基于不同速率的格柵與標(biāo)準(zhǔn)砂拉拔試驗(yàn)及界面位移圖像分析

王家全，祁航翔，梁寧,2，唐毅,2

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.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)

0 引言

自法國(guó)工程師Henri Vidal于1963年提出“加筋土”以來(lái)，在世界各國(guó)土木工程領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，加筋土是由土體與筋材組成的復(fù)合體，它們共同受力，協(xié)調(diào)變形[1]。目前用作加筋材料的土工合成材料按不同結(jié)構(gòu)需要可分為土工格柵、土工織物、土工帶和土工格室等，因其造價(jià)低、施工方便而被廣泛運(yùn)用在加筋土擋墻、加筋土墊層、加筋土坡、加筋土橋臺(tái)及橋墩、大壩抗震防護(hù)結(jié)構(gòu)等加筋土工程中[2-3]。已有研究表明，土工合成材料用作加筋材料可以改善土體強(qiáng)度，提高土工結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性和地基承載力[4-6]；但土工合成材料與土體界面的相互作用直接影響加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，故此對(duì)其界面特性的研究具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般以室內(nèi)拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對(duì)筋土界面的特性展開(kāi)研究，而拉拔試驗(yàn)被認(rèn)為是一種最簡(jiǎn)單、最直接的研究筋土界面特性的試驗(yàn)方法，可快速獲取加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的相關(guān)參數(shù)[7]。現(xiàn)如今，眾多學(xué)者通過(guò)拉拔試驗(yàn)得到了許多有益的結(jié)論。張孟喜等[8]通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)分析了加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)布置方式對(duì)筋土界面特性的影響，并基于刺入剪切破壞理論得到了極限拉拔阻力理論模型。王家全等[9-10]采用自行研制的可視化大型拉拔儀探討了土工格柵與砂土界面的受力性能，得出筋土界面摩擦力占拉拔阻力的29%～33%，而橫肋與土體擠壓咬合產(chǎn)生的承載力占總拉拔阻力的67%～71%，同時(shí)得到了土工格柵在拉拔過(guò)程中各區(qū)段格柵的應(yīng)變變化規(guī)律。曹文昭等[11]以三向和雙向土工格柵為研究對(duì)象進(jìn)行了一系列拉拔直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雙向土工格柵與砂土界面的峰值摩擦角和殘余摩擦角均大于三向土工格柵的，但黏聚力剛好相反；且豎向壓力對(duì)直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)所得筋土界面強(qiáng)度參數(shù)均有明顯影響。靳靜等[12]研究了不同橫肋間距的單向土工格柵與砂土界面相互作用特性，認(rèn)為筋土界面的拉拔力峰值及其對(duì)應(yīng)的拉拔位移隨著土工格柵橫肋間距的增大逐漸減小，且黏聚力和摩擦角也呈減小的趨勢(shì)。上述學(xué)者主要從不同類型的土工合成材料對(duì)筋土界面的摩阻特性進(jìn)行研究，但筋土界面相互作用極其復(fù)雜，不僅與試驗(yàn)材料性質(zhì)有關(guān)，也與試驗(yàn)方法及加載方式有關(guān)。

目前，部分學(xué)者對(duì)不同拉拔速率下筋土界面的摩擦特性進(jìn)行了相關(guān)的研究。Lopes等[13]研究了4種不同拉拔速率(1.8、5.4、11.8、22.0 mm/min)對(duì)筋土界面抗拔力的影響，認(rèn)為拉拔阻力隨拉拔速率的增大而增大。Farrag等[14]發(fā)現(xiàn)隨著拉拔速率的增加，拉拔阻力峰值會(huì)有所減小，最大減小25%。高翔等[15]研究表明拉拔速率對(duì)筋土界面的剪切特性的影響主要表現(xiàn)在似摩擦系數(shù)隨拉拔速率的增加而減小，而似黏聚力的影響較小。史旦達(dá)等[16]分析了不同拉拔速率對(duì)砂土-雙向格柵的界面強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)拉拔速率提高后，界面剪應(yīng)力峰值會(huì)略微下降，但規(guī)律性并不明顯。汪明元等[17]通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究了土工格柵與膨脹土的界面特性，得出拉拔速率較大時(shí)，拉拔力增長(zhǎng)較快，其拉拔力峰值和界面強(qiáng)度較大。張利陽(yáng)等[18]采用土工織物與尾礦砂進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，得出隨拉拔速率增加，界面剪應(yīng)力峰值也會(huì)隨之增大，界面黏聚力呈先增后減的趨勢(shì)，而界面摩擦角則先略有減小后快速增加。

上述學(xué)者在研究拉拔速率對(duì)土工合成材料與土體界面相互作用特性影響時(shí)，選取的拉拔速率一是分布范圍小，二是拉拔速率雖然分布范圍大但相鄰拉拔速率之間間隔較大，且不同學(xué)者得到的結(jié)果也有所差異?；诖?，本文通過(guò)拉拔試驗(yàn)著重探討了5種不同拉拔速率分別在4個(gè)種不同法向應(yīng)力下標(biāo)準(zhǔn)砂與土工格柵界面的相互作用特性，研究結(jié)果可為加筋土工程設(shè)計(jì)選擇何種拉拔速率的界面參數(shù)提供參考依據(jù)。

1 室內(nèi)拉拔試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

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個(gè)部分組成，如圖1所示。本次試驗(yàn)采用拉拔試驗(yàn)，運(yùn)用可視化拉拔試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱的內(nèi)部尺寸為600 mm×400 mm×500 mm(長(zhǎng)×寬×高)，試驗(yàn)箱正面正中間有一塊尺寸為400 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬)的鋼化玻璃；法向力液壓系統(tǒng)輸出的壓力范圍為0～300 kPa，通過(guò)油閥來(lái)施加法向應(yīng)力；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(guò)計(jì)算機(jī)控制拉拔速率，拉拔速率范圍為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)出數(shù)據(jù)，方便后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果分析。

圖1 拉拔試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用填料為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，如圖2所示，該標(biāo)準(zhǔn)砂的具體物理性質(zhì)指標(biāo)為：有效粒徑d10=0.16 mm，中值粒徑d30=0.45 mm，限制粒徑d60=0.82 mm，經(jīng)計(jì)算得出砂土的不均勻系數(shù)Cu=5.13>5，曲率系數(shù)Cc=1.54在1～3之間，說(shuō)明該砂土的級(jí)配良好，砂土的具體物理指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用筋材為雙向塑料土工格柵，該類土工格柵在實(shí)際加筋土工程中有著較好的應(yīng)用效果，如圖3所示，格柵的具體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)砂

圖3 試驗(yàn)土工格柵

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂的具體物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 土工格柵具體物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)砂的密度控制裝砂量，并在填筑的過(guò)程中采用砝碼進(jìn)行分層壓實(shí)，保證每組試驗(yàn)的密實(shí)度相同，填筑完成后將承壓板放下，調(diào)節(jié)油閥進(jìn)行預(yù)壓，依據(jù)《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E50—2006)[19]，預(yù)壓20 min，預(yù)壓結(jié)束后，設(shè)置各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)開(kāi)始試驗(yàn)，同時(shí)用高清數(shù)碼相機(jī)對(duì)可視化模型箱鋼化玻璃面進(jìn)行圖像拍攝，當(dāng)拉拔力達(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方案

國(guó)內(nèi)外研究拉拔速率對(duì)筋土界面摩擦特性影響存在的主要問(wèn)題：一是選取的拉拔速率范圍小；二是拉拔速率雖然分布范圍大，但相鄰拉拔速率之間間隔較大，因此，本文選取了5種不同拉拔速率，研究不同拉拔速率對(duì)筋土界面摩擦特性的影響，并結(jié)合數(shù)字圖像分析技術(shù)探究拉拔過(guò)程中筋土界面土顆粒位移變化規(guī)律，為了防止拉拔過(guò)程中格柵被拉斷，進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)確定進(jìn)行本次試驗(yàn)格柵的埋入長(zhǎng)度、寬度以及在拉拔過(guò)程中所施加的上部法向應(yīng)力，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同拉拔速率下的筋土界面摩阻特性分析

根據(jù)不同拉拔速率各法向應(yīng)力下的試驗(yàn)結(jié)果，繪制出5種不同拉拔速率下拉拔力隨拉拔位移的變化關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖4中，可以發(fā)現(xiàn)在拉拔初期，不同拉拔速率各法向應(yīng)力下，拉拔力隨拉拔位移的增加急劇增大，呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，此時(shí)法向應(yīng)力對(duì)拉拔力的增長(zhǎng)影響較小，曲線基本完全重合。隨著格柵拉拔進(jìn)一步發(fā)展，拉拔力的增長(zhǎng)速率隨拉拔位移的增加開(kāi)始放緩，到達(dá)拉拔力峰值后，拉拔力隨拉拔位移繼續(xù)增大而持續(xù)減小，呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征。由于不同拉拔速率下拉拔力與拉拔位移變化規(guī)律基本一致，故本文僅對(duì)拉拔速率v=1.5 mm/min的情況進(jìn)行討論分析。從圖4(b)中可知，拉拔力峰值隨法向應(yīng)力的增加而增大，且拉拔力峰值對(duì)應(yīng)拉拔位移也呈增大的趨勢(shì)；當(dāng)法向應(yīng)力從15 kPa增加到60 kPa時(shí)，拉拔力峰值從4.947 kN增長(zhǎng)到11.884 kN，拉拔力峰值對(duì)應(yīng)的拉拔位移從10.01 mm增加到22.10 mm，拉拔力峰值及其對(duì)應(yīng)的拉拔位移分別增長(zhǎng)了240.23%、120.78%，與學(xué)者劉文白等[20]、徐超等[21]得到的試驗(yàn)結(jié)果一致。分析原因，在法向應(yīng)力較小時(shí)，土顆粒之間以及土顆粒與土工格柵表面和格柵橫肋對(duì)土顆粒的端承阻力作用較弱，從而導(dǎo)致在拉拔過(guò)程中達(dá)到的拉拔力峰值較小，隨著法向應(yīng)力進(jìn)一步增大，這種作用力較強(qiáng)，故拉拔力峰值也因此繼續(xù)增大。

(a)拉拔速率v=0.5 mm/min

2.2 拉拔速率對(duì)拉拔力峰值及拉拔位移的影響分析

根據(jù)圖4中不同拉拔速率下各法向應(yīng)力拉拔力隨拉拔位移的變化規(guī)律，得到了不同法向應(yīng)力下拉拔力峰值隨拉拔速率的變化規(guī)律以及不同法向應(yīng)力下達(dá)到拉拔力峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的拉拔位移隨拉拔速率的變化規(guī)律，如圖5、6所示。由圖5可知，拉拔力峰值隨拉拔速率的增大均呈現(xiàn)出先增后減再增的趨勢(shì)，說(shuō)明拉拔速率影響著拉拔力峰值的大小。隨著拉拔速率的增大，存在一個(gè)臨界拉拔速率v=1.5 mm/min，在該拉拔速率下拉拔力峰值最大，在法向應(yīng)力σv=15 kPa，臨界拉拔速率下的拉拔力峰值分別是拉拔速率為0.5、3.0、5.0、7.0 mm/min的114.0%、116.8%、117.1%、111.7%；且隨著法向應(yīng)力的增加，拉拔力峰值也會(huì)有所增大。分析其原因，在拉拔速率較小時(shí)，隨著格柵被拔出的過(guò)程中，格柵周圍的土顆粒有足夠的時(shí)間重新定向排列，此時(shí)格柵網(wǎng)孔對(duì)土顆粒的嵌固、咬合作用較強(qiáng)，而隨著拉拔速率繼續(xù)增大，土顆粒之間以及土顆粒與格柵表面的摩擦、格柵網(wǎng)孔的咬合作用較弱，故此時(shí)的拉拔力峰值相對(duì)拉拔速率較小時(shí)有所降低。

圖5 不同法向應(yīng)力下拉拔力峰值隨拉拔速率的變化規(guī)律

圖6為不同法向應(yīng)力下拉拔力峰值所對(duì)應(yīng)的拉拔位移隨拉拔速率的變化規(guī)律。為了方便描述，定義峰值拉拔位移lmax的概念(lmax為達(dá)到拉拔力峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的拉拔位移)。從圖6中不難發(fā)現(xiàn)，峰值拉拔位移隨法向應(yīng)力的增加而增大，且不同法向應(yīng)力下的峰值拉拔位移大致穩(wěn)定在一固定值附近上下波動(dòng)，不同拉拔速率下峰值拉拔位移分別穩(wěn)定在9.00、11.00、16.00、20.00 mm附近，可以發(fā)現(xiàn)隨著法向應(yīng)力從15 kPa增大到60 kPa時(shí)，峰值拉拔位移增幅為122.22%。同時(shí)根據(jù)圖6中不同法向應(yīng)力下峰值拉拔位移隨拉拔速率的變化規(guī)律，將不同法向應(yīng)力下的峰值拉拔位移進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)峰值拉拔位移與法向應(yīng)力呈良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果如圖7所示，且擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.90以上，表明擬合結(jié)果具有較好的可靠度。

圖6 不同法向應(yīng)力下峰值拉拔位移隨拉拔速率的變化規(guī)律

圖7 峰值拉拔位移與法向應(yīng)力的擬合關(guān)系曲線

2.3 不同拉拔速率下筋土界面強(qiáng)度參數(shù)分析

根據(jù)圖4、5的試驗(yàn)結(jié)果以及眾多學(xué)者的研究，采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則對(duì)不同拉拔速率下的界面剪應(yīng)力峰值與法向應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖8所示，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.94以上，表明擬合效果較好，得到的結(jié)果可靠度較高。根據(jù)圖8中的線性擬合表達(dá)式可得到界面似黏聚力與界面似摩擦角，界面參數(shù)隨拉拔速率的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，界面似黏聚力隨拉拔速率的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，界面似黏聚力最大值是最小值的1.23倍，而界面似摩擦角表現(xiàn)出先增后再遞增的趨勢(shì)，且界面似摩擦角的最大值與最小值兩者相差8.86°，表明拉拔速率對(duì)界面參數(shù)似黏聚力與似摩擦角均有一定的影響，不同拉拔速率下的界面參數(shù)并不是一個(gè)恒定值。究其原因，當(dāng)拉拔速率較小時(shí)，土工格柵與周圍的土顆粒定向排列比較及時(shí)，土顆粒發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)較大，其嵌固、咬合作用較強(qiáng)，格柵橫肋以及土體的塑性變形來(lái)不及發(fā)展，從而導(dǎo)致拉拔摩擦阻力增大，故界面似黏聚力和界面似摩擦角較大；而當(dāng)拉拔速率較大時(shí)，土工格柵與周圍的土顆粒不能及時(shí)重新排列，土顆粒發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)較小，土工格柵網(wǎng)孔咬合作用較弱，相對(duì)拉拔速率較小的情況而言，拉拔阻力有所減小，此時(shí)界面參數(shù)似黏聚力和界面似摩擦角也有所減小[22]。

圖8 不同拉拔速率下的抗剪強(qiáng)度直線

圖9 界面參數(shù)隨拉拔速率的變化規(guī)律

2.4 筋土拉拔界面土體的位移變化規(guī)律分析

通過(guò)數(shù)字圖像系統(tǒng)得到了不同拉拔速率下達(dá)到拉拔力峰值時(shí)的顆粒位移矢量圖。由于不同法向應(yīng)力下土顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本一致，故本文選取法向應(yīng)力σv=15 kPa下的情況進(jìn)行闡述。由圖10可知：①砂土顆粒運(yùn)動(dòng)特征以土工格柵為界出現(xiàn)顯著差異。在拉拔力的作用下，拉拔界面土顆粒隨著格柵的拔出一起向前平行移動(dòng)，離拉拔界面越近，受到拉拔影響越大，土顆粒位移越大。離拉拔界面越遠(yuǎn)，顆粒位移越小且從平行位移轉(zhuǎn)為向斜左上方運(yùn)動(dòng)。②土工格柵與砂土界面附近土顆粒位移方向與拉拔方向基本一致，但土工格柵上部土顆粒的位移明顯大于下部土顆粒的，這是由于格柵張拉力抵消部分豎向壓力，使得上部土顆粒的壓實(shí)度高于下部土顆粒的，進(jìn)而上部土顆粒與格柵嵌固咬合更為緊密，故拉拔時(shí)上部土顆粒位移比下部土顆粒的大。③隨著拉拔速率的增加到v= 7.0 mm/min時(shí)，砂土顆粒位移矢量在拉拔界面小范圍最大，其他范圍位移量顯著減小，說(shuō)明隨著拉拔速率較大時(shí)，土顆粒間來(lái)不及重新定向排列，故表現(xiàn)出界面附近土顆粒位移較大的特征。

(a)v=0.5 mm/min

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)進(jìn)行了5種不同拉拔速率、4種不同法向應(yīng)力下的拉拔試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)筋土界面土體的位移規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)分析，得到了如下結(jié)論：

① 拉拔力峰值隨著拉拔速率的增加基本上均呈現(xiàn)出先增后減再遞增的趨勢(shì)，但總體上呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律，且隨著拉拔速率的遞增，存在一個(gè)臨界拉拔速率v=1.5 mm/min，該拉拔速率下拉拔力峰值最大，在法向應(yīng)力σv=15 kPa時(shí)分別是拉拔速率為0.5、3.0、5.0、7.0 mm/min的114.0%、116.8%、117.1%、111.7%。

② 隨著法向應(yīng)力的增加峰值拉拔位移也會(huì)有所增大，且不同拉拔速率各法向應(yīng)力下的峰值拉拔位移在一固定值附近上下波動(dòng)；不同拉拔速率下的峰值拉拔位移與法向應(yīng)力均呈現(xiàn)良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

③ 當(dāng)拉拔速率v≤3.0 mm/min時(shí)，界面似黏聚力隨拉拔速率的增加而增大，界面似摩擦角則呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)；隨著拉拔速率繼續(xù)增大到5.0、7.0 mm/min時(shí)，界面似黏聚力達(dá)到最大后開(kāi)始遞減，而界面似摩擦角則呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。

④ 在拉拔界面的土顆粒隨著格柵的拔出一起向前做水平運(yùn)動(dòng)，離拉拔界面越近，土顆粒位移越大；相反，離拉拔界面越遠(yuǎn)，土顆粒位移越小并表現(xiàn)出向斜左上方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而且拉拔界面上部顆粒的位移明顯大于下部顆粒的。