魏軍揚(yáng)， 王保田， 張海霞，2， 趙 波， 張靜華， 周 斌

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程水利部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098;3.揚(yáng)州大學(xué) 建工學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127; 4.上海斯耐迪工程咨詢監(jiān)理有限公司, 上海 200233)

加筋土是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，由水平分層鋪設(shè)在填土中抗拉強(qiáng)度較好的加筋材料和抗壓強(qiáng)度較好的填土組成，具有高抗剪強(qiáng)度和一定的抗拉強(qiáng)度，是一種穩(wěn)定性較好的擋土或護(hù)坡工程形態(tài)。國(guó)內(nèi)外對(duì)加筋土做過(guò)許多研究[1～10]。施有志等[2]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)筋材與填料間的界面是軟弱滑動(dòng)面。Ingold[3]，Rowe等[4]都通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究了土工格柵與填土界面間的作用機(jī)理以及加筋與填土間的界面作用特性；Reda等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)研究了土工織物與填土界面間的作用特性；Lee等[6]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了無(wú)紡?fù)凉た椢锖途幙椡凉た椢锱c均勻中砂間的界面作用特性。岳祖潤(rùn)等[7]通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究了鍍鋅鐵帶和混凝土板兩種加筋材料與粉煤灰間的界面作用特性；閆澍旺[8]采用切向剛度系數(shù)隨應(yīng)力水平變化的雙曲線模型來(lái)模擬筋土間的接觸特性。王峰[9]利用FLAC軟件中的接觸面模型模擬筋土間的接觸特性。Rowe等[10]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，影響連續(xù)面板加筋擋土墻水平變形的主要因素是筋材的剛度和填土的內(nèi)摩擦角。在加筋土工程中，界面特性對(duì)工程的穩(wěn)定和安全有重大影響，在加筋土擋墻設(shè)計(jì)中也是最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)[1]。有些試驗(yàn)的最大法向應(yīng)力較低，僅為 50 kPa[1]，在實(shí)際工程中法向應(yīng)力絕對(duì)不止于此。本文以經(jīng)編滌綸土工格柵(以下簡(jiǎn)稱經(jīng)編格柵)為加筋材料，以粉土、粗砂為填土材料，分別進(jìn)行不同法向力下室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，研究了格柵-粉土界面作用特性與格柵-粗砂界面作用特性，希望能供加筋土研究參考，為加筋土工程借鑒。

1 試驗(yàn)儀器及操作步驟

土工格柵條帶之間存在較大網(wǎng)孔，進(jìn)行直剪試驗(yàn)測(cè)得的摩擦強(qiáng)度中土體之間的摩擦強(qiáng)度特性占較大比重，因此采用拉拔摩檫試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用微機(jī)控制土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)，其簡(jiǎn)圖如圖1，拉拔箱內(nèi)拉拔試驗(yàn)示意圖如圖2。本試驗(yàn)主要技術(shù)指標(biāo)：位移傳感器：量程0～300 mm，精度：0.04 mm；拉壓力傳感器0～ 30 kN，精度：0.05% FS。

圖1 微機(jī)控制土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 拉拔試驗(yàn)示意

(1)試驗(yàn)箱：試驗(yàn)箱為一矩形箱體，側(cè)壁有足夠剛度，受力時(shí)不變形。長(zhǎng)×寬×高為25 cm×25 cm×20 cm。試驗(yàn)箱一面?zhèn)缺诘陌敫咛庨_一橫貫全寬的水平窄縫，高約5 mm，供試樣引出箱體用；緊貼窄縫內(nèi)壁，安置一可上下抽動(dòng)的插板，用以調(diào)整窄縫的縫隙大小，防止土粒漏出。

(2)加載系統(tǒng)：包括施加垂直荷載和水平荷載系統(tǒng)。水平荷載通過(guò)拉力夾具作用于試樣，將試樣從試驗(yàn)箱側(cè)壁的窄縫引出，要求受拉時(shí)試樣不得在夾具內(nèi)打滑，也不得在試驗(yàn)箱外或夾具內(nèi)拉斷。作用于試樣的拉力應(yīng)為軸心荷載，水平荷載作用位置應(yīng)盡量靠近試驗(yàn)箱側(cè)壁，試樣夾持位置距箱壁距離不大于10 cm。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由拉壓力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、微機(jī)等部分組成。測(cè)力采用拉壓力傳感器；測(cè)水平位移采用數(shù)顯位移傳感器。

1.2 試驗(yàn)操作步驟

(1)將土料填入試驗(yàn)箱，按要求的密度分層壓密，壓密后土面水平，且略高于箱側(cè)窄縫下緣。

(2)將試樣平放于土面上，要求平整無(wú)皺。在長(zhǎng)度方向，試樣埋入土中的長(zhǎng)度為10～15 cm，試樣應(yīng)居中放置，試樣一端從窄縫引出箱外，注意兩邊對(duì)稱，并和水平夾具連接。插入可調(diào)整窄縫高度的插板，使該板下緣正好在試樣表面之上，將插板固定。

(3)繼續(xù)往箱內(nèi)填土，分層壓密至要求的密度，壓密后土面平整，略低于箱頂，放上加壓板。

(4)安裝水平位移傳感器。將杠桿壓輪對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)箱正中，對(duì)加壓板施加一微量垂直荷載，使板與土面接觸好，將位移傳感器清零。將夾有試樣的夾具連接到水平加荷裝置上。

(5)施加要求的垂直荷載，使土料固結(jié)。固結(jié)時(shí)間視土性和排水距離而定，對(duì)粒狀土固結(jié)時(shí)間不少于15 min；對(duì)黏性土，要求垂直變形增量每小時(shí)不大于0.00025h(h為土樣高度，mm)。作為固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)記相應(yīng)的壓縮量。施加一微量水平荷載，使水平加荷機(jī)構(gòu)各處繃緊，將位移傳感器清零。

(6)施加水平荷載。由微機(jī)進(jìn)行整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)控制。拉拔速率視土性而定，可由軟件選擇；對(duì)本實(shí)驗(yàn)粗砂，可采用0.5 mm/min，粉土采用0.6 mm/min。

(7)試驗(yàn)進(jìn)行到出現(xiàn)下列情況自動(dòng)停止：如果水平荷載(剪應(yīng)力)出現(xiàn)峰值，試驗(yàn)進(jìn)行至獲得穩(wěn)定值(殘余強(qiáng)度)；如果不出現(xiàn)峰值，或試樣被拉斷，表明試樣長(zhǎng)度超過(guò)了撥出長(zhǎng)度，應(yīng)縮短埋在土內(nèi)的長(zhǎng)度，再按JTJ/T 060-98《公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》15.0.4條1～7的步驟作試驗(yàn)。

(8)改變垂直荷載，重復(fù)《公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》15.0.4條1～7各步驟，進(jìn)行各垂直荷載下相應(yīng)的拉拔摩擦試驗(yàn)值。

為求得拉拔摩擦強(qiáng)度指標(biāo)，一般在四種不同垂直荷載下進(jìn)行試驗(yàn)，其中最大的一級(jí)荷載(壓力)不小于設(shè)計(jì)荷載。

2 試驗(yàn)材料

圖3 粉土的粒徑分布曲線

本研究使用的經(jīng)編土工格柵為滌綸材料，其拉伸實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度Ts=61.1 kN/m，伸長(zhǎng)率εp=12.75%，變異系數(shù)Cv=6.95%。 本研究所用粉土的比重為2.70，液限為25.4%，塑限為15.2%，塑性指數(shù)為10，粒徑分布曲線見圖3。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到試驗(yàn)粉土的最大干密度ρdmax=1.66 g/cm3，最優(yōu)含水率wop=14.6%。試驗(yàn)時(shí)，土樣的干密度控制在壓實(shí)度為95%，即干密度1.62 g/cm3。制樣含水率分別為15.6%、17.7%。本研究采用的粗砂樣的粒徑分布曲線見圖4。粗砂的最大干密度ρdmax=1.61 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.35 g/cm3。試驗(yàn)時(shí)，制備土樣的干密度為1.52 g/cm3，相對(duì)密實(shí)度為Dr=0.69，處于密實(shí)狀態(tài)，含水率為7.4%。

圖4 粗砂的粒徑分布曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 經(jīng)編土工格柵與粉土界面拉拔摩擦強(qiáng)度

經(jīng)編土工格柵與粉土界面間的摩擦阻力τ與拉拔位移ΔL關(guān)系曲線見圖5，經(jīng)編土工格柵與粉土界面τf～p的曲線見圖6。從圖5中可以看出，經(jīng)編土工格柵與粉土界面間的摩擦阻力τ與拉拔位移ΔL關(guān)系曲線有峰值，峰值對(duì)應(yīng)的表觀摩擦阻力τf并不完全隨法向應(yīng)力增加而增加，存在突變區(qū)域，且會(huì)變小。從圖6可以看出，經(jīng)編土工格柵與粉土界面間的強(qiáng)度包線也由兩段斜線組成。當(dāng)界面上的法向應(yīng)力較小時(shí)，強(qiáng)度包線為一條斜線，此時(shí)經(jīng)編土工格柵被整體拔出；當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí)，強(qiáng)度包線為另一條斜線，此時(shí)經(jīng)編土工格柵的縱肋被拔出破壞。即法向應(yīng)力在某一范圍內(nèi)時(shí)，經(jīng)編土工格柵和粉土界面間的破壞形式由經(jīng)編土工格柵的整體被拔出破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)編土工格柵的縱肋被拔出破壞，且強(qiáng)度會(huì)變小。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要避開此突變區(qū)域或者取其較小值。經(jīng)編土工格柵整體被拔出破壞時(shí)摩擦角大于縱肋被拔出破壞時(shí)的摩擦角，內(nèi)聚力變化則相反。

圖5 粉土摩擦阻力與拉拔位移關(guān)系曲線

圖6 不同含水率粉土與格柵界面摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

經(jīng)編土工格柵和不同含水率條件下粉土界面間的摩擦角和內(nèi)聚力見表1。從表1可以看出，不論經(jīng)編土工格柵是被整體拔出破壞還是縱肋被拔出破壞，經(jīng)編土工格柵和粉土界面間的摩擦角和內(nèi)聚力均隨著含水率的增加而降低。粉土實(shí)驗(yàn)組其突變區(qū)域均大約為50～60 kPa，且兩組對(duì)應(yīng)摩擦強(qiáng)度突變幅度均較大，但彼此相差不大。

表1 經(jīng)編土工格柵和粉土界面間的摩擦角和內(nèi)聚力

3.2 經(jīng)編土工格柵與粗砂的拉拔摩擦強(qiáng)度

經(jīng)編土工格柵與粗砂界面間的摩擦阻力τ與拉拔位移ΔL關(guān)系曲線見圖7，經(jīng)編土工格柵與粗砂界面間的τf～p曲線見圖8。經(jīng)編土工格柵埋設(shè)在粗砂中的拉拔試驗(yàn)破壞形式和強(qiáng)度曲線變化規(guī)律與埋設(shè)在黏土中的相似。

圖7 粗砂與格柵的摩擦阻力與拉拔位移關(guān)系曲線

圖8 粗砂與格柵界面摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)編土工格柵與填土界面的極限摩擦阻力隨法向應(yīng)力的增加而增加，但存在強(qiáng)度突降區(qū)，由于經(jīng)編土工格柵由整體被拔出破壞到縱肋被拔出破壞所致。

(2)不同填土或相同填土具有不同含水率，其突變區(qū)域不同，不論何種破壞形式，經(jīng)編土工格柵和粉土界面間的摩擦角和內(nèi)聚力均隨含水率的增加而降低。

(3)在突變區(qū)域之前較低的法向應(yīng)力作用下的摩擦角大于突變區(qū)域之后，黏著力則相反。

(4)粗砂實(shí)驗(yàn)組與粉土試驗(yàn)組相比，突變法向應(yīng)力區(qū)域數(shù)值較粉土試驗(yàn)組大，但其對(duì)應(yīng)得摩擦強(qiáng)度突變幅度較小。在設(shè)計(jì)或工程中應(yīng)避免突變降低區(qū)域或者取其較小值，會(huì)更加安全穩(wěn)定。

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