趙川，竇遠(yuǎn)明，耿敏

（河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

目前土工格柵作為一種新型的加筋材料在工程中的應(yīng)用已日趨廣泛，在道路、鐵路、軟土地基加固、擋土墻加固、高填方路基加固等工程領(lǐng)域中具有卓越的效果。土工格柵是一種高強(qiáng)度、耐腐蝕、柔性好的土工合成材料。土工合成材料能彌補(bǔ)天然巖石材料抗拉性能不足的缺點(diǎn)，例如可有效地分配擴(kuò)散荷載，提高路基的穩(wěn)定性和承載力，延長(zhǎng)使用壽命；防止路基材料的流失造成的路基變形、開(kāi)裂；提高擋土墻的承載能力；在公路的路基和面層中加入土工格柵，還可以降低彎沉，減少車(chē)轍等等[1-3]。

土工格柵的界面摩擦特性是研究加筋機(jī)理的核心問(wèn)題。楊廣慶[4]等認(rèn)為土工格柵界面摩擦特性受試驗(yàn)方法、加載方式、試驗(yàn)箱側(cè)壁邊界效應(yīng)和尺寸效應(yīng)、填料厚度、壓實(shí)度以及筋材的加持狀況等幾方面的影響。馬時(shí)東[5]通過(guò)直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)提出了土工格柵配合砂礫、碎石類(lèi)填料等加筋效果較好，能夠起到摩擦、嚙合、嵌鎖的綜合作用。吳景海[6]等認(rèn)為石灰粉煤灰可以作為理想的加筋工程的填料，并且提出了對(duì)于不同的加筋工程所采用的拉拔系數(shù)必須通過(guò)拉拔試驗(yàn)來(lái)確定。

目前用于測(cè)定土工格柵與填料之間的界面摩擦特性主要有拉拔界面摩擦試驗(yàn)和直剪界面摩擦試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法。近年來(lái)有許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)土工合成材料的界面摩擦特性展開(kāi)了大量的試驗(yàn)，但是相對(duì)于工程的實(shí)際需求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此還需要進(jìn)一步展開(kāi)對(duì)加筋材料的界面摩擦特性研究。

盡管直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)均能反映土工格柵的界面摩擦特性，但是直剪試驗(yàn)只有一個(gè)界面與填料之間產(chǎn)生摩擦作用，而拉拔試驗(yàn)中的兩個(gè)界面均會(huì)產(chǎn)生摩擦，因而拉拔試驗(yàn)的空間效果更強(qiáng)，連鎖效應(yīng)更好。本文通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)來(lái)對(duì)不同型號(hào)、不同類(lèi)型的土工格柵的界面摩擦特性做了進(jìn)一步分析，為土工合成材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與材料

1.1 拉拔試驗(yàn)裝置

拉拔試驗(yàn)箱為矩形箱體，側(cè)壁有足夠的剛度，受力時(shí)不變形，箱體尺寸為40 cm×30 cm×30 cm（長(zhǎng)×寬×高），箱體兩面?zhèn)缺诘陌敫咛庨_(kāi)一貫通全寬的窄縫，高約5 mm，供土工格柵拉出箱體用。緊貼窄縫內(nèi)壁，安置可上下抽動(dòng)的插板，用于調(diào)整縫隙的大小，防止土粒露出。垂直荷載控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化油壓加載系統(tǒng)，法向應(yīng)力在試驗(yàn)過(guò)程中保持恒壓，且均勻的作用在土面上。水平加荷控制系統(tǒng)采用應(yīng)變式控制加荷。水平位移通過(guò)位移傳感器測(cè)讀，拉壓應(yīng)力由拉壓力傳感器測(cè)讀，數(shù)字顯示，有相應(yīng)的應(yīng)用程序能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)接口傳遞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。拉拔試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 拉拔試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取3種型號(hào)的土工格柵，分別為EG90R單向土工格柵、TGDG80單向土工格柵和EG3030雙向土工格柵。拉拔摩擦試驗(yàn)中格柵的尺寸為45 cm×26 cm，其中在拉拔試驗(yàn)箱中的有效面積為37 cm×26 cm。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 拉拔試驗(yàn)中土工格柵的技術(shù)指標(biāo)

該拉拔界面摩擦試驗(yàn)用土為河北省邢臺(tái)市邢汾高速正在施工過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)用土。通過(guò)常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得該土質(zhì)的基本性質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 砂土的基本性質(zhì)參數(shù)

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

拉拔試驗(yàn)采用應(yīng)變式控制方式。土工格柵與砂土的界面摩擦特性研究試驗(yàn)共3組：EG90R型單向土工格柵在不同的垂直荷載的條件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)；TGDG80型單向土工格柵在不同的垂直荷載的條件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)；EG3030型雙向土工格柵在不同的垂直荷載的條件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)。

拉拔試驗(yàn)的操作[7-8]：1）先在試驗(yàn)箱中加入適量的土體，按93%的壓實(shí)度分層壓實(shí)，壓實(shí)后，保證土體的水平面略高于試驗(yàn)箱一側(cè)的窄縫下緣。2）將土工格柵平鋪在土體表面上，要求平整無(wú)皺。將試樣的一端從窄縫外引出8 cm，保持兩邊對(duì)稱(chēng)，且與邊界無(wú)摩擦，保證試樣能夠與水平夾具連接。插入可調(diào)整窄縫高度的插板，使插板下緣正好在格柵的表面之上，將插板固定。3）繼續(xù)往箱內(nèi)填土，分層壓實(shí)，壓實(shí)后保持土面平整，并略低于箱頂，為了使加壓板受力均勻加壓，可以在砂土表面均勻的撒上一層細(xì)沙。4）將試驗(yàn)箱對(duì)準(zhǔn)加荷系統(tǒng)，準(zhǔn)備施加設(shè)計(jì)好的垂直荷載，使填料固結(jié)。對(duì)粒狀土體的固結(jié)時(shí)間一般不少于15 min。然后施加一微量水平荷載，使水平荷載裝置的各處受力繃緊。5）將各個(gè)讀數(shù)系統(tǒng)清零，然后調(diào)節(jié)拉拔速率為3 mm/min，啟動(dòng)試驗(yàn)。每組試驗(yàn)中當(dāng)水平拉力出現(xiàn)峰值時(shí)，或水平荷載出現(xiàn)穩(wěn)定值時(shí)，方可停止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2、3、4為在不同垂直荷載作用下，各類(lèi)型的土工格柵在砂土中的界面摩擦特性曲線(xiàn)。EG90R型單向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=12.18 kPa，f=0.078，φ=4.5°；TGDG80型單向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=15.77 kPa，f=0.153，φ =8.7°；EG3030型雙向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為： c=14.16 kPa，f=0.148，φ =8.4°。

如圖2、3所示，在相同的垂直荷載作用下，TGDG80型單向土工格柵的拉拔力要高于EG90R型單向土工格柵。因?yàn)門(mén)GDG80型單向土工格柵的橫肋要比EG90R型單向土工格柵寬，摩擦效果更明顯一些。同一類(lèi)型的土工格柵隨著垂直荷載的增加，在一定的拉拔位移范圍內(nèi)，拉拔力也隨之增大。土工格柵與砂土之間的界面摩擦特性與上覆荷載有直接的關(guān)系，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程條件，來(lái)選擇相應(yīng)的上覆荷載做室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，這樣便能夠保證土工合成材料在實(shí)際的工程中最大發(fā)揮其抗拉性能。

圖2 EG90R型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖3 TGDG80型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖4 EG3030型格柵拉拔試驗(yàn)特性

試驗(yàn)結(jié)果顯示：拉拔試驗(yàn)界面摩擦特性τ-L曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性關(guān)系。起初在拉拔位移小于5 mm時(shí)，在3種不同的垂直荷載作用下，τ-L曲線(xiàn)接近呈線(xiàn)性關(guān)系，隨著拉拔位移的增大，曲線(xiàn)明顯的呈非線(xiàn)性關(guān)系。隨著垂直荷載的增大，其相應(yīng)的拉拔力的峰值所對(duì)應(yīng)的位移量也隨之增加。這是因?yàn)槔巫枇κ请S著埋入的長(zhǎng)度由箱外向箱內(nèi)傳遞逐漸發(fā)揮出來(lái)的。

通過(guò)拉拔試驗(yàn)對(duì)比分析，EG3030型雙向土工格柵在砂土中的摩阻力要大于EG90R型單向土工格柵在砂土中的摩阻力，但是小于TGDG80型單向土工格柵在砂土中摩阻力。其原因一方面與填料的性質(zhì)有關(guān)，另一方面與筋材的性質(zhì)有關(guān)。

EG3030型雙向土工格柵在拉拔試驗(yàn)的過(guò)程中與單向土工格柵相比容易被拉斷，如圖5所示。土工格柵與土體之間的摩擦可分為兩部分，一部分是土工格柵表面與土體之間的摩擦作用，另一部分是土工格柵的網(wǎng)格與土體之間的被動(dòng)阻力產(chǎn)生的空間連鎖作用。雙向土工格柵被拉斷的主要原因是因?yàn)殡p向土工格柵的網(wǎng)格比較多，橫肋比較多，空間連鎖效應(yīng)比較強(qiáng)，這部分摩阻力承擔(dān)了主要摩擦力。而且雙向土工格柵的橫肋比較細(xì)，因此在拉拔試驗(yàn)的過(guò)程中橫肋容易開(kāi)裂。

圖5 雙向土工格柵拉拔試驗(yàn)現(xiàn)象

4 結(jié)語(yǔ)

1）拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明：TGDG80型單向土工格柵在砂土中的拉拔摩擦系數(shù)最大，EG3030型雙向土工格柵的次之，EG90R型單向土工格柵在砂土中的拉拔摩擦系數(shù)最小。

2）在相同的筋材條件下，雙向土工格柵與填料之間的摩阻力比單向土工格柵的要高，這是因?yàn)殡p向土工格柵網(wǎng)格比較多，土工格柵網(wǎng)格與填料之間的空間連鎖作用較強(qiáng)，因此在實(shí)際的加筋工程中雙向土工格柵可以作為一種比較好的加筋材料。

3）不同的加筋材料之間的拉拔系數(shù)相差較大，具體的加筋工程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)拉拔試驗(yàn)來(lái)測(cè)得摩擦系數(shù)。

4）本文只針對(duì)砂土且如表1中的三種土工格柵進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)難以控制的因素，比如說(shuō)壓實(shí)度的控制，最佳含水率的控制，等等。在今后的試驗(yàn)研究中，需要克服這些影響因素，進(jìn)行大量的土工合成材料拉拔試驗(yàn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，還需要結(jié)合工程的實(shí)際特點(diǎn)，這樣才能為土工合成材料在工程中的應(yīng)用提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。

[1]《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

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[7]JTJ/T 019—98公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[8]JTG/E 50—2006，公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程[S].