含量，改善加筋土韌性，提高相關(guān)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性具有一定的借鑒價值。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;土工格柵;粗粒土;可視化;拉拔試驗;筋土界面

中圖分類號：TU443文獻標識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx03005

Abstract：

In order to clarify the interaction between the reinforced gravel coarsegrained soil and the interface to better guide the engineering practice， the selfdesigned largescale visual drawing equipment was used to complete the pullout test on the geogrid reinforced coarsegrained soil. The formation and evolution of reinforced coarsegrained soil pullout interface were studied by using highdefinition digital tracking technology， and the influence of P5 coarse material content， embedded length of geogrid and change of overlying stress on the properties of reinforced soil interface was discussed. According to the test data， the increase of embedded length of geogrid， coarse material content and overlying stress can effectively improve the peak value of drawing force and the remaining pullout resistance; when the embedded length of geogrid is short and the content of coarse material is low， the displacement band of the drawing interface of reinforced soil forms earlier; the internal friction angle and the surface cohesion of the drawing sample can be increased by adding more coarse material and reducing the embedded length. If the overlying stress increases in the range of 0kPa to 50kPa， the quasi friction coefficient can be greatly reduced. When the overlying stress exceeds 50kPa， the decline trend of the quasi friction coefficient remains smooth. It is suggests that the increase of coarse material content should be given priority in practical application，

and the results provide some reference for the control of coarse material content， the amelioration of the toughness of reinforced soil and the improvement of the stability and safety of related engineering structures.

Keywords：

ground foundation engineering; geogrid; coarsegrained soil; visualization; pullout test; reinforced soil interface

眾多學者對筋土界面作用開展了廣泛而深入的研究，尤其是針對加筋土界面作用特性的研究，

多采用拉拔試驗來測定筋土界面參數(shù)[14]。

徐超等[5]通過室內(nèi)拉拔試驗，分析了土工格柵與砂土相互作用機制和格柵橫縱肋對拉拔阻力的影響;MORACI等[6]采用多變量分析法和拉拔試驗，對土工格柵抗拔性能進行了研究;SIDNEI等[7]、PALMEIRA[8]及施有志等[9]研究了筋土界面相互作用的機制，分析了拉拔試驗中筋土界面作用的影響因素;周健等[10]從細觀角度分析了土工格柵橫肋與砂土的拉拔界面作用機理;劉文白等[11]通過室內(nèi)界面試驗研究了土工格柵與砂土接觸面的強度特性;張孟喜等[12]提出立體加筋方法，分析了條帶式帶齒加筋界面特性。

筆者采用大型拉拔試驗對加筋粗粒土進行研究，對筋土界面間的作用機理進行分析，與高清數(shù)碼跟蹤技術(shù)相結(jié)合，研究拉拔試驗過程中改變上覆應力σv，P5粗粒含量以及嵌入長度L等參數(shù)對界面性質(zhì)的影響，揭示界面作用機理。

1拉拔設(shè)備、試驗材料和方案

1.1拉拔設(shè)備

圖1為拉拔試驗設(shè)備，拉拔盒的長、寬、高分別為600，400，500 mm。位于試驗箱前側(cè)嵌有400 mm×200 mm（長×高）的雙層鋼化玻璃，可進行筋土界面圖像攝錄分析。在模型箱側(cè)面設(shè)有可伸縮寬度的開口，作為各種土工合成材料拉拔試驗的進出口。

加載系統(tǒng)分為水平與豎向2種加載系統(tǒng)，其中豎向加載系統(tǒng)中有反力框架與液壓千斤頂，利用液壓閥進行豎向載荷加載。采用推拉電動機進行水平加載，電動機速率固定。試驗階段通過拉拔夾具和推拉電動機間的壓力傳感器、位移傳感器反映拉拔位移大小與剪切力大小。

1.2試驗土料及加筋材料

所采用的試驗土料取自柳州的礫類粗粒土。粗粒土物理性質(zhì)指標指的是d30中值粒徑、d10有效粒徑、d50平均粒徑、d60限制粒徑、Cu不均勻系數(shù)以及Cc曲率系數(shù)，對應值分別為1.36，0.58，2.18，306 mm和524，1.04，其級配表詳見表1。

1.3試驗方案

通過對工程應用的實際情況進行分析，針對不同粗粒含量、柵格嵌入長度以及上覆應力等處于各種工況環(huán)境下實施加筋粗粒土拉拔試驗，探討各因素對加筋粗粒土拉拔筋土界面特性的影響。共進行了27組試驗，試驗方案如表3所示。

粗粒土應用領(lǐng)域廣泛，粒徑組成結(jié)構(gòu)復雜，P5粗粒含量直接影響粗粒土工程性質(zhì)[1314]，不同含量的粗粒土，界面剪切作用差異很大，目前相關(guān)研究較少，尤其是對加筋粗粒土拉拔試驗的研究成果更少。本試驗依據(jù)表1顯示的顆粒級配粗粒含量在18% 的基礎(chǔ)上，每次遞增5%，對改變粗粒含量后影響筋土界面特性情況進行分析，選擇的土料中P5粗粒含量分別為18%，23%及28%。拉拔試驗中所采用的拉拔速度為1 mm/min。

2試驗結(jié)果分析

2.1粗粒含量及嵌入長度對筋材拉拔的影響

圖3表示含量分別為18%，23%及28%的P5粗粒的土工格柵拉拔試驗數(shù)據(jù)曲線圖。分析可知，粗粒含量不同時，拉拔阻力位移曲線規(guī)律基本相同。抗拔阻力峰值與P5粗粒含量呈反相關(guān)關(guān)系。由此得出，P5粗粒含量增加，土粒間的咬合性增強，顆粒承受的阻力加大，使其難以相互錯動與旋轉(zhuǎn)，試樣生成的拉拔位移一致的情況下所承受的拉拔阻力增大。加大粗粒含量后試樣拉拔阻力位移曲線上的拉拔阻力峰值處于上升趨勢。

通過比較圖3 a）與圖3 b）可知，試樣在粗粒含量相同時，加大上覆應力后對應的曲線上的拉拔阻力峰值強度也隨之增大。分析認為，上覆應力增大后導致土粒更密、咬合更強，增強了界面位置的嵌固強度與摩擦作用，因此，試驗生成的拉拔位移相等時所承受的拉拔阻力會顯著增大。

圖4為土工格柵嵌入長度分別為35，45及55 cm時粗粒土拉拔試驗圖。

分析圖4可得：1）選取多種嵌入長度，位移拉拔阻力曲線在上覆應力較大時（

75 kPa）表現(xiàn)出一定軟化特性，拉拔位移的不斷延長使得試驗拉拔阻力加大，該阻力上升至最高值時，拉拔阻力會在某個固定值上保持穩(wěn)定或者繼續(xù)降低。2）延長嵌入長度，試驗中的拉拔阻力峰值保持上升趨勢。

其原因在于，嵌入長度增加，筋土接觸面積加大，拉拔位移相等時承受的拉拔阻力較大。

2.2粗粒土與土工格柵拉拔界面特性分析

試驗箱前側(cè)位置嵌入一個鋼化玻璃材料的觀測窗，利用該窗口可以攝錄筋土界面圖像，觀察延長拉拔長度后筋土拉拔界面位移場演變[15]。

1）拉拔時，筋土界面上的土粒位移大于界面下的土粒位移，造成該現(xiàn)象是由于模型箱體內(nèi)具有上覆壓力與土體自身重力，拉拔試驗階段土工格柵下界面上的土體顆粒與上界面對比密實程度更高，不同顆粒之間接觸密切性更大，試驗階段上界面土體顆粒受到土工格柵驅(qū)動下出現(xiàn)較大位移。

2）拉拔試驗時，格柵拉拔位移的增大，位于筋土界面周圍的土體顆粒位移傳遞至拉拔方向，逐漸形成更清晰的位移帶臨界輪廓。

3）當L=35 cm時，對應的試樣位移≥15 mm;當L=45 cm時，試樣取得的拉拔長度≥27 mm，這時筋土界面保持一個穩(wěn)定性高的拉拔位移帶，該帶厚度并非完全相同，而是處于某個恒值位置上下浮動。嵌入長度直接影響構(gòu)成穩(wěn)定位移帶需要的拉拔位移。

圖7和圖8分別為不同粗粒含量試樣筋土接觸面的位移演化圖。分析各圖可得到下列基本規(guī)律。

1）隨著拉拔位移的加大，界面位移由土工格柵前端向末端擴展，位移帶上存在清晰的邊界輪廓。

2）試樣筋土界面在持續(xù)延長拉伸位移后，拉拔位移帶逐步保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3）試樣中粗粒含量高時，可以更早地形成位移帶，相應的試樣拉拔位移帶厚度增加。導致該現(xiàn)象的原因在于，試樣中含有的粗粒含量高時，相應的土體平均顆粒粒徑大，拉拔試驗時土體顆粒出現(xiàn)位移、旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴重，導致筋土界面土體顆粒發(fā)生錯動。

2.3嵌入長度對筋土拉拔界面參數(shù)的影響

粗粒土與筋材拉拔時，假設(shè)拉拔界面的摩擦力以均勻狀態(tài)分布，則由下列公式表示拉拔試驗界面上的拉拔摩擦強度τp與上覆應力σv：

分析圖9和表4可以得到以下結(jié)論。

1）加筋粗粒土拉拔試樣在延長嵌入長度后，界面黏聚力c由最初的25.92 kPa降低至20.43 kPa，而嵌入長度延長后界面黏聚力下降，黏聚力與嵌入長度間為反比關(guān)系。

2）試驗界面承受的內(nèi)摩擦角在嵌入長度延長后下降，而減小嵌入長度時，試樣的內(nèi)摩擦角增大。

3）嵌入長度對筋土界面參數(shù)影響較為顯著，在試驗中，長嵌入長度比短嵌入長度所得筋土界面參數(shù)偏小，更加符合與現(xiàn)場大尺寸加筋工況。

根據(jù)式（3）分別計算嵌入長度的似摩擦系數(shù)f值。圖10為不同嵌入長度試樣的似摩擦系數(shù)上覆應力關(guān)系曲線。

分析圖10可得以下結(jié)論：

1）增大上覆應力相應的不同土工格柵嵌入長度拉拔試樣界面摩擦系數(shù)下降，同時，上覆應力的增大區(qū)間為0～50 kPa，取得的摩擦系數(shù)改變幅度最大。當上覆應力超過50 kPa，對應的似摩擦系數(shù)改變幅度小，逐步保持平穩(wěn)狀態(tài)。

2）延長嵌入長度后，在上覆應力相等的情況下試樣摩擦系數(shù)下降。

2.4粗粒含量對筋土拉拔界面參數(shù)的影響

圖11為粗粒含量18%，23%和28%的拉拔試樣的剪應力上覆應力關(guān)系曲線。表5為不同粗粒含量下界面黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值匯總表。

分析圖11和表5可以發(fā)現(xiàn)：

1. 拉拔試樣增大粗粒含量后界面黏聚力處于不斷上升趨勢，在粗粒含量為18%的情況下界面黏聚力為25.30 kPa，增大粗粒含量為28%對應的界面黏聚力上升至27.24 kPa;

2）拉拔試驗過程中增加粗粒含量，對應的內(nèi)摩擦角φ值增加。

圖12表示不同粗粒含量時試樣的似摩擦系數(shù)上覆應力曲線。分析該圖可得：增加上覆應力后不同粗粒含量的試驗界面摩擦系數(shù)下降，該變化類似于改變嵌入長度時界面摩擦系數(shù)的變化。上覆應力相等時，粗粒含量與筋土界面似摩擦系數(shù)成正比，改變粗粒含量后對似摩擦系數(shù)上覆應力曲線中對應于不同上覆應力的似摩擦系數(shù)值產(chǎn)生影響，但是影響曲線的變化幅度較小。

3筋土拉拔界面作用機理分析

加筋粗粒土試樣中生成拉拔阻力的重要來源是土工格柵面對網(wǎng)孔土體顆粒產(chǎn)生的嵌固作用、拉拔試驗時附近土體顆粒接觸面與土工格柵生成的摩擦力。

1）上升期試驗在實施階段拉拔位移不斷增大，土體與土工柵格間開始生成相互錯動，由土工格柵前端開始擴展筋土界面應變場與位移場到末端，這時土工格柵界面承受的界面嵌固作用和界面摩擦作用不斷加強。

2）波動期土工格柵在應變場與位移場的擴展下，嵌入長度縮小，接觸土體間的面積縮小導致加筋作用變?nèi)酰_始形成剪切帶與位移帶保持穩(wěn)定狀態(tài)從而提高加筋作用。兩作用共同決定本時期拉拔阻力，該數(shù)值會產(chǎn)生波動，同時拉拔阻力也到達峰值。

3）下降期本時期已經(jīng)在筋土界面形成穩(wěn)定的剪切帶與位移帶，延長拉拔位移，相應的土工格柵嵌入長度縮小，并降低土工格柵嵌固作用與界面摩擦作用。本時期拉拔阻力保持某個恒值或者下降，直至試驗結(jié)束。

4結(jié)語

1）試樣中改變格珊嵌入長度、粗粒含量及上覆應力后直接影響其宏觀特性。在試樣拉拔試驗階段，格柵嵌入長度、粗粒含量、上覆應力的增加均可有效提高拉拔力峰值，也可以將試樣拉拔阻力位移曲線上剩余的拉拔阻力增大。

2）拉拔試驗時，對比土工格柵上界面與下界面土體顆粒位移，前者遠遠大于后者，增大位移后筋土界面位移場由土工格柵前端擴展至后端，并向著穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，最終形成一個厚度一定的位移帶。

3）加入的粗粒含量高時，可在早期形成位移帶，土工格柵的嵌入長度較短時，與嵌入長度較長的情況相比，形成位移帶所需的時間更短。

4）通過加大粗粒含量與縮小嵌入長度，均可將拉拔試樣內(nèi)摩擦角與界面黏聚力增大。

5）隨著上覆應力的增加，界面似摩擦系數(shù)減小。當上覆應力的增大區(qū)間為0～50 kPa時，

似摩擦系數(shù)改變幅度較大。而當上覆應力超過50 kPa且持續(xù)上升時，似摩擦系數(shù)改變幅度保持平緩穩(wěn)定狀態(tài)。

6）在上覆應力相等的情況下，延長嵌入長度時對應的似摩擦系數(shù)下降，

并且改變幅度較小;同樣的上覆應力條件下，增大粗粒含量，相應的似摩擦系數(shù)上升。改變粗粒含量后對似摩擦系數(shù)上覆應力曲線中不同上覆應力，相應的似摩擦系數(shù)值產(chǎn)生影響，但是對曲線變化幅度影響較小。

本文對筋礫類粗粒土筋土界面之間相互作用進行了研究，對加筋粗粒土工程應用具有一定的指導意義。

建議今后采用有限元和離散元耦合技術(shù)對此問題進行深入研究，以降低經(jīng)濟成本和時間成本。

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