土工格柵在砂土中的界面摩擦特性

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）

0 引言

目前土工格柵作為一種新型的加筋材料在工程中的應(yīng)用已日趨廣泛，在道路、鐵路、軟土地基加固、擋土墻加固、高填方路基加固等工程領(lǐng)域中具有卓越的效果。土工格柵是一種高強(qiáng)度、耐腐蝕、柔性好的土工合成材料。土工合成材料能彌補(bǔ)天然巖石材料抗拉性能不足的缺點(diǎn)，例如可有效地分配擴(kuò)散荷載，提高路基的穩(wěn)定性和承載力，延長使用壽命；防止路基材料的流失造成的路基變形、開裂；提高擋土墻的承載能力；在公路的路基和面層中加入土工格柵，還可以降低彎沉，減少車轍等等[1-3]。

土工格柵的界面摩擦特性是研究加筋機(jī)理的核心問題。楊廣慶[4]等認(rèn)為土工格柵界面摩擦特性受試驗(yàn)方法、加載方式、試驗(yàn)箱側(cè)壁邊界效應(yīng)和尺寸效應(yīng)、填料厚度、壓實(shí)度以及筋材的加持狀況等幾方面的影響。馬時(shí)東[5]通過直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)提出了土工格柵配合砂礫、碎石類填料等加筋效果較好，能夠起到摩擦、嚙合、嵌鎖的綜合作用。吳景海[6]等認(rèn)為石灰粉煤灰可以作為理想的加筋工程的填料，并且提出了對(duì)于不同的加筋工程所采用的拉拔系數(shù)必須通過拉拔試驗(yàn)來確定。

目前用于測定土工格柵與填料之間的界面摩擦特性主要有拉拔界面摩擦試驗(yàn)和直剪界面摩擦試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法。近年來有許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)土工合成材料的界面摩擦特性展開了大量的試驗(yàn)，但是相對(duì)于工程的實(shí)際需求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此還需要進(jìn)一步展開對(duì)加筋材料的界面摩擦特性研究。

盡管直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)均能反映土工格柵的界面摩擦特性，但是直剪試驗(yàn)只有一個(gè)界面與填料之間產(chǎn)生摩擦作用，而拉拔試驗(yàn)中的兩個(gè)界面均會(huì)產(chǎn)生摩擦，因而拉拔試驗(yàn)的空間效果更強(qiáng)，連鎖效應(yīng)更好。本文通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)來對(duì)不同型號(hào)、不同類型的土工格柵的界面摩擦特性做了進(jìn)一步分析，為土工合成材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與材料

1.1 拉拔試驗(yàn)裝置

拉拔試驗(yàn)箱為矩形箱體，側(cè)壁有足夠的剛度，受力時(shí)不變形，箱體尺寸為40 cm×30 cm×30 cm（長×寬×高），箱體兩面?zhèn)缺诘陌敫咛庨_一貫通全寬的窄縫，高約5 mm，供土工格柵拉出箱體用。緊貼窄縫內(nèi)壁，安置可上下抽動(dòng)的插板，用于調(diào)整縫隙的大小，防止土粒露出。垂直荷載控制系統(tǒng)采用自動(dòng)化油壓加載系統(tǒng)，法向應(yīng)力在試驗(yàn)過程中保持恒壓，且均勻的作用在土面上。水平加荷控制系統(tǒng)采用應(yīng)變式控制加荷。水平位移通過位移傳感器測讀，拉壓應(yīng)力由拉壓力傳感器測讀，數(shù)字顯示，有相應(yīng)的應(yīng)用程序能夠通過計(jì)算機(jī)接口傳遞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。拉拔試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 拉拔試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取3種型號(hào)的土工格柵，分別為EG90R單向土工格柵、TGDG80單向土工格柵和EG3030雙向土工格柵。拉拔摩擦試驗(yàn)中格柵的尺寸為45 cm×26 cm，其中在拉拔試驗(yàn)箱中的有效面積為37 cm×26 cm。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 拉拔試驗(yàn)中土工格柵的技術(shù)指標(biāo)

該拉拔界面摩擦試驗(yàn)用土為河北省邢臺(tái)市邢汾高速正在施工過程中的現(xiàn)場用土。通過常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)測得該土質(zhì)的基本性質(zhì)參數(shù)，見表2。

表2 砂土的基本性質(zhì)參數(shù)

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

拉拔試驗(yàn)采用應(yīng)變式控制方式。土工格柵與砂土的界面摩擦特性研究試驗(yàn)共3組：EG90R型單向土工格柵在不同的垂直荷載的條件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)；TGDG80型單向土工格柵在不同的垂直荷載的條件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)；EG3030型雙向土工格柵在不同的垂直荷載的條件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）與砂土的拉拔摩擦特性試驗(yàn)。

拉拔試驗(yàn)的操作[7-8]：1）先在試驗(yàn)箱中加入適量的土體，按93%的壓實(shí)度分層壓實(shí)，壓實(shí)后，保證土體的水平面略高于試驗(yàn)箱一側(cè)的窄縫下緣。2）將土工格柵平鋪在土體表面上，要求平整無皺。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，使插板下緣正好在格柵的表面之上，將插板固定。3）繼續(xù)往箱內(nèi)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加壓，可以在砂土表面均勻的撒上一層細(xì)沙。4）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)。對(duì)粒狀土體的固結(jié)時(shí)間一般不少于15 min。然后施加一微量水平荷載，使水平荷載裝置的各處受力繃緊。5）將各個(gè)讀數(shù)系統(tǒng)清零，然后調(diào)節(jié)拉拔速率為3 mm/min，啟動(dòng)試驗(yàn)。每組試驗(yàn)中當(dāng)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)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2、3、4為在不同垂直荷載作用下，各類型的土工格柵在砂土中的界面摩擦特性曲線。EG90R型單向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=12.18 kPa，f=0.078，φ=4.5°；TGDG80型單向土工格柵在砂土中的界面摩擦特性指標(biāo)為：c=15.77 kPa，f=0.153，φ =8.7°；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 kPa，f=0.148，φ =8.4°。

如圖2、3所示，在相同的垂直荷載作用下，TGDG80型單向土工格柵的拉拔力要高于EG90R型單向土工格柵。因?yàn)門GDG80型單向土工格柵的橫肋要比EG90R型單向土工格柵寬，摩擦效果更明顯一些。同一類型的土工格柵隨著垂直荷載的增加，在一定的拉拔位移范圍內(nèi)，拉拔力也隨之增大。土工格柵與砂土之間的界面摩擦特性與上覆荷載有直接的關(guān)系，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(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)，這樣便能夠保證土工合成材料在實(shí)際的工程中最大發(fā)揮其抗拉性能。

圖2 EG90R型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖3 TGDG80型格柵拉拔試驗(yàn)特性

圖4 EG3030型格柵拉拔試驗(yàn)特性

試驗(yàn)結(jié)果顯示：拉拔試驗(yàn)界面摩擦特性τ-L曲線呈非線性關(guān)系。起初在拉拔位移小于5 mm時(shí)，在3種不同的垂直荷載作用下，τ-L曲線接近呈線性關(guān)系，隨著拉拔位移的增大，曲線明顯的呈非線性關(guān)系。隨著垂直荷載的增大，其相應(yīng)的拉拔力的峰值所對(duì)應(yīng)的位移量也隨之增加。這是因?yàn)槔巫枇κ请S著埋入的長度由箱外向箱內(nèi)傳遞逐漸發(fā)揮出來的。

通過拉拔試驗(yàn)對(duì)比分析，EG3030型雙向土工格柵在砂土中的摩阻力要大于EG90R型單向土工格柵在砂土中的摩阻力，但是小于TGDG80型單向土工格柵在砂土中摩阻力。其原因一方面與填料的性質(zhì)有關(guān)，另一方面與筋材的性質(zhì)有關(guān)。

EG3030型雙向土工格柵在拉拔試驗(yàn)的過程中與單向土工格柵相比容易被拉斷，如圖5所示。土工格柵與土體之間的摩擦可分為兩部分，一部分是土工格柵表面與土體之間的摩擦作用，另一部分是土工格柵的網(wǎng)格與土體之間的被動(dòng)阻力產(chǎn)生的空間連鎖作用。雙向土工格柵被拉斷的主要原因是因?yàn)殡p向土工格柵的網(wǎng)格比較多，橫肋比較多，空間連鎖效應(yīng)比較強(qiáng)，這部分摩阻力承擔(dān)了主要摩擦力。而且雙向土工格柵的橫肋比較細(xì)，因此在拉拔試驗(yàn)的過程中橫肋容易開裂。

圖5 雙向土工格柵拉拔試驗(yàn)現(xiàn)象

4 結(jié)語

1）拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明：TGDG80型單向土工格柵在砂土中的拉拔摩擦系數(shù)最大，EG3030型雙向土工格柵的次之，EG90R型單向土工格柵在砂土中的拉拔摩擦系數(shù)最小。

2）在相同的筋材條件下，雙向土工格柵與填料之間的摩阻力比單向土工格柵的要高，這是因?yàn)殡p向土工格柵網(wǎng)格比較多，土工格柵網(wǎng)格與填料之間的空間連鎖作用較強(qiáng)，因此在實(shí)際的加筋工程中雙向土工格柵可以作為一種比較好的加筋材料。

3）不同的加筋材料之間的拉拔系數(shù)相差較大，具體的加筋工程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況通過拉拔試驗(yàn)來測得摩擦系數(shù)。

4）本文只針對(duì)砂土且如表1中的三種土工格柵進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)難以控制的因素，比如說壓實(shí)度的控制，最佳含水率的控制，等等。在今后的試驗(yàn)研究中，需要克服這些影響因素，進(jìn)行大量的土工合成材料拉拔試驗(yàn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，還需要結(jié)合工程的實(shí)際特點(diǎn)，這樣才能為土工合成材料在工程中的應(yīng)用提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。

[1]《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》編寫委員會(huì).土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]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.

[3]唐曉松，鄭穎人，王永甫.土工格柵加筋土擋墻在某機(jī)場滑坡治理工程中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44：60－64.

[4]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.

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

[6]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.

[7]JTJ/T 019—98公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

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