基于P5含量的砂礫土與格柵拉拔試驗及破壞特性分析

康博文 周圓兀 王家全 唐瀅

摘 ? ?要：為研究砂礫土P5（粒徑[>]5 mm的粗顆粒質(zhì)量百分比）對土工格柵拉拔性狀及破壞特性的影響，利用土工合成材料綜合測定儀對不同P5的砂礫土進行了拉拔試驗，系統(tǒng)地研究了P5對拉拔力峰值、格柵破壞形式的影響及格柵拉拔阻力在不同填筑方式下的變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明：在同一法向應(yīng)力下，當P5由20%增長為30%時，拉拔力峰值增長為原來的1.1倍左右;當P5相同時，隨著法向應(yīng)力的增加，格柵破壞從撕裂演變?yōu)榕?，法向?yīng)力每增加25 kPa，橫向撕裂長度擴大2倍左右;當法向應(yīng)力一致時，改變P5，格柵破壞形式基本一致;在相同豎向壓力與P5含量下，分別采取擊實填筑與壓實填筑砂礫土，拉拔曲線分別表現(xiàn)為軟化、硬化兩種截然不同的發(fā)展趨勢.

關(guān)鍵詞：土工格柵;拉拔試驗;破壞特性;砂礫土;界面作用;

中圖分類號：TU311 ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.003

引言

砂礫土作為天然原材料，其儲量豐富，分布廣泛，便于取材且經(jīng)濟.砂礫土具有壓縮性低、承載力高、抗剪強度高，滲透性大等特點，同時由于其良好的界面摩擦特性，與土工合成材料相結(jié)合，被廣泛應(yīng)用于鐵路路基、高速公路基礎(chǔ)、土石壩、軟土地基處理等[1].

因此，關(guān)于砂礫土與土工合成材料的加筋作用研究備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注且取得一系列有價值的成果.Vangla等[2-3]研究了砂礫土顆粒尺寸及表面粗糙度對界面剪切行為的影響.Makkar等[4]利用大模型直剪試驗對三維土工格柵加筋的砂礫土進行直剪試驗，研究砂礫土顆粒尺寸、加筋形式等對加筋界面抗剪強度的影響并量化同顆粒土-加筋界面的界面剪切強度參數(shù).Moraci等[5]通過對嵌入不同壓實度填料的格柵進行拉拔試驗，試驗結(jié)果顯示拉拔阻力取決于土的物理性質(zhì)、土工合成材料強度以及幾何形狀等，特別是隨筋土抗剪強度、土工格柵承載面積的增加，橫桿等效厚度與顆粒平均直徑之比B/D50減小，拉拔阻力顯著增加.關(guān)于砂礫土動力特性方面，孫田等[6]對級配相同顆粒形狀不同的砂礫土進行動三軸對比試驗，研究礫石顆粒形狀對砂礫土動剪切模量和阻尼比的影響，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)礫石顆粒形狀對砂礫土動剪切模量的影響與有效圍壓、剪應(yīng)變幅值有關(guān).趙凱等[7]利用改進的GDS循環(huán)三軸試驗系統(tǒng)對不同 P5的砂礫土開展動殘余變形試驗，研究了P5等對砂礫土動殘余變形特性的影響.吳琪等[8]對不同細粒含量FC的細粒-砂粒-礫?；旌狭线M行了不排水循環(huán)3軸試驗，基于顆粒接觸狀態(tài)理論，探討了FC對細粒-砂粒-礫?；旌狭蟿訌姸菴RR的影響.王炳輝等[9]為研究砂礫土抗液化強度問題，對不同礫含量，不同相對密度的砂礫土進行了小型土箱振動臺試驗，試驗結(jié)果表明含礫量和相對密度的增加后，砂礫土的抗液化強度明顯增大且趨勢越來越明顯.

綜上所述，現(xiàn)階段對砂礫土的研究主要是土顆粒物理性狀對砂礫土界面特性、動力特性的影響，關(guān)于砂礫土粗粒組對土工格柵拉拔行為影響鮮有研究.砂礫土是指我國現(xiàn)行《土工試驗規(guī)程》[10]所定義的包括礫類土和砂類土在內(nèi)的粗粒土.P5作為其分界粒徑（P5[<]5 mm為細料，P5[>]5 mm為粗料）對砂礫土與土工合成材料界面力學(xué)性質(zhì)有顯著影響[11-13].因此，本文采用級配良好的砂礫土，在不同P5下進行拉拔試驗，研究不同P5對砂礫與土工格柵拉拔行為及格柵破壞的影響，為加筋工程提供更有意義的設(shè)計建議.

1 ? ?砂礫土拉拔試驗

1.1 ? 試驗材料

本次試驗采用一種雙向土工格柵，5組P5含量的砂礫土，分別在法向應(yīng)力25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa這4種法向壓力下進行拉拔試驗.試驗采用的聚丙乙烯雙向土工格柵具體技術(shù)指標如表1所示.

按照《土工合成材料測試規(guī)程》（SL 235-2012）[14]對河砂進行篩分，分別配制3組級配良好的砂礫土，其中P5含量分別為20%、25%和30%.由于控制試驗變量，配置后的砂礫土除P5含量不同外，級配曲線基本一致，故僅列出P5=30%時的級配曲線，如圖1所示.

1.2 ?試驗裝置

用于砂礫土拉拔試驗儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TZY-1型土工合成材料綜合測定儀.該儀器主要由變速箱、夾具、垂直框架、剪切盒、滑動部件、氣缸、頂頭部件、電器箱、控制面板、機架及數(shù)據(jù)采集軟件等部件組成，常用于測定土工合成材料的力學(xué)特性以及土與合成材料相互作用特性試驗.通過儀器所給氣壓值和法向力的換算系數(shù)，確定豎直荷載下的氣壓值，再通過氣泵向高精度調(diào)壓閥和滾動隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)施加氣壓;水平拉拔力采用應(yīng)變控制加荷方式，由步進電機驅(qū)動變速箱均勻施加;數(shù)據(jù)處理由8031單片微機控制，采樣速度10次/s，數(shù)字顯示應(yīng)力-應(yīng)變或應(yīng)力-位移，自動判斷峰值，實時傳輸力與位移的數(shù)據(jù)給計算機，或試驗結(jié)束后一次傳輸整個試驗的全部數(shù)據(jù).

1.3 ? 試驗方法

首先，用分層填筑法將砂礫土從下往上按每層厚25 mm依次填筑至與下盒頂部齊平;再以拉拔盒中軸線為基準，對稱鋪置寬度小于拉拔盒20 mm的格柵;然后，用銷釘將上盒固定在下盒上.為防止因拉拔口高度過低，砂礫土粗粒因卡槽中的鋼片嵌固在拉拔口，使低強度格柵提前斷裂影響試驗正確性，故在鋼片兩端分別墊上高度合適且一致的橡膠墊片.當上述要求準備好后，通過氣泵施加預(yù)定法向應(yīng)力進行預(yù)壓，預(yù)壓完畢后，以1.5 mm/min的速度進行試驗，當格柵拉拔位移達到35 mm或者拉拔力達到峰值力平穩(wěn)后試驗結(jié)束.在試驗結(jié)束后，除電腦與儀器自動采集的拉拔位移曲線外，還需取出埋置于填料的格柵，對其在不同P5含量、豎向荷載下的拉伸、破壞方式進行觀察分析.

2 ? ?試驗結(jié)果與分析

2.1 ? ?P5對拉拔曲線的影響

圖2為各P5砂礫土在不同法向應(yīng)力下的拉拔曲線變化情況.由圖2分析可知：P5含量對拉拔曲線總體發(fā)展趨勢無顯著影響，各法向應(yīng)力下，拉拔力發(fā)展趨勢基本一致.法向應(yīng)力從25 kPa增長至50 kPa、 ?75 kPa和100 kPa，土工格柵的拉拔力逐次增加，其中，法向應(yīng)力達到100 kPa時，土工格柵在拉拔過程中發(fā)生斷裂，其拉拔力峰值急劇下降.在低法向應(yīng)力（[σv<75 kPa]）下，雖然P5增加，但低法向應(yīng)力的約束作用不能使粗細顆粒與土工格柵產(chǎn)生緊密的接觸和良好的咬合嵌固作用，格柵抗拔阻力較小，且拉拔阻力在土工格柵抗拉強度范圍內(nèi)，故土工格柵未被破壞，砂礫土與土工格柵上下面的界面摩擦力及橫肋

的嵌固咬合作用能完全發(fā)揮，各法向應(yīng)力下拉拔力隨著拉拔位移增加逐步發(fā)揮并達到峰值;而高法向應(yīng)力（σv≥75 kPa）下，隨著P5從20%分別增加至25%和30%，格柵均在σv=75 kPa和100 kPa下發(fā)生斷裂，其破壞峰值強度基本一致，該兩種工況的拉拔曲線的峰值由格柵本身的抗拉強度控制，并非由筋土界面強度控制.這是因為P5增加使得加筋土整體結(jié)構(gòu)在相同法向應(yīng)力約束下更為密實，在拉拔過程中拉拔阻力超出了土工格柵極限抗拉強度導(dǎo)致格柵被拉斷，拉拔阻力還未達到峰值便急劇下降.

2.2 ? 格柵破壞形式

圖3、圖4為分別以σv、P5為影響因素進行試驗的格柵破壞圖，土工格柵破壞位置皆位于試驗箱拉拔口附近，且集中于土工格柵同一橫格內(nèi).經(jīng)過多組工況觀察，破壞結(jié)果相似.這說明埋置于砂礫土的土工格柵與拉拔箱外暴露在空氣的土工格柵段相比，拉拔箱內(nèi)部格柵受到土體的約束，格柵變形較小，而拉拔箱外部的土工格柵裸露于空氣中，未受到約束，其變形較大，故土工格柵破壞均在試驗箱拉拔開口處發(fā)生破壞.

其中，圖3為P5=30%時σv下格柵破壞圖.從圖3分析可知，隨著σv增加，格柵破壞程度加劇.當σv=25 kPa時，格柵基本沒有形變，σv增至50 kPa時，格柵橫肋開始出現(xiàn)形變，σv達到75 kPa、100 kPa時，格柵發(fā)生拉斷破壞.且σv每增加25 kPa，格柵橫向破壞長度增長近2倍.圖4為σv=100 kPa時，不同P5下格柵破壞圖，格柵破壞程度隨著P5增加而不斷增加.拉拔力峰值本因P5增加而上升，但格柵強度較低，σv=100 kPa時格柵斷裂，導(dǎo)致拉拔力峰值相差無幾.在相同拉拔力峰值下，P5差異使得筋土內(nèi)部細、粗粒間咬合固嵌程度不同.P5=20% 時，拉拔力達到峰值，筋土摩擦、固嵌咬合作用不足，格柵被立即拉出;隨著P5增大，筋土嵌固作用加強，拉拔力峰值作用在土工格柵的時間更長，使得破壞加劇.

在實際加筋工程中，筋土結(jié)構(gòu)亦存在這種破壞形式.在筋土界面摩擦力及橫肋的嵌固咬合作用還未完全發(fā)揮時，由于土工格柵的彈模過低，致使土工格柵被拉斷.值得注意的是在實際加筋土工程中，當土工格柵被拉斷破壞時，設(shè)計驗算不能用摩爾-庫倫公式求取加筋土界面抗剪強度指標，因為摩爾-庫倫理論成立的前提是筋土處于極限平衡狀態(tài).筋土界面強度是指筋土抵抗剪切破壞的極限強度，筋土界面摩擦力及橫肋的嵌固咬合作用完全發(fā)揮達到極限強度時，摩爾-庫倫公式才成立.

2.3 ? P5對不同填筑方式下拉拔阻力影響分析

拉拔試驗過程中，砂土的擊實填筑與壓實填筑對試驗結(jié)果影響顯著.圖5為P5=30%、σv=50 kPa時的拉拔曲線.由圖5可知，擊實填筑下的拉拔位移曲線呈軟化型，壓實填筑下的拉拔曲線為硬化型，且拉拔阻力峰值大小基本一致，擊實填筑下拉拔力達到峰值的拉拔位移為壓實填筑下的50%左右.同一P5的砂礫土在相同法向應(yīng)力下呈現(xiàn)兩種截然不同的拉拔曲線，這是由于砂礫土中較多粗顆粒導(dǎo)致的.壓實情況下，砂礫土中粗顆粒與細粒構(gòu)成的整體孔隙較大，低法向應(yīng)力下砂礫土壓實不足，未使顆粒間咬合嵌固充分.拉拔時，在法向應(yīng)力的豎向約束下，各顆粒被格柵帶動，顆粒旋轉(zhuǎn)、重組，砂礫土不斷被密實，故拉拔阻力隨拉拔位移的增加逐漸增大.擊實情況下，砂礫土在拉拔開始時就已被充分密實，拉拔過程中格柵與砂礫土界面摩擦、嵌固咬合逐步發(fā)揮并達到極點，之后顆粒旋轉(zhuǎn)、重排，破壞筋土結(jié)構(gòu)，拉拔力又逐漸下降.擊實相比壓實跳過密實階段，故擊實時拉拔阻力增大速度快于壓實填筑時的拉拔阻力發(fā)展速度.

在實際粗粒土加筋工程中，擊實填筑可使筋土結(jié)構(gòu)在相同拉拔位移下產(chǎn)生更大的拉拔阻力并比壓實填筑更迅速地達到拉拔阻力峰值.當受到相同外力拉拔時，擊實填筑下土工格柵被拔出端長度更短，筋土結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定.

2.4 ? P5對拉拔力峰值的影響分析

為研究P5對拉拔力峰值的影響，選取P5=20%、25%、30%在各法向應(yīng)力下進行拉拔試驗，試驗結(jié)果見表2.綜合表2、由圖6可知，當法向應(yīng)力σv≤75 kPa時，在相同法向應(yīng)力下拉拔力峰值隨著P5增加而增加.在25 kPa下，拉拔力峰值由1.71 kN（P5=20%）變?yōu)?.83 kN（P5=30%），為原來的1.1倍;在50 kPa下拉拔力峰值由2.7 kN（P5=20%）變?yōu)?.86 kN（P5=30%），為原來的1.06倍.當法向應(yīng)力從75 kPa增加至100 kPa時，各P5下的拉拔峰值都趨于2.9 kN左右.這是因為，在高法向應(yīng)力下，土工格柵與砂礫土拉拔產(chǎn)生的拉拔阻力較大，筋土界面摩擦力及橫肋的嵌固咬合力尚未完全發(fā)揮至最大值，拉拔力便超過土工格柵的極限拉伸強度使格柵發(fā)生斷裂，拉拔力無法繼續(xù)增長.因此，在實際施工中選取合適強度的格柵是其充分發(fā)揮加筋作用的關(guān)鍵.

3 ? ?結(jié)論

1）隨法向應(yīng)力與砂礫土的P5含量增加，格柵破壞形式都有不同程度加劇，但土工格柵破壞點基本分布于格柵節(jié)點區(qū)域，且法向應(yīng)力對格柵破壞的影響大于P5.法向應(yīng)力增加時，格柵變形加劇，從格柵橫肋微變形轉(zhuǎn)變?yōu)楦駯殴?jié)點小范圍撕裂，最后直接橫向整齊劈裂，且法向應(yīng)力每增加一級，格柵橫向破壞長度增加2倍左右.

2）擊實填筑與壓實填筑兩種方式下土工格柵與砂礫土的界面拉拔力峰值基本接近，但擊實填筑、壓實填筑下的拉拔曲線截然不同，分別呈軟化型、硬化型，且擊實填筑比壓實填筑更快達到拉拔力峰值，前者對應(yīng)的拉拔位移是后者的50%.土工格柵拔出位移一致時，擊實填筑下的筋土結(jié)構(gòu)能夠更快速的達到峰值發(fā)揮加筋作用，筋土結(jié)構(gòu)受力更為穩(wěn)定.

3）在低法向應(yīng)力（σv[<]75 kPa）下，土工格柵在抗拔強度范圍內(nèi)，隨著P5=20%增加至30%，格柵拉拔力不斷增加，峰值增長為原來的約1.1倍.當格柵拉拔力超過土工格柵極限拉伸強度后，高法向應(yīng)力（σv≥75 kPa）下，拉拔力達到土工格柵極限拉伸強度后，格柵斷裂，進一步增加P5含量和法向壓力，拉拔力無法繼續(xù)增大，拉拔力峰值基本趨于2.9 kN.在實際施工中選取合適強度的土工格柵是其充分發(fā)揮加筋作用的關(guān)鍵.

4）砂礫土P5從20%增加至30%，高法向應(yīng)力下土工格柵發(fā)生拉拔斷裂，且隨著P5增加，筋土界面作用增強，拉拔力峰值增大，土工格柵拉拔破壞所需法向應(yīng)力降低.

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Abstract： Aiming at studying the influence of gravel soil P5 on the pullout test behavior of geogrid， the P5 peak pull-out force， geogrid failure form and the development law of geogrid force-displacement curve under different filling methods were systematically studied by the geosynthetics comprehensive measuring instrument which was used to carried out pullout test by the gravel soil of different P5. The test results indicate that under the same normal stress， when P5 improve from 20% to 30%， the peak pull-out force increases about 1.1 times. In some test groups， the tensile modulus cannot be measured due to the low elastic modulus of the geogrid. When at constant P5， as the normal stress increases， the geogrid failure form changes from tear to split. When the normal stress increases 25 kPa， the lateral tear length expands by about 2 times. When the normal stress is consistent， change P5， the form of failure is very similarly; under the same vertical pressure and P5 content， compaction and press of gravel soil will result in two distinct development trends： strain softening and hardening of the pullout curve.

Key words： geogrid; pullout test; failure characteristics; gravel soil; interface interaction

（責任編輯：黎 ?婭）