王 軍，林 旭，劉飛禹，潘 濤，符洪濤

（1.溫州大學 建筑與土木工程學院，浙江 溫州 325035；2.連云港職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程學院，江蘇 連云港 222006；3.上海大學 土木工程系，上海 200072；4.南京市市政公用工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，南京 210036）

1 引 言

土工格柵作為加筋墊層材料在擋墻結(jié)構(gòu)、護坡以及堤壩工程中應(yīng)用較為廣泛，而不同材料的接觸面是加筋土結(jié)構(gòu)中的薄弱層，界面的摩擦特性直接影響到工程的穩(wěn)定與耐久，土體與筋材的界面強度與作用機制是設(shè)計人員及學者們關(guān)心的，且是工程設(shè)計的關(guān)鍵所在[1-3]。本次依據(jù)擋土墻結(jié)構(gòu)的不同破壞模式，通過拉拔試驗與直剪試驗來研究筋材土體相互作用機制，如當破裂面與筋材垂直時，采用拉拔試驗?zāi)軌蜉^為合理地反映實際工程中的破壞機制，而結(jié)構(gòu)沿筋材方向產(chǎn)生滑移破壞時選用直剪試驗更為合理[4]。

已有學者通過拉拔試驗，研究了不同填料與筋材特性以及土工格柵的拉拔阻力對于筋土界面強度的影響[5-7]。Sidnei 等[8]、徐超等[9]及Palmeira[10]等初步研究了筋土界面相互作用的機制，認為在拉拔試驗條件下筋材縱橫肋對于界面拉拔阻力有影響，得出一些有價值的結(jié)論。劉文白等[11]、Bauer 等[12]、Abu-Farsakh[13]等以直剪試驗為手段，研究了土工格柵與砂土接觸面的強度特性，均為筋土界面特性研究的良好切入點。此外，Lopez[14]的試驗結(jié)果表明，拉拔條件下，當砂土顆粒尺寸略微大于格柵肋條厚度時界面強度有明顯增大，對土工織物和土工膜而言則效果削弱。周健等[15]通過數(shù)碼可視化跟蹤技術(shù)，分析了格柵橫肋與砂土在界面移動過程中的作用機制，指出界面上緣的顆粒運動較為活躍，且剪切帶的厚度較大。以上研究成果對加筋土工程的設(shè)計與技術(shù)研究起到重要的推動作用。

筋材與土體的相互作用機制因筋材與土體的種類大不相同，如土工織物和土工膜為一類整體無開口式的加筋材料，筋土界面強度多為材料表面與土體之間的摩擦阻力，土工格柵作為有開口的立體結(jié)構(gòu)式筋材在直剪試驗條件下其與砂土的相互作用表現(xiàn)得比片式筋材更為復(fù)雜。一般理論認為，土體與格柵界面的作用機制可歸為3 類：（1）砂土與土工格柵界面的摩擦剪切強度，對格柵來說則為縱肋與橫肋表面；（2）格柵開口處的界面強度表現(xiàn)為砂土與砂土內(nèi)部的剪切強度；（3）上述格柵表面與砂土交界處表現(xiàn)為格柵側(cè)面對砂土顆粒的被動摩阻力。以往學者大多關(guān)注格柵橫肋對于筋土界面相互作用特性的影響，鮮有從橫肋與縱肋結(jié)合角度的試驗研究。本文基于直剪試驗，較為系統(tǒng)地研究了格柵橫肋與縱肋在不同剪切階段的相互作用機制，分析了格柵橫、縱肋的耦合作用。

2 試驗設(shè)備與材料選取

2.1 試驗設(shè)備

本次試驗所用設(shè)備為美國Geocomp 公司生產(chǎn)的ShearTracⅢ大型直剪儀，上剪切盒的有效尺寸為305 mm×305 mm×100 mm，下剪切盒尺寸為305 mm×420 mm×100 mm，比上剪切盒長100 mm，采用不同的上下剪切盒尺寸可保證在試驗過程中的剪切面積保持不變，減小誤差。水平向剪切速率采用高精度電機控制，范圍為3×10-5～15 mm/min。豎向荷載由水平剛架作用于荷載板上，反力由儀器下部的U 型剛架提供。水平以及豎向位移均通過LVDT 進行測量，運行位移最大值為100 mm。該儀器由機電一體化設(shè)備構(gòu)成，左邊是可視化終端操作面板，調(diào)整試驗過程中的荷載、位移等參數(shù)，數(shù)據(jù)由機載軟件自動讀取、記錄并生成相關(guān)報告，大型直剪儀見圖1。

圖1 室內(nèi)大型直剪儀Fig.1 Indoor large direct shear apparatus

2.2 試驗材料

考慮到格柵對于砂土的加筋效果較為顯著，本次試驗砂采用福建平潭標準砂（S）。物理性質(zhì)指標為：顆粒級配為粒徑小于0.147 mm 的顆粒總量10%，0.147～0.245 mm 的顆粒占(30 ±5)%，0.245～0.403 mm 占(60 ±5)%；ρ= 1.45 g/cm3。粒徑為：0.147～0.403 mm，d50=0.860 mm(中值粒徑)，不均勻系數(shù) Cu=1.92，曲率系數(shù) Cc=1.008 6。土樣見圖2，顆粒級配曲線如圖3 所示，指標見表1。

圖2 試驗用砂Fig.2 Testing sand

圖3 砂土顆粒級配曲線Fig.3 Grain size distribution curves of soil

加筋材料選用玻璃纖維土工格柵（GG）為加筋土工程中常用的加筋材料，筋材式樣見圖4，相關(guān)指標見表2。

圖4 土工合成材料試樣（土工格柵）Fig.4 Geosynthetic specimens(geogrid)

表1 砂土的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical property indexes of testing sand

表2 土工合成材料技術(shù)指標Table 2 Technical indexes of different geosynthetics

3 方案的選定

為了系統(tǒng)地研究土工格柵與砂土筋土界面的相互作用機制以及縱橫肋被動阻力的變化對于界面特性的影響，本文設(shè)計的直剪試驗包含3 類基本的試驗，即橫肋、縱肋和橫縱肋耦合的界面試驗，采用3 種不同的豎向應(yīng)力分別為27、54、81 kPa，進行橫向比較同時盡可能減少誤差的產(chǎn)生。參照《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》[16]中直剪試驗的規(guī)范方法，并考慮到塑料土工格柵網(wǎng)孔尺寸較大，試驗過程中剪切速率定為1.5 mm/min，較低的剪切速率適合土工織物等無開口筋材。針對儀器的特殊性填土裝樣采用重錘擊實法，根據(jù)重錘（10 kg）和擊實數(shù)N 來控制試樣密實度，將試樣采用分層裝填法分5 層，每層2 cm 裝填，并擊實控制密實度，以近似工程實際工況。具體試驗方案見表3。

用大型直剪儀共進行了30 組試驗，起初進行了一系列純砂內(nèi)部的剪切試驗，能夠較為準確地衡量格柵橫肋與縱肋對于未加筋砂土的效用。本次試驗采用的格柵網(wǎng)格（為12×12 根肋）的開口尺寸，按照一定的比例保留肋條的數(shù)量。剪切試驗中總的肋數(shù)為12 根，將土工格柵進行一定需要的裁剪加工，去掉一部分的橫肋與縱肋，分別為2、3、6 排等，剩余的橫肋占總肋數(shù)的比例為83.3%，75%、50%、25%、0 等。為研究縱肋的加筋效果并考慮到它在前期大多表現(xiàn)為摩擦阻力，剪去部分縱肋，得到剩余縱肋比例為75%、50%、0；將格柵剩余縱橫肋按不同比例組合50%、75%，綜合研究不同數(shù)量的二者在筋土界面強度特性中所做的貢獻。圖5為本案中不同比例縱橫肋剪取的示意圖，虛線部分表示剪切盒以外的筋材部分。

表3 試驗方案匯總Table 3 Summary of testing program

4 試驗結(jié)果

4.1 格柵橫肋與縱肋含量對界面強度的影響

4.1.1 橫肋比例對界面強度的影響

用大型直剪儀對砂土與土工格柵的界面特性進行室內(nèi)試驗研究，著重研究土工格柵橫肋與縱肋在筋土界面強度特性中所起到的作用及其與土顆粒的作用機制，通過不同比例裁剪格柵以達到試驗的目的。

圖5 不同種類的格柵試樣Fig.5 Different kinds of geogrid samples

圖6為在3 種豎向應(yīng)力水平下各自不同橫肋比例格柵與砂土的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。為了更加直觀地得出不同比例筋材的加筋效果，加入了純砂的直剪試驗結(jié)果，以便對比分析。3 種應(yīng)力下加筋土界面剪切強度低于純砂土的內(nèi)部剪切強度，但加筋后的砂土剪切變形明顯改善，對土體的約束增強。由于橫肋在與砂土接觸面處承擔了沿剪切方向的被動阻力，故橫肋的含量是界面強度提高的主要因素，剪切強度隨著橫肋比例的增大而增大。當豎向應(yīng)力較低σ=27 kPa，橫肋比例為0（即不含橫肋時筋土界面強度最低）時，含有橫肋的格柵（50%、75%等）較0時有明顯的增幅，這與以往學者的研究類似。如圖7 所示筋材只含縱向肋條，在試驗過程中只能發(fā)生沿剪切方向的拔出破壞，縱肋與砂土之間的作用力主要表現(xiàn)為二者之間的滑動摩擦力；含有橫肋的格柵式樣在結(jié)構(gòu)上形成較為穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，當試樣剪切時筋土接觸界面處不僅有橫肋與土顆粒間的動摩阻力還有橫肋由于受拉而產(chǎn)生對砂土的被動阻力，因此帶有橫肋的格柵比不帶橫肋的格柵表現(xiàn)出更大的剪切強度，例如，比例為50%橫肋的格柵與0時的筋土界面強度分別為21.71 kPa 和24.14 kPa，前者比后者強度提高了11.2%；當豎向應(yīng)力較高σ=54、81 kPa時，與27 kPa時表現(xiàn)出了部分同樣的規(guī)律，即加筋土結(jié)構(gòu)中的薄弱層依然存在于筋土界面處且筋土界面抗剪強度與筋材橫肋的比例成正比關(guān)系。值得注意的是，較高應(yīng)力下含有橫肋（如50%橫肋）與不含橫肋的差值要明顯高于低應(yīng)力下二者的差值。這是因為橫肋在界面抗剪中起到兩方面的作用：（1）筋材表面與砂土顆粒間的摩阻力；（2）橫肋對于土顆粒的被動阻力。對于同樣粗糙度的材料，二者間的摩阻力隨著豎向應(yīng)力成比例提高，多余的被動阻力對于相同剛度的筋材差別不大，因此可以認為在高應(yīng)力水平下的橫肋加筋效果更為顯著。

圖6 不同橫肋比例格柵的剪切試驗Fig.6 Shear test results of geogrids with different proportion of transverse ribs

圖7為3 種豎向應(yīng)力水平下筋土界面剪切應(yīng)力與橫肋比例含量的關(guān)系曲線。三者的界面峰值強度均呈現(xiàn)出隨橫肋比例的提高而增大，由圖7(a)可直觀發(fā)現(xiàn)，當σ為27 kPa 和54 kPa時，橫肋比例從0～50%過渡到50%～75%時線段的斜率發(fā)生了輕微的降低，σ=81 kPa時略微提高；豎向應(yīng)力為54 kPa時比27 kPa 高出2 倍，界面強度約為后者的1.68 倍，豎向應(yīng)力為81 kPa 是54 kPa 的1.50 倍，界面強度卻是后者的1.44倍，經(jīng)歸一化處理后可得，81 kPa時強度增幅為54 kPa時的0.96 倍，54 kPa為27 kPa 的0.83 倍，說明應(yīng)力較低時橫肋的被動阻力為界面強度的主要影響因素，豎向應(yīng)力（即等同于界面滑動摩阻力）為次要因素；當應(yīng)力較高時，筋土界面摩擦阻力為主導，被動阻力的影響較小。因此，不論應(yīng)力水平大小如何，殘余強度的發(fā)展都隨橫肋比例的增加而增大，三者都呈現(xiàn)出較為一致的增幅放緩的規(guī)律。由于筋材經(jīng)歷了較長剪切位移后發(fā)生磨損，增加筋材的比例等于增大了抗剪強 度中摩擦阻力的比重，削弱了被動阻力的承載效 果，故表現(xiàn)出一定的強度隨橫肋比例減小的趨勢。

圖7 橫肋比例對筋土界面峰值和殘余剪切強度的影響Fig.7 Influence of proportion of transverse ribs on peak and residual strength of sand-geogrid interface

4.1.2 縱肋比例對界面強度的影響

為了研究縱肋比例對于筋土界面強度特性的影響，控制橫肋總量為100%不變。圖8為不同應(yīng)力時不同縱肋比例格柵筋土界面強度與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖可見，縱肋的不同比例對筋土界面剪切強度的影響比橫肋要復(fù)雜得多，不同比例的縱肋會產(chǎn)生不同的作用機制，是否含有縱肋將是界面特性發(fā)生突變的決定性因素。在較低的縱肋比例0%和50%時，當剪切位移約4～5 mm時筋土界面經(jīng)歷了一段明顯的屈服硬化階段，隨著剪切位移的繼續(xù)發(fā)展，強度隨之增大，直到試驗結(jié)束并未發(fā)現(xiàn)強度發(fā)生軟化現(xiàn)象。當豎向應(yīng)力σ=54 kPa、縱肋含量為75%、100%時，剪切強度隨剪切位移的增大而規(guī)律性增加，類似一般的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，隨著剪切位移的繼續(xù)，10 mm 左右處達到峰值強度，之后界面發(fā)生破壞進入殘余剪切段（剪切應(yīng)力-剪切位移曲線趨于穩(wěn)定的部分）；當σ=81 kPa、縱肋比例為75%時，剪切位移約2.5～3.0 mm 左右處存在一段較為微弱的屈服硬化階段，之后剪切應(yīng)力隨著剪切位移的發(fā)展出現(xiàn)了細微的強度降低，說明在縱肋含量為75%時界面經(jīng)歷了兩種狀態(tài)的過渡階段，同時具備了低比例縱肋時的屈服階段和高比例縱肋后期的強度降低階段。由此可知，格柵縱肋在筋土界面的剪切特性中起到了重要且復(fù)雜的作用。

圖8 不同縱肋比例格柵的剪切試驗Fig.8 Shear test results of geogrids in different proportions of longitudinal ribs

圖9為不同比例縱肋的峰值剪切強關(guān)系曲線。低比例縱肋下峰值強度發(fā)生在試驗結(jié)束，高比例縱肋時的峰值強度發(fā)生在剪切過程中，這里分析歸納界面的峰值強度變化規(guī)律進行。剪切強度隨縱肋比例總體上呈遞增關(guān)系，當縱肋比例小于50%時，54、81 kPa 應(yīng)力下界面強度分別提高了2.25%、1.55%；當縱肋比例為100%，即原始為剪切格柵對應(yīng)的界面剪切強度分別提升了21.3%和10.5%，很明顯由于格柵縱肋比例的增大，界面強度得到了明顯的加強。

圖9 縱肋比例對筋土界面峰值剪切強度的影響Fig.9 Influence of proportion of longitudinal ribs on peak shear strength of sand-geogrid interface

4.2 橫肋與縱肋加筋作用機制的研究

為了明確作為格柵組成部分的橫肋與縱肋在提高筋土界面強度上的作用，分別進行兩種特殊格柵的剪切試驗，即50%橫肋+100%縱肋和僅含100%縱肋兩種筋土界面，通過簡化手段近似分析二者的加筋效果。

圖10為3種應(yīng)力下的兩種特殊格柵的界面剪切試驗。由圖可見，含有50%橫肋與0%橫肋時的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線基本表現(xiàn)出同樣的發(fā)展規(guī)律，隨著剪切位移的進行達到峰值強度，隨后進入殘余剪切段；隨著橫肋比例的增加，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線達到峰值強度所需的剪切位移也隨之增大，說明橫肋的存在起到了增加筋土界面塑性的效果，延緩了界面破壞的時程。不同的是，剪切位移約5 mm 左右時兩者的差值較小；剪切位移大于5 mm時二者的差距隨著剪切位移的增加而增加。為了清楚橫肋的作用機制，將圖10 中3 幅圖經(jīng)過簡單的擬合之后求兩者的差值，因橫肋數(shù)量的增減只對自身受力產(chǎn)生影響，不會改變縱肋的受力形式，故可由疊加原理減掉兩者共有的縱肋部分，得到如圖11 所示的橫肋被動阻力隨剪切位移的發(fā)展規(guī)律。剪切位移為6 mm 左右時是界面橫肋縱肋作用區(qū)分的臨界點，之前兩者的差值較小是因起初剪切位移較小，界面橫肋與縱肋主要表現(xiàn)為界面的摩擦阻力，隨著剪切位移的增加，界面強度隨之不斷增大，格柵橫肋開始發(fā)揮作用并占主導，界面摩擦阻力相對減小。

圖10 兩種不同格柵的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系Fig.10 Relationships of shear strength and shear displacement of two different geogrids

圖11 橫肋被動阻力隨剪切位移的變化關(guān)系Fig.11 Relationships of passive resistance caused by transverse ribs with shear displacement

4.3 格柵幾何尺寸對于筋土界面強度的影響

經(jīng)章節(jié)4.2 分析可知，土工格柵的橫肋與縱肋在界面特性的不同階段，筋材土體的相互作用因剪切階段以及二者比例的差異表現(xiàn)出不同的作用機制。之前分析了橫肋與縱肋各自的加筋效果，這里將二者按一定比例組合研究不同開口尺寸的格柵對界面強度特性的影響。

圖12 不同比例橫肋與縱肋的組合的比較Fig.12 Combination of transverse and longitudinal ribs in different proportions

圖12為4種按不同縱橫肋比例組合的格柵試樣簡圖，圖13為不同豎向應(yīng)力下的5 種不同比例組合格柵的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。由圖可見，隨著筋材開口面積的減小，筋材間距越來越密，接觸面剪切強度也隨之增大；有當縱橫肋比例較低開口面積較大時，筋土界面強度隨位移變化較為平緩，未出現(xiàn)明顯的峰值和殘余強度值。開口面積為75%縱橫肋比例時，強度曲線在7.5 mm 左右出現(xiàn) 了明顯的峰值強度，后期伴隨較為顯著的強度降低達9.2%和8.7%。此外，50%橫肋+75%縱肋與75%橫肋+50%縱肋二者具有相同的縱肋橫肋數(shù)量以及開口面積，而造成前者強度高后者強度低的原因是含有75%縱肋的格柵雖然橫肋的比例較小，但相對于50%縱肋的格柵試樣而言具有更短的橫肋單元，即橫肋的抗彎剛度較大，后者雖然包含橫肋數(shù)量較多但總體抗彎剛度較小，故表現(xiàn)出了較低的界面剪切強度。由于文中所用格柵肋條面積較開口面積小很多，未涉及開口面積與強度的規(guī)律分析，在今后的工作中將采用較粗格柵進行深入研究。

圖13 橫肋與縱肋組合工況下的試驗結(jié)果Fig.13 Direct shear test results in the condition with different proportions of transverse and longitudinal ribs

5 結(jié) 論

（1）筋土界面剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系隨橫肋比例的增加呈遞增關(guān)系。相對較低低應(yīng)力，較高應(yīng)力下的筋土界面，由于摩擦阻力占主導地位表現(xiàn)出更好的橫肋加筋效果，縱肋比例較低時筋土界面強度會經(jīng)歷一小段的屈服硬化階段，隨著剪切位移的增加而達到峰值強度。

（2）橫肋與縱肋的存在直接影響著界面抗剪強度的高低，橫肋的受力為摩阻力和被動阻力，縱肋受力則表現(xiàn)為肋條與土體顆粒間的摩擦阻力。當剪切位移較小時，二者作用表現(xiàn)為摩阻力共同承擔荷載；剪切位移較大時橫肋的被動阻力則發(fā)揮了較大的作用。

（3）筋土界面強度隨著格柵開口尺寸的增大而降低，隨格柵橫肋縱肋的密度增大而增大?？v肋的存在不僅承擔了界面摩擦阻力，而且起到錨固格柵加強整體性的效果，提高了橫肋的抗拉抗彎剛度?？v橫肋需要以一定比例搭配才能發(fā)揮較好的加筋效果。

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