堆石料與土工格柵間拉拔特性試驗(yàn)研究

董博文，鄒德高,2，周晨光,2，劉京茂,2，周　揚(yáng),2

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

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堆石料與土工格柵間拉拔特性試驗(yàn)研究

董博文1，鄒德高1,2，周晨光1,2，劉京茂1,2，周揚(yáng)1,2

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

針對目前土石壩工程中最常采用的雙向塑料焊接土工格柵和雙向滌綸經(jīng)編土工格柵，采用大型拉拔試驗(yàn)設(shè)備完成了兩種格柵在堆石料中的拉拔試驗(yàn)，以研究其與堆石料的相互作用機(jī)制及加筋效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：拉拔位移較大時(shí)，塑料焊接格柵的格柵節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限強(qiáng)度而發(fā)生剝離破壞，造成拉拔力的階梯式衰減，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是控制界面強(qiáng)度的重要因素且法向作用的荷載大小對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響不大；而滌綸經(jīng)編格柵拉拔力“硬化”現(xiàn)象明顯，試驗(yàn)初段，由于格柵材質(zhì)柔度較大，橫肋阻力作用不明顯，抗拉拔力由縱肋摩阻力和節(jié)點(diǎn)端承阻力提供，經(jīng)過較大的拉拔位移后，格柵節(jié)點(diǎn)并未發(fā)生剝離破壞。

堆石料；土工格柵；拉拔試驗(yàn)；節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度；節(jié)點(diǎn)端承阻力

土工格柵作為一種強(qiáng)度較高、柔性較好的加筋材料，起初主要用于擋土墻、地基以及路基[1-2]的加固。近些年，土工格柵越來越多地被應(yīng)用于土石壩壩坡的加固。但已有的試驗(yàn)研究大多集中于土工格柵與砂土和黏土的相互作用機(jī)理方面。如Moracia等[3]提出了土工格柵在砂土中拉拔阻力的傳遞模型，楊廣慶等[4]通過對比土工格柵在砂土和黏土中的拉拔試驗(yàn)結(jié)果，得出針對加筋擋土墻有益的設(shè)計(jì)建議。與砂土和黏土相比，筑壩堆石料的顆粒尺寸較大，顆粒棱角較多，力學(xué)特性有明顯的差異，所以進(jìn)一步研究土工格柵在堆石料中的加筋機(jī)理，開展相應(yīng)的拉拔試驗(yàn)很有必要。張嘎等[5]進(jìn)行了粗粒土與土工布的直剪試驗(yàn)以及拉拔試驗(yàn)，王家全等[6]進(jìn)行了粗粒料與土工格柵間的直剪試驗(yàn)。但關(guān)于堆石料與土工格柵的拉拔試驗(yàn)研究資料還較少。

國內(nèi)青峰嶺、冶勒、獅子坪、兩河口等已建和在建大壩[7-10]均采用了土工格柵對壩頂區(qū)進(jìn)行加固，所用格柵主要為雙向塑料焊接和雙向滌綸經(jīng)編兩類。本文采用大型拉拔試驗(yàn)設(shè)備對這兩類格柵進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，并分析了兩種格柵分別在堆石料中的加固效果以及抗拉拔力的傳遞機(jī)理。

1　試驗(yàn)設(shè)備

土工格柵拉拔試驗(yàn)使用的儀器是大連理工大學(xué)工程抗震研究所聯(lián)合長春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司研制的大型靜、動(dòng)兩用直剪儀，該設(shè)備主要由加載單元、計(jì)算機(jī)測控單元、液壓伺服單元和拖動(dòng)單元等組成。其主要的性能指標(biāo)見表1。

表1　儀器主要性能指標(biāo)

在大型直剪儀的基礎(chǔ)上，依據(jù)ASTM(D6706-01)[11]的設(shè)計(jì)要求，制作了試驗(yàn)所需的拉拔試驗(yàn)盒及夾具。其中試驗(yàn)盒的內(nèi)部長×寬×高為：500 mm×400 mm×500 mm；在試驗(yàn)盒前壁距盒底高13.5 cm處預(yù)留一個(gè)與盒子同寬的開口，高度為10 mm；夾具由上、下兩塊內(nèi)表面軋有紋理的鋼片和固定螺栓組成，試驗(yàn)時(shí)將格柵的端部放入兩鋼片之間，擰緊螺栓即可。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2　試驗(yàn)材料及方案

2.1堆石料

現(xiàn)場施工過程中為避免土工格柵遭到碾壓破壞，一般在鋪設(shè)土工格柵之前均勻鋪設(shè)一層厚為20 mm～50 mm的堆石保護(hù)墊層。本試驗(yàn)用料為兩河口筑壩主堆石料，采用相似級配法對原型主堆石料縮尺至最大粒徑為40 mm，用于模擬格柵上下堆石墊層，試驗(yàn)的顆粒組成見表2。試驗(yàn)控制干密度ρd=2.03 g/cm3，試驗(yàn)用堆石料為干樣。

圖1　設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2土工格柵

本次試驗(yàn)采用的兩種土工格柵，分別為重慶永固公司生產(chǎn)的型號為CATTSG100-100的聚丙烯塑料焊接雙向土工格柵和山東浩珂公司生產(chǎn)的型號為GSJ300X300/C的丙烯酸涂層滌綸經(jīng)編雙向土工格柵。格柵具體參數(shù)見表3。

表3　兩種雙向土工格柵主要技術(shù)指標(biāo)

2.3拉拔試驗(yàn)方案及方法

裝樣時(shí)采用分層擊實(shí)方法來達(dá)到試驗(yàn)所需的干密度，格柵上下的堆石回填高度為13.5 cm。為使法向壓力施加均勻，法向加載時(shí)，承載板通過作用一個(gè)橡膠墊袋將法向荷載施加于試樣上。試驗(yàn)中對筋-土界面所施加的法向應(yīng)力分別采用100 kPa、300 kPa和500 kPa三種。采用位移控制的方法[11]，拉拔試驗(yàn)速率均采用ASTM(D6706-01)[11]建議速率1 mm/min，設(shè)定最大水平拉拔位移為50 mm。試驗(yàn)用格柵尺寸及法向應(yīng)力詳見表4。

表4　拉拔試驗(yàn)方案

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1雙向塑料焊接土工格柵拉拔試驗(yàn)

塑料焊接格柵是采用預(yù)拉伸的聚丙烯塑料土工條帶，通過超聲波粘接而成，具有網(wǎng)格尺寸多樣，格柵肋條強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到拉拔試驗(yàn)盒至夾具這段格柵的變形不可忽略，為消除這一影響，基于對格柵的無側(cè)限拉伸曲線，對試驗(yàn)結(jié)果的拉拔位移進(jìn)行修正，圖2給出了雙向塑料焊接土工格柵在不同法向荷載作用下拉拔力與拉拔位移的關(guān)系曲線。

圖2雙向塑料焊接拉拔位移與拉拔力關(guān)系

由圖2可以看出：

(1) 試驗(yàn)曲線的初始切線模量最大，隨著拉拔位移的增大，切線模量逐漸減小。

(2) 拉拔力達(dá)到峰值后呈階梯式衰減，表現(xiàn)出明顯的“軟化”特性。試驗(yàn)過程中拉拔力每次階梯式衰減時(shí)，均可聽到拉拔盒內(nèi)格柵節(jié)點(diǎn)斷裂聲。試驗(yàn)后拆樣發(fā)現(xiàn)格柵中橫、縱肋的節(jié)點(diǎn)均已破壞，橫肋脫落，試驗(yàn)前后的格柵見圖3。

圖3試驗(yàn)前后焊接格柵的對比

(3) 試驗(yàn)最終的殘余拉拔力趨于穩(wěn)定，此時(shí)的拉拔阻力僅由格柵縱肋的摩阻力提供。

(4) 隨著法向荷載增大，峰值拉拔力及殘余拉拔力均增大，拉拔力初次衰減時(shí)對應(yīng)的拉拔位移越小。

對試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

徐超[12]通過焊接格柵節(jié)點(diǎn)的剝離強(qiáng)度來表征拉拔試驗(yàn)過程中節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度對抗拉拔力的影響。本文通過Wilson-Fahmy[13]提出的拉拔阻力F計(jì)算公式(1)可求出格柵節(jié)點(diǎn)的平均強(qiáng)度。

F=F1+F2+F3

(1)

式中：F1、F2分別為縱肋、橫肋所提供的摩阻力，F(xiàn)3為橫肋提供的端承阻力。

拉拔過程中焊接格柵橫肋所受的摩阻力及端承阻力通過節(jié)點(diǎn)傳遞到縱肋，因此，當(dāng)與節(jié)點(diǎn)相連的格柵橫肋所受的摩阻力及端承阻力之和達(dá)到該節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞。故試驗(yàn)格柵總的節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度之和F4的大小可表示為：

F4=F2+F3=F-F1

(2)

其中F1的大小為試驗(yàn)曲線最終的殘余拉拔力，F(xiàn)為峰值拉拔力，通過式(2)可得到三種法向荷載作用下F4的大小，由于埋置格柵共16個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度為F4/16，結(jié)果見表5。

表5　格柵節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

由表5可知不同法向荷載下節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度差別不大，依據(jù)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，法向荷載的大小對焊接格柵的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響較小。

本文依據(jù)《土工合成材料測試規(guī)程》[14](SL235-2012)通過式(3)、式(4)求得筋-土界面拉拔摩擦系數(shù)f(見表6)表征不同法向荷載下的界面強(qiáng)度。

(3)

(4)

式中：τsg為筋-土接觸面的剪應(yīng)力；b為試驗(yàn)用格柵的寬度；l為格柵在堆石料中的埋置長度；F為試驗(yàn)拉拔力；σn為法向應(yīng)力。

由于功能需求不同，變電站不同部位墻體的設(shè)計(jì)要求不同。裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)是墻體可以靈活設(shè)計(jì)，如果采用相同構(gòu)造墻體，必然會造成浪費(fèi)。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對建筑物構(gòu)件耐火極限的規(guī)定以及建筑、節(jié)能、降噪的要求，110-A2-3方案配電裝置樓不同部位墻體要求如圖1和圖2所示。根據(jù)前面計(jì)算，對不同部位的墻體進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

依據(jù)Jewell[15]提出的格柵加筋機(jī)理，相同條件下橫肋的極限摩阻力與極限端承阻力隨著法向應(yīng)力增大而增大，但是由于焊接格柵節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的限制，當(dāng)與節(jié)點(diǎn)相連的格柵橫肋所受的摩阻力及端承阻力之和達(dá)到該節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞，拉拔力衰減。因此法向荷載增大時(shí)，橫肋摩阻力及端承阻力并未充分發(fā)揮作用，造成表6中拉拔摩擦系數(shù)(界面強(qiáng)度)隨法向荷載增大而劇烈衰減。故焊接格柵的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是影響筋-土界面強(qiáng)度的重要因素。

表6　雙向塑料焊接格柵拉拔試驗(yàn)拉拔摩擦系數(shù)

用圖釘對焊接格柵的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固處理，在100 kPa的法向荷載下做拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線見圖4，由圖4可看出，節(jié)點(diǎn)加固后格柵的拉拔力峰值提高了約26%，同時(shí)由于圖釘?shù)淖饔茫?jié)點(diǎn)破壞時(shí)拉拔力衰減的趨勢更為緩和。

圖4100 kPa下格柵節(jié)點(diǎn)加固后試驗(yàn)曲線

3.2雙向滌綸經(jīng)編土工格柵拉拔試驗(yàn)

滌綸經(jīng)編格柵是復(fù)合長絲編織后涂覆涂層而成，材質(zhì)柔度較大，具有抗拉強(qiáng)度大，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，圖5為雙向滌綸經(jīng)編格柵在不同法向荷載作用下濾去筋-土界面外格柵伸長量后的拉拔試驗(yàn)曲線。由圖5可以看出：

(1) 隨著法向荷載增大，峰值拉拔力增大；切線模量隨著拉拔位移增大而逐漸減??；拉拔力出現(xiàn)較明顯的“硬化”現(xiàn)象。

(2) 對比圖6所示試驗(yàn)前后的格柵試樣，堆石在格柵網(wǎng)孔所形成的嵌固作用十分明顯，且經(jīng)過較大拉拔位移后，格柵節(jié)點(diǎn)未發(fā)生剝離破壞。

圖5　雙向滌綸拉拔位移與拉拔力曲線

圖6試驗(yàn)前后經(jīng)編格柵的對比

為進(jìn)一步了解滌綸經(jīng)編格柵的加筋機(jī)理，剪裁格柵去除橫肋得到圖7所示保留格柵節(jié)點(diǎn)的A型格柵，以及去除格柵節(jié)點(diǎn)的B型格柵。在法向荷載100 kPa作用下，得到兩種格柵的拉拔試驗(yàn)曲線，見圖8。

圖7　A、B型格柵俯視圖及縱面圖

圖8100 kPa下A、B型格柵拉拔位移與拉拔力曲線

由圖8可以看出：

(1) 拉拔初始階段，A型格柵與完整格柵的試驗(yàn)曲線幾乎重合，說明在試驗(yàn)初段，抗拉阻力主要由縱肋摩阻力和格柵節(jié)點(diǎn)端承阻力提供。由B型格柵的試驗(yàn)曲線可知縱肋摩阻力的占比較大。

(2) 拉拔位移越大，A型格柵與完整格柵的試驗(yàn)曲線差異越大，格柵橫肋的阻力作用越明顯。

(3) 以完整格柵的拉拔力峰值大小為極限抗拉拔力。A型格柵與完整格柵的峰值拉拔力之差為格柵橫肋極限端承阻力，占極限抗拉拔力的15.4%；A型格柵與B型格柵的峰值拉拔力之差為節(jié)點(diǎn)極限端承阻力的大小，占極限抗拉拔力的26.04%；縱肋極限摩阻力(即B型格柵的峰值拉拔力)占極限抗拉拔力的58.56%。由此可得，經(jīng)編格柵在試驗(yàn)過程中，縱肋摩阻力和節(jié)點(diǎn)端承阻力起主要作用，約占拉拔阻力的84%。

(4) 經(jīng)編格柵的橫肋端承阻力主要在試驗(yàn)中后段發(fā)揮作用，主要原因是經(jīng)編格柵由長絲編制而成，剛度小，試驗(yàn)初段拉拔力沿縱肋傳遞時(shí)，橫肋由于產(chǎn)生變形而不能有效地發(fā)揮阻力作用，試驗(yàn)中后段橫肋的端承阻力作用明顯。

4　結(jié)　論

本文對國內(nèi)大壩加固常用的兩種土工格柵進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在塑料焊接格柵的拉拔試驗(yàn)中，拉拔位移較大時(shí)，格柵節(jié)點(diǎn)由于達(dá)到極限強(qiáng)度而發(fā)生剝離破壞，拉拔力發(fā)生階梯式衰減，最終的殘余抗拉拔力由縱肋摩阻力提供。

(2) 塑料焊接土工格柵的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是控制其加筋效果的重要因素，且試驗(yàn)中法向荷載的大小對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響不大。因此，在采用此類格柵進(jìn)行大壩壩坡加固時(shí)，為提高加筋效果，建議對格柵的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固處理。

(3) 在滌綸經(jīng)編格柵的拉拔試驗(yàn)中，拉拔力“硬化”現(xiàn)象明顯，經(jīng)過較大的拉拔位移后，格柵節(jié)點(diǎn)仍未發(fā)生剝離破壞。

(4) 滌綸經(jīng)編格柵材質(zhì)柔度較大，試驗(yàn)初段橫肋由于變形未發(fā)揮阻力作用，試驗(yàn)過程中，抗拉拔力主要由縱肋摩阻力和節(jié)點(diǎn)端承阻力提供。

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Experiments on Pullout Behavior of Geogrid Under Rockfill Materials

DONG Bowen1, ZOU Degao1,2, ZHOU Chenguang1,2, LIU Jingmao1,2, ZHOU Yang1,2

(1.FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China; 2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

Geogrids are increasingly applied in seismic strengthening of earth-rockfill dam slopes, which mainly include biaxial plastics welded geogrids and biaxial polyester warp-knitted geogrids. To better understand the mechanism and effect of these two types of geogrids, the pullout tests were conducted using these two types of geogrid specimens and large-scale pullout devices. By analyzing experimental data, some conclusions were drawn that the debonding between longitudinal and transversal ribs in plastics-welded geogrid nodes cause the stepped decay of pullout force at large pullout displacement, so the junction strength of welded geogrid is the controlling index to the effect of welded geogrids reinforcement. Based on the pullout test data of polyester warp-knitted geogrids, the ‘hardening’ of pullout force is obvious, the pullout force is composed of friction resistance of longitudinal geogrid ribs and transverse geogrid ribs, resistance of transverse geogrid ribs and the junctions. The resistance of transverse geogrid ribs doesn’t work at the beginning of test due to its great flexibility.

rockfill materials; geogrid; pullout test; junction strength of geogrids; resistance of junction

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.010

2016-03-15

2016-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279025，51508071)

董博文(1991—)，男，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇至Ｍ僚c土工格柵筋土界面的力學(xué)特性。 E-mail:dbwfxg@163.com。

TU47

A

1672—1144(2016)04—0050—05