格柵反包生態(tài)袋擋土面層界面特性試驗(yàn)研究

魏軍揚(yáng)，王保田，張海霞，2，藍(lán)日彥

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程水利部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；3.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

加筋土作為一種復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，由抗壓強(qiáng)度較好的填土和水平分層鋪設(shè)在填土中抗拉強(qiáng)度較好的加筋材料組成，集一定抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度于一體，是一種穩(wěn)定性較好的護(hù)坡或擋土工程形態(tài)。2000年后，采用綠維抗老化生態(tài)袋作為擋土結(jié)構(gòu)層面和護(hù)坡表面開始在工程中得到應(yīng)用，使不同坡度的擋土結(jié)構(gòu)和邊坡工程成為統(tǒng)一綠色、抗沖蝕性好的新型結(jié)構(gòu)。加筋土由于具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工方便、穩(wěn)定性好、對(duì)地基條件要求低等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土建、水利、園林等工程中[1]。國內(nèi)外針對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)和綠色景觀護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究，概括起來主要集中在加筋土變形規(guī)律的研究[2-5]，加筋擋土結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)研究[6-10]，及加筋與生態(tài)擋土結(jié)構(gòu)面與加筋連接特性實(shí)驗(yàn)研究[11-12]等方面。加筋格柵反包生態(tài)袋柔性擋土結(jié)構(gòu)工藝下生態(tài)袋與加筋的連接強(qiáng)度強(qiáng)弱成為控制生態(tài)擋土結(jié)構(gòu)面層乃至整個(gè)擋土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。筆者用兩種相同網(wǎng)格尺寸、不同強(qiáng)度的經(jīng)編滌綸土工格柵反包袋裝黏土生態(tài)袋擋土面層，對(duì)格柵進(jìn)行了室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，為加筋擋土結(jié)構(gòu)面層界面作用特性研究提供參考，對(duì)加筋土工程具有一定指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料基本參數(shù)

1)填土黏土的基本參數(shù)見表1。

表1 黏土基本參數(shù)

2)本試驗(yàn)生態(tài)袋和兩種經(jīng)編滌綸雙向土工格柵的基本參數(shù)見表2，格柵網(wǎng)格尺寸為250 mm×250 mm，網(wǎng)孔尺寸為200 mm×200 mm。在拔盒中可以平鋪8根縱筋，格柵拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線如圖1。

表2 生態(tài)袋和格柵基本參數(shù)

圖1 格柵拉伸試驗(yàn)力-位移曲線Fig.1 Curves between geogrid tensile force and displacement

2 試驗(yàn)儀器及操作步驟

土工格柵若進(jìn)行直剪試驗(yàn)，由于土工格柵孔較大, 土體之間的摩擦強(qiáng)度占試驗(yàn)結(jié)果較大比重,故而采用拉拔摩擦試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)儀器

采用微機(jī)控制土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.1.1 拉拔箱

拉拔箱為矩形箱體，拉拔箱及拉拔試驗(yàn)簡圖如圖2，長×寬×高為25 cm×25 cm×20 cm。為保證受力時(shí)不變形，側(cè)壁用有足夠剛度的厚鋼板焊接而成。拉拔箱前面?zhèn)缺诘陌敫咛庨_一條高約6 mm的橫貫全寬的水平窄縫，供試樣引出箱體用；為防止土粒漏出，在緊貼著窄縫內(nèi)壁處安置1個(gè)插板，可通過上下抽動(dòng)調(diào)整窄縫的縫隙大小。

圖2 格柵反包生態(tài)袋拉拔試驗(yàn)示意Fig.2 The schematic of reversely packed drawing test

2.1.2 加荷系統(tǒng)

1)垂直荷載用杠桿通過足夠剛度的加壓板傳遞施加。

2)水平荷載采用步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)減速裝置按應(yīng)變控制方式施加。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由位移傳感器、拉壓力傳感器、數(shù)采儀、微機(jī)等部分組成。采用拉壓力傳感器測力；采用數(shù)顯位移傳感器測水平位移。

2.2 試驗(yàn)操作步驟

1)將土料裝入拉拔箱，按要求分層壓密，壓密后土面前低后高，前面略高于箱側(cè)窄縫。

2)將生態(tài)袋布平整地平鋪于土面上。將格柵通過窄縫平鋪于生態(tài)袋布上，預(yù)留足夠的夾持長度，使格柵和水平夾具連接。插入插板，調(diào)整好高度。

3)繼續(xù)往箱內(nèi)裝土，分層壓密使得土面平整，略低于箱頂，放上加壓板。

4)安裝好水平位移傳感器，并將位移傳感器清零。將杠桿壓輪對(duì)準(zhǔn)傳壓板正中。為使土料固結(jié)，施加相應(yīng)要求的垂直荷載。固結(jié)時(shí)間視土性和排水距離而定。將夾有試驗(yàn)格柵的夾具連接到水平加荷裝置上。

5)施加水平荷載。由微機(jī)進(jìn)行整個(gè)試驗(yàn)過程自動(dòng)控制。拉拔速率視土性而定，由軟件控制。

6)進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)出現(xiàn)峰值或數(shù)據(jù)變化平緩時(shí)候停止試驗(yàn)。

7)改變豎向荷載，重復(fù)試驗(yàn)步驟1)～6)，進(jìn)行各豎向荷載下的拉拔試驗(yàn)。

為求得拉拔摩擦強(qiáng)度指標(biāo)，一般在4種不同垂直荷載下進(jìn)行試驗(yàn)，其中最大的一級(jí)荷載(壓力)應(yīng)不小于設(shè)計(jì)荷載。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 生態(tài)袋間界面作用特性試驗(yàn)結(jié)果分析

生態(tài)袋裝黏土界面直剪摩擦特性試驗(yàn)的摩擦力與直剪位移關(guān)系曲線見圖3。

圖3 袋裝黏土生態(tài)袋界面摩擦阻力與剪切位移曲線Fig.3 Curves between the friction of the interface of ecological bags packed clay and shear displacement

由圖3可見，曲線沒有峰值出現(xiàn)，其摩擦強(qiáng)度取剪切位移變形約20 mm處的摩擦力值，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)應(yīng)的土體剪切位移變形率表明已經(jīng)發(fā)生土體破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明：摩擦強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增大而增大；生態(tài)袋的袋-袋間直剪試驗(yàn)獲得袋-袋界面的摩擦強(qiáng)度包線是一條直線，如圖4。

圖4 袋裝黏土生態(tài)袋界面法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度曲線Fig.4 Curves between the shear strength of the interface with ecologicalbags packed clay and vertical stress

3.2 加筋格柵反包生態(tài)袋格柵拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析

格柵a反包生態(tài)袋時(shí)生態(tài)袋與格柵a之間界面的拉拔摩擦阻力與拉拔位移關(guān)系曲線見圖5。

圖5 袋裝黏土格柵a反包生態(tài)袋拉拔強(qiáng)度與位移曲線Fig.5 Curves between drawing strength of geogrid a with ecological bags reversely packed clay and drawing displacement

由圖5可見，拉拔摩擦阻力與拉拔位移關(guān)系曲線大多數(shù)出現(xiàn)峰值，峰值對(duì)應(yīng)的拉拔阻力隨法向應(yīng)力的增大而增大。個(gè)別未出現(xiàn)峰值，甚至有隨位移增大而增大的趨勢，此種現(xiàn)象一般是發(fā)生在較低法向應(yīng)力試驗(yàn)條件下，原因是填土雖在生態(tài)袋外格柵的強(qiáng)力包裹下，由于法向應(yīng)力較小，對(duì)反包生態(tài)袋和其填裝的黏土約束作用相對(duì)較小，隨著拉拔試驗(yàn)的進(jìn)行，加筋格柵對(duì)格柵反包生態(tài)袋和填土的約束作用越來越強(qiáng)，相對(duì)于法向應(yīng)力作用開始起主導(dǎo)作用，作用填土整體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步趨于穩(wěn)定，成較為密實(shí)的團(tuán)狀，使得摩擦界面變得更加粗糙，繼續(xù)拉拔只是相當(dāng)于格柵拉伸，故而表現(xiàn)為拉拔試驗(yàn)不出現(xiàn)峰值。由于試驗(yàn)條件限制，取本次試驗(yàn)最終值作為相應(yīng)法向應(yīng)力的拉拔強(qiáng)度。因采取格柵反包生態(tài)袋形式，受力面積難以判斷，故得出的拉拔應(yīng)力均可看作是等效拉拔應(yīng)力，即認(rèn)為拉拔實(shí)驗(yàn)的作用面積僅為拉拔盒內(nèi)平鋪面積。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，大部分應(yīng)力也是作用在中部格柵平鋪部分，反包部分很少(圖6中起毛部分為格柵平鋪部分，這是因?yàn)楦駯爬鰰r(shí)受力較大所至，右邊勒痕為格柵反包沿拉拔盒豎起部分，受力很少，此處僅以砂土組為例，其余相似)。

圖6 格柵反包裝砂土生態(tài)袋拉拔試驗(yàn)后生態(tài)袋表面狀況Fig.6 Ecological bag surface condition after the test of drawing geogrid from bags inversely packed by geogrid

由格柵a反包袋裝黏土生態(tài)袋拉拔試驗(yàn)可以得出，格柵a在生態(tài)袋之間的拉拔強(qiáng)度包線是一條直線，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 袋裝紅粉黏土格柵反包生態(tài)袋拉拔強(qiáng)度與法向應(yīng)力曲線Fig.7 Curves between the drawing strength of the geogrid with ecological bags reversely packed clay and vertical stress

格柵b反包生態(tài)袋時(shí)生態(tài)袋與格柵b之間界面的拉拔試驗(yàn)情況與格柵a試驗(yàn)相似。其摩擦阻力與拉拔位移關(guān)系曲線與相對(duì)應(yīng)的拉拔強(qiáng)度包線分別類似于圖5，圖7。

生態(tài)袋裝黏土?xí)r生態(tài)袋之間的剪切摩擦試驗(yàn)和加筋格柵a、格柵b反包生態(tài)袋時(shí)的拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表3。其中平均摩擦系數(shù)為4種荷載下試驗(yàn)強(qiáng)度與相應(yīng)法向應(yīng)力之比的平均值。

表3 剪切與反包拉拔試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

1)反包生態(tài)袋時(shí)拉拔強(qiáng)度明顯比袋裝黏土生態(tài)袋界面間直剪試驗(yàn)的試驗(yàn)強(qiáng)度大，反包拉拔試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)和黏聚力比袋裝黏土生態(tài)袋直剪試驗(yàn)大，但是摩擦角大小卻相反；其作用機(jī)理為反包拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度是格柵與生態(tài)袋摩擦阻力，填土擠壓生態(tài)袋透過格柵空隙對(duì)格柵的阻力以及格柵本身的部分拉伸強(qiáng)度的疊加。

2)格柵b反包拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度比格柵a的拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度高，無論是黏聚力、摩擦角還是摩擦系數(shù)指標(biāo)均是格柵b試驗(yàn)組比格柵a試驗(yàn)組大。分析其原因?yàn)椋駯舃的拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度比格柵a大，相同約束條件下格柵b的拉拔試驗(yàn)拉伸變形小，即相同變形條件下表現(xiàn)為拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度大，對(duì)每級(jí)法向荷載條件下反包拉拔試驗(yàn)而言，其后期主要表現(xiàn)為袋裝黏土和生態(tài)袋結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，拉拔試驗(yàn)也逐漸以格柵的拉伸為主導(dǎo)，故強(qiáng)度較高的格柵b比強(qiáng)度較弱格柵a反包拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度高。

4 結(jié) 論

1)袋裝黏土生態(tài)袋界面之間的剪切摩擦強(qiáng)度和加筋格柵反包生態(tài)袋的試驗(yàn)強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力的增加而增加，強(qiáng)度包線均是直線。

2)加筋格柵反包生態(tài)袋的試驗(yàn)強(qiáng)度比袋裝黏土生態(tài)袋界面之間的剪切摩擦強(qiáng)度要高，反包拉拔試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)和黏聚力比袋裝黏土生態(tài)袋直剪試驗(yàn)大，但是摩擦角大小卻相反。拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大，且拉拔強(qiáng)度-位移曲線并不一定出現(xiàn)峰值。

3)強(qiáng)格柵反包拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度比弱格柵的拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度高，無論是黏聚力、摩擦角還是摩擦系數(shù)指標(biāo)均是強(qiáng)格柵試驗(yàn)組比弱格柵試驗(yàn)組大。因此，在工程中，盡量選擇強(qiáng)度大的格柵有利于加筋擋土結(jié)構(gòu)面層的穩(wěn)定。

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