加筋土界面特性拉拔試驗儀的研發進展

楊和平，萬 亮,2，肖 杰

(1.長沙理工大學 道路結構與材料交通行業重點試驗室，湖南 長沙 410076；2.安徽省農墾集團有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

加筋土是一種在土中加入筋材而形成的復合土體，當承受壓力時，筋土間的相互作用能限制土體側向位移，等效于施加一側向壓力增量，從而大大提高其強度和整體性。所加筋材包括草、竹、木等植物纖維，鋼帶、鋼筋網格等金屬材料及土工織物、土工格柵等多種土工合成材料。用添加筋材來加強土工結構物古已有之。遠在新石器時代，我們的祖先就利用茅草作為加筋材料筑做房屋的土墻和屋頂，距今已有五六千年的歷史[1]。20世紀30年代以來，化纖材料工業迅速發展，聚乙烯土工膜、土工織物、土工格柵等多種有機纖維材料相繼問世，更加豐富了土中加筋的復合結構。1969年，法國工程師Vidal開展模型試驗發現，土中添加有機纖維材料能明顯提高其強度，進而研究提出現代加筋土理論[2]。

為獲得土中加筋的工作機理，弄清筋、土間的相互作用力，國內外不少學者研發拉拔測試儀并開展了大量試驗研究[3]，但時至今日，仍沒有統一完善的拉拔試驗儀器及操作方法，導致即使用同一種土工格柵加筋同一種土，各家因測試儀器及施測方法不同，所得測試結果常大相徑庭。為此，有必要回顧土中加筋拉拔試驗儀的研發過程并探究該領域今后研究的方向。通過梳理國內外已有拉拔試驗成果，基于長沙理工大學自主研發的大型數控拉拔試驗系統十多年來的大量試驗研究，分析總結已研發儀器及在測試中的主要優、缺點，嘗試提出其改進方向，以期為新儀器研發與規范試驗測試方法提供參考。

1 拉拔試驗儀研發現狀

1.1 國外的研發情況

國外較早開展拉拔試驗研究，1977年Alim等[4]、1978年McGown等[5]、1980年Jewell[6]率先開始該項工作并探索了邊界條件對測試結果的影響。表1給出了近30年拉拔儀的研發狀況。

1.2 國內的研發情況

國內的拉拔試驗始于1989年，許仲生[18]改造了剪切面30 cm×30 cm的直剪儀做拉拔試驗，研究土工織物加筋土的界面特性，得出織物與土間摩擦受兩者性能的影響，測試時拉拔速度宜為4～7 mm/min。近20年隨著國內加筋土工程日益增多，不少學者也開發儀器做拉拔試驗。表2給出了儀器的研發情況。

2000年，楊果林等[19]用83 cm×45 cm×70 cm的木質模型箱開展拉拔試驗，水平力由吊籃加砝碼施加，應力控制拉拔方式(每級拔出荷載持續5 min、荷載增量50～100 N)。結果表明，土與箱壁間摩擦、拔出速率、墻板剛度、筋材上下填土厚、土的級配、強度、圓滑程度、密實度及筋材夾具等均影響測試結果。

2001年，吳景海等[20]用50 cm×24 cm×30 cm的模型箱做拉拔試驗，豎向加載用油壓千斤頂，水平加載用機械千斤頂，拉拔速度1 mm/min，并實施應變控制，研究土工合成材料加筋砂土及粉煤灰的拉拔系數。測得不同填料及土工材料的拉拔系數相差較大，提出須由拉拔試驗來確定合適的拉拔系數。

2003年，施有志等[21]為評價格柵加筋砂礫、粗砂及殘積土的界面摩擦系數，將箱體20 cm×20 cm×12 cm的直剪儀改裝成小型拉拔儀做拉拔試驗，通過加砝碼控制水平力并與有紡土工布加筋土做比較。結論是箱體小時邊界影響大且填料的密實度不易控制，需改進設備與試驗方法使測試結果接近實際工況。

2004年，徐林榮等[22]研制了專測膨脹土與土工格柵界面作用的裝置，箱體(110 cm×50 cm×90 cm)用木板及角鋼制成，豎向加載用油壓千斤頂，水平拉力由滑輪、電機及變速箱提供。研究提出測試步驟、要求和結束標準及夾具與筋材連接、位移傳感器安置、豎向及水平加載要點。確定了結束試驗的標準，拉拔力下降且趨于穩定，筋材末端產生位移。

2006年，張嘎等[23]改造大型土與結構接觸面循環加載剪切儀(TH-20t CSASSI)，用拉拔試驗車替換土容器車，在水平加載單元上連結固定結構的夾具，開展土工布加筋土拉拔試驗。測得土與織物接觸面剪脹作用使抗剪強度與法向應力呈非線性，土工布錨固強度與法向應力為曲線關系，宜用對數函數描述。

2012年，蔡春等[27]研發了帶加強肋單向格柵加筋砂土拉拔儀，其箱內尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，側面開設窗口以觀察土體擾動變形。測得同法向應力作用時帶肋格柵的極限拉拔力明顯比普通格柵的大，且隨肋厚、肋距增大，拉拔力增大愈顯著或逐漸減小。

2016年，王家全等[28]在60 cm×40 cm×50 cm箱的一側壁中心裝上鋼化玻璃窗，用高清數碼和體視顯微鏡對試驗中筋土界面土粒實時錄像，獲取界面處土粒位移及孔隙率的變化。結果表明，豎向荷載越大，土與格柵界面摩擦和嵌固作用越顯著；荷載達到一定值時，結構破壞由格柵整體位移拔出變為自身斷裂，符合兩種典型的工程破壞；界面土粒位移的模式分平移及轉動，且位移集中帶前厚后薄。

2017年，丁金華等[29]將原土-土工合成材料界面直剪儀增加閉環伺服電氣控制及應力變形測量兩系統，開發了箱體60 cm×30 cm×30 cm的既能直剪又能拉拔的多功能試驗機。對比有、無側限約束時加筋的力學性質，發現兩者特性參數的差別較大，建議工程中注重筋材實際約束條件，用合適試驗方法獲取特性參數，確保安全與經濟。

2019年，肖成志等[30]研制了箱體80 cm×40 cm×55 cm的中型拉拔儀做雙向格柵加筋砂土拉拔試驗，獲取界面正應力、橫肋百分比、格柵寬度和拉拔速率對筋-土界面作用及格柵橫肋受力的影響。儀器特點是箱前端預留高、寬各 1 cm和34 cm的縫隙，引筋材出箱連接夾具，箱內壁襯貼5 mm厚鋼化玻璃以減小摩擦。

1.3 規范對拉拔儀的有關規定

《土工合成材料測試規程》(SL235—2012)[31]，要求箱體≮40 cm×25 cm×25 cm，在箱前壁半高處開一5 mm橫貫全寬平縫引土工材料出箱，緊貼縫壁裝能上下抽動的板以調節縫隙防土粒出漏(見圖1)。測試時拉拔速率根據土性，砂性、黏性土的拉拔速率宜分別取0.5 mm/min及0.5～1.0 mm/min。

表2 國內拉拔儀器研發一覽表

圖1 拉拔試驗示意圖

《公路土工合成材料試驗規程》(JTGE50—2006)[32]要求箱體≮25 cm×20 cm×20 cm，箱前壁半高處也開一全寬平縫(5 mm)引土工材料出箱，貼緊縫壁內也設抽動板調節縫隙以防拉拔時土粒出漏(見圖2)。一般拉拔速率0.2～3.0 mm/min，砂性土可用0.5 mm/min，由填料土性定固結時間：粒狀土≮15 min，黏性土則是每小時豎向變形增量≤0.000 25h(h為填土高)。

圖2 拉拔試驗箱示意圖

美國材料與試驗協會標準ASTM D6706-01[33]建議箱體≮61 cm×46 cm×30.5 cm，并規范了夾具及加載與位移監測系統(見圖3)，規定試驗時的空氣濕度為60%±10%，溫度(21±2) ℃，拉拔速度取(1±10%) mm/min。

圖3 土工合成材料拉拔試驗裝置

由上述分析可知，試驗箱、加荷及量測系統是儀器的主體部分，目前對3者的規格及使用仍無統一明確的規定，且國內兩規范頒發距今已久，不能與時俱進反映儀器研發的新進展。各家儀器最大的不同是箱體尺寸，尤其是長、寬之差別；其次是箱壁摩擦及拉拔速度的影響；而水平與豎直加載及位移監測大多朝著可控、可視及數字化發展。研發現狀及尚存問題可歸納如下：

(1)試驗中填料多為砂土。一是其無黏性且強度參數僅內摩擦角易獲得；二是土質均勻，施測時密度好控制。不過測試時拉拔出口端易發生砂土外漏，且工程填料一般帶黏性或為摻灰黏土，僅用砂土做試驗有別于工程實際。

(2)試驗研究參數多為筋土界面系數，即最大拉拔力與埋入筋材的面積之比。它較適于土工織物加筋，對網格尺寸不統一的格柵不合適，因埋入同面積的格柵若橫肋數不同，測試值會大不一樣，確定試驗參數須考慮筋材與填土特點。

(3)僅ASTMD6706-01提出試驗工作環境參考要求，國內規范均無規定，土工織物多是聚乙烯或聚丙烯材料，測試溫度對其性質影響大，而濕度對細粒土影響大，拉拔試驗宜考慮環境溫、濕度影響。

2 CS-LB01系統介紹

2.1 系統性能簡介

2006年，長沙理工大學首創單向土工格柵加筋柔性支護技術，成功治理了寧明膨脹土塹坡坍滑。為獲得加固機理并提出科學合理設計方法，需得到膨脹土與格柵相互作用界面參數，因此自主研發了國內箱體最大的大型數控拉拔試驗系統(CS-LB01)并獲得多項國家專利[24]。

圖4為CS-LB01主機，表3為其主要性能指標，其特色是試驗接觸面大且能施加大的豎向荷載并產生較大相對位移。整個系統由測試主機、壓力伺服控制、數據采集系統、壓實與起吊輔助設備4部分組成(見圖5)。

圖4 CS-LB01拉拔測試主機(單位：mm)

表3 CS-LB01主要性能

圖5 CS-LB01試驗系統組成

2.2 系統的優點

(1)試驗箱體大(120 cm×50 cm×50 cm)，不僅適用于土工織物、土工網等縱橫向尺寸差距不大的土工材料，也適用于單向土工格柵等縱橫肋尺寸差距較大的土工材料。

(2)拉拔過程可采取恒速或恒力控制，即可依工程的實際情況選擇不同拉拔方式。

(3)填料可用礫石、砂土、黏土等各類土。

(4)采取上、下雙面氣囊并配置穩壓伺服系統使法向壓力的施加更均勻穩定。

(5)將側壁摩擦轉化為筋材表面法向壓力，可消除側壁摩擦對試驗結果的影響。

(6)數據采集系統可實時獲取土中加筋的位移-拉力關系。選用Microsoft Visual Basic為開發平臺操作軟件并充分利用組件技術，實現了試驗操作和控制的全屏完整顯示。

2.3 系統的不足

(1)拉拔量程仍不夠。其設計量程為8 cm，若試驗時加筋長120 cm，筋材應變為10%，拉動后的全部位移至少12 cm，當施測上覆壓力較大時，夾具位移會大于設計量程，可能測不到最大拉拔力。

(2)夾具設計需優化。夾具為機械式咬合且外置，僅能測試土工織物、土工格柵等二維材料，無法測土工格室等三維加筋，使用范圍受限。

(3)試驗拉拔方向單一。設計拉拔方向僅為水平，不能變換拉拔角度，若實際工程的拉拔力沿非水平向時無法模擬。

(4)拉拔過程中筋、土間相互作用不可視。采用位移及拉力傳感器等，將數據傳輸電腦系統做分析后屏幕顯示參數間關系曲線，無窗口可直視測試時筋、土界面作用的發生和發展過程。

3 未來拉拔儀的研發與展望

3.1 試驗儀器

(1)箱體尺寸

箱體大小取決于試驗目的與對象。大箱適用范圍廣，可對粗粒與較長加筋材料直接做拉拔試驗，減少邊界效應的影響，更接近實際。而細粒、砂土與土工布或網等加筋材料的拉拔試驗，用小箱高效、便捷且經濟。

(2)夾具設計

國外有將其內置于箱體并設有一筒套可防填料帶出，故箱體大對制樣過程要求高。國內基本是將夾具外置，一是為減小箱體，二是方便操作，且可確保測試時筋土間接觸面積符合實際。但夾具外置使部分筋材被拔出箱體而減小筋土實際接觸面積。

(3)拉拔方向與位移量程

目前，絕大部分儀器是采用水平向拉拔，目的是研究錨固段的筋土相互作用，少見依實際工況模擬設有傾角的拉拔，但變角度拉拔可從拉拔與錨固兩方面研究筋土間相互作用，更符合實際。夾具位移量設計宜與箱長匹配，若筋材鋪滿箱體，應考慮拉拔時其產生10%應變，為測得最大拉拔力設計量程宜>1/10箱長。

(4)可視化設計

現有儀器的可視化測試多采用鋼化玻璃墻壁及X射線(拍照)法等。透過鋼化玻璃側壁來觀察拉拔時筋土界面作用的方法雖成本低，但可視效果有限且受邊界條件影響大；而連續跟蹤的X射線攝影法可視化效果佳，但在試驗準備、材料、操作等方面所需成本及要求高。

3.2 試驗參數選取

(1)拉拔速度

陳榕等[34-35]研究表明，測試時的拉拔速度對結果影響較大，速度較大或較小時所測的土中加筋最大拉拔力均較大，因隨拉拔速度改變，加筋材料對填料的剪切機理也在變。故做同種筋材與不同填料的加筋效果比較試驗，必須采用相同的拉拔速度。

(2)拉拔位移

目前結束拉拔試驗大多取最大拉拔力出現或加筋材料被拉斷的時點，此時土中加筋已產生較大位移，而實際中不同工程結構的允許變形不一樣，試驗中設計筋材拉拔位移量應與工程結構的允許量相匹配。

(3)測試時的溫、濕度條件

王釗等[36]做土工材料拉伸試驗時發現，溫度對拉伸強度、伸長率均有一定影響。李齊仁等[37]由改變填料含水率的拉拔試驗得到，濕度也影響試驗時筋土間相互作用力。美國標準[33]則明確規定了拉拔試驗時的溫度、濕度?？梢姕y試環境對筋、土的力學性能影響較大，須按每個工程的實際環境，合理設定測試時溫度、濕度條件。

(4)箱內填料的填筑碾壓

以往的填料多為砂土，其填筑質量用密實度評價，而實際工程填料一般帶黏性，箱內填筑時應按工程的加筋部位采用規范規定的壓實度實施水平分層填壓控制。

3.3 試驗測試有關注意事項

(1)盡量消除箱壁摩擦

Sugimoto等[11]研究發現即使是用鋼化玻璃制作，箱壁的摩阻不容忽視。施測時側壁摩擦會消耗作用于土層的部分法向力，使筋土界面實際荷載難以精準獲取。CS-LB01通過在上、下箱體間設預提升螺釘避免兩者直接接觸，巧妙地將側壁摩擦轉為筋土界面上覆壓力，使法向壓力=上覆土層自重+上箱體自重+氣囊施加壓力，箱壁摩擦得以消除，對比試驗測得其最大拉拔力的提高幅度達24.14%[24]。

(2)加筋材料的裁剪制作

土工布、土工網、雙向土工格柵等筋材，其鋪設面積直接按設計長、寬尺寸裁剪；而單向土工格柵因橫肋間距大，測試中橫肋承擔的剪力占筋土相互作用拉拔力的比重大，裁剪時須確保參與拉拔橫肋根數準確。

(3)測試時夾具夾緊筋材的時點

填完筋材的上層土，立刻用夾具夾緊筋材，再填筑上箱體填料并施加豎向荷載，此時施測所得拉拔力與完成全部填筑后的豎向加載，與再用夾具夾緊筋材所測的拉拔力值會有差別，原因是夾緊筋材后再填筑和加載，使拉拔前的筋土間已有作用力，這樣的試驗較符合實際。

3.4 拉拔試驗的研究參數

拉拔試驗測得的最直接成果是拉拔力與拉拔位移(時間)之關系，最大拉拔力由筋、土表面摩擦及筋材橫肋剪切填料兩部分構成，故宜將摩擦力和剪切力定為研究參數。目前，因各家筋材的規格不統一，尤其是單向土工格柵縱、橫肋的寬度及間距均不相同，直接影響加筋效果，如何用兩參數統一評價不同型號筋材的加筋效果，確需深入研討。不過每款產品單位面積中的空隙面積固定，文獻[38]引入空隙率概念求筋材與填料間有效作用面積后，用摩擦系數即可求筋土間摩擦力，這樣參與剪切筋材的橫肋截面積就成了剪切力求算的關鍵。

隨著計算機高度發展，數值模擬技術日趨成熟，由少量拉拔試驗獲取必要參數后，用數值分析軟件準確模擬筋、土相互作用的發生、發展過程[39]，可迅速確定最優加筋方式，并促進廠商對筋材設計與生產實施改型與升級。

4 結論

(1)與材料科學、計算機及工業技術快速發展俱進，新型拉拔儀的研發也應根據加筋材料及填料的特點，將可控、可視和數字化作為重點和方向，以使新儀器的測試過程與結果更貼近工程實際，加快土中加筋作用機理研究的進程。

(2)試驗箱體的尺寸，宜根據填料及加筋的類型設計，測試單向土工格柵加筋礫石土時要用大箱體。分析夾具外置儀器的測試結果，應計及拔出部分的筋材面積。箱壁摩擦對測試值影響大，鋼化玻璃制作側壁或貼潤滑膜均難將其消除，而上、下箱間預置提升螺釘避免兩箱接觸，可化壁摩擦為筋土界面的上覆壓力，消除該影響。

(3)測試條件及環境(拉拔速度、填料的壓實及溫度、濕度)對確定試驗參數有重要影響，必須按實際工況，按不利條件和環境開展試驗，確保測試結果符合實際。

(4)拉拔試驗研究的參數，須按筋材特性，遵循簡單易測、使用高效的原則確定，評價單向土工格柵加筋土的效果，宜引入筋材空隙率和橫肋有效作用面積兩參數，先測試加筋與不同填料間的摩擦力與剪切力，進而分析求算各土中加筋的最大拉拔力。