土工格柵－黏性土界面特性的拉拔試驗(yàn)分析

肖成志，馮曉靜

（1.河北工業(yè)大學(xué) 河北省土木工程技術(shù)研究中心 天津300132；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 遼寧 大連116028）

筋 土界面相互作用特性研究一直是加筋土領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)之一。研究人員借助直剪或拉拔試驗(yàn)對(duì)具有較大內(nèi)摩擦角和良好排水性能的粒狀土與筋材間的界面作用機(jī)理進(jìn)行了研究。如Schlosser等［1］首先采用三軸直剪試驗(yàn)研究金屬條加筋砂土。隨后，國(guó)內(nèi)外針對(duì)筋材 填料的界面作用特性的試驗(yàn)研究主要涉及的為砂土和碎石土，筋材主要是土工織物或土工格柵［2－5］，這些試驗(yàn)結(jié)果表明筋材抗拔阻力主要由筋 土界面摩阻力和土對(duì)格柵橫肋的阻力構(gòu)成，且筋材變形較小時(shí)界面摩擦力即達(dá)到峰值，進(jìn)而隨格柵變形的增大，其橫肋阻力逐漸增加并最終承擔(dān)大部分格柵加筋承載拉力。近些年來，隨著加筋結(jié)構(gòu)廣泛用于公路軟基處理、港口岸墻和堤壩等加固結(jié)構(gòu)中，而且一些實(shí)際工程受地域條件限制，采用黏性土作為回填料的加筋土結(jié)構(gòu)工程日益增多。因此，研究筋材與黏性土之間的界面相互作用特性就顯得尤為重要。Bergado［6］試驗(yàn)指出鋼制格柵在風(fēng)化黏土中的抗拔性能主要受筋材的橫肋影響。Collin［7］現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指出當(dāng)黏性土中含水量變大時(shí)，筋 土界面黏結(jié)效果明顯下降。Mohiuddin［8］通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)分析了筋材在黏性土體中的抗拔機(jī)理，筋材抗拔力受界面法向荷載力與筋材長(zhǎng)度的影響明顯。Murad等［9］基于室內(nèi)、外拉拔試驗(yàn)得出適當(dāng)控制黏性土回填料的含水量時(shí)，黏性土與筋材之間也能提供合適的抗拔阻力。張波［10］、馮曉靜［11］基于拉拔試驗(yàn)指出，采用黏性土為填料時(shí)筋 土剪切性能不良且水穩(wěn)定性較差，當(dāng)采用高液限黏性土為回填料時(shí)，應(yīng)降低接觸面設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)。本文擬通過中型拉拔儀詳細(xì)分析黏性土含水量和界面法向應(yīng)力對(duì)格柵 黏性土界面相互作用的影響。

1 格柵黏性土界面特性的拉拔試驗(yàn)

1.1 拉拔試驗(yàn)儀

圖1所示的格柵 黏性土界面特性的拉拔儀采用中型直剪設(shè)備改裝而成，該裝置主要由模型槽和應(yīng)變控制式水平加載系統(tǒng)組成。模型槽的長(zhǎng)、寬和高分別為100、40、50cm，采用厚1cm的鋼板焊接而成，四周用三角鋼進(jìn)行加固，且靠近加載端的擋板上預(yù)留寬和高分別20、1cm的槽口。模型槽上部有反力架，筋 土界面正應(yīng)力通過安放在剛性鋼板上的千斤頂施加，并通過壓力傳感器獲取壓力值。千斤頂加載能力為10t。另外，應(yīng)變控制式水平加載拉伸系統(tǒng)由傳力齒輪組、滑道、水平加載桿與夾具等構(gòu)成。格柵水平縱向的拉拔力通過恒定的齒輪轉(zhuǎn)速提供，并在水平加載桿上安裝了高靈敏度拉力傳感器來讀取瞬時(shí)拉拔力大小。

圖1 筋 土界面拉拔試儀

1.2 拉拔試驗(yàn)中格柵夾具

為了避免拉拔試驗(yàn)中夾具與格柵之間產(chǎn)生滑移，采用專門制作防滑且方便的夾具與格柵連接，如圖2所示。為了防止因夾具剛度過大而對(duì)土工格柵材料產(chǎn)生嚴(yán)重地?fù)p害，試驗(yàn)時(shí)需要在格柵與夾具之間放置一層柔性橡膠。

圖2 拉拔試驗(yàn)中格柵夾具圖

1.3 黏性土工程特性

試驗(yàn)采用的黏性土經(jīng)烘干、碾散后進(jìn)行篩分處理，其黏性土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。此外，為了研究黏性土的抗剪強(qiáng)度隨含水量的變化，針對(duì)試驗(yàn)所用的黏性土進(jìn)行了不固結(jié)不排水試驗(yàn)，獲得了不同含水量時(shí)填土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如圖3所示。

表1 黏性土物理性質(zhì)指標(biāo)

由圖3可知，黏性土的內(nèi)摩擦角和黏聚力受含水量變化的影響明顯，而格柵加筋結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性主要依靠筋 土界面相互作用，因此，有必要進(jìn)行格柵 黏性土界面作用特性的試驗(yàn)研究。

圖3 黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水量的變化關(guān)系

1.4 土工格柵材料性質(zhì)及其應(yīng)變測(cè)試

試驗(yàn)筋材采用HDPE材質(zhì)的EG90R單向土工格柵，其單位面積質(zhì)量為0.60kg／m2，抗拉強(qiáng)度Fu為88kN／m，格柵在應(yīng)變?yōu)?%和5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的抗拉力分別為23.7、45.2kN／m。格柵長(zhǎng)度為110cm，其中90cm長(zhǎng)度的格柵埋置填料內(nèi)，加載端伸出槽外的部分20cm。格柵寬度約13.4cm，包含6根縱肋，如圖4所示。格柵兩根橫向肋條之間分別埋設(shè)3個(gè)相對(duì)位移計(jì)和3個(gè)應(yīng)變計(jì)，測(cè)試?yán)卧囼?yàn)中筋 土間的相對(duì)位移及格柵的應(yīng)變值，三個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離模型槽加載端面板距離D分別約為25、50、75cm。

圖4 格柵變形測(cè)試圖

1.5 格柵 黏性土界面特性試驗(yàn)

為了對(duì)比分析黏性土含水量對(duì)筋 土界面特性的影響，試驗(yàn)采用的界面正應(yīng)力分別為30、60kPa時(shí)，試驗(yàn)分析了黏性土含水量分別為16%、22%、25%、27%、29%和35%時(shí)格柵 黏性土界面特性。為了獲得不同含水量的黏性土，將計(jì)算所需要水量通過噴壺逐步加入到土中，并在噴水過程中均勻地翻動(dòng)土體，使土樣的含水量均勻。每次配制好一組試驗(yàn)的填料后，用塑料薄膜蓋上并將填料置于溫室下放置24小時(shí)后分層回填壓實(shí)，直到預(yù)定鋪設(shè)格柵層的高度。為了確保獲得準(zhǔn)確的回填料含水量，需要在鋪設(shè)層附近取土進(jìn)行含水量測(cè)試，然后鋪設(shè)帶有貼好應(yīng)變片的格柵，并將導(dǎo)線引出以便測(cè)試。隨后將格柵上鋪設(shè)土體并壓實(shí)，上層覆土厚為30cm。界面正應(yīng)力通過千斤頂置于頂層的鋼板進(jìn)行加載獲得，勻速加載速度約為1mm／min。

2 格柵黏性土界面拉拔試驗(yàn)結(jié)果

2.1 黏性土含水量對(duì)筋材極限抗拔力Pu的影響

圖5所示為兩種界面正應(yīng)力作用下格柵極限抗拔力Pu與抗拉強(qiáng)度Fu比值隨黏性土含水量的變化趨勢(shì)圖。由圖可知，總體上格柵極限抗拔力隨黏性土含水量增加而呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，并最終趨于平穩(wěn)，且當(dāng)含水量相對(duì)較低時(shí)（如低于25%），極限抗拔力隨界面正應(yīng)力的增加而明顯增大，當(dāng)含水量在該范圍內(nèi)持續(xù)增加時(shí)，筋材極限抗拔力顯著減小，并且界面正應(yīng)力較大時(shí)，極限抗拔力下降幅度越明顯。當(dāng)含水量大于25%而小于黏土塑限值時(shí)，格柵極限抗拔力隨含水量增加呈現(xiàn)一定波動(dòng)，但總體變化趨于緩和，且隨著含水量增加并接近黏性土塑限含水量時(shí)，二者之間格柵極限抗拔力趨于平穩(wěn)且大致相同，表明當(dāng)含水量增加到一定程度后，筋材極限抗拔力受界面正應(yīng)力影響不明顯。

圖5 Pu／Fu隨黏性土含水量的變化曲線

2.2 黏性土含水量對(duì)筋 土界面摩擦特性的影響

筋土界面拉拔系數(shù)是反映加筋效果和工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，而目前規(guī)范涉及回填料材料通常為顆粒料如砂性土等，對(duì)筋材與黏性土界面的摩擦系數(shù)涉及極少。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范針對(duì)筋 土界面摩擦系數(shù)的表達(dá)形式為［12］

式中：φsg為格柵與填料間界面摩擦角（°）；φs為填料的內(nèi)摩擦角（°）；Kpo為筋 土界面的摩擦系數(shù)。

另外，反映界面抗剪強(qiáng)度的τsg公式為

式中：csg為筋 土界面的黏聚力，kPa；σn為界面間的正壓力，kPa；其它符號(hào)與上同。

結(jié)合式（1）和式（2），針對(duì)在不同筋 土界面法向荷載作用下，格柵極限抗拔力受黏性土含水量的影響，進(jìn)而得到不同黏性土含水量下拉拔試驗(yàn)中界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，并整理得界面間摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦角隨黏性土含水量變化的影響，如圖6所示。由圖可知，隨著黏性土含水量的增加，筋 土界面間摩擦系數(shù)Kpo（或內(nèi)摩擦角φsg）出現(xiàn)先減少，隨后出現(xiàn)略微增大的趨勢(shì)，且在含水量趨于黏性土塑限含水量時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；而界面間黏聚力csg隨著黏性土含水量的增加先增大后減小，在黏性土達(dá)到最佳含水量附近時(shí)達(dá)到峰值。

結(jié)合圖5和圖6可知，格柵極限抗拔力、界面摩擦系數(shù)Kpo和黏聚力csg在黏性土含水量達(dá)到塑限值后均趨于穩(wěn)定，且界面拉拔系數(shù)Kpo幾乎為零。因此，界面抗剪強(qiáng)度主要由界面黏聚力csg提供。且界面摩擦系數(shù)在黏性土接近最佳含水量時(shí)最小，此時(shí)格柵抗拔力主要由筋 土界面間的黏聚力提供。

圖6 黏土含水量對(duì)界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

2.3 格柵抗拔力 位移關(guān)系曲線

圖7 所示為格柵抗拔力與位移之間的關(guān)系曲線。由圖可知，不同黏性土含水量時(shí)，拉拔位移和抗拔力曲線均表現(xiàn)出拉拔位移隨著拉拔力增加而增大，總體上抗拔力 位移曲線主要呈現(xiàn)3個(gè)變形階段：第1階段為線性增加階段，該階段拉拔位移較小，各個(gè)含水量階段的抗拔力 位移曲線幾乎重合，且主要是加載初期的格柵 土體相互咬合階段。此外，隨著黏性土含水量增加，曲線斜率略有下降，表面界面剛度系數(shù)隨含水量增加呈下降趨勢(shì)；第2階段呈現(xiàn)非線性增加趨勢(shì)，隨著荷載增加，界面土體開始由加載端向后逐漸傳遞荷載，且部分界面土體屈服導(dǎo)致該階段內(nèi)筋材拉拔力的增長(zhǎng)速度逐漸降低，并隨著界面位移達(dá)到一定變形量后，格柵抗拔力趨于穩(wěn)定。隨著載荷持續(xù)增加，格柵抗拔力由穩(wěn)定階段會(huì)達(dá)到某一極限值，隨后會(huì)出現(xiàn)界面失效，位移突然增加，即抗拔力達(dá)到極限的第3個(gè)階段。

由圖7可知，隨著黏性土含水量變化，荷載 位移曲線在各個(gè)階段上略有不同，當(dāng)含水量增加到一定程度后，曲線上非線性增加階段持續(xù)時(shí)間縮短，表明含水量增加軟化了界面間作用效果，使筋材在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了拉拔極限荷載?？傮w上不同含水量下格柵極限抗拔力約為其抗拉強(qiáng)度的40%～60%。

圖7 格柵抗拔力與位移關(guān)系曲線

2.4 拉拔試驗(yàn)中格柵的荷載 應(yīng)變曲線

圖8 和圖9分別給出了2種含水量（16%和29%）下考慮格柵縱向和橫向肋條上距離加載端面板不同距離點(diǎn)的荷載 應(yīng)變曲線。

圖8 格柵縱肋的載荷 應(yīng)變關(guān)系（D為距加載端面板的距離）

由圖8和9可知：

1）不同黏性土含水量時(shí)格柵橫肋和縱肋的荷載 應(yīng)變曲線具有基本相同的變化趨勢(shì)，格柵橫肋與縱肋測(cè)點(diǎn)應(yīng)變非常接近，表明隨著含水率的增加，格柵與縱橫肋的摩擦作用減弱，致使在加載端力逐漸向后傳遞，而縱肋應(yīng)力變化并不大。

2）相同條件下距離加載端面板距離越近，格柵應(yīng)變?cè)酱?，格柵?yīng)變隨著距離加載端面板距離的增加而逐漸減少，表明格柵沿長(zhǎng)度方向受力不均勻。

圖9 格柵橫肋的載荷 應(yīng)變關(guān)系曲線（D為距面板的距離）

2.5 土體中格柵應(yīng)變隨時(shí)間的變化

圖10 土體中格柵應(yīng)變隨時(shí)間的變化

為了分析土體中格柵應(yīng)變隨時(shí)間的變化，當(dāng)施加拉拔力并使格柵應(yīng)變達(dá)到約2%時(shí)，停止加載，對(duì)格柵進(jìn)行約100hr的持續(xù)觀測(cè)，其格柵應(yīng)變隨時(shí)間（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）變化關(guān)系如圖10所示。由圖可知：卸載后格柵橫肋應(yīng)變隨時(shí)間有增大趨勢(shì)，而格柵的縱向肋條應(yīng)變呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于當(dāng)格柵處于拉拔狀態(tài)時(shí)，格柵網(wǎng)孔內(nèi)土體短時(shí)間內(nèi)無法完成應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致格柵橫肋此時(shí)所受阻力相比較大，從而引起橫肋應(yīng)變?cè)黾印?/p>

3 結(jié) 論

利用中型拉拔儀對(duì)格柵 黏性土界面特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了界面正應(yīng)力和黏性土含水量等因素對(duì)格柵 黏土界面特性的影響。

1）不同界面應(yīng)力作用下格柵極限抗拔力隨黏性土含水量增加而逐漸減少，且格柵極限拉拔力在黏性土含水量較小時(shí)相差很大。而當(dāng)黏性土含水量達(dá)到塑限值時(shí)，極限抗拔力趨于穩(wěn)定。

2）格柵 黏性土界面上的黏聚力和摩擦系數(shù)隨土體含水量變化差異明顯，黏聚力隨含水量增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而摩擦系數(shù)隨著含水量的增加呈現(xiàn)先減小后，隨后略微增大的趨勢(shì)并最終在含水量趨于黏性土塑限含水量時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

3）格柵抗拔力 位移曲線變化總體上相同，均呈線性增加、非線性變化階段和拉拔極限階段，但隨著黏性土含水量的增加，二者關(guān)系曲線中從線性增長(zhǎng)向極限狀態(tài)發(fā)展的中間階段逐漸不明顯。

4）持續(xù)加載達(dá)到一定應(yīng)變后卸載，由于界面處應(yīng)力重新分布的滯后性，格柵橫向方向肋條的應(yīng)變有增大的趨勢(shì)，而格柵縱肋應(yīng)變呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

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