藺鳳宇

(天津市國騰新立公路工程試驗(yàn)檢測有限公司，天津 300170)

0 引 言

近年來，加筋路堤因其強(qiáng)度高、壽命長、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)備受施工單位的青睞，尤其是在高填方路基的應(yīng)用中更是頻頻出現(xiàn)。加筋路堤，顧名思義，就是在路堤的某些位置加入性能良好的土工合成材料，使路堤的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)的一種新型路堤。目前在土工合成材料中，土工格柵是使用最廣泛的一種，土工格柵具有較強(qiáng)的柔韌性、抗拉伸性以及耐疲勞性，能較大限度的約束路堤側(cè)向位移，減緩路基沉降速率，增強(qiáng)路基的整體穩(wěn)定性等等。

當(dāng)前，我國在高填方路基中應(yīng)用加筋路堤的例子已數(shù)不勝數(shù)，可是加筋路堤對高填方路基的穩(wěn)定性并沒有起到預(yù)期的效果，我國高速公路路堤失穩(wěn)現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，這也是我國道路建設(shè)者無比困擾的問題。因此從理論上深入研究高填方路基的作用機(jī)理至關(guān)重要，加筋作用機(jī)理對解決路堤的關(guān)鍵性問題起著至關(guān)重要的作用。

1 加筋路堤的加筋機(jī)理

加筋土之所以擁有抗拉強(qiáng)度，是由于筋材與土體的變形模量差異較大，當(dāng)筋材與土體共同受力時(shí)，筋土之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力來抵擋，這種摩擦力能增強(qiáng)土體穩(wěn)定性，此時(shí)筋材能承受較大的拉力作用從而達(dá)到了使土體也防止變形的目的。目前，國內(nèi)外關(guān)于加筋土加筋機(jī)理的研究已數(shù)不勝數(shù)，其中最典型加筋理論當(dāng)屬摩擦加筋機(jī)理。

摩擦加筋機(jī)理告訴我們筋材與土的相互受力作用有三大類：第一，土與筋材表面的摩擦阻力；第二，筋材的橫肋對土的阻力；第三，土顆粒與筋材中的孔眼相互咬合的作用力。該三種作用力均能抑制土體的沉降或側(cè)向位移，使土體的穩(wěn)定性加強(qiáng)，從而防止路堤失穩(wěn)。

如圖1所示，若不考慮筋材和單元土的重量，拉筋的左右截面受力分別為T1和T2，壓住拉筋的法向壓力為N。設(shè)土粒與拉筋之間的摩擦系數(shù)為f，b為拉筋的寬度，土具有的水平推力所引起的該微元段筋材的拉力為dT，則dT=T1-T2。

2N·f·b·dL>dT

(1)

由此可見土的水平推力被筋土之間的摩擦力克服，筋土不會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)，微元體達(dá)到平衡狀態(tài)。從式(1)可知，該不等式要成立，筋土之間必須具有較大的摩擦力，因此要求加筋材料表面粗糙以增大接觸面摩擦。

圖1 加筋結(jié)構(gòu)受力分析

2 加筋土界面拉拔穩(wěn)定性試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)是模擬加筋材料埋置于填土中在兩側(cè)受力時(shí)被拔出的過程。目前基本上都在改裝的直剪儀上進(jìn)行，拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備與方法上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了試驗(yàn)條件存在不一致的情況，但拉拔試驗(yàn)比其它實(shí)驗(yàn)更能模擬實(shí)際情況。

2.1 試驗(yàn)儀器及材料

本文選用拉拔試驗(yàn)箱做拉拔試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)箱屬于400 mm×300 mm×300 mm(長×寬×高)的矩形，整個(gè)試驗(yàn)箱具有較大的強(qiáng)度和剛度，不易變形且能承受較大的外力作用。在箱體側(cè)壁半高處開出供土工格柵拉出箱體用的高約5 mm全寬窄縫。內(nèi)壁上緊貼窄縫處安置一個(gè)插板，調(diào)整縫隙的大小，拉拔試驗(yàn)儀器如圖2。

圖2 拉拔試驗(yàn)裝置

為研究不同類型土工格柵對土體力學(xué)性能的影響程度，選取了三種型號(hào)的土工格柵，分別為：EG3030雙向土工格柵，如圖3；EG90R單向土工格柵，TGDG80單向土工格柵，如圖4。

圖3 雙向土工格柵 圖4 單向土工格柵

拉拔摩擦試驗(yàn)中格柵的尺寸為450 mm×260 mm，拉拔試驗(yàn)箱中有效面積為370 mm×260 mm。其技術(shù)指標(biāo)如表1。

選擇赤承高速施工現(xiàn)場用土為實(shí)驗(yàn)用土，其基本參數(shù)見表2。

表1 土工格柵的技術(shù)指標(biāo)

表2 填料的基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)步驟

土工格柵和砂土的界面摩擦特性試驗(yàn)分為三組：EG90R型單項(xiàng)土工格柵、EG3030型雙向土工格柵和不同垂直荷載的條件下(25 KPa、50 KPa、100 KPa)TGDG80型單項(xiàng)土工格柵與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)。拉拔試驗(yàn)的操作步驟。

(1)使分層壓實(shí)試驗(yàn)箱中土體壓實(shí)度達(dá)到93%，必須保證試驗(yàn)箱的窄縫下邊緣低于土體的水平面。

(2)將土工格柵鋪在土體表面，確保土工格柵平整且完好無損，將試樣的一端引出8 cm，插板在低于插板下緣時(shí)固定。

(3)分層壓實(shí)，在砂土表面均勻的撒布細(xì)沙可使加壓板受力均勻。如圖5為格柵的埋置及應(yīng)變片的粘貼。

(4)將加荷系統(tǒng)對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)箱，施加長于15 min荷載以固結(jié)填料。施加水平荷載，保持裝置繃緊。圖6所示為雙向土工格柵破壞瞬間。

(5)清零儀表盤讀數(shù)，再以拉拔速率為3 mm/min后開始試驗(yàn)。當(dāng)水平拉力出現(xiàn)峰值，或水平荷載穩(wěn)定時(shí)試驗(yàn)停止。

圖5 格柵粘貼應(yīng)變片 圖 雙向土工格柵破壞瞬間

2.3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

土工格柵水平鋪埋在試驗(yàn)箱填料內(nèi)，對其施加水平拉力和垂直壓力，沿其表面方向的拉力Td會(huì)在力的方向上引起應(yīng)力和應(yīng)變，同時(shí)受拉時(shí)法向應(yīng)力在上下界面引起沿格柵受拉方向非均勻分布的摩擦阻力，且隨各點(diǎn)的應(yīng)變不同而不同，其極限摩阻力的平均值為

τ=Td/2LB

(2)

式中：τ—界面摩擦阻力平均值，KPa；Td—格柵的極限抗拔力，KN；L、B—格柵埋在填料內(nèi)部的長度、寬度，m。

假設(shè)拉拔試驗(yàn)箱內(nèi)的填料上覆垂直壓力的做作用下產(chǎn)生的法向應(yīng)力σ均勻分布

σ=F/A

(3)

式中：F—垂直壓力，KN；A—拉拔試驗(yàn)箱的面積，m2。

表3 拉拔試驗(yàn)方案

拉拔試驗(yàn)結(jié)果如下圖7～圖9所示。

圖7 EG90R型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖8 TGDG80型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖9 EG3030型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖7、圖8、圖9所示為不同垂直荷載作用下不同類型土工格柵在砂土中的界面摩擦特性曲線。其中，EG90R型單項(xiàng)土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=12.18，f=0.078；TGDG80型單項(xiàng)土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=15.77，f=0.153；EG3030型雙向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=14.16，f=0.148。

TGDG80型單項(xiàng)土工格柵的拉拔力在相同垂直荷載作用下大于EG90R型單項(xiàng)土工格柵。為了保證土工合成材料最大發(fā)揮其抗拉性能，要依據(jù)實(shí)際的工程條件，來選擇相應(yīng)的上覆荷載做室內(nèi)拉拔試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：拉拔試驗(yàn)界面摩擦特性τ-L曲線呈非線性關(guān)系。起初，垂直荷載不同的情況下，當(dāng)拉拔位移小于5 mm時(shí)，τ-L曲線呈線性關(guān)系，拉拔位移和垂直荷載逐漸增大后，曲線明顯地呈非線性關(guān)系，拉拔力的峰值對應(yīng)的位移量也有相同的趨勢。

拉拔試驗(yàn)顯示，與單項(xiàng)土工格柵相比，EG3030型雙向土工格柵容易被拉斷。土工格柵的網(wǎng)格與土體的空間連鎖作用下產(chǎn)生的被動(dòng)阻力，和土工格柵表面與土體之間的摩擦力共同構(gòu)成土工格柵與土體之間的摩擦力。雙向土工格柵具有網(wǎng)格和橫肋結(jié)構(gòu)，空間連鎖效強(qiáng)，且橫肋較細(xì)，容易開裂導(dǎo)致雙向土工格柵被拉斷。

對比分析拉拔試驗(yàn)的結(jié)果，EG90R型單項(xiàng)土工格柵在砂土中的摩阻力低于EG3030型雙向土工格柵，高于TGDG80型單項(xiàng)土工格柵。

4 結(jié) 論

拉拔位移與摩擦阻力的曲線中，當(dāng)拉拔位移小于5 mm時(shí)，τ-L曲線呈線性關(guān)系，當(dāng)拉拔位移和垂直荷載逐漸增大后，曲線明顯地呈非線性關(guān)系，拉拔力的峰值對應(yīng)的位移量也有相同的趨勢。

不同類型的土工格柵與砂土具有不同的摩擦特性，EG90R型單項(xiàng)土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為c=12.18，f=0.078，TGDG80型為c=15.77，f=0.153，EG3030型為c=14.16，f=0.148。即土工格柵在砂土中的摩擦阻力的大小順序?yàn)镋G3030型雙向土工格柵優(yōu)于EG90R型單項(xiàng)土工格柵，TGDG80型單項(xiàng)土工格柵最小。