張 駿, 林永亮，張 波

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072； 2.上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200050)

土工格柵與砂墊層界面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張 駿1, 林永亮1，張 波2

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072； 2.上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200050)

筋土間相互作用是加筋土強(qiáng)度提高的根本原因，是土工合成材料加筋加固應(yīng)用中的核心問(wèn)題。通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，分析了法向應(yīng)力、砂墊層厚度、土工格柵橫肋間距3個(gè)因素對(duì)加筋體極限拉拔力的影響，從宏觀角度揭示了筋土界面間的力學(xué)特性。結(jié)果表明：增設(shè)5 cm厚的砂墊層后，格柵的極限拉拔力得到顯著提高；高法向應(yīng)力下，砂墊層厚度對(duì)拉拔試驗(yàn)結(jié)果影響更顯著；在土工格柵加筋軟土體中，增大橫肋間距會(huì)減小筋土界面摩擦角，但是對(duì)黏聚力影響不大；格柵網(wǎng)格形態(tài)是筋土界面特性的重要影響因素。

土工格柵；拉拔試驗(yàn)；加筋砂墊層；橫肋間距；筋土界面參數(shù)

1 研究背景

隨著近幾年土工合成材料的不斷發(fā)展以及軟土上的基礎(chǔ)建設(shè)的增多，采用加筋砂墊層處理軟土地基的研究已成為巖土工程中的一個(gè)重要課題。利用加筋墊層處理軟基時(shí)，墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用改變了軟土地基的應(yīng)力狀態(tài)[1]，有效地減小了軟土地基的沉降[2-3]、增強(qiáng)了地基強(qiáng)度以及穩(wěn)定性[4]。同時(shí)一些新型的加筋型式被應(yīng)用到加筋墊層處理軟基上，對(duì)改善軟土地基承載力以及變形方面有著更好的效果[5]。

筋-土間的相互作用機(jī)制是研究加筋土工程的關(guān)鍵。拉拔試驗(yàn)作為研究筋-土界面宏觀特性的一種有效手段，已被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者用來(lái)研究砂土或黏土的界面特性，并取得了豐碩成果[6-8]。但是，目前對(duì)加筋砂墊層的拉拔試驗(yàn)研究相對(duì)缺乏。張波等[9]針對(duì)黏土-砂土-筋帶層狀布置體系，利用直剪試驗(yàn)得出該體系對(duì)加筋黏土結(jié)構(gòu)具有改善功能的結(jié)論；劉楓等[10]將不同厚度、不同級(jí)配砂土的砂墊層填入黏性土中，通過(guò)直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)研究了筋材-砂土-黏土體系的筋土相互作用，但并未研究筋材的形態(tài)對(duì)加筋砂墊層筋土界面特性的影響。

鑒于土工格柵加筋土拉拔試驗(yàn)中，格柵的網(wǎng)格形態(tài)會(huì)影響格柵的嵌鎖作用，從而改變筋土界面作用特性[11],本文采用拉拔試驗(yàn)分析砂墊層厚度對(duì)土工格柵拉拔力的影響，并通過(guò)改變土工格柵橫肋間距研究格柵網(wǎng)格形態(tài)對(duì)筋土界面帶來(lái)的影響。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次拉拔試驗(yàn)設(shè)備采用的是上海大學(xué)與上海深爾科技公司聯(lián)合研制的應(yīng)變控制式拉拔試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，功能全面，自動(dòng)化程度較高,可自動(dòng)完成力的加載和數(shù)據(jù)采集工作。拉拔試驗(yàn)箱內(nèi)部有效尺寸為30 cm×30 cm×30 cm (長(zhǎng)×寬×高)，壁厚為2 cm，整套試驗(yàn)裝置如圖1所示。水平加載裝置可調(diào)節(jié)拉拔速率范圍為0～3.5 mm/min。

圖1 拉拔試驗(yàn)儀Fig.1 Pullout test apparatus

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的筋材為PET雙向聚酯焊接土工格柵，型號(hào)為PET25-25。格柵的縱、橫肋條寬度均為10 mm，拉伸性能一致，格柵的具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土工格柵的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of geogrid

為研究土工格柵橫肋間距對(duì)拉拔試驗(yàn)結(jié)果的影響，將筋材進(jìn)行修剪加工，經(jīng)過(guò)加工的土工格柵試樣如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)采用的筋材形式Fig.2 Three types of geogrid samples

圖3 試驗(yàn)用砂顆粒 級(jí)配分布曲線Fig.3 Curve of grain size distribution of test sand

所有土工格柵均有5根縱肋，A類土工格柵為原廠提供土工格柵，含有5根橫肋，橫肋間距為6 cm；B類土工格柵保留3根橫肋，橫肋間距為12 cm；C類土工格柵保留2根橫肋，橫肋間距為18 cm。

砂墊層所用砂礫材料由風(fēng)干的純凈河砂砂礫篩分得到，其顆粒級(jí)配分布曲線如圖3所示；軟土取自工程現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)得含水率為14.12%，壓實(shí)度取0.7。

2.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3種填料方案:方案1為無(wú)砂墊層方案，模型箱內(nèi)全部用軟土填充;方案2在筋材上下各2.5 cm范圍內(nèi)采用砂土填充，其他區(qū)域采用軟土填充，形成5 cm厚的砂墊層;方案3在筋材上下各5 cm范圍內(nèi)采用砂土填充，其他區(qū)域采用軟土填充，形成10 cm厚砂墊層。3種填料方案中軟土和砂土密實(shí)度均保持一致。將3類土工格柵分別在3種填料方案下進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，共9種試驗(yàn)方案。每種試驗(yàn)方案的法向應(yīng)力分別為25，50和100 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析

3.1 砂墊層厚度對(duì)拉拔結(jié)果的影響

取A類土工格柵在3種填料方案中拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析了砂墊層厚度對(duì)拉拔力的影響。在不同法向應(yīng)力情況下，土工格柵拉拔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同砂墊層情況下拉拔試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Pullout test results with different sand cushion conditions

從圖4中可看出：隨著拉拔位移的增大，土工格柵的拉拔力也逐漸增大，但是拉拔力與位移曲線斜率逐漸減?。?種法向應(yīng)力下，有砂墊層時(shí)拉拔力的峰值明顯大于無(wú)砂墊層時(shí)的拉拔力峰值。無(wú)砂墊層的情況下，筋材的拉拔力達(dá)到峰值后在一定范圍內(nèi)保持不變；增設(shè)墊層后，極限拉拔力明顯增大、且達(dá)到峰值后拉拔力出現(xiàn)一定程度的應(yīng)變軟化；增大砂墊層厚度，極限拉拔力基本不變，但達(dá)到峰值時(shí)的拉拔位移隨墊層厚度的增加有所降低。

3.2 橫肋間距對(duì)拉拔結(jié)果的影響

對(duì)3種土工格柵在3種填料方案中的拉拔試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析。3類土工格柵均有5根縱肋，不考慮改變橫肋間距對(duì)網(wǎng)格剛度等其它因素影響的情況下，可認(rèn)為3類土工格柵在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，縱肋所提供的摩擦阻力幾乎一致，導(dǎo)致拉拔結(jié)果存在差異的是橫肋所提供的阻力。以法向應(yīng)力25 kPa和100 kPa為例，拉拔力-拉拔位移曲線如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，相同法向力下，A類土工格柵極限拉拔力>B類土工格柵極限拉拔力，C類土工格柵拉拔力最小。拉拔試驗(yàn)曲線顯示，3類土工格柵在有砂墊層的情況下，拉拔力在達(dá)到峰值之后會(huì)有一定程度的降低，尤其是在高法向應(yīng)力的作用下;而在無(wú)砂墊層的情況下拉拔力達(dá)到極限拉拔力后保持穩(wěn)定。

圖5 3種土工格柵在不同砂墊層情況下拉拔力-位移曲線Fig.5 Curves of pullout force vs. displacement of three geogrids in different sand cushion conditions

圖6 3種格柵在不同砂墊層情況下拉拔力- 位移曲線擬合結(jié)果(σ=50 kPa)Fig.6 Fitting curves of pullout force vs. displacement of three geogrids in different sand cushion conditions (σ=50 kPa)

為了得出橫肋對(duì)拉拔力的影響，將3類土工格柵在不同方案中的拉拔曲線進(jìn)行擬合，以法向力為50 kPa為例，擬合后結(jié)果見(jiàn)圖6。在拉拔位移0～16 mm范圍內(nèi)，分別將A類拉拔力-位移曲線擬合公式減去B類和C類土工格柵拉拔力-位移曲線擬合公式，結(jié)果如圖7所示。

圖7 橫肋抗拔力發(fā)展曲線Fig.7 Curves of transverse ribs’ pullout resistance

以10 cm砂墊層為例，在6 cm拉拔位移時(shí)，B類和C類格柵的拉拔力相對(duì)于A類格柵拉拔力分別降低了近40%和53%。

從圖7可以看出：在16 mm拉拔位移范圍內(nèi)，無(wú)砂墊層情況下，橫肋抗拔力隨拉拔位移增大而增大，達(dá)到峰值后保持穩(wěn)定；增設(shè)砂墊層后，橫肋的抗拔力隨拉拔位移增大達(dá)到峰值，隨后抗拔力減小。在2種墊層厚度中，抗拔力發(fā)揮規(guī)律有所差別。

對(duì)比分析圖7(a)和圖7(b)，相同墊層情況下，橫肋的抗拔力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的拉拔位移不一樣。這是因?yàn)楦淖兺凉じ駯啪W(wǎng)格形態(tài)對(duì)筋-土界面特性產(chǎn)生影響，同時(shí)格柵的網(wǎng)格形態(tài)影響了其橫肋以及縱肋的抗拔力的發(fā)展規(guī)律。因此，筋-土界面參數(shù)不可僅僅根據(jù)土體和格柵的力學(xué)參數(shù)來(lái)確定，還需考慮格柵形狀對(duì)筋土界面特性的影響。

圖8 筋土界面抗剪強(qiáng)度曲線Fig.8 Shear strengths of geogrid-soil interfaces in pullout test

4 筋土界面參數(shù)分析

圖8給出了3類土工格柵與土體界面抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，可以發(fā)現(xiàn)增設(shè)一定厚度的砂墊層會(huì)顯著增大筋土界面似摩擦系數(shù)，尤其是當(dāng)格柵橫肋間距較大時(shí)。相比于土工格柵加筋軟土，增設(shè)5 cm厚砂墊 層后，A，B,C類土工格柵筋土界面的似摩擦系數(shù)分別增加184%，230%,340%。當(dāng)進(jìn)一步增加砂墊層厚度時(shí)，筋土界面似摩擦系數(shù)的增量會(huì)減小，因此選擇適當(dāng)厚度的砂墊層會(huì)增強(qiáng)筋土界面強(qiáng)度；在加筋軟土中，更改橫肋間距對(duì)筋土界面的似黏聚力影響不大，但會(huì)影響其摩擦特性，橫肋間距越大,似摩擦系數(shù)則越小；在加筋砂墊層中，更改橫肋間距對(duì)筋土界面的似黏聚力影響較大，對(duì)似摩擦系數(shù)的影響較小。

5 結(jié) 論

(1) 在軟土中增設(shè)5 cm厚度的砂墊層后，顯著提高了土工格柵的極限拉拔力，增大筋土界面似摩擦角。砂墊層厚度對(duì)極限拉拔力影響不顯著，但在高法向力下會(huì)改變土工格柵抗拔力發(fā)展規(guī)律。

(2) 土工格柵橫肋間距越大，格柵的網(wǎng)格形態(tài)改變?cè)斤@著、剛度降低越大，極限拉拔力越小，筋-土界面的作用機(jī)制也將發(fā)生改變。

(3) 隨著橫肋間距的增大，加筋軟土界面似摩擦系數(shù)減小，同時(shí)對(duì)加筋砂墊層界面的似黏聚力影響顯著。

本文只對(duì)橫肋間距與墊層厚度對(duì)筋土界面的力學(xué)特性影響進(jìn)行了初步探討。適當(dāng)減小橫肋間距，增加橫肋數(shù)量會(huì)提升加筋效果，但是一味地減小橫肋間距，增加橫肋數(shù)量并不是提升加筋效果的最好方法。然而，砂土的級(jí)配與密實(shí)度、黏土的含水率、格柵的剛度與幾何形狀對(duì)砂墊層界面特性的影響均至關(guān)重要，尚需進(jìn)一步的探討。

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(編輯：黃 玲)

Experimental Investigation on Mechanical Behaviours ofthe Interface between Geogrid and Sand Cushion

ZHANG Jun1, LIN Yong-liang1, ZHANG Bo2

(1.Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China;2.Shanghai Construction Group, Shanghai 200050, China)

The interaction between soil and reinforcement is the fundamental cause of the strengthening of reinforced soil. It is also a key issue in the application of geosynthetic reinforced soils. In this article, the effects of normal stress, sand cushion thickness and spacing between transverse ribs on ultimate pullout resistance of reinforced body were analyzed through pullout test. The mechanical properties of reinforcement-soil interface were also revealed in a macro-sense. Results suggest that sand cushion of 5 cm thickness could remarkably enhance the ultimate pullout resistance of geogrid. The influence of sand cushion thickness on test result is more obvious under large normal stress. Moreover, the frictional angle of geogrid-soil interface decreases with the increasing of the spacing between transverse ribs; but the cohesion stays stable. The shape of geogrid is also an important factor affecting the properties of interface between reinforcement and soils.

geogrid; pullout test; reinforced sand cushion; spacing between transverse ribs; parameters of geogrid-soil interface

2016-03-28 ；

2016-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209132)

張 駿(1990-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事土工加筋技術(shù)研究，(電話)15618989662(電子信箱)1142182055@qq.com。

林永亮(1977-)，男，山東煙臺(tái)人，講師，博士，主要從事土工加筋技術(shù)、土動(dòng)力學(xué)研究，(電話)15821366195(電子信箱) lin_yliang@163.cm。

10.11988/ckyyb.20160281

TU411

A

1001-5485(2017)02-0041-04

2017,34(2):41-44