網(wǎng)格狀帶齒加筋的拉拔特性

趙崗飛， 張孟喜， 蔡 春

(上海大學土木工程系，上海200072)

現(xiàn)代加筋土是由法國工程師Henri［1-2］于20世紀60年代提出來的.加筋土的原理在于將筋材沿土體主應(yīng)變方向鋪設(shè)以彌補土體抗拉性能薄弱的缺陷［3-5］，加筋土的發(fā)展與土工合成材料的發(fā)展是分不開的.土工合成材料是一種新型的工程加筋材料，主要是采用聚合物(塑料、橡膠、化纖等)制成各種產(chǎn)品置于土體中，起到加強及保護土體的作用.土工合成材料主要分為土工織物、土工膜、特種土工合成材料和復(fù)合型土工合成材料等［6-7］.

加筋土通過筋土界面相互影響來發(fā)揮作用，因此，筋土界面特性試驗研究是加筋土研究中的重要內(nèi)容.目前，國內(nèi)外對于加筋土的界面特性試驗以直剪試驗和拉拔試驗為主，其中直剪試驗主要用于驗算筋土界面的抗剪強度，而拉拔試驗則用來確定土中筋材的抗拉拔強度［8-10］.實際工程中，拉拔試驗?zāi)芨玫胤从臣咏钔林胁牧系恼鎸嵐ぷ鳡顟B(tài).Raguif等［11］對砂中土工格柵進行了拉拔試驗研究，并與有限元計算結(jié)果進行了對比分析.Meye等［12］系統(tǒng)研究了豎向荷載和壓實度對筋土界面相互作用特性系數(shù)和拉拔力的影響.Sugimoto等［13］通過對一系列拉拔試驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，試驗箱的大小、側(cè)壁摩擦和拉拔速率等對界面的特性都有重要的影響.

隨著加筋土研究的不斷深入，加筋土體內(nèi)筋材的布置由以前的一維線性及二維平面逐漸向三維空間發(fā)展.張孟喜［14］首先提出了立體加筋土的概念.立體加筋是指在傳統(tǒng)水平加筋的基礎(chǔ)上布置豎向或空間形式的齒筋，因此，立體加筋除了具有傳統(tǒng)水平筋與填土摩擦作用外，豎向或空間形式的齒筋也將提供較大側(cè)阻力，從而顯著提高了加筋土的強度.

本研究在H-V加筋［15-18］的基礎(chǔ)上，提出一種網(wǎng)格狀帶齒加筋形式;然后，對該種加筋材料在多種法向應(yīng)力的作用下進行拉拔試驗對比研究，并分析了相應(yīng)的試驗結(jié)果.

1 網(wǎng)格狀帶齒加筋

網(wǎng)格狀帶齒加筋是一種集水平、豎向、空間為一體的三維立體結(jié)構(gòu).目前，在工程應(yīng)用中，已出現(xiàn)多種網(wǎng)格狀加筋材料，如土工格柵(包括單向土工格柵和雙向土工格柵)(見圖1)、土工網(wǎng)、土工格室等.網(wǎng)格狀帶齒加筋(見圖2)是指在傳統(tǒng)的水平網(wǎng)格狀加筋的基礎(chǔ)上布置豎向齒筋.

在土中布置網(wǎng)格狀帶齒加筋材料以后，除了具有傳統(tǒng)水平筋與填土摩擦作用，豎向齒筋也提供了較大的側(cè)阻力，從而約束土體的側(cè)向變形，起到加固作用.又由于加筋材料含網(wǎng)格狀，因此能提供較大的環(huán)向應(yīng)力，使土的圍壓增大，從而增大了填土的強度和剛度.

圖1 水平網(wǎng)格狀加筋Fig.1 Horizontal grid reinforcement

圖2 網(wǎng)格狀帶齒加筋Fig.2 Grid reinforcement of denti-inclusion

2 試驗材料及試驗方案

2.1 試驗材料

(1)筋材.試驗材料(見圖3)為有機玻璃.首先，對平板有機玻璃材料進行孔洞設(shè)置，并通過在孔洞后部布置一定的豎筋來構(gòu)成網(wǎng)格狀帶齒加筋材料.拉拔試驗中試樣的尺寸(長×寬×厚)為45 cm× 29 cm×0.3 cm，其中有效長度為30 cm，剩余部分伸出試驗箱外并與夾具相連.材料加工過程中需要先確定試樣的孔洞大小，再通過對加筋效果的分析，確定材料的最佳開洞率.本試驗通過對多種不同孔洞大小的試樣進行加筋后的效果分析，最后選定了3種不同孔洞大小的筋材，孔洞大小(長 ×寬)分別為50 mm×60 mm，60 mm×60 mm，70 mm×60 mm，其中圖3(a)為60 mm×60 mm的試樣.通過添加不同高度的豎筋，構(gòu)成了網(wǎng)格狀帶齒加筋材料(見圖3(b)).

(2)填料選用純凈河砂，其顆粒級配分布曲線如圖4所示.為了減少填料水分對試驗結(jié)果的影響，本研究采用了干砂試樣，試驗所用砂土的物理性質(zhì)指標如表1所示.

2.2 試驗方案、設(shè)備及方法

本研究以網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃為主要加筋材料，共設(shè)計由不同孔洞大小、不同齒筋高度組合而成的12種工況(見表2).

圖3 試驗材料Fig.3 Experimental materials

圖4 試驗用砂顆粒級配分布曲線Fig.4 Grain size distribution curves of sand used in tests

表1 砂樣的物理特性參數(shù)Table 1 Physical characteristic parameters of sand samples

按照實際工程中筋材的布置情況，法線應(yīng)力范圍為10～100 kPa.因此，本試驗取各工況在法向應(yīng)力分別為25，50和75 kPa時，對網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料進行拉拔試驗研究，并得到拉拔力與法向應(yīng)力、筋材位移的關(guān)系曲線.

本試驗采用上海大學自行研制的應(yīng)變控制式拉拔試驗機(見圖5).試驗臺為簡單的鋼梁結(jié)構(gòu)，寬0.2 m，長2 m，2根支撐柱通過地腳螺栓固定在地面上;拉拔試驗箱尺寸(長×寬×高)為30 cm× 30 cm×30 cm，壁厚2 cm，側(cè)面設(shè)有鋼化透明玻璃觀察視窗;垂直和水平荷載分別由氣壓系統(tǒng)和電動機提供，最大垂直壓力1 MPa，最大拉拔力2 t;內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，可根據(jù)同步采集到的數(shù)據(jù)繪制出關(guān)系曲線，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理.

表2 試驗工況Table 2 Experimental cases

圖5 試驗儀器Fig.5 Experimental apparatus

試樣制備過程如下：首先，往箱中裝砂，按照統(tǒng)一的標準邊裝邊擊實，以保證土體的密實度一致，當裝到前孔高度時，放置筋材，筋材通過前孔與夾具相連;然后，繼續(xù)加砂，直到試樣制備完畢，對試樣施加垂直荷載后，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);最后，施加水平荷載開始試驗.

3 拉拔試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料在不同法向應(yīng)力作用下的拉拔試驗結(jié)果，可繪制出拉拔力T與水平位移u的關(guān)系曲線.以齒筋高度h=5 mm的網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃為例，在不同孔洞大小情況下，拉拔力與位移的關(guān)系曲線如圖6所示.

以孔洞大小為60 mm×60 mm的網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃為例，在不同齒筋高度下，拉拔力與位移的關(guān)系曲線如圖7所示.

由圖6和圖7可知：①網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃在不同法向應(yīng)力作用下，拉拔力隨位移的增大而增大.拉拔力增大到一定值后開始緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定;②當齒筋高度h=5 mm時，孔洞大小為60 mm× 60 mm的網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料的加筋效果最為理想，這是因為孔洞大小為50 mm×60 mm的筋材沒有將孔洞與填土的鑲嵌和咬合作用完全表現(xiàn)出來，而孔洞過大的70 mm×60 mm筋材與填料的接觸面積較小，所以摩擦力較小;③ 拉拔力隨法向應(yīng)力的增大而顯著增大，同一孔洞大小的有機玻璃，拉拔力隨齒筋高度的增加而明顯增大.

3.2 齒筋作用分析

網(wǎng)格狀帶齒加筋研究的關(guān)鍵是齒筋的加筋效果，即齒筋對整個加筋的貢獻作用.具體要從以下幾個方面考慮：①齒筋是否能夠提高拉拔阻力;②齒筋在整個拉拔力中的貢獻有多大;③齒筋高度對加筋效果的影響.

圖6 不同孔洞大小情況下的網(wǎng)格狀帶齒加筋拉拔力與位移關(guān)系曲線Fig.6 Pull-out resistances versus displacement of grid reinforcement of denti-inclusion in different sizes

圖7 不同齒筋高度下網(wǎng)格狀帶齒加筋拉拔力與位移關(guān)系曲線Fig.7 Pull-out resistances versus displacement of grid reinforcement of denti-inclusion in different heights

以法向應(yīng)力為25 kPa為例，不同齒筋高度的網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料的極限拉拔阻力如表3所示，表中h為齒筋高度，Tult為極限拉拔力，K為極限拉拔力提高率.相對于網(wǎng)格狀水平有機玻璃材料，網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料由于設(shè)置了齒筋，因此極限拉拔阻力明顯提高.如孔洞大小為50 mm×60 mm的網(wǎng)格狀帶齒加筋的極限拉拔力提高了18.7%～114.0%，孔洞大小為70 mm×60 mm的帶齒筋的極限拉拔力提高了13.0%～119.9%.這說明與水平網(wǎng)格狀有機玻璃材料相比，網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料的加筋效果更為明顯.

表3 極限拉拔阻力Table 3 Ultimate pull-out resistance

界面特性參數(shù)(見表4)能較好地反映出筋土間的界面特性，表中c為似粘聚力，f*為土與網(wǎng)格狀帶齒加筋材料表面間的似摩擦系數(shù).由表4可知，孔洞大小為60 mm×60 mm的網(wǎng)格狀水平加筋的似粘聚力為0.18 kPa，似摩擦系數(shù)為0.32;而該孔洞大小的網(wǎng)格狀帶齒加筋在齒筋高度為10 mm時的似粘聚力為4.90 kPa，似摩擦系數(shù)為0.46.

表4 界面特性參數(shù)Table 4 Parameters of interface characteristics

4 拉拔阻力分析

網(wǎng)格狀帶齒加筋拉拔過程中，筋土間的相互作用表現(xiàn)為摩擦-被動抵抗機制，其中網(wǎng)格狀水平筋與土間相互摩擦產(chǎn)生摩擦力，而與受拉方向垂直的齒筋主要提供側(cè)阻力(見圖8).圖9為拉拔阻力分析圖.

圖8 摩擦-側(cè)阻力相結(jié)合示意圖Fig.8 Combination of friction and bearing resistance

圖9 拉拔阻力分析圖Fig.9 Analysis graphics of pull-out resistances

網(wǎng)格狀帶齒加筋的拉拔阻力計算如下：

式中，T為網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃的拉拔阻力，Tgf為土與網(wǎng)格狀水平筋接觸面的摩擦力，Tbf為齒筋上表面的摩擦力，Tb為齒筋的側(cè)阻力.下面介紹摩擦力及阻力的計算.

(1)網(wǎng)格狀水平筋摩擦力為

式中，σn為法向應(yīng)力，As1，As2分別為網(wǎng)格狀水平筋上、下表面(已扣除齒筋面積)承受的法向應(yīng)力的面積.

(2)齒筋上端面摩擦力為

式中，Abs為齒筋上端面的面積，fb為齒筋端面與填料之間的摩擦系數(shù).

(3)齒筋側(cè)阻力的計算參照Moraci的土工格柵受力分析［19］，按下式計算：

式中，n為齒筋個數(shù)，Ab為齒筋側(cè)面承受阻力的面積，Ab=Bh，σb為齒筋側(cè)面所受側(cè)阻應(yīng)力，σb按照Matsui等［20］提出的公式計算，即

式中，φ為土的內(nèi)摩擦角，即

(4)將式(2)，(3)，(6)帶入式(1)，得到網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃的拉拔阻力

下面對孔洞大小為60 mm×60 mm的網(wǎng)格狀帶齒加筋的試驗結(jié)果與理論值進行對比.齒筋厚度分別為0，5.0，7.5，10.0 mm，齒筋與水平筋的材料相同，f*=fb，砂土內(nèi)摩擦角為31.6°.將上述參數(shù)分別代入式(7)，得到各工況下的拉拔阻力計算值(見表5).通過對比可以發(fā)現(xiàn)，計算值與試驗值基本吻合，誤差大多在10%以內(nèi)，最大誤差為14.92%.

表5 極限拉拔阻力的試驗值與計算值對比Table 5 Comparison between experimental and analytical results of ultimate pull-out resistance

5 結(jié)論

本研究對有機玻璃進行了孔洞設(shè)置以及齒筋添加處理，并通過拉拔試驗初步探討了網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃的界面特性.由試驗結(jié)果分析可得到如下結(jié)論.

(1)網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃在不同法向應(yīng)力的作用下，拉拔力隨位移的增大而增大.拉拔力增大到一定值后開始緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為強化階段.也有部分曲線先達到一個峰值，然后開始減小，表現(xiàn)為明顯的軟化階段.

(2)在相同法向應(yīng)力作用下，網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料加筋的拉拔阻力明顯高于水平網(wǎng)格狀有機玻璃材料.

(3)孔洞大小和齒筋高度對網(wǎng)格狀帶齒有機玻璃材料的極限拉拔阻力有重要影響.在相同法向應(yīng)力作用下，極限拉拔力隨著齒筋高度的增加而增大.齒筋高度的增加可以提高筋材的摩擦系數(shù)，增加界面的摩擦特性.

(4)通過對試驗值和理論值的比較，發(fā)現(xiàn)二者基本吻合.

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