加筋土界面特性拉拔試驗(yàn)儀的研發(fā)進(jìn)展

楊和平，萬 亮,2，肖 杰

(1.長沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長沙 410076；2.安徽省農(nóng)墾集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

加筋土是一種在土中加入筋材而形成的復(fù)合土體，當(dāng)承受壓力時(shí)，筋土間的相互作用能限制土體側(cè)向位移，等效于施加一側(cè)向壓力增量，從而大大提高其強(qiáng)度和整體性。所加筋材包括草、竹、木等植物纖維，鋼帶、鋼筋網(wǎng)格等金屬材料及土工織物、土工格柵等多種土工合成材料。用添加筋材來加強(qiáng)土工結(jié)構(gòu)物古已有之。遠(yuǎn)在新石器時(shí)代，我們的祖先就利用茅草作為加筋材料筑做房屋的土墻和屋頂，距今已有五六千年的歷史[1]。20世紀(jì)30年代以來，化纖材料工業(yè)迅速發(fā)展，聚乙烯土工膜、土工織物、土工格柵等多種有機(jī)纖維材料相繼問世，更加豐富了土中加筋的復(fù)合結(jié)構(gòu)。1969年，法國工程師Vidal開展模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土中添加有機(jī)纖維材料能明顯提高其強(qiáng)度，進(jìn)而研究提出現(xiàn)代加筋土理論[2]。

為獲得土中加筋的工作機(jī)理，弄清筋、土間的相互作用力，國內(nèi)外不少學(xué)者研發(fā)拉拔測試儀并開展了大量試驗(yàn)研究[3]，但時(shí)至今日，仍沒有統(tǒng)一完善的拉拔試驗(yàn)儀器及操作方法，導(dǎo)致即使用同一種土工格柵加筋同一種土，各家因測試儀器及施測方法不同，所得測試結(jié)果常大相徑庭。為此，有必要回顧土中加筋拉拔試驗(yàn)儀的研發(fā)過程并探究該領(lǐng)域今后研究的方向。通過梳理國內(nèi)外已有拉拔試驗(yàn)成果，基于長沙理工大學(xué)自主研發(fā)的大型數(shù)控拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)十多年來的大量試驗(yàn)研究，分析總結(jié)已研發(fā)儀器及在測試中的主要優(yōu)、缺點(diǎn)，嘗試提出其改進(jìn)方向，以期為新儀器研發(fā)與規(guī)范試驗(yàn)測試方法提供參考。

1 拉拔試驗(yàn)儀研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國外的研發(fā)情況

國外較早開展拉拔試驗(yàn)研究，1977年Alim等[4]、1978年McGown等[5]、1980年Jewell[6]率先開始該項(xiàng)工作并探索了邊界條件對測試結(jié)果的影響。表1給出了近30年拉拔儀的研發(fā)狀況。

1.2 國內(nèi)的研發(fā)情況

國內(nèi)的拉拔試驗(yàn)始于1989年，許仲生[18]改造了剪切面30 cm×30 cm的直剪儀做拉拔試驗(yàn)，研究土工織物加筋土的界面特性，得出織物與土間摩擦受兩者性能的影響，測試時(shí)拉拔速度宜為4～7 mm/min。近20年隨著國內(nèi)加筋土工程日益增多，不少學(xué)者也開發(fā)儀器做拉拔試驗(yàn)。表2給出了儀器的研發(fā)情況。

2000年，楊果林等[19]用83 cm×45 cm×70 cm的木質(zhì)模型箱開展拉拔試驗(yàn)，水平力由吊籃加砝碼施加，應(yīng)力控制拉拔方式(每級拔出荷載持續(xù)5 min、荷載增量50～100 N)。結(jié)果表明，土與箱壁間摩擦、拔出速率、墻板剛度、筋材上下填土厚、土的級配、強(qiáng)度、圓滑程度、密實(shí)度及筋材夾具等均影響測試結(jié)果。

2001年，吳景海等[20]用50 cm×24 cm×30 cm的模型箱做拉拔試驗(yàn)，豎向加載用油壓千斤頂，水平加載用機(jī)械千斤頂，拉拔速度1 mm/min，并實(shí)施應(yīng)變控制，研究土工合成材料加筋砂土及粉煤灰的拉拔系數(shù)。測得不同填料及土工材料的拉拔系數(shù)相差較大，提出須由拉拔試驗(yàn)來確定合適的拉拔系數(shù)。

2003年，施有志等[21]為評價(jià)格柵加筋砂礫、粗砂及殘積土的界面摩擦系數(shù)，將箱體20 cm×20 cm×12 cm的直剪儀改裝成小型拉拔儀做拉拔試驗(yàn)，通過加砝碼控制水平力并與有紡?fù)凉げ技咏钔磷霰容^。結(jié)論是箱體小時(shí)邊界影響大且填料的密實(shí)度不易控制，需改進(jìn)設(shè)備與試驗(yàn)方法使測試結(jié)果接近實(shí)際工況。

2004年，徐林榮等[22]研制了專測膨脹土與土工格柵界面作用的裝置，箱體(110 cm×50 cm×90 cm)用木板及角鋼制成，豎向加載用油壓千斤頂，水平拉力由滑輪、電機(jī)及變速箱提供。研究提出測試步驟、要求和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及夾具與筋材連接、位移傳感器安置、豎向及水平加載要點(diǎn)。確定了結(jié)束試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，拉拔力下降且趨于穩(wěn)定，筋材末端產(chǎn)生位移。

2006年，張嘎等[23]改造大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀(TH-20t CSASSI)，用拉拔試驗(yàn)車替換土容器車，在水平加載單元上連結(jié)固定結(jié)構(gòu)的夾具，開展土工布加筋土拉拔試驗(yàn)。測得土與織物接觸面剪脹作用使抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈非線性，土工布錨固強(qiáng)度與法向應(yīng)力為曲線關(guān)系，宜用對數(shù)函數(shù)描述。

2012年，蔡春等[27]研發(fā)了帶加強(qiáng)肋單向格柵加筋砂土拉拔儀，其箱內(nèi)尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，側(cè)面開設(shè)窗口以觀察土體擾動變形。測得同法向應(yīng)力作用時(shí)帶肋格柵的極限拉拔力明顯比普通格柵的大，且隨肋厚、肋距增大，拉拔力增大愈顯著或逐漸減小。

2016年，王家全等[28]在60 cm×40 cm×50 cm箱的一側(cè)壁中心裝上鋼化玻璃窗，用高清數(shù)碼和體視顯微鏡對試驗(yàn)中筋土界面土粒實(shí)時(shí)錄像，獲取界面處土粒位移及孔隙率的變化。結(jié)果表明，豎向荷載越大，土與格柵界面摩擦和嵌固作用越顯著；荷載達(dá)到一定值時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞由格柵整體位移拔出變?yōu)樽陨頂嗔?，符合兩種典型的工程破壞；界面土粒位移的模式分平移及轉(zhuǎn)動，且位移集中帶前厚后薄。

2017年，丁金華等[29]將原土-土工合成材料界面直剪儀增加閉環(huán)伺服電氣控制及應(yīng)力變形測量兩系統(tǒng)，開發(fā)了箱體60 cm×30 cm×30 cm的既能直剪又能拉拔的多功能試驗(yàn)機(jī)。對比有、無側(cè)限約束時(shí)加筋的力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)兩者特性參數(shù)的差別較大，建議工程中注重筋材實(shí)際約束條件，用合適試驗(yàn)方法獲取特性參數(shù)，確保安全與經(jīng)濟(jì)。

2019年，肖成志等[30]研制了箱體80 cm×40 cm×55 cm的中型拉拔儀做雙向格柵加筋砂土拉拔試驗(yàn)，獲取界面正應(yīng)力、橫肋百分比、格柵寬度和拉拔速率對筋-土界面作用及格柵橫肋受力的影響。儀器特點(diǎn)是箱前端預(yù)留高、寬各 1 cm和34 cm的縫隙，引筋材出箱連接夾具，箱內(nèi)壁襯貼5 mm厚鋼化玻璃以減小摩擦。

1.3 規(guī)范對拉拔儀的有關(guān)規(guī)定

《土工合成材料測試規(guī)程》(SL235—2012)[31]，要求箱體≮40 cm×25 cm×25 cm，在箱前壁半高處開一5 mm橫貫全寬平縫引土工材料出箱，緊貼縫壁裝能上下抽動的板以調(diào)節(jié)縫隙防土粒出漏(見圖1)。測試時(shí)拉拔速率根據(jù)土性，砂性、黏性土的拉拔速率宜分別取0.5 mm/min及0.5～1.0 mm/min。

表2 國內(nèi)拉拔儀器研發(fā)一覽表

圖1 拉拔試驗(yàn)示意圖

《公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE50—2006)[32]要求箱體≮25 cm×20 cm×20 cm，箱前壁半高處也開一全寬平縫(5 mm)引土工材料出箱，貼緊縫壁內(nèi)也設(shè)抽動板調(diào)節(jié)縫隙以防拉拔時(shí)土粒出漏(見圖2)。一般拉拔速率0.2～3.0 mm/min，砂性土可用0.5 mm/min，由填料土性定固結(jié)時(shí)間：粒狀土≮15 min，黏性土則是每小時(shí)豎向變形增量≤0.000 25h(h為填土高)。

圖2 拉拔試驗(yàn)箱示意圖

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6706-01[33]建議箱體≮61 cm×46 cm×30.5 cm，并規(guī)范了夾具及加載與位移監(jiān)測系統(tǒng)(見圖3)，規(guī)定試驗(yàn)時(shí)的空氣濕度為60%±10%，溫度(21±2) ℃，拉拔速度取(1±10%) mm/min。

圖3 土工合成材料拉拔試驗(yàn)裝置

由上述分析可知，試驗(yàn)箱、加荷及量測系統(tǒng)是儀器的主體部分，目前對3者的規(guī)格及使用仍無統(tǒng)一明確的規(guī)定，且國內(nèi)兩規(guī)范頒發(fā)距今已久，不能與時(shí)俱進(jìn)反映儀器研發(fā)的新進(jìn)展。各家儀器最大的不同是箱體尺寸，尤其是長、寬之差別；其次是箱壁摩擦及拉拔速度的影響；而水平與豎直加載及位移監(jiān)測大多朝著可控、可視及數(shù)字化發(fā)展。研發(fā)現(xiàn)狀及尚存問題可歸納如下：

(1)試驗(yàn)中填料多為砂土。一是其無黏性且強(qiáng)度參數(shù)僅內(nèi)摩擦角易獲得；二是土質(zhì)均勻，施測時(shí)密度好控制。不過測試時(shí)拉拔出口端易發(fā)生砂土外漏，且工程填料一般帶黏性或?yàn)閾交茵ね?，僅用砂土做試驗(yàn)有別于工程實(shí)際。

(2)試驗(yàn)研究參數(shù)多為筋土界面系數(shù)，即最大拉拔力與埋入筋材的面積之比。它較適于土工織物加筋，對網(wǎng)格尺寸不統(tǒng)一的格柵不合適，因埋入同面積的格柵若橫肋數(shù)不同，測試值會大不一樣，確定試驗(yàn)參數(shù)須考慮筋材與填土特點(diǎn)。

(3)僅ASTMD6706-01提出試驗(yàn)工作環(huán)境參考要求，國內(nèi)規(guī)范均無規(guī)定，土工織物多是聚乙烯或聚丙烯材料，測試溫度對其性質(zhì)影響大，而濕度對細(xì)粒土影響大，拉拔試驗(yàn)宜考慮環(huán)境溫、濕度影響。

2 CS-LB01系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)性能簡介

2006年，長沙理工大學(xué)首創(chuàng)單向土工格柵加筋柔性支護(hù)技術(shù)，成功治理了寧明膨脹土塹坡坍滑。為獲得加固機(jī)理并提出科學(xué)合理設(shè)計(jì)方法，需得到膨脹土與格柵相互作用界面參數(shù)，因此自主研發(fā)了國內(nèi)箱體最大的大型數(shù)控拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)(CS-LB01)并獲得多項(xiàng)國家專利[24]。

圖4為CS-LB01主機(jī)，表3為其主要性能指標(biāo)，其特色是試驗(yàn)接觸面大且能施加大的豎向荷載并產(chǎn)生較大相對位移。整個(gè)系統(tǒng)由測試主機(jī)、壓力伺服控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓實(shí)與起吊輔助設(shè)備4部分組成(見圖5)。

圖4 CS-LB01拉拔測試主機(jī)(單位：mm)

表3 CS-LB01主要性能

圖5 CS-LB01試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)試驗(yàn)箱體大(120 cm×50 cm×50 cm)，不僅適用于土工織物、土工網(wǎng)等縱橫向尺寸差距不大的土工材料，也適用于單向土工格柵等縱橫肋尺寸差距較大的土工材料。

(2)拉拔過程可采取恒速或恒力控制，即可依工程的實(shí)際情況選擇不同拉拔方式。

(3)填料可用礫石、砂土、黏土等各類土。

(4)采取上、下雙面氣囊并配置穩(wěn)壓伺服系統(tǒng)使法向壓力的施加更均勻穩(wěn)定。

(5)將側(cè)壁摩擦轉(zhuǎn)化為筋材表面法向壓力，可消除側(cè)壁摩擦對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

(6)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取土中加筋的位移-拉力關(guān)系。選用Microsoft Visual Basic為開發(fā)平臺操作軟件并充分利用組件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)操作和控制的全屏完整顯示。

2.3 系統(tǒng)的不足

(1)拉拔量程仍不夠。其設(shè)計(jì)量程為8 cm，若試驗(yàn)時(shí)加筋長120 cm，筋材應(yīng)變?yōu)?0%，拉動后的全部位移至少12 cm，當(dāng)施測上覆壓力較大時(shí)，夾具位移會大于設(shè)計(jì)量程，可能測不到最大拉拔力。

(2)夾具設(shè)計(jì)需優(yōu)化。夾具為機(jī)械式咬合且外置，僅能測試土工織物、土工格柵等二維材料，無法測土工格室等三維加筋，使用范圍受限。

(3)試驗(yàn)拉拔方向單一。設(shè)計(jì)拉拔方向僅為水平，不能變換拉拔角度，若實(shí)際工程的拉拔力沿非水平向時(shí)無法模擬。

(4)拉拔過程中筋、土間相互作用不可視。采用位移及拉力傳感器等，將數(shù)據(jù)傳輸電腦系統(tǒng)做分析后屏幕顯示參數(shù)間關(guān)系曲線，無窗口可直視測試時(shí)筋、土界面作用的發(fā)生和發(fā)展過程。

3 未來拉拔儀的研發(fā)與展望

3.1 試驗(yàn)儀器

(1)箱體尺寸

箱體大小取決于試驗(yàn)?zāi)康呐c對象。大箱適用范圍廣，可對粗粒與較長加筋材料直接做拉拔試驗(yàn)，減少邊界效應(yīng)的影響，更接近實(shí)際。而細(xì)粒、砂土與土工布或網(wǎng)等加筋材料的拉拔試驗(yàn)，用小箱高效、便捷且經(jīng)濟(jì)。

(2)夾具設(shè)計(jì)

國外有將其內(nèi)置于箱體并設(shè)有一筒套可防填料帶出，故箱體大對制樣過程要求高。國內(nèi)基本是將夾具外置，一是為減小箱體，二是方便操作，且可確保測試時(shí)筋土間接觸面積符合實(shí)際。但夾具外置使部分筋材被拔出箱體而減小筋土實(shí)際接觸面積。

(3)拉拔方向與位移量程

目前，絕大部分儀器是采用水平向拉拔，目的是研究錨固段的筋土相互作用，少見依實(shí)際工況模擬設(shè)有傾角的拉拔，但變角度拉拔可從拉拔與錨固兩方面研究筋土間相互作用，更符合實(shí)際。夾具位移量設(shè)計(jì)宜與箱長匹配，若筋材鋪滿箱體，應(yīng)考慮拉拔時(shí)其產(chǎn)生10%應(yīng)變，為測得最大拉拔力設(shè)計(jì)量程宜>1/10箱長。

(4)可視化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有儀器的可視化測試多采用鋼化玻璃墻壁及X射線(拍照)法等。透過鋼化玻璃側(cè)壁來觀察拉拔時(shí)筋土界面作用的方法雖成本低，但可視效果有限且受邊界條件影響大；而連續(xù)跟蹤的X射線攝影法可視化效果佳，但在試驗(yàn)準(zhǔn)備、材料、操作等方面所需成本及要求高。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)選取

(1)拉拔速度

陳榕等[34-35]研究表明，測試時(shí)的拉拔速度對結(jié)果影響較大，速度較大或較小時(shí)所測的土中加筋最大拉拔力均較大，因隨拉拔速度改變，加筋材料對填料的剪切機(jī)理也在變。故做同種筋材與不同填料的加筋效果比較試驗(yàn)，必須采用相同的拉拔速度。

(2)拉拔位移

目前結(jié)束拉拔試驗(yàn)大多取最大拉拔力出現(xiàn)或加筋材料被拉斷的時(shí)點(diǎn)，此時(shí)土中加筋已產(chǎn)生較大位移，而實(shí)際中不同工程結(jié)構(gòu)的允許變形不一樣，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)筋材拉拔位移量應(yīng)與工程結(jié)構(gòu)的允許量相匹配。

(3)測試時(shí)的溫、濕度條件

王釗等[36]做土工材料拉伸試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度對拉伸強(qiáng)度、伸長率均有一定影響。李齊仁等[37]由改變填料含水率的拉拔試驗(yàn)得到，濕度也影響試驗(yàn)時(shí)筋土間相互作用力。美國標(biāo)準(zhǔn)[33]則明確規(guī)定了拉拔試驗(yàn)時(shí)的溫度、濕度?？梢姕y試環(huán)境對筋、土的力學(xué)性能影響較大，須按每個(gè)工程的實(shí)際環(huán)境，合理設(shè)定測試時(shí)溫度、濕度條件。

(4)箱內(nèi)填料的填筑碾壓

以往的填料多為砂土，其填筑質(zhì)量用密實(shí)度評價(jià)，而實(shí)際工程填料一般帶黏性，箱內(nèi)填筑時(shí)應(yīng)按工程的加筋部位采用規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)度實(shí)施水平分層填壓控制。

3.3 試驗(yàn)測試有關(guān)注意事項(xiàng)

(1)盡量消除箱壁摩擦

Sugimoto等[11]研究發(fā)現(xiàn)即使是用鋼化玻璃制作，箱壁的摩阻不容忽視。施測時(shí)側(cè)壁摩擦?xí)淖饔糜谕翆拥牟糠址ㄏ蛄Γ菇钔两缑鎸?shí)際荷載難以精準(zhǔn)獲取。CS-LB01通過在上、下箱體間設(shè)預(yù)提升螺釘避免兩者直接接觸，巧妙地將側(cè)壁摩擦轉(zhuǎn)為筋土界面上覆壓力，使法向壓力=上覆土層自重+上箱體自重+氣囊施加壓力，箱壁摩擦得以消除，對比試驗(yàn)測得其最大拉拔力的提高幅度達(dá)24.14%[24]。

(2)加筋材料的裁剪制作

土工布、土工網(wǎng)、雙向土工格柵等筋材，其鋪設(shè)面積直接按設(shè)計(jì)長、寬尺寸裁剪；而單向土工格柵因橫肋間距大，測試中橫肋承擔(dān)的剪力占筋土相互作用拉拔力的比重大，裁剪時(shí)須確保參與拉拔橫肋根數(shù)準(zhǔn)確。

(3)測試時(shí)夾具夾緊筋材的時(shí)點(diǎn)

填完筋材的上層土，立刻用夾具夾緊筋材，再填筑上箱體填料并施加豎向荷載，此時(shí)施測所得拉拔力與完成全部填筑后的豎向加載，與再用夾具夾緊筋材所測的拉拔力值會有差別，原因是夾緊筋材后再填筑和加載，使拉拔前的筋土間已有作用力，這樣的試驗(yàn)較符合實(shí)際。

3.4 拉拔試驗(yàn)的研究參數(shù)

拉拔試驗(yàn)測得的最直接成果是拉拔力與拉拔位移(時(shí)間)之關(guān)系，最大拉拔力由筋、土表面摩擦及筋材橫肋剪切填料兩部分構(gòu)成，故宜將摩擦力和剪切力定為研究參數(shù)。目前，因各家筋材的規(guī)格不統(tǒng)一，尤其是單向土工格柵縱、橫肋的寬度及間距均不相同，直接影響加筋效果，如何用兩參數(shù)統(tǒng)一評價(jià)不同型號筋材的加筋效果，確需深入研討。不過每款產(chǎn)品單位面積中的空隙面積固定，文獻(xiàn)[38]引入空隙率概念求筋材與填料間有效作用面積后，用摩擦系數(shù)即可求筋土間摩擦力，這樣參與剪切筋材的橫肋截面積就成了剪切力求算的關(guān)鍵。

隨著計(jì)算機(jī)高度發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟，由少量拉拔試驗(yàn)獲取必要參數(shù)后，用數(shù)值分析軟件準(zhǔn)確模擬筋、土相互作用的發(fā)生、發(fā)展過程[39]，可迅速確定最優(yōu)加筋方式，并促進(jìn)廠商對筋材設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)施改型與升級。

4 結(jié)論

(1)與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)及工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展俱進(jìn)，新型拉拔儀的研發(fā)也應(yīng)根據(jù)加筋材料及填料的特點(diǎn)，將可控、可視和數(shù)字化作為重點(diǎn)和方向，以使新儀器的測試過程與結(jié)果更貼近工程實(shí)際，加快土中加筋作用機(jī)理研究的進(jìn)程。

(2)試驗(yàn)箱體的尺寸，宜根據(jù)填料及加筋的類型設(shè)計(jì)，測試單向土工格柵加筋礫石土?xí)r要用大箱體。分析夾具外置儀器的測試結(jié)果，應(yīng)計(jì)及拔出部分的筋材面積。箱壁摩擦對測試值影響大，鋼化玻璃制作側(cè)壁或貼潤滑膜均難將其消除，而上、下箱間預(yù)置提升螺釘避免兩箱接觸，可化壁摩擦為筋土界面的上覆壓力，消除該影響。

(3)測試條件及環(huán)境(拉拔速度、填料的壓實(shí)及溫度、濕度)對確定試驗(yàn)參數(shù)有重要影響，必須按實(shí)際工況，按不利條件和環(huán)境開展試驗(yàn)，確保測試結(jié)果符合實(shí)際。

(4)拉拔試驗(yàn)研究的參數(shù)，須按筋材特性，遵循簡單易測、使用高效的原則確定，評價(jià)單向土工格柵加筋土的效果，宜引入筋材空隙率和橫肋有效作用面積兩參數(shù)，先測試加筋與不同填料間的摩擦力與剪切力，進(jìn)而分析求算各土中加筋的最大拉拔力。