土工格柵間距和凸點(diǎn)厚度對(duì)其界面特性試驗(yàn)的影響

唐曉松，王永甫，馮雨實(shí)

（1后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶401331；2重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶400041；3重慶能源職業(yè)學(xué)院土木工程系，重慶402260）

土工格柵間距和凸點(diǎn)厚度對(duì)其界面特性試驗(yàn)的影響

唐曉松1,2，王永甫1,2，馮雨實(shí)3

（1后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶401331；2重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶400041；3重慶能源職業(yè)學(xué)院土木工程系，重慶402260）

土工格柵因其能有效咬合或嵌固周?chē)馏w，改良土體的力學(xué)性能，且具有造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際工程中得到了日益廣泛的應(yīng)用。目前，大都采用室內(nèi)界面特性試驗(yàn)研究土工格柵的加筋機(jī)理，常用的有直剪摩擦特性試驗(yàn)和拉拔摩擦特性試驗(yàn)兩種。由于儀器尺寸等試驗(yàn)條件的限制，現(xiàn)有的界面特性試驗(yàn)大都未考慮土工格柵豎向間距和其特有的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響，因此亟需尋求新方法。該文基于數(shù)值方法，分別研究了土工格柵的直剪摩擦特性和拉拔摩擦特性，分析了土工格柵豎向間距和凸點(diǎn)厚度對(duì)其界面特性的影響。研究表明，土工格柵的豎向間距較小，且凸點(diǎn)厚度較厚時(shí)，界面的強(qiáng)度指標(biāo)較大，其加筋作用越強(qiáng)。因此，實(shí)際工程中應(yīng)考慮土工格柵豎向間距和凸點(diǎn)厚度的影響，從而合理選擇界面強(qiáng)度指標(biāo)。

土工格柵；界面特性；數(shù)值方法；試驗(yàn)?zāi)M；強(qiáng)度指標(biāo)

土工格柵是土工合成材料的一種，其二維網(wǎng)格或具有一定厚度的三維立體網(wǎng)格能有效咬合或嵌固周?chē)馏w，從而改良土體的力學(xué)性能，因此土工格柵形成的加筋體結(jié)構(gòu)，如：加筋土擋墻、加筋土邊坡、加筋土地基等廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程[1-4]。由于加筋體結(jié)構(gòu)是加筋材料和其周?chē)馏w兩種性質(zhì)迥異的材料相互組合形成的，其共同作用機(jī)理十分復(fù)雜，其中尤以加筋材料界面特性的研究最為復(fù)雜，因此加筋體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐[5-6]。

目前，關(guān)于土工格柵界面特性的研究大都基于摩擦加筋理論，采用室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法[7-10]。其中，室內(nèi)試驗(yàn)最為常見(jiàn)，主要有直剪摩擦特性試驗(yàn)和拉拔摩擦特性試驗(yàn)兩種。關(guān)于兩種常用的界面特性試驗(yàn)，大都僅根據(jù)土工格柵的網(wǎng)孔尺寸和土體顆粒的大小確定試驗(yàn)儀器的長(zhǎng)和寬，且僅對(duì)直剪或拉拔界面處單層土工格柵的界面特性進(jìn)行研究[11-13]，沒(méi)有結(jié)合工程實(shí)際考慮土工格柵通常按一定豎向間距鋪設(shè)，相鄰?fù)凉じ駯艑?duì)界面處土工格柵界面特性可能會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，為了增強(qiáng)土工格柵的整體性，在縱橫向土工格柵的連接處通常采用具有一定厚度和強(qiáng)度的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以防止連接處剝離，目前關(guān)于凸點(diǎn)厚度對(duì)界面特性影響的研究也相對(duì)較少。

由此可以看出，由于儀器尺寸、試驗(yàn)方法等試驗(yàn)條件的限制，現(xiàn)有的土工格柵界面特性試驗(yàn)無(wú)法考慮土工格柵豎向間距和凸點(diǎn)厚度的影響，亟需尋求新思路和新方法。

1 土工格柵界面特性試驗(yàn)的數(shù)值模擬

國(guó)內(nèi)外的研究表明，采用有限元法等數(shù)值方法研究土工格柵的界面特性是可行的[14-16]，因此文章采用荷蘭PLAXIS B.V.公司開(kāi)發(fā)的PLAXIS 3D有限元程序模擬土工格柵的界面特性試驗(yàn)。建立的數(shù)值模型中（如圖1所示），上、下盒的幾何尺寸為1000mm（長(zhǎng)）×1000mm（寬）×900mm（高），土工格柵的豎向間距分別取300mm和600mm，通過(guò)在模型頂面設(shè)置面荷載模擬豎向加載，采用在上盒設(shè)置指定面位移模擬直剪摩擦特性試驗(yàn)；采用在上、下盒界面處的土工格柵前部施加指定面位移模擬拉拔摩擦特性試驗(yàn)。其中，土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取重度γ等于18kN/m3，粘聚力c土體等于1kPa，內(nèi)摩擦角Φ土體等于30O。PLAXIS 3D程序采用界面單元基于彈塑性模型模擬土工格柵-土接觸界面的相互作用，如圖2所示。其中，土工格柵和土的界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取粘聚力c格柵-土體等于1kPa，內(nèi)摩擦角Φ格柵-土體等于19.4O。采用板單元模擬土工格柵特有的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其軸向楊氏模量取500kN/m2，剪切模量取192.3kN/m2，板單元厚度分別取2mm和5mm。土工格柵的軸向抗拉剛度取80kN/m，縱橫向土工格柵條帶寬15mm，網(wǎng)孔凈尺寸為120mm×120mm，如圖3所示。直剪試驗(yàn)時(shí)，土工格柵滿(mǎn)鋪長(zhǎng)度1000mm；拉拔試驗(yàn)時(shí)，土工格柵長(zhǎng)度770mm。

圖1 有限元數(shù)值模型

圖2 界面單元

圖3 土工格柵尺寸示意圖

根據(jù)《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E50-2006的相關(guān)要求[17]，在模擬直剪摩擦特性試驗(yàn)時(shí)上盒設(shè)置的指定面位移量應(yīng)為剪切面長(zhǎng)度的16.5%，即165mm；模擬拉拔摩擦特性試驗(yàn)時(shí)上、下盒界面處土工格柵前部施加的指定面位移為700mm。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以得到的不同豎向荷載條件下界面合力和計(jì)算荷載步的關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)其后部的近水平段，可以得到剪切或拉拔破壞時(shí)土工格柵整個(gè)界面上剪力的合力，如圖4所示。通過(guò)計(jì)算界面上合力和對(duì)應(yīng)的橫截面面積的比值，可以得到不同豎向荷載條件下界面上的剪應(yīng)力τ。以界面上剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)，界面上正應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)。通過(guò)直線(xiàn)擬合，可以得到界面的強(qiáng)度指標(biāo)c界面和Φ界面，從而定量研究土工格柵的界面特性。

圖4 各加載步界面剪力合力和荷載步關(guān)系曲線(xiàn)

2 基于數(shù)值方法的界面特性研究

2.1 土工格柵直剪摩擦特性的研究

分別在有限元模型的頂面設(shè)置50kPa、100kPa、150kPa和200kPa的豎向面荷載，指定上盒發(fā)生165mm的水平位移，計(jì)算得到不同豎向荷載條件下剪切破壞時(shí)界面上剪力的合力，如表1所示。

表1 剪切破壞時(shí)界面上的合力

由于剪切過(guò)程中界面處土工格柵的實(shí)際接觸面積是遞減的，為變值，因此每次計(jì)算界面剪應(yīng)力時(shí)均應(yīng)使用與最大剪切力出現(xiàn)時(shí)相應(yīng)的實(shí)際接觸面積值。以土工格柵豎向間距為300mm，凸點(diǎn)厚度為2mm，豎向荷載為50kPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果為例，如圖5所示。從圖5（a）中可以看出，在第750荷載步以后，界面剪力合力和計(jì)算荷載步關(guān)系曲線(xiàn)出現(xiàn)峰值，取此時(shí)的峰值45.6kN作為界面剪力的合力。同時(shí)，根據(jù)上盒水平位移增量和計(jì)算荷載步的關(guān)系曲線(xiàn)（如圖5（b）所示），對(duì)應(yīng)界面剪力的合力出現(xiàn)峰值時(shí)，上盒的水平位移量為47mm，則此時(shí)界面實(shí)際接觸面的長(zhǎng)度為953mm，寬為1000mm，面積為0.953m2。因此，可以得到此時(shí)界面的剪應(yīng)力τ為45.6/0.953=47.85kPa。按上述方法，不同豎向荷載條件下剪切破壞時(shí)界面上的剪應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖5 剪切破壞時(shí)界面有效接觸面積的確定

表2 剪切破壞時(shí)界面上的剪應(yīng)力

對(duì)界面上正應(yīng)力σ和界面上剪應(yīng)力τ進(jìn)行直線(xiàn)擬合，如圖6所示。其中，直線(xiàn)線(xiàn)性公式的常數(shù)項(xiàng)即為界面粘聚力c界面，系數(shù)項(xiàng)即為界面內(nèi)摩擦角Φ界面的正切值，這樣就可以得到直剪條件下土工格柵界面的強(qiáng)度指標(biāo)c界面和Φ界面，如表3所示。

圖6 界面正應(yīng)力σ和界面剪應(yīng)力τ的直線(xiàn)擬合（直剪摩擦特性試驗(yàn)）

表3 土工格柵界面的強(qiáng)度指標(biāo)（直剪摩擦特性試驗(yàn)）

從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于土工格柵和周?chē)馏w的相互作用，界面處的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相比于土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)得到了明顯提高。同時(shí)，土工格柵的豎向間距對(duì)界面直剪摩擦特性試驗(yàn)是有影響的，豎向間距越小，界面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)越高，這主要是由于土工格柵和周?chē)馏w嵌固咬合在一起，形成一定的影響范圍，因此當(dāng)土工格柵豎向間距變小時(shí)，會(huì)對(duì)剪切面處土工格柵的界面特性產(chǎn)生一定的影響。另外，凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)界面直剪摩擦特性的影響不是很明顯，相同豎向間距條件下，凸點(diǎn)厚度2mm和凸點(diǎn)厚度5mm對(duì)應(yīng)的界面強(qiáng)度指標(biāo)無(wú)明顯變化。分析其原因主要是，直剪試驗(yàn)的剪切面相對(duì)固定，因此凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響有限，如圖7和圖8所示，界面周?chē)馏w水平位移增量的等值線(xiàn)圖基本一致。

圖7 界面周?chē)馏w水平位移等值線(xiàn)圖（豎向間距300mm，凸點(diǎn)厚2mm，豎向正應(yīng)力200kPa）

圖8 界面周?chē)馏w水平位移等值線(xiàn)圖（豎向間距300mm，凸點(diǎn)厚5mm，豎向正應(yīng)力200kPa）

2.2 土工格柵拉拔摩擦特性的研究

分別在有限元模型的頂面設(shè)置50kPa、100kPa和150kPa的豎向面荷載，且在上、下盒界面處土工格柵前部施加700mm指定面位移以模擬土工格柵界面的拉拔摩擦特性試驗(yàn)，如圖1（b）所示。此時(shí)，拉拔界面土工格柵長(zhǎng)770mm，相應(yīng)的實(shí)際接觸面面積為0.77m2。通過(guò)界面正應(yīng)力σ和界面剪應(yīng)力τ的直線(xiàn)擬合（如圖9所示），可以得到拉拔條件下土工格柵界面的強(qiáng)度指標(biāo)c界面和Φ界面，如表4所示。

圖9 界面正應(yīng)力σ和界面剪應(yīng)力τ的直線(xiàn)擬合（拉拔摩擦特性試驗(yàn)）

表4 土工格柵界面的強(qiáng)度指標(biāo)（拉拔摩擦特性試驗(yàn))

從表4中的計(jì)算結(jié)果可以看出，拉拔摩擦特性試驗(yàn)得到的界面強(qiáng)度指標(biāo)均大于直剪摩擦特性試驗(yàn)得到的界面強(qiáng)度指標(biāo)。分析其原因，主要是拉拔對(duì)周?chē)馏w的影響較直剪范圍更大，因此其相對(duì)移動(dòng)更為困難，相應(yīng)的界面強(qiáng)度指標(biāo)也更高。從圖10-圖13可以看出，土工格柵豎向間距越小，受土工格柵影響的土體范圍越大；相同豎向間距條件下，凸點(diǎn)厚度越厚，土工格柵的影響范圍也越大。因此，當(dāng)土工格柵豎向間距較小，且凸點(diǎn)厚度較厚時(shí)，界面的強(qiáng)度指標(biāo)較大。

圖10 界面周?chē)馏w水平位移等值線(xiàn)圖（豎向間距300mm，凸點(diǎn)厚2mm，豎向正應(yīng)力150kPa）

圖11 界面周?chē)馏w水平位移等值線(xiàn)圖（豎向間距300mm，凸點(diǎn)厚5mm，豎向正應(yīng)力150kPa）

圖12 界面周?chē)馏w水平位移等值線(xiàn)圖（豎向間距600mm，凸點(diǎn)厚2mm，豎向正應(yīng)力150kPa）

圖13 界面周?chē)馏w水平位移等值線(xiàn)圖（豎向間距600mm，凸點(diǎn)厚5mm，豎向正應(yīng)力150kPa）

3 結(jié)論

通過(guò)文中的研究可以看出，基于數(shù)值方法能較好模擬土工格柵和土體之間的相互作用，從而定量且直觀的研究土工格柵的界面特性，并得到如下結(jié)論：

（1）拉拔摩擦特性試驗(yàn)得到的界面強(qiáng)度指標(biāo)均大于直剪摩擦特性試驗(yàn)得到的界面強(qiáng)度指標(biāo)，分析其原因主要是拉拔土工格柵時(shí)對(duì)周?chē)馏w的影響范圍更大，發(fā)生相對(duì)變形更困難。因此，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)土工格柵加筋體結(jié)構(gòu)的破壞形式選擇相應(yīng)的界面參數(shù)，從而保證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性；

（2）土工格柵的豎向間距不同，界面特性試驗(yàn)得到的界面參數(shù)也不同，因此界面特性試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置除了滿(mǎn)足長(zhǎng)度和寬度的要求，還應(yīng)設(shè)計(jì)合理的儀器高度以考慮土工格柵間距的影響；

（3）采用板單元能夠模擬土工格柵特有的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)及其厚度對(duì)土工格柵界面特性的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出，凸點(diǎn)厚度從2mm變化至5mm，土工格柵對(duì)周?chē)馏w的咬合或嵌固作用也隨之增強(qiáng)，土工格柵的加筋作用更優(yōu)，且對(duì)土工格柵界面拉拔摩擦特性的影響更為明顯。

[1]楊廣慶.土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)理論及工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]M.Inanc Onur，Mustafa Tuncan，Burak Evirgen Bertan. Behavior of Soil Reinforcements in Slopes[J].Procedia Engineering，143（2016）：486-489.

[3]黃仙枝，白曉紅.加筋帶布置對(duì)地基承載力的影響[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，34（6）：1280-1283.

[4]唐曉松，鄭穎人，王永甫.土工格柵加筋土擋墻在某機(jī)場(chǎng)滑坡治理工程中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（S2）：60-64.

[5]李廣信，介玉新.土工合成材料加筋土邊坡的設(shè)計(jì)方法[A]//2013第四屆全國(guó)土工合成材料加筋土學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]，2013，61-84.

[6]李廣信.關(guān)于土工合成材料加筋設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（4）：605-610.

[7]張俊峰，王協(xié)群，鄒維列.土-格柵界面強(qiáng)度參數(shù)和剪切剛度試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2014，31（3）：77-83.

[8]王軍，林旭，劉飛禹.砂土與格柵界面相互作用的直剪試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35（S1）：113-120.

[9]王家全，周岳富，陸夢(mèng)梁.土工格柵拉拔試驗(yàn)及筋材受力特性分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，41（1）：134-140.

[10]鄭俊杰，苗晨曦，謝明星.界面特性及填料粒徑影響格柵加筋性能的離散元研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（8）：1423-1428.

[11]Nicola Moraci，Piergiorgio Recalcati.Factors affecting the pullout behaviour of extruded geogrids embedded in a compacted granular soil[J].Geotextiles and Geomembranes，24（2006）：220-242.

[12]S.Balakrichnan，B.V.S.Viswanadham，Evaluation of tensile load-strain characteristics of geogrids through in-soil tensile tests[J].Geotextiles and Geomembranes，36（2016）：1-10.

[13]蔡劍韜.土工格柵加筋膨脹土拉拔試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（S1）：203-307.

[14]M.Mosallanezhad，S.H.Sadat Taghavi，N.Hataf.Experimental and numerical studies of the performance of the new reinforecment system under pull-out conditions[J].Geotextiles and Geomembranes，44（2016）：70-80.

[15]M.S.Khedkar，J.N.Mandal.Pullout behaviour of cellular reinforcements[J].GeotextilesandGeomembranes，27（2009）：262-271.

[16]M.R.Abdi，A.R.Zandieh.Experimental and numerical analysis of large scale pull out tests conducted on clay reinforced with geogrids encapsulated with coarse material[J].Geotextiles and Geomembranes，42（2014）：494-504.

[17]中華人民共和國(guó)交通部.JTG E50-2006公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2006.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Influence of Geogrids Distance and Thickness of Salient Points on Interface Property Experiment

Geogrid has been growingly used because of its effective embedding with the surrounding soil,the mechanic property improvement for soil and low cost.At present,indoor experiments of interface property are conducted to study the reinforcement mechanism of geogrid,including direct shear friction experiment and pullout friction experiment.Due to the limitation of facility sizes and other experimental conditions,the influences of the vertical distances between geogrids and its peculiar salient points are hardly considered in most of current experiments,so some new method should be worked out.Based on numerical methods,this paper respectively studies the features of direct shear friction and pullout friction of geogrids and analyzes the influences of vertical distances between geogrids and the thickness of salient points on the interface property.The research shows that the strength indexes of interface are relatively larger and the functions of reinforcement are stronger when the vertical distances between geogrids are smaller and the thickness of salient points are larger.In practical engineering,the influence of vertical distances of geogrids and the thickness of salient points should be considered to choose reasonable strength indexes for the interface.

geogrids;interface property;numerical method;experimental simulation;strength index

TU599

A

1671-9107（2017）04-0035-05

基金論文：該論文為“重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ1754490)土工格柵摩擦加筋機(jī)理及其工程應(yīng)用”的研究論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.035

2017-02-16

唐曉松（1979-），男，江蘇海門(mén)人，博士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程穩(wěn)定性分析及其數(shù)值模擬研究。