塑料土工格柵施工損傷足尺試驗及損傷機理研究

王孟娜，李雙喜，劉杰,李洪凱

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院; 3.青島旭域土工材料股份有限公司)

塑料土工格柵是一種采用聚丙烯或高密度聚乙烯板材沖孔、定向拉伸制作成的一種土工合成材料。土工合成材料的長期強度損失及模量的降低會降低路堤的長期穩(wěn)定性，土工格柵的位置和長度均能影響路堤的沉降和側向變形，因此需要重視有效強度的合理取值。而土工格柵在鋪設時會受到機械碾壓和填料顆粒的擠壓作用，引起格柵強度的降低，現(xiàn)行的國家標準采用施工損傷折減系數(shù)來衡量施工過程帶來的損傷對土工格柵的影響，但其取值的范圍較寬，因此，在工程實踐中需要重視相關實測數(shù)據(jù)的積累和分析，為合理地確定土工格柵折減系數(shù)提供實證數(shù)據(jù)。

關于土工格柵施工損傷折減系數(shù)和損傷機理有許多學者進行了試驗研究。Jeon等通過對5種不同類型的土工格柵進行損傷試驗研究，發(fā)現(xiàn)不同種類的土工格柵折減系數(shù)差別較大，其中經(jīng)編格柵施工損傷最大；Koerner對實體工程中采集的土工格柵拉伸強度進行統(tǒng)計分析，用于墊層的施工損傷折減系數(shù)為1.1～1.25，用于邊坡加固和路面工程為1.1～1.5，用于堤、墻、地基加固及無鋪砌路為1.1～2.0，用于鐵路工程為1.1～3.0；胡漢兵等通過對型號不同的聚酯纖維土工格柵進行上設中粗砂保護層、上下均設保護層和無保護層3種方式進行施工損傷現(xiàn)場試驗，結果表明：當土工格柵開展上設保護層和上下均設保護層時，其施工損傷折減系數(shù)比較接近且都為1.06～1.09，表明土工格柵施工損傷主要來自上層填料的影響，影響格柵施工損傷程度的最主要因素是填料粒徑大小；蔣文凱等對4種不同的土工格柵在5種路堤填料下的鋪設損傷模擬試驗，發(fā)現(xiàn)土工格柵表觀損傷主要為磨損和壓傷，填料的類型和顆粒硬度對土工格柵施工損傷影響較大；鄭鴻等對EGR系列塑料土工格柵進行了現(xiàn)場破壞試驗及表觀評價和測試，確定了損傷因子，研究表明：影響土工格柵折減系數(shù)的主要因素是填料粒徑大小。綜觀上述研究成果，土工格柵施工損傷都是針對某一影響因素進行試驗研究，未見多種影響因素耦合下進行系統(tǒng)的試驗研究。礫類土是良好的加筋路堤填料，但是施工過程中容易對土工格柵損傷，引起土工格柵的強度和耐久性顯著降低。該文主要研究采用單向塑料土工格柵在不同礫類土填料、不同壓實方式下模擬施工過程，對多種影響因素耦合下礫類土-土工格柵施工損傷機理及折減系數(shù)合理取值進行系統(tǒng)研究。

1 試驗方法

試驗按照英國規(guī)范推薦的方法，采用兩種單向塑料土工格柵和3種礫類土在3種壓實工藝下，利用正交試驗方法確定試驗方案和組次。

1.1 試驗材料

(1) 土工格柵

試驗采用兩種不同規(guī)格的單向塑料土工格柵，其性能指標均符合國家標準，格柵技術規(guī)格見表1。

(2) 路基填料

采用采自河道的顆粒棱角比較圓潤的圓礫土和采自山體風化的顆粒棱角比較分明的角礫土以及天然砂類土，經(jīng)篩分得到的各類填料的D50(通過率為50%的顆粒粒徑)值見表2。

表1 土工格柵的技術規(guī)格

表2 填料的D50近似值 mm

1.2 場地布設與試驗方案

試驗采用的場地大小為10.5 m×17.5 m，首先對場地進行整理和整平，整平后場地平整度在±5 mm/m2范圍內。

為了分析填料(平均粒徑、顆粒形狀)和施工工藝(壓實次數(shù)、分層壓實厚度)等因素對土工格柵施工損傷的影響，按照正交試驗法確定試驗方案和組次，選取填料類型、平均粒徑和壓實方式為主要因素，每個因素取3個水平進行試驗，如表3所示。根據(jù)正交試驗方案繪制出土工格柵施工損傷試驗方案布置圖，如圖1所示。

表3 試驗因素和水平

1.3 試驗過程

按照圖1中虛線分割區(qū)域采用白灰在地面劃分試驗區(qū)，并將各試驗區(qū)虛鋪不同級配的路基填料作為試驗基床，填料交界處用土工布分隔，用推土機將填料攤開、平整，局部地區(qū)用鐵鍬補平。根據(jù)壓實機械和壓實標準將試驗基床碾壓至壓實度不小于95%，碾壓完畢的試驗基床平整度控制為±5 mm/m2。

根據(jù)鋪設方案圖中分割格柵位置圖，人工鋪設貼好標簽的樣品，將土工格柵平整地鋪設在試驗基床上，為了防止壓實過程褶皺，在其邊緣采用U形釘將格柵等間距固定。試驗過程如圖2所示。

圖1 試驗方案布置圖(單位：cm)

圖2 試驗過程

模擬施工過程時分別沿A列、B列、C列進行碾壓，A列標準碾壓與加筋路基施工壓實方式完全相同，采用自重25 t、激振力40 t的光面鋼輪壓路機，先輕后重，低頻慢速，先靜壓1遍，再輕振碾壓1～2遍，然后再加大激振力碾壓的方式作為標準壓實方式，采用與路基壓實度相同的95%作為控制壓實度。B列采用雙倍標準壓實進行碾壓，即先靜壓2遍，再輕振碾壓2～4遍，然后再加大激振力進行雙倍碾壓。C列采用雙層壓實，第1層填料按照標準壓實的方式碾壓后，繼續(xù)攤鋪相同厚度的第2層填料，再按照標準壓實方式進行碾壓。

碾壓完成后，采用輕型機械對上層填料進行挖除，靠近土工格柵時采用人工清除，盡量避免開挖過程中對土工格柵造成人為損壞，并對取出的樣品進行標識，挖出過程中對土工格柵造成的損壞進行人工標記。

2 試驗結果及分析

2.1 土工格柵表觀損傷

對土工格柵試驗樣品的表觀損傷主要是輕微磨損和鈍傷，少量的劈裂，未見有切斷情況，如圖3所示。

圖3 土工格柵表觀施工損傷

統(tǒng)計3種填料在不同的壓實方式下土工格柵的表觀損傷，結果如表4所示。

表4 塑料土工格柵的表觀評價

由表4可得出：所有現(xiàn)場施工損傷的格柵樣片表面都存在不同程度的磨損、橫肋鈍傷和縱肋劈裂，未見縱肋切斷。在相同填料類型下，壓實方式對格柵施工損傷的影響程度依次為：雙倍壓實>雙層壓實>標準壓實。主要是由于雙倍壓實相比于雙層壓實，壓實面距離格柵距離較近，直接作用于土工格柵的壓實功大于雙層壓實，因此，在加筋結構施工過程中應注意避免過度碾壓。

在相同壓實方式下，不同的填料對格柵的損傷程度依次為：角礫土>圓礫土>砂類土。當采用角礫土時由于其顆粒棱角較為尖銳，劈裂損傷的數(shù)量明顯大于其他填料，因此當采用角礫土作為填料時，應選用厚度較大的土工格柵作為加筋材料，避免在施工過程中對土工格柵產(chǎn)生較大的損傷。

2.2 土工格柵強度損傷機理

對取出的格柵按照拉伸試驗取樣方法裁剪試樣，檢測強度、峰值應變等指標。土工格柵強度損傷程度采用強度保留率表示，即損傷后和損傷前拉伸強度之比。為了分析壓實方式對施工損傷的影響，給出了圓礫土與角礫土在標準壓實的強度保留率與D50之間的關系，如圖4所示，圓礫土與角礫土在標準壓實方式下，土工格柵強度保留率隨著填料D50的增大呈下降趨勢。

圖4 圓礫土與角礫土D50與強度保留率關系

圓礫土和角礫土的標準壓實和雙倍壓實及雙層壓實強度保留率之差與D50之間的關系，如圖5、6所示。

圖5 圓礫土D50與相對強度保留率關系

由圖5可以看出：雙倍壓實施工損傷大于雙層壓實，雙倍壓實和雙層壓實下土工格柵的強度保留率損失隨著圓礫土平均粒徑的增大呈下降趨勢。圓礫土顆粒主要以亞圓形為主，表面較為光滑，在碾壓過程中土顆粒之間咬合效果較差，相對移動較為容易，土顆粒之間及土顆粒與土工格柵之間的摩擦系數(shù)均較小，主要以相對滑動為主，在碾壓法向力和相對滑動作用下產(chǎn)生土工格柵的磨損、鈍傷以及輕微劈裂，導致土工格柵的強度降低。

由圖6可以看出：隨著角礫土D50的逐漸增大，土工格柵的強度保留率損失越大，此規(guī)律與圓礫土相反，主要是由于角礫土顆粒為不規(guī)則棱角狀，且棱角尖銳，顆粒間咬合效果明顯，顆粒間相對移動較小，且主要以錯動為主，在碾壓過程中顆粒棱角刺入格柵的表層，造成土工格柵鈍傷和肋條劈裂，導致格柵的鋪設損傷，使得強度保留率降低。隨著填料D50值增大，單個顆粒與土工格柵的接觸面積也在增大，角礫土表面粗糙，糙面在法向力的作用下容易對土工格柵造成磨損及鈍傷，圓礫土表面較為平滑，土顆粒與土工格柵之間的接觸面積較大，所以對土工格柵的施工損傷反而較小。

圖6 角礫土D50與相對強度保留率關系

雙倍壓實和雙層壓實壓實遍數(shù)完全相同，對路基作的功相同，二者強度損失率趨勢基本一致。雙層壓實相對于雙倍壓實，在格柵上部增加了一個保護層，起到了應力擴散作用，因此雙層壓實較雙倍壓實強度損失率減小約2%，說明在施工過程中在保證壓實度的前提下盡量增大單次壓實土層的厚度，可有效減小土工格柵的施工損傷。

3 施工損傷折減系數(shù)合理取值

在加筋結構施工過程中土工格柵層間距一般為0.3～0.8 m，而礫類土填筑時最大壓實層厚度不宜超過0.4 m。當土工格柵的層間距大于0.4 m時，一般都采取分2層碾壓的方式，對土工格柵的損傷程度相當于雙層壓實。當填料因級配不良或者含水率較低時填料難以壓實，一般采取增加壓實遍數(shù)的方式使填料達到設計要求，對土工格柵的損傷程度相當于試驗中的雙倍壓實。此外，在加筋結構施工時應力擴散會對壓實面下部幾層土工格柵存在一定的影響，因此，在加筋土結構設計中應該綜合考慮雙倍壓實、過量壓實等因素對土工格柵強度的影響。

現(xiàn)行規(guī)范中給出了土工格柵在細粒土、砂類土、粗粒土中的施工損傷折減系數(shù)，但是未考慮不同類型的礫類土，且范圍過于寬泛，不便于工程技術人員對施工損傷折減系數(shù)進行合理取值。試驗所采用的土工格柵均滿足規(guī)范要求，但是試驗結果較為離散，規(guī)律性差。將極限抗拉強度與過量壓實和雙倍壓實后的抗拉強度低值二者之比定義為土工格柵施工損傷折減系數(shù)。將角礫土和圓礫土的施工損傷試驗結果進行線性回歸，得出3種不同壓實方式下強度保留率的最小值曲線，反推出施工損傷后的最小抗拉強度，進而得出施工損傷折減系數(shù)。平均粒徑D50與施工損傷折減系數(shù)之間的關系如圖7所示。

圖7 D50與施工損傷折減系數(shù)關系

由圖7可知：隨著填料粒徑D50的增大，土工格柵施工損傷折減系數(shù)逐漸增大，當D50<3 mm時，圓礫土對土工格柵的施工損傷大于角礫土，此時粗顆粒含量較少，對土工格柵上下范圍內的損傷主要以顆粒對格柵的磨損為主，圓礫土相對于角礫土更易于產(chǎn)生顆粒旋轉與移動，因此圓礫土損傷大于角礫土；當D50>3 mm時，角礫土對土工格柵施工損傷折減系數(shù)大于圓礫土，由于粗顆粒含量越多，土工格柵-土接觸面上的角礫土顆粒對土工格柵接觸面上磕碰、刺傷相比圓礫土更為嚴重。

土工格柵施工損傷折減系數(shù)在角礫土中取值范圍為1.02～1.34，在圓礫土中取值范圍為1.06～1.25，在砂類土中取值范圍為1.07～1.09，試驗結果說明規(guī)范取值略微偏于保守。根據(jù)線性回歸結果，建議土工格柵施工損傷折減系數(shù)取值如表5所示。

表5 土工格柵施工損傷折減系數(shù)建議取值

4 結論

通過現(xiàn)場損傷試驗和室內拉伸試驗，對土工格柵施工損傷折減系數(shù)進行定性和定量研究，得出以下結論：

(1) 單向塑料土工格柵在礫類土中施工損傷主要以表面磨損為主，其次為鈍傷和劈裂，雙倍碾壓和棱角比較尖銳的角礫土顆粒是影響單向塑料土工格柵施工損傷的主要因素。

(2) 通過回歸分析給出了土工格柵適用于工程設計的D50與施工損傷折減系數(shù)之間的關系。

(3) 施工過程中，在保證壓實度的前提下盡量增大單次壓實土層的厚度、減小壓實次數(shù)，可有效減小土工格柵的施工損傷。