丁金華， 童 軍，劉 軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

新型多功能土-土工合成材料試驗(yàn)機(jī)在筋土相互作用研究中的應(yīng)用

丁金華， 童 軍，劉 軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

土-土工合成材料的相互作用是加筋機(jī)理研究中的重要問(wèn)題，筋材性質(zhì)是加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。為了真實(shí)模擬筋材在土中的受力條件，獲得更符合實(shí)際的材料特性參數(shù)，深入探討筋土相互作用規(guī)律，在原土-土工合成材料界面直剪試驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，研制了新型的土-土工合成材料多功能試驗(yàn)機(jī)。該機(jī)采用雙伺服電機(jī)控制及全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)不同輔助手段和控制模式，可完成土-土工合成材料的界面直剪、拉拔、側(cè)限約束拉伸以及側(cè)限約束蠕變?cè)囼?yàn)。采用不同類(lèi)型的土工格柵和砂土進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)筋材與土的界面特性、以及筋材在約束作用下的拉伸特性和蠕變特性及其影響因素進(jìn)行了探討。試驗(yàn)成果充分驗(yàn)證了該機(jī)性能的穩(wěn)定性和可靠性，為深入掌握筋土相互作用特性提供重要試驗(yàn)依據(jù)。

土-土工合成材料試驗(yàn)機(jī)；伺服控制；筋土界面相互作用；拉拔試驗(yàn)；側(cè)限約束拉伸試驗(yàn)；側(cè)限約束蠕變?cè)囼?yàn)

1 研究背景

近幾十年來(lái)，土工合成材料的工程應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外已非常廣泛，尤其是在加筋土工程中，涉及到的加筋材料型式越來(lái)越多樣化，從早期的土工織物和土工帶，發(fā)展到各種類(lèi)型的土工格柵、土工格室以及復(fù)合型土工合成材料等。在加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，筋材強(qiáng)度以及填土與筋材之間的界面特性指標(biāo)是非常重要的參數(shù)，其取值的合理性直接影響結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)筋材短期或長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度的相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(如ASTM D4595—11、ASTM D6637—2010、ASTM D5262—07、GB/T 15788—2005、GB/T 17689—2008、SL235—2012等)均規(guī)定筋材在空氣中一定溫濕度條件下進(jìn)行無(wú)約束拉伸，以此試驗(yàn)條件得到的強(qiáng)度指標(biāo)作為材料特征參數(shù)。但顯然這種試驗(yàn)條件與筋材在工程中的應(yīng)用條件完全相異。作為高分子材料，其力學(xué)強(qiáng)度和破壞形式與材料的使用環(huán)境和使用條件有關(guān)。工程應(yīng)用中，筋材埋設(shè)于土體中，不僅受到土顆粒的約束和摩擦嵌固作用，且承受土壓力和外部靜/動(dòng)荷載的作用，必然影響材料強(qiáng)度和變形特性的發(fā)展。但由于模擬現(xiàn)場(chǎng)工程條件的試驗(yàn)方法比較復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求較高，使得目前能夠反映填土作用下筋材真實(shí)力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)成果還不多見(jiàn)，筋材-土界面相互作用機(jī)理也還有待深入研究[1-3]。

本文介紹了一臺(tái)根據(jù)筋土相互作用原理而改制的土-土工合成材料多功能試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)對(duì)比分析由該機(jī)測(cè)得的側(cè)限約束條件下筋材力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)無(wú)約束條件下筋材性質(zhì)的變化，驗(yàn)證該機(jī)在加筋機(jī)理試驗(yàn)研究中的可行性和準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)筋土界面相互作用特性進(jìn)行探討。

2 試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)江科學(xué)院在原有土-土工合成材料直剪試驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，綜合考慮幾種試驗(yàn)方法的特點(diǎn)，提出了新型多功能試驗(yàn)機(jī)的改造思路，并與生產(chǎn)企業(yè)合作制造了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)多功能型土-土工合成材料直剪拉拔蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，如圖1所示。

圖1 多功能土-土工合成材料試驗(yàn)機(jī)Fig.1 The multifunctional soil-geosynthetics testing machine

該機(jī)由水平和垂直2個(gè)相互獨(dú)立的閉環(huán)伺服電氣控制系統(tǒng)、剪切盒、應(yīng)力及變形測(cè)量系統(tǒng)等幾部分組成。試驗(yàn)全過(guò)程及數(shù)據(jù)采集均采用計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制。閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有高響應(yīng)、高速性和高精度等優(yōu)點(diǎn)，主要包括功率放大和反饋系統(tǒng)。垂直荷載采用伺服電機(jī)滾珠絲桿施加，量程為0～100 kN，精度0.1%FS。水平荷載量程0～50 kN，精度0.1%FS，通過(guò)不同試驗(yàn)?zāi)K的控制，可進(jìn)行0.02～10 mm/min范圍內(nèi)無(wú)極調(diào)速的應(yīng)變式試驗(yàn)，也可采用閉環(huán)式控制進(jìn)行應(yīng)力式試驗(yàn)。

表1 不同土工格柵的基本性質(zhì)Table 1 Basic parameters of different geogrids

剪切盒尺寸為600 mm×300 mm×300 mm。當(dāng)只固定上盒，采用水平傳力導(dǎo)桿施加水平荷載時(shí)，可以完成常規(guī)土-土工合成材料界面直剪試驗(yàn)；同時(shí)固定上下盒，土工合成材料試樣前端采用水平夾具夾持，后端自由時(shí)，可完成土-土工合成材料界面拉拔試驗(yàn)；與常規(guī)界面直剪拉拔試驗(yàn)儀不同的是，本機(jī)在上剪切盒后部增設(shè)了倒角型夾具，用以?shī)A持試樣后端。當(dāng)試樣前后端同時(shí)被固定，并按照要求的剪切速率施加水平荷載時(shí)，可完成土工合成材料在土中的側(cè)限拉伸試驗(yàn)；對(duì)于側(cè)限蠕變?cè)囼?yàn)，其試樣固定方式與側(cè)限拉伸試驗(yàn)相同，但需在試驗(yàn)控制軟件中選定閉環(huán)控制模式，按照不同應(yīng)力水平施加相應(yīng)的水平荷載，伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水平荷載的高精度反饋控制，滿足蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)荷載穩(wěn)定的要求。

近年來(lái)已利用該機(jī)進(jìn)行了砂土、黏性土和不同加筋材料之間的界面直剪、拉拔、側(cè)限拉伸以及側(cè)限約束蠕變?cè)囼?yàn)。整機(jī)性能穩(wěn)定，為研究筋土相互作用機(jī)理以及材料性能發(fā)揮了很大的作用，也為加筋土工程實(shí)踐提供了參數(shù)依據(jù)。本文限于篇幅，只選取砂土和HDPE單向拉伸土工格柵以及粘焊型聚酯土工格柵之間的界面拉拔試驗(yàn)、側(cè)限拉伸試驗(yàn)以及側(cè)限蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行論述并分析。

圖2 風(fēng)化砂級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of weathered sand

3 試驗(yàn)材料

3.1 填 土

試驗(yàn)所用填料為三峽風(fēng)化砂，級(jí)配曲線見(jiàn)圖2，顆粒分析得到d60=1.5 mm，d30=0.24 mm，d10=0.12 mm，不均勻系數(shù)Cu=12.5，曲率系數(shù)Cc=0.32。

試驗(yàn)中控制填料含水率為2%，填筑干密度1.8 g/cm3。

3.2 土工合成材料

試驗(yàn)選用1種高密度聚乙烯(HDPE)單向拉伸塑料格柵和2種粘焊型聚酯PET土工格柵，其標(biāo)稱(chēng)強(qiáng)度分別為50,30,80 kN/m，根據(jù)《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》(SL235—2012)[4]進(jìn)行了空氣中無(wú)約束常規(guī)拉伸試驗(yàn)，得到的實(shí)際拉伸強(qiáng)度和延伸率等見(jiàn)表1。

4 界面拉拔試驗(yàn)

界面拉拔試驗(yàn)方法參照SL235—2012進(jìn)行，本文只列舉HDPE-1#以及PET-2#的拉拔試驗(yàn)成果。試驗(yàn)中垂直荷載分別為5，50，100，200 kPa，拉拔速率為1 mm/min。

圖3、圖4分別為HDPE-1#和PET-2#格柵在不同垂直荷載條件下拉拔位移-剪應(yīng)力及垂直荷載-剪應(yīng)力關(guān)系曲線。擬合分析可得該風(fēng)化砂與2種格柵的界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。其中由于拉拔試驗(yàn)條件的局限性，當(dāng)荷載超過(guò)一定限度，可能導(dǎo)致筋材在未達(dá)界面破壞時(shí)就先在自由段發(fā)生拉斷破壞(如HDPE-1#在200 kPa條件下的情況)，因此HDPE-1#的界面參數(shù)僅采用5～100 kPa進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖3(b))。

圖3 風(fēng)化砂-HDPE-1#土工格柵界面拉拔試驗(yàn)成果Fig.3 Shear stress vs. pull-out displacement and vertical load of the interface between weathered sand and geogrid HDPE-1#

圖4 風(fēng)化砂-PET-2#土工格柵界面拉拔試驗(yàn)成果Fig.4 Shear stress vs. pull-out displacement and vertical load of the interface between weathered sand and geogrid PET-2#表2 風(fēng)化砂-土工格柵界面拉拔試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters of gravel-geogrid interface obtained by pull-out test

格柵類(lèi)型c/kPaφ/(°)f*HDPE-1#32.423.20.43PET-2#12.912.70.23

通過(guò)試驗(yàn)成果分析可知，不論何種類(lèi)型格柵，界面拉拔特性都表現(xiàn)出如下一些共同特征：

(1) 上覆荷載越大，砂-格柵界面的剪應(yīng)力越大。200 kPa時(shí)，PET-2#格柵-砂的界面最大剪應(yīng)力可達(dá)57.03 kPa，是垂直荷載為5 kPa時(shí)剪應(yīng)力的4.7倍。

(2) 與無(wú)黏聚力的風(fēng)化砂相比，由于格柵網(wǎng)格的嵌固效應(yīng)，增強(qiáng)了土顆粒之間的咬合作用，使筋土復(fù)合體產(chǎn)生一定的似黏聚力。HDPE-1#的似黏聚力高于PET-2#，這應(yīng)該與格柵網(wǎng)格尺寸不同而導(dǎo)致的筋土界面實(shí)際接觸面積不同有關(guān)。

(3) 筋土界面的似摩擦角小于風(fēng)化砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，因此，在加筋設(shè)計(jì)中必須注意復(fù)核筋土界面的抗滑穩(wěn)定性。

(4) 采用本機(jī)對(duì)幾種格柵進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)觀測(cè)均表明，垂直加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，采用伺服電機(jī)施加水平荷載，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，精度和準(zhǔn)確度都比較高，克服了大功率液壓系統(tǒng)加載和控制的滯后性和波動(dòng)性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，獲得了可靠豐富的試驗(yàn)成果。

5 土中側(cè)限約束拉伸試驗(yàn)

由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于土中的拉伸試驗(yàn)沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，本文中參照土工格柵無(wú)約束拉伸試驗(yàn)規(guī)范(GB/T 17689—2008)[5]，將拉伸速率定義為試樣初始長(zhǎng)度的20%每分鐘，即120 mm/min。垂直荷載分別為5，50，100，200 kPa。

采用本機(jī)進(jìn)行的3種格柵在不同垂直荷載條件下的側(cè)限拉伸試驗(yàn)成果見(jiàn)圖5。

圖5 3種格柵在不同垂直荷載下的側(cè)限拉伸強(qiáng)度變化Fig.5 Confined-tensile strength of geogrids under different vertical loads

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 與無(wú)約束拉伸相比，側(cè)限約束條件對(duì)格柵力學(xué)性質(zhì)有明顯影響。

(2) 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表明，砂土約束下，格柵材料的脆性更明顯，斷裂延伸率普遍降低，一定應(yīng)變下的割線拉伸模量普遍增大，但斷裂強(qiáng)度的變化幅度與上覆荷載和格柵種類(lèi)有關(guān)。

(3) 3種格柵的砂土約束拉伸試驗(yàn)都顯示出，在未到達(dá)斷裂狀態(tài)前，同樣應(yīng)變對(duì)應(yīng)的格柵強(qiáng)度隨上覆荷載的增大而增大，且這種差異與延伸率呈正相關(guān)關(guān)系。

(4) 不同型式的格柵受砂土約束的影響程度不同。HDPE單向拉伸格柵在上覆荷載<100 kPa時(shí)，其力學(xué)特性與無(wú)約束情況下差別不明顯，但PET格柵表現(xiàn)出明顯的荷載依賴(lài)性，即便同為粘焊型PET格柵，其力學(xué)強(qiáng)度隨上覆荷載的變化規(guī)律也不完全相同。

例如，PET-2#格柵在上覆荷載200 kPa條件下，斷裂延伸率僅5.54%，比無(wú)約束時(shí)的10.08%降低了近45%，斷裂強(qiáng)度達(dá)91.3 kN/m，較標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度83.03 kN/m提高了近10%。而PET-3#格柵在同樣200 kPa下，不僅延伸率從原來(lái)的5.07%降低至1.36%，降幅高達(dá)約73%，斷裂強(qiáng)度也有所降低，從38.58 kN/m降低了約22%，為30.11 kN/m。但如果從應(yīng)變的角度分析，相應(yīng)于側(cè)限約束時(shí)斷裂延伸率1.36%，PET-3#的無(wú)約束拉伸強(qiáng)度僅有16.59 kN/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于約束條件下的30.11 kN/m?？梢?jiàn)，側(cè)限約束對(duì)材料性質(zhì)的影響必須同時(shí)結(jié)合應(yīng)力和應(yīng)變兩方面進(jìn)行分析。土的約束和荷載作用既限制了筋材變形的發(fā)展，同時(shí)又促使筋材在較小變形時(shí)就發(fā)揮出更大的強(qiáng)度。

目前的加筋設(shè)計(jì)中并未考慮筋材在土中的實(shí)際工況，一定程度上低估了筋材的力學(xué)強(qiáng)度，但對(duì)于某些對(duì)變形要求嚴(yán)格的工程，必須重視筋材與土作用時(shí)其延伸率的變化。

6 土中的側(cè)限約束蠕變?cè)囼?yàn)

蠕變是指材料在穩(wěn)定荷載作用下持續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象，是高分子材料固有的特性。不同原材料制成的土工合成材料，受蠕變的影響，其長(zhǎng)期強(qiáng)度與無(wú)約束拉伸試驗(yàn)測(cè)得的短期強(qiáng)度有很大差別。在加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，筋材強(qiáng)度需考慮蠕變、施工損傷、老化、動(dòng)力等多種因素的影響而分別取折減系數(shù)，其中蠕變折減系數(shù)是折減程度最大的參數(shù)[6]。美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)針對(duì)不同聚合物類(lèi)型給出了建議值(見(jiàn)表3)[7]。

表3 蠕變折減系數(shù)(FHWA)Table 3 Factors of creep reduction given by FHWA

可見(jiàn)，筋材的蠕變特性是加筋土中無(wú)法忽視的重要問(wèn)題。目前加筋材料的蠕變?cè)囼?yàn)仍多限于空氣中的材料試驗(yàn)，且限于試驗(yàn)設(shè)備和時(shí)間，很少有真正時(shí)間意義上的長(zhǎng)期試驗(yàn)，大多是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的加速蠕變?cè)囼?yàn)，采用一定時(shí)間內(nèi)(1 000～10 000 h)的試驗(yàn)成果，利用時(shí)溫等效原理等去推求長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度(106h)。但與筋材無(wú)約束拉伸試驗(yàn)相同的是，考慮到材料在土中的真實(shí)受力狀態(tài)，筋材的長(zhǎng)期力學(xué)特性必然會(huì)與常規(guī)蠕變?cè)囼?yàn)得到的結(jié)果不同[8-9]。

蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)荷載穩(wěn)定性的要求很高，常規(guī)的步進(jìn)式電機(jī)難以滿足控制精度的要求，采用本文配置雙伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)的多功能試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行了100～1 000 h內(nèi)砂土在側(cè)限約束條件下的蠕變?cè)囼?yàn)。

蠕變?cè)囼?yàn)中非常重要的試驗(yàn)參數(shù)是蠕變荷載，即筋材受不同應(yīng)力水平作用所對(duì)應(yīng)的具體荷載值。 雖然在側(cè)限約束作用下格柵拉伸強(qiáng)度已與空氣狀態(tài)中的不同， 但為了方便對(duì)比， 仍采用無(wú)約束拉伸強(qiáng)度作為蠕變荷載應(yīng)力水平的計(jì)算基礎(chǔ)。 由于缺乏相應(yīng)規(guī)范， 本試驗(yàn)參照ASTM D6992—2009[10]及QB/T2854—2007[11]進(jìn)行。 文獻(xiàn)[12]對(duì)時(shí)溫疊加法原理和蠕變?cè)囼?yàn)成果的整理方法進(jìn)行了闡述，本文不再贅述。

以HDPE-1#格柵為例，首先進(jìn)行了環(huán)境溫度為20 ℃，濕度為60%條件下45%～55%應(yīng)力水平的常規(guī)無(wú)約束蠕變?cè)囼?yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)應(yīng)力水平為45%時(shí)，格柵在接近600 h即達(dá)到失效應(yīng)變10%。限于時(shí)間因素，未進(jìn)行更低應(yīng)力水平(如30%或40%)的蠕變?cè)囼?yàn)，雖然尚不能明確推出該格柵的臨界應(yīng)力水平，但可知其應(yīng)低于45%。

為方便對(duì)比側(cè)限約束對(duì)蠕變性質(zhì)的影響，在定垂直荷載100 kPa條件下，分別進(jìn)行了應(yīng)力水平為38%，46%，54%，62%的約束蠕變?cè)囼?yàn)。另外，比較了應(yīng)力水平46%時(shí)，不同垂直荷載(5，100，200 kPa)對(duì)約束蠕變特性的影響(見(jiàn)圖6)。

根據(jù)垂直荷載100 kPa、應(yīng)力水平46%的200 h側(cè)限約束蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，可擬合趨勢(shì)線得

ε=0.43lgt+5.42 。

(1)

式中：ε為蠕變應(yīng)變(%)；t為蠕變歷時(shí)(h)。近似可知在這種條件下，106h時(shí)材料長(zhǎng)期變形僅約為8%，遠(yuǎn)未達(dá)到蠕變失效應(yīng)變10%。也即表明，側(cè)限約束條件下，該格柵的臨界蠕變應(yīng)力水平>46%，但<54%(因54%應(yīng)力水平下接近1 000 h時(shí)蠕變應(yīng)變已達(dá)到蠕變失效應(yīng)變10%)。結(jié)合圖6可知：

(1) 砂土約束和荷載作用可明顯提高格柵的蠕變臨界應(yīng)力水平，即增大了其長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度，相應(yīng)地蠕變折減系數(shù)大為降低。根據(jù)前期相關(guān)試驗(yàn)成果[13]，對(duì)于HDPE格柵，至少可以使蠕變折減系數(shù)由常規(guī)的2.6～5.0(見(jiàn)表3)降低至2.0左右。

(2) 砂土約束對(duì)格柵的蠕變變形影響非常明顯。在無(wú)約束蠕變的臨界應(yīng)力水平作用下，同樣時(shí)間內(nèi)(100 h)埋設(shè)于砂土內(nèi)且垂直荷載100 kPa條件下可使格柵變形降低約32%。

(3) 上覆荷載越大，對(duì)格柵蠕變變形的限制作用越明顯，但與拉拔試驗(yàn)類(lèi)似的是，當(dāng)上覆荷載超過(guò)一定界限時(shí)，筋材破壞可能首先發(fā)生在不受土約束的自由段，如圖6(b)中荷載為200 kPa時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)PET-3#格柵也進(jìn)行了約束蠕變?cè)囼?yàn)，成果見(jiàn)圖7。

該格柵的極限延伸率僅5.07%，因此，不可能采用與塑料拉伸格柵相同的蠕變失效應(yīng)變10%進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)該格柵的約束拉伸試驗(yàn)成果，考慮采用1.5%作為蠕變失效應(yīng)變。對(duì)垂直荷載100 kPa、應(yīng)力水平50%的約束蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得趨勢(shì)線擬合方程為

(2)

將t=106h代入式(2),近似推出106h時(shí)蠕變應(yīng)變約為1.46%，初步可認(rèn)為該格柵在砂土約束下的臨界應(yīng)力水平約為50%，與表3中建議的無(wú)約束條件下PET格柵的蠕變折減系數(shù)(1.6～2.5)基本一致。

與HDPE-1#格柵相比，可見(jiàn)不同類(lèi)型格柵的長(zhǎng)期強(qiáng)度受砂土作用的影響程度也不完全相同。實(shí)際工程應(yīng)用中，更應(yīng)該注意結(jié)合筋材種類(lèi)、結(jié)構(gòu)型式、受力狀態(tài)等多方面條件，采用合理的試驗(yàn)手段，才能準(zhǔn)確確定材料的力學(xué)強(qiáng)度。

7 結(jié) 論

(1) 采用雙伺服電機(jī)控制的土-土工合成材料多功能試驗(yàn)機(jī)可以完成多項(xiàng)筋土相互作用試驗(yàn)，包括界面直剪試驗(yàn)、界面拉拔試驗(yàn)、土側(cè)限約束下筋材的拉伸試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)。儀器操作方便，控制精度和準(zhǔn)確度良好，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)全過(guò)程中應(yīng)力、變形的實(shí)時(shí)測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示輸出。

(2) 通過(guò)該多功能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)3種類(lèi)型的土工格柵與風(fēng)化砂的相互作用特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，筋材在砂土作用下的材料力學(xué)性質(zhì)受多種因素的影響，與無(wú)約束狀態(tài)下的特性參數(shù)有很大不同。因此，實(shí)際工程應(yīng)用和設(shè)計(jì)中，應(yīng)重視筋材在真實(shí)受力條件下的試驗(yàn)研究，采用合理的試驗(yàn)方法，獲得準(zhǔn)確有效的特性參數(shù)，以保障工程安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(3) 界面拉拔試驗(yàn)表明，格柵網(wǎng)格對(duì)土顆粒的嵌固作用主要體現(xiàn)在增加了筋土復(fù)合體的似黏聚力，具體大小視格柵型式和結(jié)構(gòu)而不同。但筋土界面似摩擦角一般都低于土的內(nèi)摩擦角。

(4) 砂土約束以及荷載作用對(duì)格柵的拉伸變形影響顯著。與無(wú)約束情況相比，筋材延伸率普遍降低，材料脆性更明顯，斷裂強(qiáng)度與格柵種類(lèi)或結(jié)構(gòu)有關(guān)。但在同樣延伸率情況下，筋材的約束拉伸強(qiáng)度普遍高于無(wú)約束條件,說(shuō)明土的作用可以使筋材發(fā)揮更大的強(qiáng)度。

(5) 砂土約束同樣對(duì)筋材的長(zhǎng)期強(qiáng)度影響顯著，主要體現(xiàn)在降低筋材的蠕變變形。對(duì)HDPE格柵，側(cè)限約束可以提高其蠕變臨界應(yīng)力水平，降低蠕變折減系數(shù)。但對(duì)PET格柵臨界應(yīng)力水平的影響不明顯。

致謝：本文中所用土工格柵均由湖北力特土工材料有限公司提供，謹(jǐn)此致謝。

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(編輯：陳 敏)

Application of a Multifunctional Soil-geosynthetics Testing Machineto Research on Soil-geogrid Interaction

DING Jin-hua, TONG Jun, LIU Jun

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

The interaction between soil and geosynthetics is an important issue in the research of reinforcement mechanism, and the properties of reinforcement material are key parameters in the design of reinforced-soil structure. A new multifunctional soil-geosynthetics testing machine has been developed on the basis of conventional direct-shear test apparatus. The machine consists of two sets of servo motor, automatic control and data acquisition system, and a set of shear box with dimension of 600mm×300mm×300mm, etc. Direct-shear test, pull-out test, confined-tension test and confined-creep test can be conducted on the machine through several auxiliary means and control modes. Furthermore, the sand-confined tensile strength and creep properties of different geogrids were tested and compared. The contribution of geogrid-soil interaction to the strength of soil-geosynthetics was also analyzed. The tests validated that the machine has good operability and accuracy.

soil-geosynthetics testing machine; servo control; interaction of soil-geosynthetics; pull-out test; confined tension test; confined creep test

2016-07-05；

2016-10-07

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2014060/YT)

丁金華(1973-)，女，河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士, 主要從事環(huán)境巖土工程、土工合成材料工程應(yīng)用研究，(電話)027-82820427(電子信箱)dingjh@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20161030

TU411

A

1001-5485(2017)02-0029-06

2017,34(2):29-34