土工格柵橫肋在加筋作用中貢獻的試驗研究

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(河北銳馳交通工程咨詢有限公司， 石家莊 050000)

1 試驗原理

土工格柵對土的加固機理在于格柵與土的相互作用，這種相互作用可歸納為以下3種：①格柵表面與土粒的摩擦作用；②土粒對格柵肋條的被動阻抗作用；③格柵孔眼對土的鑲嵌與咬合作用[1-3]。

上述3種作用方式通過約束土顆粒的側(cè)向位移，增加土體的自主穩(wěn)定性。同時，這3種作用明顯提高土工格柵在土中的抗拔能力或格柵對土的加固效果。

當(dāng)土工格柵受力拔出時，所受拔出阻力由2部分組成：①填土與土工格柵表面的摩擦阻力；②填土對格柵橫肋的被動阻力。其中填土與土工格柵表面的摩擦阻力則由土工格柵縱肋摩擦阻力、橫肋摩擦阻力組成，即有[4]

F=F1+F2+F3=2Azσntanδ+

2Ahσntanδ+AcσnNq。

(1)

式中：F為土工格柵在土體中處于拔出狀態(tài)時所受阻力(kN/m)；F1為所有縱肋極限摩擦阻力(kN/m)；F2為所有橫肋極限摩擦阻力(kN/m)；F3為所有橫肋側(cè)面阻力(kN/m)；Ah為橫肋承受法向荷載面積(m2)；Az為縱肋承受法向荷載面積，當(dāng)縱肋肋條較厚時，不能忽略側(cè)面積；Ac為橫肋側(cè)面承受阻力面積；σn為法向壓力；Nq為承壓不均勻系數(shù)。

由于縱肋和橫肋的連接部分較其他部分更寬更厚，可以提高格柵本身的強度并增加該部分在土中的摩阻力，但是如果去掉橫肋，這些加寬和增厚部分不存在，土工格柵只剩下一些面積和厚度不變的窄長的矩形條。

在試驗過程中，用完整格柵試驗得到的力減去去掉橫肋后的“矩形條”所受的力，設(shè)為F4，即橫肋在土工格柵加筋作用中的貢獻。則

F4=2Ajσntanδ,

(2)

Aj=nLb。

(3)

式中：Aj為去掉格柵橫肋及連接部分后，剩余縱向肋條部分承受法向荷載的面積；n為埋入加筋土中的縱肋條數(shù)；L為埋入加筋土中的土工格柵長度；b為土工格柵單根縱肋上矩形段寬度；δ為筋-土界面相互作用摩擦角。

用k來表示土工格柵橫肋對拉拔過程中所受阻力的貢獻值，計算公式如下：

(4)

2 試驗儀器

試驗設(shè)備為自主研發(fā)的大型拉拔儀，采用電動機自動控制加載速率，實現(xiàn)了與小型常規(guī)土體拉拔試驗工作原理相同的應(yīng)變控制式土工格柵拉拔試驗功能，見圖1。

整個試驗箱尺寸為800 mm×400 mm×550 mm(長×寬×高)。試驗箱靠近加載端的擋板上預(yù)留寬1 cm的槽口。試驗箱上部有反力架，筋土界面上的正應(yīng)力通過安放在剛性鋼板上的千斤頂施加，給土層施加均勻和穩(wěn)定的法向荷載。

圖1 自制拉拔試驗儀

3 試驗材料及方法

3.1 填料類型

試驗采用黏性土作為回填料，主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 黏性土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 粒度成分分析結(jié)果

注:括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為相應(yīng)粒組的質(zhì)量，單位為g。

表3 拉拔試驗中格柵材料的力學(xué)性能

注：T/L分別指橫向、縱向。

3.2 土工格柵類型

試驗采用青島頤中格柵公司所生產(chǎn)的高密度聚乙烯(HDPE)單向土工格柵EG65R，EG90R和雙向格柵EG3030，性能指標(biāo)如表3所示。

3.3 試驗方法

本文設(shè)定在速率為5 mm/min和含水量為15%的條件下進行拉拔試驗，分析土工格柵橫肋在格柵與土的嵌固作用中發(fā)揮的作用以及對筋土界面特性的影響。

4 試驗結(jié)果分析

試驗得到2種土工格柵在有橫肋和無橫肋狀態(tài)及不同法向力作用下的拉拔力與拉拔位移曲線(如圖2)，由此可知，分別以有橫肋和無橫肋土工格柵為加筋材料的加筋體，其強度包線存在明顯的差別，如圖3所示。

圖2 拉拔力與拉拔位移曲線

圖3 格柵與填料土的τ-σ曲線

所得的內(nèi)摩擦角、黏聚力和界面摩擦因數(shù)比等按照格柵類型和有無橫肋等因素分類，制成表4。

表4 土工格柵有、無橫肋時筋-土界面參數(shù)

從表4中可知，去肋后土工格柵對界面強度參數(shù)影響較大。對于單向土工格柵EG65R,在界面摩擦因數(shù)方面，去掉橫肋后，筋土界面摩擦因數(shù)由0.26降低至0.18，降低了0.08，降幅達31%；在筋土界面黏聚力方面，土工格柵去掉橫肋后黏聚力由41.9 kPa降低至33.9 kPa，降低8 kPa，也降低了約19%。對于雙向土工格柵EG3030，土工格柵去掉橫肋后，界面摩擦因數(shù)由0.27降低至0.17，降低了0.10，降幅達37%；在筋土界面黏聚力方面，土工格柵去掉橫肋后黏聚力由44.3 kPa降低至34.3 kPa，降低10.0 kPa，也降低了約22.6%。土工格柵EG65R和EG3030的界面摩擦因數(shù)比分別降低了30.85%和37%。由此可見，去掉土工格柵的橫肋后，對界面摩擦因數(shù)和黏聚力都有較大影響，使之產(chǎn)生較大幅度的降低。

5 結(jié) 語

由試驗結(jié)果可以看出，橫肋在土工格柵加筋結(jié)構(gòu)中的作用十分重要，占土工格柵在拔出過程中受到的阻力的30%以上。然而，這種試驗方法還存在很大的不足，并不能全面反映格柵橫肋在土工格柵加筋作用中的貢獻。采用去掉橫肋以測取土工格柵橫肋在土工格柵加筋作用中的貢獻的方法是正確的，但是由于試驗材料及試驗條件的限制，最后測出的結(jié)果都要小于實際橫肋所起到的作用。最主要的原因是雖然將格柵的橫肋去掉了，但其橫肋破壞處表面依然凹凸不平，且格柵橫肋部分相較其他部分寬且厚，這樣試驗過程中所測出來的拉拔力中仍然有一部分是由于格柵橫肋作用所產(chǎn)生的力，最終計算出的結(jié)果就要小于格柵橫肋實際發(fā)揮的作用。實際上，橫肋在土工格柵的加筋作用中提供的摩擦力應(yīng)該超過50%，在王釗等[5-6]研究中，橫肋在土工格柵加筋作用中的貢獻可以達到90%。

參考文獻：

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