土工布加筋土界面摩擦特性試驗研究

楊　敏，李　寧，劉新星，劉乃飛，蘇立海，2

(1.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.空軍工程大學 工程學院，陜西 西安 710038)

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土工布加筋土界面摩擦特性試驗研究

楊敏1，李寧1，劉新星1，劉乃飛1，蘇立海1，2

(1.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.空軍工程大學 工程學院，陜西 西安 710038)

以延安新機場黃土高填方為依托，以工程實際使用的土工布作為筋材，采用與西安亞星土木儀器有限公司共同研制的土工合成材料試驗機，進行了黃土加筋土的直剪試驗和拉拔試驗，測試了不同壓實度條件下筋土界面間的直剪和拉拔強度以及摩擦系數(shù)。試驗結果表明：①剪切位移與剪應力關系曲線為硬化型，而拉拔位移與拉應力關系曲線為軟化型；②土工布與黃土的界面強度在直剪和拉拔條件下均符合莫爾庫侖強度理論，土工布與黃土間具有較好的摩擦特性，但相同條件下直剪摩擦系數(shù)大于拉拔摩擦系數(shù)；③剪切條件下筋土界面強度參數(shù)對壓實度不敏感，而拉拔條件下壓實度對界面粘聚力影響顯著。

土工布加筋土；黃土；界面強度；直剪試驗；拉拔試驗

筋材和土是構成加筋土結構的兩種主要材料，由于它們之間的相互作用極其復雜，填料、加筋材料及布筋方式、壓實度和含水率等均會對加筋效果產生影響[1]，所以兩者間的界面摩擦特性是加筋土工程設計和研究的重要內容。趙川等[2]、鄒玉娜等[3]以土工格柵為筋材，進行了摩擦特性試驗。黃向京等[4]、杜勇立等[5]分別用土工布、鍍鋅覆塑格賓網為筋材，進行了摩擦特性試驗。王軍等[6]研究了格柵橫肋與縱肋及格柵幾何尺寸對筋土界面強度特性的影響。王協(xié)群等[7]研究了格柵類型等五個因素對格柵-土界面強度特性的影響規(guī)律。苗晨曦等[8]建立三維離散元模型，模擬了三向格柵的增強型節(jié)點。謝婉麗等[9]、雷勝友等[10]通過三軸壓縮試驗方法探討了加筋黃土的強化機理。劉湘元等[11]以土工布為筋材，粘土為填料，進行了界面摩擦特性試驗。綜上可知，雖然目前關于筋-土界面摩擦特性的研究較多，但對其在直剪和拉拔兩種試驗條件下的對比研究卻鮮見報道，致使在實際工程中，筋土的界面參數(shù)到底采用直剪試驗結果還是拉拔試驗結果，仍無定論，因此，開展加筋土的直剪和拉拔摩擦特性試驗對于高速發(fā)展的工程實際至關重要。

本文以延安新機場黃土高填方為背景，以現(xiàn)場黃土作為試驗填料，以工程實際使用的土工布作為筋材，進行了黃土與土工布界面間的直剪和拉拔摩擦特性試驗，并就兩種試驗結果進行了對比分析。研究成果可為實際工程應用中正確選擇相應的界面參數(shù)提供依據。

1　試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗所用土料均取自延安機場擴建工程黃土高填方現(xiàn)場，如圖1所示，基于界限含水率試驗得到了圓錐下沉深度與含水率的關系，并將下沉深度17 mm時所對應的含水率作為液限，以下沉深度2 mm時所對應的含水率為塑限；用標準擊實方法測定了黃土的密度與含水率的關系，從而確定出黃土的最大干密度及最優(yōu)含水率。試驗所有黃土的顆粒粒徑均小于5 mm。其主要物理參數(shù)見表1。

圖1　試驗所用土料Fig.1　Test materials of loess

液限/%塑限/%塑性指數(shù)最優(yōu)含水率/%最大干密度/(g/cm3)30.721.49.3161.80

試驗用的土工布型號為PES100-50，是一種新型土工合成材料，具有強度高、延伸率低、蠕變性低等優(yōu)點。其力學性能及制造材料見表2。

表2　試驗土工布的基本參數(shù)

1.2試驗方法

試驗采用與西安亞星土木儀器有限公司共同研制的土工合成材料直剪拉拔摩擦一體機，該儀器主要由軸向加壓裝置(氣缸加壓)、水平直剪拉拔裝置及測控系統(tǒng)三部分構成，可進行土工合成材料的直剪及摩擦界面特性試驗，如圖2所示。

圖2　直剪拉拔摩擦特性試驗儀器Fig.2　Experimental instrument of shear and pullout test

直剪和拉拔摩擦特性試驗的試樣制備是不同的。直剪摩擦特性試驗采用接觸面積遞減型剪切盒，上下剪切盒的尺寸相等，內部尺寸均為300 mm ×300 mm×10 mm，試樣基座采用土質基座。制樣時先在基座填土、夯實并整平，然后在黃土基座上鋪設并固定準備好的試驗土工布，最后用液壓式萬能試驗機將上盒的土樣壓實至預定的壓實度。

拉拔摩擦特性試驗的模具盒采用整體式，為一矩形箱體，箱體尺寸為250 mm×200 mm×200 mm，在箱側壁的半高處開一條貫穿全寬的窄縫，窄縫高度為5 mm，供土工布引出箱體進行拉拔，制樣時先按設計壓實度用黃土填至拉拔面，再將土工布試樣平放于土面上，并埋入土中100 mm，然后繼續(xù)往箱內填土，分層壓實至設計的密度。試驗按照JTG E50-2006《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》進行，剪切、拉拔速度均控制在1 mm/min，直剪、拉拔摩擦特性試驗選取黃土的最優(yōu)含水率為16%，設定土工布在不同豎向應力作用與不同壓實度條件下進行直剪和拉拔試驗。每種試驗均制備了16個試樣。詳細試驗方案見表3。

表3　試驗方案

2　筋土界面摩擦特性

2.1試驗結果分析

試驗后按照JTGE50-2006《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》的要求進行了數(shù)據整理。圖3和圖4分別為不同壓實度條件下黃土與土工布之間的直剪和拉拔試驗結果。

由圖3可以看出，各方案下直剪摩擦特性試驗曲線基本一致，均呈現(xiàn)硬化特性，即剪應力隨著剪切位移的增大而增大。這是由于隨著直剪試驗的進行，下盒在水平力推動下與上盒的接觸面積逐漸減小，而豎向應力保持不變所致。各試驗曲線呈現(xiàn)的總體規(guī)律為：在剪切位移小于10 mm前，剪應力增長較快，之后剪應力緩慢增長。同時可以看出，在不同豎向應力作用下，黃土與土工布之間的直剪剪應力-位移曲線變化趨勢大致相同。同一壓實度下，剪應力隨著豎向應力的增大而增大。

圖4　拉拔試驗曲線Fig.4　Pull-out test curves

對比圖3和圖4可以看出，無論是直剪試驗曲線還是拉拔試驗曲線，在同一壓實度下，最大應力值都隨著豎向應力的增大而增大。在圖4中，不同豎向應力作用下，黃土與土工布之間的拉拔應力-位移曲線呈現(xiàn)軟化特性，即拉應力隨著拉拔位移的增大先增大后減小，這與杜勇立等[12]的拉拔試驗結果比較吻合，規(guī)律一致。

2.2界面強度特性分析

由前述分析及圖3可知，直剪試驗所得關系曲線為硬化型曲線(未出現(xiàn)峰值)，因此根據JTG E50-2006《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》，取位移量為剪切面積長度10%(30 mm)時對應的剪應力作為最大直剪剪應力。而對于拉拔試驗(見圖4)，其所得關系曲線為軟化型曲線，可取其峰值為最大拉拔拉應力。

各試驗方案所得最大直剪剪應力和最大拉拔拉應力與法向應力的關系如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，兩種試驗條件下，最大剪(拉)應力與法向應力間有很好的線性關系，且均符合莫爾庫侖強度準則。其關系可用下列式子表示：

τ=csg+σntanφsg

(1)

式中，τ為最大剪(拉)應力；σn為法向應力；csg為界面粘聚力；φsg為界面摩擦角。

圖5　最大剪應力與法向應力曲線Fig.5　Maximum shear stress and normal stress curves

圖6　最大拉應力與法向應力曲線Fig.6　Maximum tensile stress and normal stress curves

由圖5可以看出，隨著壓實度的增加，土工布與黃土之間的界面粘聚力(擬合曲線的截距)及界面摩擦角(擬合曲線與x軸的夾角)均稍有增大，說明在直剪試驗中，壓實度對界面參數(shù)的影響較小。

由圖6可以看出，隨著壓實度的增大，界面粘聚力明顯增大，而摩擦角變化較小，說明在拉拔試驗中，壓實度對粘聚力的影響顯著而對摩擦角影響較小。

根據圖5和圖6可以得到不同試驗方案條件下筋-土界面間的粘聚力和摩擦角，詳見表4。

表4　 土工布與黃土間的界面強度

由圖5和圖6及表4可知，土工布的直剪界面摩擦角一般要比拉拔界面摩擦角大，約為2.2倍。這是由于直剪試驗和拉拔試驗的機理不同所致。

2.3界面摩擦特性分析

筋-土界面摩擦系數(shù)f是加筋土工程設計的重要參數(shù)，其值一般是不同方向應力下的最大剪應力τmax與對應的法向應力σn的比值，即：

(2)

根據式(2)可計算得到不同方案下的筋-土界面摩擦系數(shù)。各方案下直剪摩擦系數(shù)介于0.40～0.68之間，而拉拔摩擦系數(shù)介于0.23～0.76之間。不同壓實度下黃土與土工布之間的直剪摩擦系數(shù)、拉拔摩擦系數(shù)與相應法向應力的關系曲線如圖7和圖8所示。

圖7　直剪摩擦系數(shù)與法向應力的關系Fig.7　Direct shear friction coefficient and normal stress

由圖7可以看出，同一壓實度下，直剪摩擦系數(shù)隨著法向應力的增大呈逐漸減小趨勢，即法向應力較低時的直剪摩擦系數(shù)大于法向應力較高時的直剪摩擦系數(shù)，且隨著法向應力的增大，直剪摩擦系數(shù)減小速度逐漸變慢。相同法向應力條件下，隨著壓實度的增加，直剪摩擦系數(shù)逐漸增大。

圖8　拉拔摩擦系數(shù)與法向應力的關系Fig.8　Drawing friction coefficient and normal stress

由圖8可以看出，拉拔摩擦系數(shù)的分布規(guī)律與直剪摩擦系數(shù)分布規(guī)律基本相同。拉拔摩擦系數(shù)隨著法向應力的增大而減小，但量值較直剪界面摩擦系數(shù)小。

從理論上講，直剪試驗土工布與黃土之間的摩擦為單面摩擦，而拉拔試驗為雙面摩擦，如果計算時考慮面積的變化，那么由拉拔試驗獲得的摩擦系數(shù)應為直剪試驗的2倍。但從試驗結果可以看到，拉拔摩擦系數(shù)介于0.23～0.76之間，相同條件下拉拔摩擦系數(shù)僅為直剪摩擦系數(shù)的0.58～1.12倍。

JTG D30-2004《公路路基設計規(guī)范》對筋材與粘性填料間摩擦系數(shù)的取值建議：0.25～0.40?？梢?，本試驗土工布用于實際加筋土工程(延安新機場)時，其筋-土界面摩擦系數(shù)滿足路基規(guī)范建議值，滿足工程要求。

3　摩擦特性機理

3.1直剪特性機理

假定直剪摩擦特性試驗的軸向壓力為P，推動下盒移動的水平力為F，土工布與土之間的摩擦系數(shù)為μ，下盒長、寬分別為a、b，下盒的移動距離為x。直剪試驗初始及試驗結束示意圖如圖9所示。

由摩擦系數(shù)的定義可知軸向力與水平力的關系：

F=P·μ

(3)

對式(3)進行轉化，有：

(4)

式中，P、μ、a、b均為定值，因此隨著x的減小，剪應力不斷增大，理想曲線呈現(xiàn)硬化特征，這與試驗結果相一致。

圖9　直剪試驗示意圖Fig.9　Schematic diagram of direct shear test

3.2拉拔特性機理

假定拉拔摩擦特性試驗的軸向壓力為P′，夾具拉拔土工布的拉拔力為F′，土工布與土之間的摩擦系數(shù)為μ′，盒寬為a′，土工布的埋置深度為b′，土工布拉出距離為x′，k為盒長，σ為軸向壓力作用下土工布的正應力，τ′為水平拉拔力作用在土工布上的拉拔應力。拉拔試驗初始及試驗結束示意圖如圖10所示。

圖10　拉拔試驗示意圖Fig.10　Schematic diagram of pullout test

由摩擦系數(shù)的定義可知軸向力與水平拉拔力的關系，有：

(5)

對式(5)進行轉化，有：

(6)

式中，由于P′、μ′、k、a′均為常數(shù)，故拉拔應力應該為常數(shù)。但考慮到土工布為柔性物體，拉拔試驗過程中，首先是土工布的拉伸過程，隨著土工布自身的變形，拉拔力值不斷增大，拉拔應力也逐漸增大；當自身變形達到最大值時，土工布開始從土中被拉出直至試驗結束。理想情況下，此過程中拉拔應力應該保持不變，但試驗中受多種因素影響，例如窄縫處漏土等導致曲線呈現(xiàn)明顯的軟化特性。

4　結　論

1)直剪條件下剪切位移與剪應力關系曲線為硬化型，而拉拔條件下拉拔位移與拉應力關系曲線為軟化型。

2)直剪條件下壓實度對直剪界面參數(shù)的影響不敏感，而在拉拔條件下壓實度對粘聚力的影響較大，對摩擦角影響較小。

3)土工布與黃土的直剪界面強度和拉拔界面強度均滿足莫爾庫侖強度理論。

4)直剪條件下的界面摩擦角大于拉拔試驗的，而拉拔條件下界面的粘聚力大于直剪試驗的。

5)在相同條件下，直剪界面摩擦角約為拉拔界面摩擦角的2.2倍，而直剪摩擦系數(shù)約為拉拔摩擦系數(shù)的1.2倍。

綜上可知，由于直剪試驗和拉拔試驗的機理不同，實際工程中筋-土界面參數(shù)的選擇，應充分考慮加筋織物所處的位置，判斷是屬于直剪摩擦還是拉拔摩擦，從而正確選擇相應的界面參數(shù)。

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DU Yongli，HUANG Xiangjing.Test study on the interface friction characteristics between loess and geotextile[J].Journal of China & Foreign Highway，2013，33(4)：227-280.

(責任編輯周蓓)

Experimental research on interface frictional behaviors of the geotextile-reinforced soil

YANG Min1，LI Ning1，LIU Xinxing1，LIU Naifei1，SU Lihai1，2

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

Based on the loess filled embankment in Yan’an new airport,and with the geotextile used in engineering practice as reinforcement material,the geotextile synthetic material testing machine jointly developed by Xi’an Yaxing Civil Engineering Instrument Co.Ltd.is adopted to carry out the direct shear tests and pull tests of geotextiles-loess interface so that the direct shear and pull strengths and friction coefficients between geotentile soil interfaces in the case of different compactness are tested.The test results indicate:①The curves of shear displacement and shear stress is hardening type and the curves of drawing displacement and tensile stress is softening type; ②The interface strength of geotextiles-loess conforms with the Mohr-Coulomb strength theory.The friction behaviors of the geotextile-loess interface is very good.But the friction coefficient of direct shear is greater than that of pull test in the same condition; ③In the shearing conditions,the interface strength of geotextiles-loess is not sensitive to the compaction degree,but in the drawing conditions,the compaction degree has a significant effect on interfacial cohesive force.

geotextile-reinforced soil；loess；interfacial strength；direct shear test；pull-out test

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.009

2015-04-21

國家自然科學基金資助項目(51179153)；西安理工大學博士學位論文創(chuàng)新基金資助項目(310-11202J306)

楊敏，女，碩士生，研究方向為黃土高填方及旋切觸探。E-mail：yangmin0069@126.com

李寧，男，教授，博導，博士，研究方向為巖體靜、動力學及巖土工程。E-mail:ningli@xaut.edu.cn

TU43

A

1006-4710(2016)01-0046-06