土工格柵與碎石-土混合料的界面摩擦受力特性分析

駱俊暉，祁航翔，王家全*，吳 勇，暢振超,3

(1.廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530201；2.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；3.廣西壯族自治區(qū)巖土災(zāi)變與生態(tài)治理工程研究中心，廣西 柳州 545006； 4.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

土是由巖石經(jīng)過物理、化學(xué)、生物風(fēng)化作用以及剝蝕、搬運(yùn)、沉積作用等在交錯(cuò)復(fù)雜的自然環(huán)境中所生成的各類沉積物。土的上述形成過程決定了它特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，與一般建筑材料相比，土體具有散體性、多相性、自然變異性等[1]。正是由于土體特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，大自然中常?？梢娡馏w出現(xiàn)滑坡、破裂、坍塌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了人們的出行安全[2]。這主要是由于土體的抗拉強(qiáng)度過低導(dǎo)致的。眾多學(xué)者研究表明，土中加入筋材可以大幅提高土體強(qiáng)度[3-4]，從而提高加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。而土工合成材料是相對(duì)于傳統(tǒng)的木材、鋼筋、水泥的第四種建筑材料[6]，在世界各國工業(yè)與民用建筑、水利水電工程以及鐵道、橋梁、港口、河流堤岸及航道等工程中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。目前，自法國工程師發(fā)明加筋土技術(shù)以來，加筋土因具有多種優(yōu)點(diǎn)而風(fēng)靡全球[8]，已在地質(zhì)工程中發(fā)揮了重要的作用，而對(duì)土工合成材料筋土界面的摩擦受力特性研究顯得尤為關(guān)鍵，其能有效地揭示筋土相互作用的特性，為加筋土工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參數(shù)，推動(dòng)加筋土技術(shù)的發(fā)展[9]。在室內(nèi)土工試驗(yàn)中，一般通過拉拔試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)來得到土工合成材料筋土界面的強(qiáng)度參數(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者通過拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對(duì)土工合成材料筋土界面的摩擦受力特性做了大量的研究工作。如：Zhu等[10]和Chen等[11]通過三參數(shù)模型推導(dǎo)出筋土界面軸力和剪應(yīng)力在不同拉拔階段的解析表達(dá)式；Anubhav等[12]通過對(duì)兩種土工織物直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了預(yù)測(cè)峰前峰后土工織物筋土界面摩擦受力特征的非線性本構(gòu)模型；鄭俊杰等[13]采用三向土工格柵并考慮0°和90°兩個(gè)方向進(jìn)行了室內(nèi)拉拔試驗(yàn)(記為TX_0工況和TX_90工況)，發(fā)現(xiàn)TX_0工況的土工格柵筋土界面的內(nèi)摩擦角顯著大于TX_90工況，黏聚力則剛好相反，且法向應(yīng)力較高時(shí)TX_0工況的土工格柵筋土界面強(qiáng)度更高；Balakrishnan等[14]通過拉拔試驗(yàn)，研究了法向應(yīng)力、土樣和夾砂層對(duì)土工格柵拉伸應(yīng)變特性的影響；易富等[15]通過拉拔試驗(yàn)研究了上覆壓力、含水率和拉拔速率對(duì)筋-尾礦界面摩擦受力特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大似黏聚力與界面摩擦強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，且似內(nèi)摩擦角與界面摩擦強(qiáng)度均隨拉拔速率的增大而增大；謝寶琎等[16]通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)對(duì)不同含水率下尾礦與土工格柵的界面特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在界限含水率下的界面似黏聚力最大、似內(nèi)摩擦角最?。唤o等[17]利用室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究了不同橫肋間距單向拉伸土工格柵的筋土界面作用特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)橫肋間距較小時(shí)，拉拔曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，在橫肋間距增大的過程中，拉拔曲線由應(yīng)變硬化向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變；楊敏等[18]以土工布作為筋材，進(jìn)行了黃土加筋土的直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，分析了不同壓實(shí)度條件下筋土界面間的直剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度以及摩擦系數(shù)；Namjoo等[19]采用3種具有不同D50粒徑和相似性能的砂以及6種具有不同表面特征的筋材進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明土與筋材之間的界面抗剪強(qiáng)度取決于砂土的平均粒徑和筋材的類型。

以上學(xué)者主要從法向應(yīng)力、含水率、填料類型、拉拔速率、土工合成材料種類等因素對(duì)筋土界面的摩擦受力特性進(jìn)行研究，而對(duì)于筋材在拉拔過程中各區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變研究鮮有報(bào)道?；诖耍疚囊蕴m州至?？诟咚俟窂V西南寧經(jīng)欽州至防城港段改擴(kuò)建工程項(xiàng)目為背景，通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，探討了土工格柵不同測(cè)段筋材的受力和應(yīng)變規(guī)律，揭示了土工格柵與碎石-土混合料作用的受力機(jī)理，研究結(jié)果可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 室內(nèi)拉拔試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用設(shè)備為自行研制的直剪拉拔測(cè)試系統(tǒng)，該設(shè)備可以進(jìn)行拉拔及直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器主要由試驗(yàn)箱、法向力液壓系統(tǒng)、水平控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。本次試驗(yàn)采用拉拔試驗(yàn)，其中拉拔試驗(yàn)箱的尺寸為600 mm×400 mm×500 mm(長×寬×高)；法向力液壓系統(tǒng)輸出的法向應(yīng)力范圍為0～300 kPa，通過油閥來控制法向應(yīng)力的輸出；水平控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)、受力傳感器、導(dǎo)桿、位移傳感器、夾具組成，通過計(jì)算機(jī)控制拉拔速率，拉拔速率可選范圍為0.2～20 mm/min，試驗(yàn)測(cè)試位移范圍為0～120 mm；試驗(yàn)數(shù)據(jù)由高精度的荷載和位移傳感器及配套軟件自動(dòng)采集，試驗(yàn)結(jié)束后保存并導(dǎo)出，為后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果分析提供方便。

圖1 拉拔試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)填料取自蘭州至?？诟咚俟窂V西南寧經(jīng)欽州至防城港K2130斷面工程現(xiàn)場(chǎng)，土顆粒為黃色，充填物為碎石顆粒，為棱角狀，如圖2所示。由于受試驗(yàn)箱尺寸限制和土工格柵強(qiáng)度的影響，通過室內(nèi)篩分試驗(yàn)，選擇粒徑范圍為0～20 mm的碎石-土混合料，其中土的含量占總質(zhì)量的62.54%，碎石的含量占總質(zhì)量的37.46%；根據(jù)室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，得到該試驗(yàn)段填土的最大干密度ρd為1.94 g/cm3、最優(yōu)含水率為10.4%、黏聚力為29.88 kPa、內(nèi)摩擦角為34.31°，試驗(yàn)填料的顆粒級(jí)配曲線見圖3。試驗(yàn)筋材亦為該高速公路K2130斷面實(shí)際鋪設(shè)的聚丙烯雙向土工格柵(見圖2)，土工格柵的具體參數(shù)見表1。

圖2 取土現(xiàn)場(chǎng)

圖3 試驗(yàn)填料的顆粒級(jí)配曲線

表1 土工格柵的具體參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)該高速公路的設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)時(shí)控制填料壓實(shí)度為96%，將填料從下至上分層壓實(shí)裝入試驗(yàn)箱內(nèi)，每填完一層土后用鋼絲刷將表面刷毛，保證各土層之間層間結(jié)合；當(dāng)填土表面略高于拉拔口下緣時(shí)，將土工格柵平鋪在試驗(yàn)箱內(nèi)并穿過拉拔口與夾具連接，繼續(xù)分層往試驗(yàn)箱內(nèi)填土；分層壓實(shí)到規(guī)定的壓實(shí)度(壓實(shí)后的土面要平整)，通過油閥將承壓板放下，施加15 kPa法向應(yīng)力進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓結(jié)束后，設(shè)置試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)并開始試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)進(jìn)行了3種法向應(yīng)力(15 kPa、45 kPa、75 kPa)下的拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)前用鋼絞線將土工格柵上的預(yù)設(shè)測(cè)點(diǎn)(B、C、D、E)與拉拔箱后面的位移傳感器相連，A點(diǎn)的位移可通過夾具與伸縮桿之間的位移傳感器采集得到，土工格柵測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示，并根據(jù)圖4中每相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移差值與初始長度的比值即可得出AB、BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變。依據(jù)《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 50—2006)[20]，本次試驗(yàn)選取拉拔速率為1.5 mm/min，當(dāng)拉拔力達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。

圖4 土工格柵測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土工格柵測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移隨縱向埋深的變化規(guī)律

在不同豎向荷載下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，土工格柵B、C、D、E共4個(gè)測(cè)點(diǎn)在土中分別對(duì)應(yīng)縱向埋深為0 cm、12 cm、24 cm、36 cm所在的位置。通過對(duì)位移傳感器采集測(cè)點(diǎn)(B、C、D、E)的相對(duì)位移值進(jìn)行分析，得到土工格柵各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移與縱向埋深的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 土工格柵各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移與縱向埋深的關(guān)系曲線

由圖5可知：土工格柵4個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移均隨著拉拔力的增大而增加；但開始階段各測(cè)點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生位移，當(dāng)拉拔力一定時(shí)，測(cè)點(diǎn)B先產(chǎn)生位移，測(cè)點(diǎn)B的位移隨著拉拔力的增大而增加，當(dāng)拉拔力繼續(xù)增大時(shí)，測(cè)點(diǎn)C、D、E也出現(xiàn)位移，且這3個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移與測(cè)點(diǎn)B的位移變化趨勢(shì)基本一致；隨著縱向埋深的增加，測(cè)點(diǎn)C、D、E的位移量相對(duì)于測(cè)點(diǎn)B依次減小。這說明土工格柵對(duì)土體的剪切摩擦力和格柵橫肋對(duì)土體的擠壓作用是沿格柵縱向埋深方向遞減的，且隨著拉拔力的增大，格柵拉力沿縱向埋深方向擴(kuò)散，使得縱向埋深方向上格柵受力不斷出現(xiàn)并增大。

由圖5還可以發(fā)現(xiàn)：相同拉拔力作用下，測(cè)點(diǎn)B的相對(duì)位移隨著法向應(yīng)力的增加而減小，且測(cè)點(diǎn)C、D、E的位移量相對(duì)于測(cè)點(diǎn)B逐漸遞減；當(dāng)拉拔力為8.51 kN，法向應(yīng)力從15 kPa增加到75 kPa時(shí)，測(cè)點(diǎn)B的位移量從6.64 mm減小到5.76 mm，減小了13.25%，而測(cè)點(diǎn)C、D、E的位移隨著格柵縱向埋深的增加依次遞減，位移量分別減小了28.18%、45.38%、66.78%，測(cè)點(diǎn)E的位移量減小幅度是測(cè)點(diǎn)B的5.04倍左右。分析其原因認(rèn)為：隨著法向應(yīng)力的增大，土體由于受到擠壓而變得更加密實(shí)，此時(shí)土工格柵表面與土體之間的摩擦力和格柵橫肋對(duì)土體的端承阻力變大，格柵越來越難以拔出，故法向應(yīng)力較高時(shí)不同縱向埋深處土工格柵測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移相對(duì)法向應(yīng)力較低時(shí)有所減小。

2.2 不同法向應(yīng)力下土工格柵應(yīng)變隨拉拔力的變化規(guī)律

不同法向應(yīng)力下土工格柵各測(cè)段格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系曲線

由圖6可知：土工格柵各測(cè)段格柵應(yīng)變隨著拉拔力的增大而增加，其中AB段格柵的應(yīng)變最大，BC段、CD段、DE段格柵的應(yīng)變相對(duì)于AB段格柵的應(yīng)變依次遞減，這是因?yàn)橥凉じ駯臕B段格柵在拉拔過程中始終裸露在空氣中不受土體的約束，其他測(cè)段格柵受到土體的約束，故BC段、CD段、DE段格柵的應(yīng)變相對(duì)于AB段格柵要小；隨著法向應(yīng)力的增大，拉拔力也會(huì)隨之增大，且土工格柵各測(cè)段格柵的應(yīng)變亦會(huì)增加；當(dāng)法向應(yīng)力從15 kPa增大到75 kPa，拉拔力峰值從8.51 kN增大到10.36 kN時(shí)，相應(yīng)的不同測(cè)段格柵的應(yīng)變也隨之增加，AB段格柵的應(yīng)變從2.65%增加到4.24%，增加了60%，BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變依次增加了114.95%、105.94%、180.85%，說明在法向應(yīng)力較小時(shí)土中格柵的應(yīng)變發(fā)揮程度較低，隨著法向應(yīng)力的增大，拉拔力也隨之增大，格柵的應(yīng)變得到了進(jìn)一步發(fā)揮。

根據(jù)圖6中土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系曲線，并考慮到格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系曲線經(jīng)過(0,0)，采用冪函數(shù)ε=aTb(ε為格柵應(yīng)變，T為拉拔力，a、b為條件參數(shù))對(duì)格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系進(jìn)行非線性擬合，其擬合結(jié)果見圖6，擬合參數(shù)見表2。

表2 土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變與拉拔力的非線性擬合參數(shù)(采用冪函數(shù)ε=αTb)

由表2可知，采用冪函數(shù)對(duì)土工格柵應(yīng)變與拉拔力的非線性關(guān)系進(jìn)行擬合的相關(guān)系數(shù)R2均在0.97以上，表明擬合結(jié)果具有很好的可靠度。

通過圖6并結(jié)合圖4分析發(fā)現(xiàn)：裸露在拉拔箱外AB段的格柵由于不受土體的約束，此段格柵的應(yīng)變最大；相同法向應(yīng)力下，土工格柵各測(cè)段區(qū)域格柵應(yīng)變的大小表現(xiàn)為：AB段>BC段>CD段>DE段，這主要是因?yàn)楦駯爬瓚?yīng)力沿著縱向埋深方向擴(kuò)散，使得縱向埋深越深的格柵段受到的力變小，故格柵應(yīng)變相應(yīng)也就減小。

由于土工格柵不同測(cè)段區(qū)域格柵應(yīng)變與拉拔力發(fā)展的趨勢(shì)基本一致，因此本文選擇法向應(yīng)力為75 kPa時(shí)格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系曲線對(duì)土工格柵AB段、BC段、CD段、DE段格柵應(yīng)變進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AB、BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變最大值分別為4.24%、3.31%、2.08%、1.32%，遠(yuǎn)小于格柵的斷裂伸長率(12.1%)，表明土工格柵的變形受到土體的摩擦、嵌固作用，相對(duì)于裸露在空氣中的AB段格柵能降低格柵的斷裂伸長率。

2.3 不同拉拔力下土工格柵應(yīng)變隨法向應(yīng)力的變化規(guī)律

不同拉拔力下土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，見圖7。

圖7 不同拉拔力下土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線

由圖7可知：當(dāng)拉拔力為1.34 kN時(shí)，土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變隨著法向應(yīng)力的增大其變化范圍較小，AB、BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變變化范圍分別為0.29%～0.38%、0.05%～0.13%、0.03%～0.04%、0～0.03%，這是因?yàn)樵诶纬跗谇依瘟^小的情況下，格柵強(qiáng)度遠(yuǎn)大于此時(shí)的拉拔力；但當(dāng)拉拔力繼續(xù)增大時(shí)，不同測(cè)段格柵的應(yīng)變也會(huì)隨之增加，且AB、BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變依次遞減，這主要是由于AB段格柵處于拉拔箱外與空氣接觸，摩擦阻力基本可以忽略不計(jì)，而BC段格柵在拉拔過程中會(huì)有較小部分處于無約束狀態(tài)，CD、DE段格柵始終處于拉拔箱內(nèi)與土體接觸，此外，再結(jié)合圖5可知A、B、C、D、E這5個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移是依次遞減的，由此說明格柵上的拉力隨著格柵埋入深度的增加而不斷擴(kuò)散，所以AB段格柵的應(yīng)變大于其他測(cè)段格柵的應(yīng)變，BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變依次遞減；在拉拔力繼續(xù)增大的過程中，AB、BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變也隨之增加，且隨著法向應(yīng)力的增大各測(cè)段格柵的應(yīng)變也會(huì)有所提升，當(dāng)法向應(yīng)力大于45 kPa時(shí)，各測(cè)段格柵的應(yīng)變相對(duì)法向應(yīng)力較小時(shí)增加的趨勢(shì)變得平緩，分析其原因是隨著法向應(yīng)力的增大，土體與格柵之間的摩擦、嵌固作用加強(qiáng)，土中格柵也越來越難以拔出，此時(shí)拉拔力也會(huì)上漲，故各測(cè)段格柵的應(yīng)變亦會(huì)繼續(xù)增加但變化幅度相對(duì)較小，而當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，土體與格柵的摩擦、嵌固作用相對(duì)法向應(yīng)力較高時(shí)有所降低，格柵相對(duì)容易拔出，故法向應(yīng)力較低時(shí)格柵的應(yīng)變相對(duì)法向應(yīng)力較高時(shí)格柵的應(yīng)變?cè)鲩L的趨勢(shì)要陡。

3 結(jié) 論

本文以蘭州至?？诟咚俟窂V西南寧經(jīng)欽州至防城港段改擴(kuò)建工程項(xiàng)目為背景，采用自行研制的直剪拉拔測(cè)試系統(tǒng)，通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，分析了土工格柵不同測(cè)段筋材的受力和應(yīng)變規(guī)律，揭示了土工格柵與碎石-土混合料作用的受力機(jī)理，得到了如下結(jié)論：

(1) 不同法向應(yīng)力下，測(cè)點(diǎn)B、C、D、E的位移均隨著拉拔力的增大而增加，但隨著格柵縱向埋深的增加依次遞減；相同拉拔力下，測(cè)點(diǎn)B、C、D、E的位移隨著法向應(yīng)力的增大而減小，且隨著格柵縱向埋深的增加依次遞減，當(dāng)拉拔力為8.51 kN時(shí)，法向應(yīng)力從15 kPa增加到75 kPa，測(cè)點(diǎn)E的位移減小幅度是測(cè)點(diǎn)B的5.04倍左右。

(2) 土工格柵AB、BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變隨著法向應(yīng)力的增大而增加，當(dāng)法向應(yīng)力從15kPa增加到75kPa時(shí)，AB段格柵的應(yīng)變最大，其最大應(yīng)變?yōu)?.24%，而BC、CD、DE段格柵的應(yīng)變相對(duì)于AB段格柵依次遞減，其最大應(yīng)變分別為3.31%、2.08%、1.32%，且AB段格柵應(yīng)變約為DE段格柵應(yīng)變的3.2倍。

(3) 根據(jù)土工格柵不同測(cè)段格柵應(yīng)變與拉拔力的關(guān)系曲線，采用冪函數(shù)ε=aTb進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非線性擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.97以上，表明土工格柵應(yīng)變與拉拔力的演化規(guī)律可采用冪函數(shù)來表示。