土工格柵加筋土拉拔試驗與分析

王同?！⊥趿帧埧宋?/p>

摘要：為了研究土工格柵加筋土的機理，找出影響加筋土界面特性的主要因素，通過改進現有拉拔試驗設備，研制了兼顧速率穩定性和能量損失的電動型拉拔設備。采用TGDG80型土工格柵，以石灰土、粉土為填料，在疏松、中密、密實3種壓實狀態和3.125、5.417、7.167 kPa三種豎向荷載下進行多組正交拉拔試驗。結果表明：石灰土與TGDG80型土工格柵的加筋土組合的安全性和穩定性更優，充足的壓實度能大大提高加筋土擋墻的柔性和協調性。

關鍵詞：土工格柵；拉拔試驗；界面特性；剪應力

中圖分類號：U4171文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the mechanism of geogrid reinforced soil and find out the main factors influencing the interface characteristics of reinforced soil， the electric pullout equipment considering the rate stability and energy loss was developed by improving existent equipment. Several sets of orthogonal pullout tests were carried out when the compaction degree was low， medium and high and with vertical load of 3.125 kPa， 5.417 kPa and 7.167 kPa by applying the TGDG80 geogrid and using lime soil and silt as filler. The results show that the safety and stability of the combination of lime soil and TGDG80 geogrid are better， and the sufficient compaction degree can greatly improve the flexibility and coordination of reinforced earth retaining wall.

Key words： geogrid； pullout test； interface characteristic； shear stress

0引言

土工格柵加筋土擋土墻作為一種典型的柔性支擋結構，因其加筋材料與填料之間良好的筋土界面效應，可有效抑制自身變形和不均勻沉降；并且具有造型美觀、占地較少、協調性好、適應性強等特點，在高填方路基、軟土路基、地震頻發地區、土地資源緊張地區及重要建筑物拆遷困難路段應用廣泛[1]。

隨著柔性支擋工程的大范圍應用，國外專家和學者開始對加筋土及加筋材料的拉拔試驗進行研究，主要包括拉拔試驗的作用機理、試驗設備及試驗方法等[26]。拉拔試驗設備多采用電機提供動力，速度和力量穩定，但能量損失大；且該設備多由直剪儀改裝而來，或者使用千斤頂提供橫向拉拔力[78]，在拉拔速率的控制上精度不高?？傮w來說，現有拉拔試驗設備不能兼顧速率穩定和能量損失；加筋材料及填料的選取也存在區域性，對筋土界面效應的揭示不夠全面[913]。

本文借鑒已有拉拔試驗設備的優缺點，研制改進電動型拉拔試驗設備，研究土工格柵與填料之間的相互作用。通過統計分析試驗數據，揭示不同加筋材料、填料、壓實度對加筋土特性的影響。

1電動型拉拔試驗設備

1.1拉拔試驗設備要求

土工格柵加筋土拉拔試驗屬于土工合成材料試驗中的拉拔摩擦試驗，經過資料收集和專家咨詢，該試驗所用設備需滿足以下要求：豎向荷載可控，可實現級數遞增；橫向拉力穩定；拉拔速率恒定，橫向拉拔速率的范圍為02～10 mm·min-1；箱體尺寸合理，結合試驗所采用土工格柵的縱橫肋尺寸特點和試驗所要求的填料厚度，試驗箱的尺寸定為800 mm×300 mm×400 mm；數顯系統精確，數顯系統包括拉力傳感器和數顯儀表；夾持穩定，橫向拉拔系統與土工格柵之間的連接部件應保證土工格柵拉拔狀態穩定。

1.2拉拔試驗設備設計

本文在閱讀文獻和前期調研的基礎上，提出了電動型拉拔試驗的設計方案。

該方案的橫向拉拔系統由電機、減速機、絲桿升降機組成，數顯系統由S型拉力傳感器和數顯儀表組成，試驗箱采用厚度為10 mm的鋼板制成，夾具采用加螺絲的T形鋼板，豎向加載方式為土袋加載。具體技術參數如下：電機初始轉速為940 r·min-1，額定電壓為380 V；減速機減速比為1∶1 440，額定電壓為380 V；拉力傳感器型號為CABHS5T，量程為5 T，同時接有顯示儀表；絲桿升降機的電機經過減速機變速之后，轉速為0653 r·min-1，絲桿升降機的拉拔速度為4569 mm·min-1，且保持勻速。

為驗證設計方案的可行性，基于有限元軟件ANSYS對拉拔試驗設備的受力變形進行模擬，結果如圖1所示。

1.3拉拔試驗設備研制

根據確定的研制方案制作滿足土工格柵加筋土拉拔試驗要求的試驗設備，具體過程如圖2所示。

2土工格柵加筋土拉拔試驗

2.1試驗儀器

拉拔試驗采用自行研制的電動型拉拔試驗設備。

2.2試驗材料

2.2.1填料

試驗中所用的填料有2種：石灰土、粉質黏土（黃土）。石灰土取自山東德商高速現場用土；粉質黏土則是在粉質黏土區域公路項目的現場取土。

2.2.2加筋材料

加筋材料以依托工程中使用的TGDG80型土工格柵為主，如圖3所示。

加筋材料的基本性能參數如表1所示。

2.2.3拉拔試驗方案

為了分析土工格柵加筋土中填料、豎向荷載和加筋材料對加筋土特性的影響，開展2種填料、3種豎向荷載下的多組正交拉拔試驗，分組如表2所示。

按照上述試驗分組，開展土工格柵加筋土拉拔試驗，步驟如下。

（1）把土體放入試驗箱中，每隔50 mm（疏松）、100 mm（中密）、150 mm（密實）夯實一次，直至土體高度達到150 mm，繼續添加土體并夯實，使得土體高度略高于窄縫高度。

（2）將加筋材料放于土體上，使其平整無褶。為了保證加筋材料在拉拔過程中與土體的接觸面積不發生變化，需將加筋材料的末端延伸出試驗箱；加筋材料前端從窄縫處引出試驗箱，并用夾具夾牢。

（3）繼續向試驗箱內添加土體，按照步驟（1）的方式夯實，直至添加到加筋材料上方150 mm高度處，夯實整平后在土體上方加承壓板。

（4）在承壓板上放土袋，使試驗箱內的土體固結。

（5）打開橫向拉拔系統的開關開始拉拔，每隔5 s記錄1次拉力值。如果橫向拉力出現峰值，則峰值穩定之后停止本組試驗，繼續下一組試驗；如果不出現峰值或者加筋材料被拉斷，則說明埋在土體中的加筋材料長度大于拔出長度，應縮短埋在土體中的加筋材料的長度并重新試驗。

（6）每組試驗結束后，去掉豎向加載設備和承壓板，挖出填料，取出加筋材料，改變豎向壓力或者加筋材料，重復以上過程進行下一組試驗。

3拉拔試驗結果分析

3.1不同填料對加筋土特性的影響

分別針對同一種加筋材料（TGDG80型土工格柵），選擇不同填料（石灰土、粉質黏土）開展試驗，并統計剪應力隨時間的變化規律；為驗證數據的合理性和特征性，進行剪應力峰值和對應豎向應力的關系擬合，建立擬合曲線。石灰土與TGDG80型土工格柵的拉拔試驗剪應力時間曲線和剪應力豎向應力擬合曲線如圖4所示，粉質黏土與TGDG80型土工格柵的拉拔試驗剪應力時間曲線和剪應力豎向應力擬合曲線如圖5所示。

加的幅度均越來越小，最后達到一個峰值。由于橫向拉拔系統是勻速運動，可以認為，剪應力隨著筋土相對位移的增加而遞增，最后趨近于一個峰值，此時橫向拉拔力與筋土摩擦阻力平衡，符合摩擦加筋機理。石灰土和粉質黏土分別作填料時也符合這個規律。

（2）石灰土作填料時，豎向荷載為3125、5417、7167 kPa所對應的剪應力峰值為351、412、478 kPa；粉質黏土作填料時，豎向荷載為3125、5417、7167 kPa所對應的剪應力峰值為316、35.9、411 kPa。即對于同一種填料，豎向荷載越大，剪應力的峰值也越大；對于相同的密實度和豎向荷載，石灰土的剪應力峰值均大于粉質黏土，石灰土與土工格柵組合成的加筋土的等效黏聚力略大于粉質黏土。根據這些規律可知，在本次拉拔試驗的條件下，石灰土與TGDG80型土工格柵組合的抗拉強度要大于粉質黏土與TGDG80型土工格柵的組合。

（3）石灰土作填料時，豎向荷載3125、5417、7.167 kPa所對應的剪應力隨時間的變化較為一致和穩定，即在不同的豎向荷載下，剪應力達到峰值所需的時間比較接近，且剪應力達到峰值之后基本保持穩定，使得土工格柵的作用得以充分發揮。粉質黏土作填料時，不同的豎向荷載下剪應力達到峰值的時間不太一致，豎向荷載為7167 kPa時所需的時間明顯大于另外兩級豎向荷載；同時，剪應力在達到峰值之后還會有一定幅度的變化，即相對不太穩定。這種現象與粉質黏土的級配有關，粉質黏土的粒徑要大于石灰土，在拉拔過程中，部分大顆粒會出現翻滾、瞬間位變現象，使剪應力相對不太穩定，因此土工格柵在粉質黏土中不能充分發揮作用。

（4）由本次拉拔試驗可知，在用TGDG80土工格柵作為加筋材料時，石灰土作填料的效果要優于粉質黏土。

3.2不同壓實度對加筋土特性的影響

分別針對同一種加筋材料（TGDG80型土工格柵）和同一種填料（石灰土），選擇不同壓實度（疏松、中密、密實）開展試驗。石灰土的壓實度分為3個等級：疏松（填土過程中，每隔15 cm夯實1次）、中密（填土過程中，每隔10 cm夯實1次）、密實（填土過程中，每隔5 cm夯實1次）。統計剪應力隨時間的變化規律；同時，為驗證數據的合理性和特征性，進行剪應力峰值和對應豎向應力的關系擬合，建立擬合曲線。不同壓實度的TGDG80型土工格柵的拉拔試驗剪應力時間曲線和剪應力豎向應力擬合曲線如圖6～8所示。

由圖6～8以及表4可以看出以下幾點。

（1）隨著時間的推移，加筋土的剪應力逐漸增加，但是增加的幅度會越來越小，最后達到峰值。由于橫向拉拔系統是勻速運動，因此可以認為，剪應力隨著筋土相對位移的增加而遞增，最后趨近于峰值，而這個峰值對于研究擋墻的極限承載能力和摩擦加筋機理有很大參考價值。

（2）豎向荷載分別為3.125、5.417、7.167 kPa時，疏松石灰土對應的剪應力峰值分別為101、121、165 kPa；中密石灰土對應的剪應力峰值分別為24.5、28.5、33 kPa；密實石灰土為35.1、41.2、47.8 kPa。即對于同一壓實度的石灰土，加筋土剪應力的峰值均會隨著豎向荷載的增大而增大。

（3）由圖6可知，在0～200 s內，豎向荷載為3125 kPa時的剪應力大于豎向荷載為5.417 kPa的剪應力，且差距較明顯；由圖7可知，在0～200 s內，豎向荷載為3.125 kPa時的剪應力大于豎向荷載為5.417 kPa時的剪應力，差距與圖6相比較??；圖8中也出現了這種現象，但是與圖6、7相比，差距和影響基本上可以忽略。出現這種現象一是由于在拉拔試驗的初始階段，拉拔過程還未充分穩定；二是由于土體具有壓硬性，隨著豎向荷載的增大，這種現象越來越不明顯。由此證明，充足的壓實度是加筋土擋土墻能夠發揮其優于一般擋墻穩定性和柔性的前提條件。

（4）由表4可知，石灰土處于疏松、中密、密實狀態時的等效黏聚力分別為4.749、1765、2512 kPa。壓實度越高，加筋土等效黏聚力也越大，證明加筋材料會提高土體的黏聚力，且土體的壓實度越大，對于黏聚力的提高越明顯。因此，加筋土在一定程度上改變了原有土體的性能。

（5）從圖6～8可以發現，疏松石灰土的剪應力大約在600 s左右達到峰值，中密石灰土、密實石灰土則分別在800、900 s左右達到峰值。由此可知，石灰土的壓實度越高，加筋土的剪應力達到峰值的時間就越長，或者說剪應力達到峰值所需的位移就越大。因此，充足的壓實度能大大提高加筋土擋墻的柔性和協調性。

4結語

（1）通過總結現有拉拔試驗設備的不足，提出了兼顧速率穩定和能量損失的電動型拉拔設備設計方案，研制了改進型土工格柵加筋土拉拔試驗設備。采用石灰土、粉質黏土2種填料，疏松、中密、密實3種壓實度，3.125、5.417、7.167 kPa三種豎向荷載與TGDG80型土工格柵進行正交拉拔試驗。

（2）石灰土與TGDG80型土工格柵的加筋土組合的安全性和穩定性更優，3種荷載作用下對應的剪應力峰值分別為35.1、41.2、47.8 kPa，石灰土處于疏松、中密、密實狀態時的等效黏聚力分別為4749、17.65、2512 kPa，且剪應力分別在600、800、900 s左右達到峰值，說明填料的壓實度越高，加筋土的剪應力達到峰值的時間就越長。

參考文獻：

[1]劉偉強.加筋土擋土墻室內試驗及設計參數有限元分析[D].西安：長安大學，2015.

[2]TSUTOMU N，TOSHIYURI M，ISAO I.Direct Shear Testing Method as a Means for Estimating Geogridsand Interface Shear Displacement Behavior[J].Soils and Foundations，1999，39（4）：18.

[3]SUGIMOTO M，ALAGIYAWANNA A M N，KADOGUCHI K.Influence of Rigid and Flexible Face on Geogrid Pullout Tests [J].Geotextiles and Geomembranes，2001，19（ 5）：257277.

[4]MORCI N，GIOFFER D.A Simple Method to Evaluate the Pullout Resistance of Extruded Geogrids[J].Geotextiles and Geomembranes，2006，24（2）：116128.

[5]MORACI N，RECALCATI P.Factors Affecting the Pullout Behaviour of Extruded Geogrids Embedded in a Compacted Granular Soil [J].Geotextiles and Geomembranes，2006，24（4） ：220242.

[6]BOUSHEHRIAN A H，HATAF N.Bearing Capacity of Ring Footings on Reinforced Clay[C]∥Proceedings of the 4th Asian Regional Conference on Geosynthetics in Shanghai.Hangzhou：Zhejiang University Press，2008：328331.

[7]馬存明，周亦唐，廖海黎，等.塑料土工格柵加筋土抗拉拔特性試驗研究[J].中國鐵道科學，2004，25（3）：3639.

[8]徐林榮，呂大偉，顧紹付.筋土界面參數的拉拔試驗過程劃分研究[J].巖土力學，2004，25（5）：709714.

[9]包承綱.土工合成材料界面特性的研究和試驗驗證[J].巖石力學與工程學報，2006，25（9）：17351744.

[10]ZHANG M X，ZHOU H，JAVADI A A，et al.Experimental and Theoretical Investigation of Strength of Soil Reinforced with Multilayer Horizontalvertical Orthogonal Elements[J].Geotextiles and Geomembranes，2008，26（1）：113.

[11]楊廣慶，李廣信，張保儉.土工格柵界面摩擦特性試驗研究[J].巖土工程學報，2006，28（8）：948952.

[12]楊廣慶，龐巍，呂鵬.塑料土工格柵拉伸特性試驗研究[J].巖土力學，2008，29（9）：23872391.

[13]李昀，楊果林，林宇亮.土工格柵加筋土擋墻地震響應分析[J].鐵道科學與工程學報，2009，6（3）：2227.

[責任編輯：杜衛華]