土工格柵加筋膨脹土拉拔試驗(yàn)研究

蔡劍韜

（上海地礦工程勘察有限公司，上海200072）

1 引 言

膨脹土是一種難于處理的特殊性黏土，其礦物成分以強(qiáng)親水的蒙脫石和伊利石為主，具有吸水膨脹軟化和失水收縮干裂的特性以及超固結(jié)性和多裂隙性，歸結(jié)為膨脹土的“三性”。在膨脹土地區(qū)，無(wú)論是堤坡或路基，由于大氣風(fēng)化作用和雨水入滲效應(yīng)，使得膨脹土的工程災(zāi)害問(wèn)題普遍存在。

土工格柵以其優(yōu)良的性能和應(yīng)用上的簡(jiǎn)便性，在土木、水利工程中使用越來(lái)越多。主要是用于擋土墻、軟土地基、陡坡、道路等工程的加固，但其填土主要以排水性能較好、級(jí)配均勻、強(qiáng)度指標(biāo)穩(wěn)定的砂土和碎石土為主，使用土工格柵加筋處理性質(zhì)特殊的膨脹土的應(yīng)用尚不成熟，原因在于膨脹土與土工格柵相互作用特性研究不足[1－2]。

土工格柵與回填土之間接觸面的摩擦系數(shù)是加筋分析的最重要參數(shù)。分析接觸面上的受力變形機(jī)制以及剪切破壞的發(fā)展特征十分重要。

塑料土工格柵是一種高剛度小拉伸變形的土工合成材料，有學(xué)者采用直接剪切試驗(yàn)或拉拔試驗(yàn)來(lái)研究界面特性。對(duì)加筋結(jié)構(gòu)而言，起加筋作用的主要是土工格柵的抗拔阻力，拉拔試驗(yàn)條件下土工格柵的受力行為更加符合其實(shí)際工作狀況。拉拔試驗(yàn)成為研究筋土相互作用最有效的手段[3－5]。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

拉拔試驗(yàn)設(shè)備主要包括加載系統(tǒng)、剪切盒、應(yīng)力位移采集系統(tǒng)等。加載系統(tǒng)有豎向和水平加載，豎向加載采用20 t油壓千斤頂，經(jīng)壓力傳感器傳遞，通過(guò)厚20 cm的加載鋼板經(jīng)帶孔的透水鋼板和土工布均勻傳遞到上覆土體上。水平荷載為應(yīng)變式控制方式，可實(shí)現(xiàn)0.2～20 mm/min的無(wú)級(jí)調(diào)速。剪切盒總尺寸為600 mm×600 mm×600 mm，上剪切盒由10個(gè)厚度為30 mm、內(nèi)尺寸為600 mm×600 mm的方形疊環(huán)組成，疊環(huán)編號(hào)由下到上分別為 DH1～DH10。土工格柵布置在下剪切盒與疊環(huán)中間，使用格柵夾具和水平荷載傳動(dòng)裝置等來(lái)提供格柵的拉拔力。圖1為試驗(yàn)裝置原理圖，試驗(yàn)設(shè)備主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic of the pull-out test equipment

表1 試驗(yàn)設(shè)備主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of test equipment

在數(shù)據(jù)采集方面，利用荷載傳感器對(duì)垂直和水平荷載進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)油壓系統(tǒng)控制屏顯示；疊環(huán)位移和拉拔端位移采用電阻式位移計(jì)量測(cè)，并通過(guò)8通道數(shù)字循檢儀顯示和打印輸出。量測(cè)裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 格柵位移測(cè)點(diǎn)布置俯視圖(單位: mm)Fig.2 Location of displacement testing points of geogrid/mm(unit: mm)

土工格柵采用單向拉伸高密度聚乙烯（HDPE）材料PE80。根據(jù)無(wú)約束拉伸試驗(yàn)得到其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表 2。為減小格柵邊界效應(yīng)，拉拔試驗(yàn)尺寸取為橫向×縱向?yàn)?00 mm×600 mm，縱向?yàn)槔畏较颉?/p>

試驗(yàn)膨脹土取自南水北調(diào)中線工程河南新鄉(xiāng)潞王墳輸水總干渠段，其基本土性參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 土工格柵力學(xué)指標(biāo)Table 2 Mechanical indexes of geogrids

2.2 試驗(yàn)方法

取風(fēng)干膨脹土樣，根據(jù)試驗(yàn)要求的含水率w、干密度ρd和剪切盒裝樣體積V按式（1）、（2）計(jì)算所需干土質(zhì)量和加水量制備濕土樣，每個(gè)備樣總量較實(shí)際裝樣的重量增加 3%。進(jìn)行加水備樣攪拌均勻后，放入桶中悶樣24 h左右，使得土樣各處含水率分布均勻，測(cè)定此時(shí)的含水率，如果與目標(biāo)含水率相差在±0.5%之內(nèi)，即可以往剪切盒中裝樣進(jìn)行固結(jié)。在含水率不能達(dá)到要求的情況下，要加土或加水按以上步驟重新調(diào)整至滿足含水率要求。

表3 膨脹擾動(dòng)土基本土性參數(shù)Table 3 Basic parameters of disturbed expansive soil

制備土樣貯存至一定時(shí)間后，測(cè)定濕潤(rùn)土樣不同位置的含水率3個(gè)，相互差值不大于±1%，取均值后與目標(biāo)含水率相差±0.5%內(nèi)即可。裝樣前上下剪切盒內(nèi)壁涂薄層凡士林，按照質(zhì)量體積法分層擊實(shí)，當(dāng)下剪切盒裝樣至高出3 mm左右，將土工格柵平鋪膨脹土上，表面土層刨松，以便充分接觸。在格柵埋于土中的3條橫肋上等間距固定6根不可伸長(zhǎng)的鋼弦見(jiàn)圖2，并用銅管作為護(hù)套，6根鋼弦水平引伸至剪切盒外連接到6個(gè)位移計(jì)上以測(cè)量格柵橫肋與土的相對(duì)位移。水平拉拔力與土工格柵平面以及位移計(jì)應(yīng)在同一水平面。接下來(lái)裝配疊環(huán)和其中的土樣，擊實(shí)完畢后，分別鋪土工布、放透水板和加載鋼板。整個(gè)裝樣過(guò)程要減少水量的散失。然后剪切盒就位，在要求豎向荷載條件下使土樣固結(jié)穩(wěn)定至沉降小于等于0.005 mm/h。

固結(jié)完成后，按照要求的拉拔速率勻速施加水平拉力，測(cè)量每層疊環(huán)和拉拔端的水平位移。當(dāng)滿足下面條件時(shí)即認(rèn)為拉拔試驗(yàn)可以結(jié)束：（1）水平拉拔力達(dá)到峰值后出現(xiàn)下降并最終趨于穩(wěn)定后；（2）格柵自由端在相同時(shí)間的位移基本相同時(shí)。

2.3 試驗(yàn)條件

分別在50、100、200、300、400 kPa五種豎向荷載作用、在相同的土性參數(shù)dρ=1.65 g/m3、w=18%和相同的拉拔速率0.3 mm/min下，采用塑料土工格柵 PE80進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，得出界面研究模型以及法向應(yīng)力對(duì)模型的影響，實(shí)施方案見(jiàn)表4。

表4 拉拔試驗(yàn)實(shí)施方案Table 4 Pull-out test implementation plans

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

3.1 筋土界面模型和參數(shù)特性

圖3 不同法向應(yīng)力下界面剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系Fig.3 Relationships between interfacial shear stress and shear displacement in different normal loads

表5 主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Main test datum

圖4 筋土界面τ靜max-P關(guān)系Fig.4 Relationship between maximal static friction forces and overlying loads

從圖5中可以看出，界面摩擦角φ=6°，界面黏聚力c=13.27 kPa，界面強(qiáng)度參數(shù)中界面摩擦角并不大，且比膨脹土體自身摩擦角要小。

圖5 土工格柵與土界面 τ靜 m ax-P關(guān)系Fig.5 Relationship between maximal interfacial shear stresses and overlying loads

土體與塑料格柵間相互作用形成的摩擦力主要有三部分：（1）黏土顆粒與格柵表面的摩擦力；（2）格柵橫肋對(duì)土體阻力；（3）柵格孔間土體與孔外土體的抗剪切作用力。如圖6所示，格柵橫肋與縱肋表面與土體間都存在摩擦力，另外由于橫肋的厚度較大，對(duì)柵格孔中土體會(huì)有阻力作用，但是縱肋較薄，當(dāng)格柵在土體中移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)孔中的土體與孔外土體并不能發(fā)生剪切，這個(gè)力幾乎為 0；由于膨脹土級(jí)配不良，細(xì)顆粒較多，前兩部分作用力也較碎石土、砂土等小，所以膨脹土與格柵的界面摩擦角較小。

圖6 格柵縱斷面受力示意圖Fig.6 Sketch of force of vertical section of geogrid

圖7 τ靜f/τf 比值隨法向應(yīng)力變化曲線Fig.7 Change curve of maximum static friction and interfacial shear stress ratios increasing with normal stresses

可見(jiàn)隨著法向應(yīng)力的增大，靜摩擦力所在界面抗剪強(qiáng)度比值以對(duì)數(shù)曲線增大。在擋土墻、高邊坡等加筋設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮最大靜摩擦力所占比重，格柵的不同豎向高度處所受垂直應(yīng)力不同，分段設(shè)計(jì)更加合理，當(dāng)上覆荷載較小時(shí)，外荷載很容易克服界面摩阻促使界面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)界面屈服。

3.2 拉拔變形階段及特性

不同法向應(yīng)力作用下拉拔過(guò)程大致可分為3個(gè)階段：第一階段從施加有水平拉力作用到靠近拉拔端的格柵橫肋C開(kāi)始移動(dòng)，第二階段從橫肋C開(kāi)始移動(dòng)到最遠(yuǎn)端橫肋A移動(dòng)，第三階段格柵整體與土體相對(duì)運(yùn)動(dòng)階段。這是對(duì)所有單向塑料格柵拉拔試驗(yàn)來(lái)說(shuō)都是成立的，法向應(yīng)力越大，表現(xiàn)越明顯。

界面漸進(jìn)變形階段，如埋入過(guò)長(zhǎng)，即使所受拉力已超過(guò)抗拉強(qiáng)度，其表面摩擦應(yīng)力仍向內(nèi)發(fā)展，由于筋材界面所能提供的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)它的抗拉強(qiáng)度，這時(shí)試驗(yàn)將發(fā)生拉斷破壞，過(guò)長(zhǎng)的加筋材料不但起不到作用，還會(huì)在幾乎沒(méi)有任何征兆下出現(xiàn)脆性破壞。本文由于抗拉強(qiáng)度足夠大，筋材埋深0.6 m時(shí)，即使在法向應(yīng)力為400 kPa也未出現(xiàn)拉斷破壞，實(shí)際工程中，界面法向應(yīng)力一般在100 kPa。

圖8 橫肋處界面平均剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(P=200 kPa)Fig.8 Curves of interfacial average shear stress and shear displacement at transverse ribs averages(P=200 kPa)

4 結(jié) 論

（1）土工格柵在膨脹土中的拔出過(guò)程主要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：第一階段從施加有水平拉力作用到靠近拉拔端的土工格柵橫肋C開(kāi)始移動(dòng)；第二階段從橫肋C開(kāi)始移動(dòng)到最遠(yuǎn)端橫肋A移動(dòng)；第三階段土工格柵整體與土體相對(duì)運(yùn)動(dòng)階段。各個(gè)階段受力特性有明顯差異。

（2）隨著法向應(yīng)力的增大，靜摩擦力在界面抗剪強(qiáng)度比值呈對(duì)數(shù)級(jí)增大，從50 kPa時(shí)0.20增大至400 kPa時(shí)0.57，極限值可達(dá)到0.75。

（3）對(duì)擋土墻、高邊坡等加筋設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮最大靜摩擦力所占比重，在格柵的不同豎向高度處，所受垂直應(yīng)力不同，分段設(shè)計(jì)更加合理。

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