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）

土工格柵界面摩擦特性試驗(yàn)研究

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）

以河北省某高速公路加筋高填方路堤工程為依托，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同垂直荷載作用下筋土界面的摩擦特性，并分析了試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律．結(jié)果表明，在兩種試驗(yàn)條件下，其加筋機(jī)理有所不同，當(dāng)相對(duì)位移較小時(shí)，直剪摩擦試驗(yàn)較能反映實(shí)際情況，當(dāng)相對(duì)位移較大時(shí)，填料與土工格柵雙面均發(fā)生相對(duì)位移，因此拉拔試驗(yàn)更為合適．由對(duì)比分析可知，拉拔試驗(yàn)剪應(yīng)力峰值高，且達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)剪切位移大．對(duì)于雙向土工格柵的加筋狀況，由于雙向土工格柵與填料的空間咬合作用更強(qiáng)一些，宏觀上表現(xiàn)為其加筋效果要優(yōu)于單向土工格柵．該試驗(yàn)結(jié)果可為類似的加筋高填方路堤工程研究提供參考依據(jù)．

土工格柵；直剪試驗(yàn)；拉拔試驗(yàn)；界面摩擦特性

近年來(lái)，隨著土工合成材料產(chǎn)品種類的不斷增加，使得加筋土技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、港口、煤礦等各個(gè)工程領(lǐng)域中，其中在加筋路堤、加筋擋土墻等方面取得了卓越的成績(jī)．土工格柵作為一種新型的合成材料，具有強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率低、耐高溫、耐腐蝕、韌性好等特點(diǎn)，在工程應(yīng)用中主要體現(xiàn)在加筋、抗變形、壓實(shí)和排水作用等[1-3]．

筋土界面的摩擦特性既是加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，也是研究筋土界面相互作用機(jī)理的前提．國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)拉拔試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)研究了筋土界面摩擦特性．筋土界面摩擦特性較為復(fù)雜，其影響因素較多，例如：筋材特性、填料特性、垂直荷載、壓實(shí)度、含水率、拉拔速率和邊界條件等等．吳景海等[4-7]對(duì)土工合成材料與土和砂的界面摩擦特性展開(kāi)了大量的試驗(yàn)研究，也取得了一定的成果．盡管當(dāng)前有關(guān)筋土界面摩擦特性的研究有很多，但對(duì)筋土之間相互作用的研究結(jié)果及界面摩擦系數(shù)卻存在較大的分散性．常用的筋土摩擦特性試驗(yàn)是直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，但是對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法、取值標(biāo)準(zhǔn)等方面仍處于探索階段，因此進(jìn)一步展開(kāi)筋土界面摩擦特性試驗(yàn)研究是十分必要的．

文章以河北省某高速公路加筋路堤為背景，以現(xiàn)場(chǎng)用土作為試驗(yàn)填料，通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)對(duì)比研究，分析不同類型的土工格柵與填料的界面摩擦特性，為土工格柵在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)．

圖1 拉拔試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Pull-out testequipment

圖2 直剪試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 directshear testequipment

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1拉拔試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用天津大學(xué)自主研制的拉拔試驗(yàn)機(jī)．拉拔試驗(yàn)箱為一矩形箱體，側(cè)壁有足夠剛度，豎向加壓時(shí)不變形，箱體尺寸40 cm×30 cm× 30 cm（長(zhǎng)×寬×高），箱體的拉拔端側(cè)壁中間部位留有一條橫向貫通的窄縫，縫高約5 mm．窄縫內(nèi)側(cè)安置一塊可上下抽動(dòng)的插板，用于調(diào)整縫隙的大小，以防止土樣漏出．垂直荷載控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化油壓加載方式，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)加壓板對(duì)試驗(yàn)箱施加一恒定的垂直荷載．水平加荷控制系統(tǒng)，采用應(yīng)變式控制加荷．水平位移由高精度位移傳感器測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示．試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示．

1.2 直剪試驗(yàn)設(shè)備

直剪試驗(yàn)箱分為上、下兩箱體，上箱體尺寸為40 cm×30 cm×18 cm（長(zhǎng)×寬×高），下箱體尺寸為80 cm×30 cm×12 cm（長(zhǎng)×寬×高）．在試驗(yàn)過(guò)程中，保持上箱體位置固定，使下箱體移動(dòng)，為了避免在相互錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中土工格柵與填料間的接觸面不斷變小，設(shè)計(jì)下箱體的長(zhǎng)度大于上箱體．上箱體的下底面敞口，可以通過(guò)加壓板施加垂直壓力，下箱體上底面開(kāi)口．上箱體和下箱體的兩側(cè)分別有兩個(gè)滑道，在滑道上放有鋼珠，通過(guò)鋼珠減少上下箱體在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力．下箱體內(nèi)部邊緣可用一鐵片（28 cm×1 cm）和螺絲將土工格柵固定．加荷系統(tǒng)與拉拔試驗(yàn)設(shè)備相同，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示．

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用填料選自河北省某高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)路堤回填土．參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[8]，通過(guò)常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得填料的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1．

試驗(yàn)選取3種不同類型的土工格柵，分別為EG90R型單向土工格柵、TGDG80型單向土工格柵和EG3030型雙向土工格柵．拉拔試驗(yàn)中格柵尺寸為42 cm×26 cm，其中在拉拔試驗(yàn)箱中的有效面積為34 cm×26 cm．直剪試驗(yàn)中的格柵尺寸為80 cm×30 cm，固定在下箱體表面．其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2．

表1 填料的物理特性指標(biāo)Tab.1 Essentialparameterof the filling

表2 土工格柵的力學(xué)性能Tab.2 Technicalindexesofdifferentgeogrids

2 試驗(yàn)方法

直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)均采用應(yīng)變式控制，剪切（拉拔）速率均為1.5 mm/m in，將填料含水率調(diào)到最佳含水率8%．

直剪試驗(yàn)中，首先在下箱體中加入適量的土體，按93%的壓實(shí)度分層壓實(shí)，壓實(shí)后保持土面平整，將土工格柵固定在下箱上表面，同時(shí)在軌道和滾珠上面涂上凡士林潤(rùn)滑，對(duì)準(zhǔn)放好上箱體，繼續(xù)往上箱填土，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，可以在填料表面均勻地撒上一層細(xì)沙．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)．

拉拔試驗(yàn)中，將土工格柵埋設(shè)在填料中．將試樣的一端從窄縫外引出8 cm，保持兩邊對(duì)稱，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，使插板下緣正好貼近格柵上表面，將插板固定，按93%的壓實(shí)度分層壓實(shí)．準(zhǔn)備施加垂直荷載，對(duì)粒狀土體的固結(jié)時(shí)間一般不少于15m in．然后緩慢施加一水平荷載，使裝置中外露格柵受力且處于繃緊狀態(tài)，減小夾具與格柵之間的滑動(dòng)位移對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響．

當(dāng)試驗(yàn)中水平拉力出現(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)．

圖3 直剪摩擦試驗(yàn)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.3 Shearstress-sheardisplacementon directshear friction tests

3 試驗(yàn)成果與分析

3.1 直剪試驗(yàn)成果

參考日本橙皮書(shū)“奧美拉唑腸溶片”溶出曲線測(cè)定用介質(zhì)[5]以及日本厚生勞動(dòng)省頒布的《仿制藥生物等效性試驗(yàn)原則》[6]中對(duì)腸溶制劑溶出測(cè)定用介質(zhì)的要求， 選擇 pH 1.2、pH 5.5、pH 6.0、pH 6.8 和水介質(zhì)進(jìn)行溶出曲線研究。

通過(guò)分析繪制出各土工格柵與填料的剪應(yīng)力與相對(duì)位移曲線，如圖3所示，分別為EG90R型單向土工格柵、EG3030型雙向土工格柵和TGDG80型單向土工格柵的剪應(yīng)力與相對(duì)位移的關(guān)系曲線．由圖可知，剪應(yīng)力與剪切位移呈非線性關(guān)系，隨著垂直荷載的增加，剪應(yīng)力和剪切位移逐漸增大，當(dāng)剪切位移達(dá)到一定范圍時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，之后趨于穩(wěn)定．

一般認(rèn)為在直剪摩擦試驗(yàn)條件下，土工格柵與填料界面之間的摩阻力主要由3部分組成：1）土工格柵與填料表面之間的摩阻力；2）填料之間的摩阻力；3）土工格柵網(wǎng)格與填料之間的空間咬合、嵌固作用．

由圖3中a）與b）對(duì)比分析可知，EG3030型雙向土工格柵的摩擦阻力要高于EG90R型單向土工格柵摩擦阻力的5%左右，這主要是因?yàn)殡p向土工格柵的孔眼較多，與填料之間的空間咬合作用使剪應(yīng)力增大．由圖3中a）與c）對(duì)比分析可知，TGDG80型單向土工格柵的摩擦阻力要高于EG90R型單向土工格柵摩擦阻力的4%左右.同樣為單向土工格柵，但由于材料性質(zhì)的不同，加筋效果也不同，TGDG80型單向土工格柵的橫肋要比EG90R型單向土工格柵的橫肋寬厚，與填料之間的空間嵌固、咬合作用更好一些，增大與填料的摩阻力．

3.2 拉拔試驗(yàn)成果分析

與直剪試驗(yàn)相比，土工格柵在拉拔試驗(yàn)中的摩擦阻力主要由2部分組成：1）土工格柵表面與填料間的摩擦阻力；2）土工格柵網(wǎng)格與填料之間的空間連鎖作用，而且第二部分起主要作用．

通過(guò)分析繪制出各土工格柵與填料的剪應(yīng)力與拉拔位移曲線，如圖4所示，分別為EG90R型單向土工格柵、EG3030型雙向土工格柵和TGDG80型單向土工格柵的剪應(yīng)力與拉拔位移的關(guān)系曲線．與剪切位移曲線相比，在拉拔位移曲線上，隨著拉拔位移的增大，剪應(yīng)力達(dá)到峰值以后會(huì)迅速下降．在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，在一定的范圍內(nèi)，剪應(yīng)力隨著拉拔位移的增大而增大，因?yàn)槠淅巫枇κ请S著格柵埋入的深度由箱外向箱內(nèi)逐漸傳遞發(fā)揮出來(lái)的．

3.3 拉拔與直剪試驗(yàn)對(duì)比分析

直剪摩擦試驗(yàn)與拉拔摩擦試驗(yàn)成果匯總于表3．

從表3中可以看出，拉拔試驗(yàn)所得的界面粘聚力要高于直剪試驗(yàn)所得的界面粘聚力，而直剪試驗(yàn)所得的內(nèi)摩擦角要大于拉拔試驗(yàn)所得的內(nèi)摩擦角．拉拔試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角因筋材抗拉強(qiáng)度的不同變化較大，而直剪試驗(yàn)所得內(nèi)摩擦角則較為穩(wěn)定．從表3中亦可看出直剪試驗(yàn)所得的直剪系數(shù)高于拉拔摩擦試驗(yàn)所得的拉拔系數(shù)．在直剪試驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)樯舷孪潴w通過(guò)滾珠滑動(dòng)，潤(rùn)滑效果達(dá)不到理想的潤(rùn)滑效果，可能導(dǎo)致剪應(yīng)力過(guò)大．還會(huì)因?yàn)樯舷潴w受垂直荷載，而下箱體的另半側(cè)不受荷載，這樣可能會(huì)出現(xiàn)土體起拱現(xiàn)象，導(dǎo)致剪應(yīng)力增大．

表3 試驗(yàn)成果匯總Tab.3 Resultsof test

圖4 拉拔摩擦試驗(yàn)剪應(yīng)力與拉拔位移關(guān)系曲線Fig.4 Shearstress-sheardisplacementon pull-outfriction tests

4 結(jié)論

1）當(dāng)加筋土達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，直剪試驗(yàn)中筋土之間的相對(duì)位移要明顯小于拉拔試驗(yàn)．直剪試驗(yàn)的剪切位移一般在12mm以內(nèi)達(dá)到抗剪強(qiáng)度，而拉拔試驗(yàn)拉拔位移一般在15mm左右才能達(dá)到峰值．

2）當(dāng)填料與土工格柵相對(duì)位移較小時(shí)，直剪試驗(yàn)較能反映實(shí)際情況；相對(duì)位移較大時(shí)，拉拔試驗(yàn)更能反映實(shí)際情況．

3）由直剪摩擦試驗(yàn)可知EG3030型雙向土工格柵的直剪系數(shù)最大，由拉拔摩擦試驗(yàn)可知TGDG80型單向土工格柵的拉拔系數(shù)較高，所以對(duì)變形有嚴(yán)格要求的加筋工程應(yīng)優(yōu)先采用EG3030型和TGDG80型土工格柵．

4）由于筋材的材料特性不同，其加筋效果也有所差異．雙向土工格柵與填料之間的摩阻力優(yōu)于單向土工格柵的摩阻力，這是因?yàn)殡p向土工格柵的網(wǎng)格比較多，空間連鎖效應(yīng)更強(qiáng)一些，加筋效果更好一些．在實(shí)際工程中，雙向土工格柵可以作為一種比較好的加筋材料．

5）通過(guò)拉拔試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)對(duì)比分析可知，不同筋材之間的摩擦系數(shù)相差較大，因而在具體的工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程中土工格柵的位移條件，通過(guò)直剪試驗(yàn)或拉拔試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)參數(shù)．

[1]李志清，胡瑞林，付偉，等．土工格柵在加固高速公路路堤中的應(yīng)用研究[J]．巖土力學(xué)，2008，29（3）：795-799．

[2]劉麗芳，儲(chǔ)才員．國(guó)內(nèi)外土工合成材料的發(fā)展[J]．青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（2）：50-53．

[3]黃曉明，朱湘．公路土工合成材料應(yīng)用原理[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[4]吳景海，陳環(huán)，王玲娟，等．土工合成材料與土界面作用特性的研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（1）：89-93．

[5]馬時(shí)冬．土工格柵與土的界面摩擦特性試驗(yàn)研究[J]．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2004，21（1）：11-14．

[6]史旦達(dá)，劉文白，水偉厚，等．單雙向土工格柵與不同填料界面作用特性對(duì)比試驗(yàn)研究[J]．巖土力學(xué)，2009，30（8）：2237-2244．

[7]楊廣慶，李廣信，張保儉．土工格柵界面摩擦特性試驗(yàn)研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（8）：948-952．

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

[責(zé)任編輯 楊屹]

Interface friction characteristicsof geogrids

ZHAOChuan，DOU Yuan-ming，GENGM in

(Collegeof Civil Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on reinforced high embankmentproject in Hebeiprovince,the friction characteristic ofgeogrid-soilinterfacewere researched under different vertical loadswith direct shear tests and pull tests.Theeffectof testequipment and testmethod on test resultswere analyzed.The resultsshow that the reinforcementmechanismsof two test conditions are different.The results of directshear test reflect the actual situation when the relative displacement is small.Due to upperand low er surfacesofgeogridsand filling occurs friction each other,they appeared relativedisplacementin pull-out test,thepull-out testismoreappropriate to simulatepracticalsituationwhich the relativedisplacement is larger.The final comparative analysisshows thatshear stress peak valueof pull-out testishigherand shear displacement is largerw hen the shearstress reaches peak strength.Forbiaxialplastic geogrid reinforced highembankmentproject,the reinforced effect isbetter thanuniaxialplasticgeogrid in themacroscopicbecause theeffectof spacebites forcebetween biaxialplasticgeogrid and the filling isstronger.These results can provide reliable reference for the sim ilar reinforced high embankment project.

geogrids;directshear test;pull-out test;interface friction characteristics

TU411

A

1007-2373(2014)01-0088-04

2013-06-13

河北省交通廳資助項(xiàng)目（Y-2010025-4）

趙川（1986-），男（漢族），博士生．