格柵反包生態袋擋土面層界面特性試驗研究

魏軍揚，王保田，張海霞，2，藍日彥

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 巖土工程水利部重點實驗室,江蘇 南京 210098；3.廣西交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029)

加筋土作為一種復合結構體系，由抗壓強度較好的填土和水平分層鋪設在填土中抗拉強度較好的加筋材料組成，集一定抗剪強度和抗拉強度于一體，是一種穩定性較好的護坡或擋土工程形態。2000年后，采用綠維抗老化生態袋作為擋土結構層面和護坡表面開始在工程中得到應用，使不同坡度的擋土結構和邊坡工程成為統一綠色、抗沖蝕性好的新型結構。加筋土由于具有經濟環保、施工方便、穩定性好、對地基條件要求低等諸多優點,已經廣泛應用于土建、水利、園林等工程中[1]。國內外針對加筋土結構和綠色景觀護坡技術進行了一系列的研究，概括起來主要集中在加筋土變形規律的研究[2-5]，加筋擋土結構的模型試驗研究[6-10]，及加筋與生態擋土結構面與加筋連接特性實驗研究[11-12]等方面。加筋格柵反包生態袋柔性擋土結構工藝下生態袋與加筋的連接強度強弱成為控制生態擋土結構面層乃至整個擋土結構穩定性的關鍵。筆者用兩種相同網格尺寸、不同強度的經編滌綸土工格柵反包袋裝黏土生態袋擋土面層，對格柵進行了室內拉拔試驗，為加筋擋土結構面層界面作用特性研究提供參考，對加筋土工程具有一定指導意義。

1 試驗材料基本參數

1)填土黏土的基本參數見表1。

表1 黏土基本參數

2)本試驗生態袋和兩種經編滌綸雙向土工格柵的基本參數見表2，格柵網格尺寸為250 mm×250 mm，網孔尺寸為200 mm×200 mm。在拔盒中可以平鋪8根縱筋，格柵拉伸試驗的力-位移曲線如圖1。

表2 生態袋和格柵基本參數

圖1 格柵拉伸試驗力-位移曲線Fig.1 Curves between geogrid tensile force and displacement

2 試驗儀器及操作步驟

土工格柵若進行直剪試驗，由于土工格柵孔較大, 土體之間的摩擦強度占試驗結果較大比重,故而采用拉拔摩擦試驗。

2.1 試驗儀器

采用微機控制土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗系統。

2.1.1 拉拔箱

拉拔箱為矩形箱體，拉拔箱及拉拔試驗簡圖如圖2，長×寬×高為25 cm×25 cm×20 cm。為保證受力時不變形，側壁用有足夠剛度的厚鋼板焊接而成。拉拔箱前面側壁的半高處開一條高約6 mm的橫貫全寬的水平窄縫，供試樣引出箱體用；為防止土粒漏出，在緊貼著窄縫內壁處安置1個插板，可通過上下抽動調整窄縫的縫隙大小。

圖2 格柵反包生態袋拉拔試驗示意Fig.2 The schematic of reversely packed drawing test

2.1.2 加荷系統

1)垂直荷載用杠桿通過足夠剛度的加壓板傳遞施加。

2)水平荷載采用步進電機傳動減速裝置按應變控制方式施加。

2.1.3 數據采集系統

數據采集系統由位移傳感器、拉壓力傳感器、數采儀、微機等部分組成。采用拉壓力傳感器測力；采用數顯位移傳感器測水平位移。

2.2 試驗操作步驟

1)將土料裝入拉拔箱，按要求分層壓密，壓密后土面前低后高，前面略高于箱側窄縫。

2)將生態袋布平整地平鋪于土面上。將格柵通過窄縫平鋪于生態袋布上，預留足夠的夾持長度，使格柵和水平夾具連接。插入插板，調整好高度。

3)繼續往箱內裝土，分層壓密使得土面平整，略低于箱頂，放上加壓板。

4)安裝好水平位移傳感器，并將位移傳感器清零。將杠桿壓輪對準傳壓板正中。為使土料固結，施加相應要求的垂直荷載。固結時間視土性和排水距離而定。將夾有試驗格柵的夾具連接到水平加荷裝置上。

5)施加水平荷載。由微機進行整個試驗過程自動控制。拉拔速率視土性而定，由軟件控制。

6)進行試驗。數據出現峰值或數據變化平緩時候停止試驗。

7)改變豎向荷載，重復試驗步驟1)～6)，進行各豎向荷載下的拉拔試驗。

為求得拉拔摩擦強度指標，一般在4種不同垂直荷載下進行試驗，其中最大的一級荷載(壓力)應不小于設計荷載。

3 試驗結果及分析

3.1 生態袋間界面作用特性試驗結果分析

生態袋裝黏土界面直剪摩擦特性試驗的摩擦力與直剪位移關系曲線見圖3。

圖3 袋裝黏土生態袋界面摩擦阻力與剪切位移曲線Fig.3 Curves between the friction of the interface of ecological bags packed clay and shear displacement

由圖3可見，曲線沒有峰值出現，其摩擦強度取剪切位移變形約20 mm處的摩擦力值，因為此時對應的土體剪切位移變形率表明已經發生土體破壞。試驗結果表明：摩擦強度隨法向應力的增大而增大；生態袋的袋-袋間直剪試驗獲得袋-袋界面的摩擦強度包線是一條直線，如圖4。

圖4 袋裝黏土生態袋界面法向應力與抗剪強度曲線Fig.4 Curves between the shear strength of the interface with ecologicalbags packed clay and vertical stress

3.2 加筋格柵反包生態袋格柵拉拔試驗結果分析

格柵a反包生態袋時生態袋與格柵a之間界面的拉拔摩擦阻力與拉拔位移關系曲線見圖5。

圖5 袋裝黏土格柵a反包生態袋拉拔強度與位移曲線Fig.5 Curves between drawing strength of geogrid a with ecological bags reversely packed clay and drawing displacement

由圖5可見，拉拔摩擦阻力與拉拔位移關系曲線大多數出現峰值，峰值對應的拉拔阻力隨法向應力的增大而增大。個別未出現峰值，甚至有隨位移增大而增大的趨勢，此種現象一般是發生在較低法向應力試驗條件下，原因是填土雖在生態袋外格柵的強力包裹下，由于法向應力較小，對反包生態袋和其填裝的黏土約束作用相對較小，隨著拉拔試驗的進行，加筋格柵對格柵反包生態袋和填土的約束作用越來越強，相對于法向應力作用開始起主導作用，作用填土整體結構變形進一步趨于穩定，成較為密實的團狀，使得摩擦界面變得更加粗糙，繼續拉拔只是相當于格柵拉伸，故而表現為拉拔試驗不出現峰值。由于試驗條件限制，取本次試驗最終值作為相應法向應力的拉拔強度。因采取格柵反包生態袋形式，受力面積難以判斷，故得出的拉拔應力均可看作是等效拉拔應力，即認為拉拔實驗的作用面積僅為拉拔盒內平鋪面積。

試驗結果顯示，大部分應力也是作用在中部格柵平鋪部分，反包部分很少(圖6中起毛部分為格柵平鋪部分，這是因為格柵拉出時受力較大所至，右邊勒痕為格柵反包沿拉拔盒豎起部分，受力很少，此處僅以砂土組為例，其余相似)。

圖6 格柵反包裝砂土生態袋拉拔試驗后生態袋表面狀況Fig.6 Ecological bag surface condition after the test of drawing geogrid from bags inversely packed by geogrid

由格柵a反包袋裝黏土生態袋拉拔試驗可以得出，格柵a在生態袋之間的拉拔強度包線是一條直線，試驗結果見圖7。

圖7 袋裝紅粉黏土格柵反包生態袋拉拔強度與法向應力曲線Fig.7 Curves between the drawing strength of the geogrid with ecological bags reversely packed clay and vertical stress

格柵b反包生態袋時生態袋與格柵b之間界面的拉拔試驗情況與格柵a試驗相似。其摩擦阻力與拉拔位移關系曲線與相對應的拉拔強度包線分別類似于圖5，圖7。

生態袋裝黏土時生態袋之間的剪切摩擦試驗和加筋格柵a、格柵b反包生態袋時的拉拔試驗結果見表3。其中平均摩擦系數為4種荷載下試驗強度與相應法向應力之比的平均值。

表3 剪切與反包拉拔試驗結果

通過對比可以發現：

1)反包生態袋時拉拔強度明顯比袋裝黏土生態袋界面間直剪試驗的試驗強度大，反包拉拔試驗的平均摩擦系數和黏聚力比袋裝黏土生態袋直剪試驗大，但是摩擦角大小卻相反；其作用機理為反包拉拔試驗強度是格柵與生態袋摩擦阻力，填土擠壓生態袋透過格柵空隙對格柵的阻力以及格柵本身的部分拉伸強度的疊加。

2)格柵b反包拉拔試驗強度比格柵a的拉拔試驗強度高，無論是黏聚力、摩擦角還是摩擦系數指標均是格柵b試驗組比格柵a試驗組大。分析其原因為，格柵b的拉伸試驗強度比格柵a大，相同約束條件下格柵b的拉拔試驗拉伸變形小，即相同變形條件下表現為拉拔試驗強度大，對每級法向荷載條件下反包拉拔試驗而言，其后期主要表現為袋裝黏土和生態袋結構逐漸趨于穩定，拉拔試驗也逐漸以格柵的拉伸為主導，故強度較高的格柵b比強度較弱格柵a反包拉拔試驗強度高。

4 結 論

1)袋裝黏土生態袋界面之間的剪切摩擦強度和加筋格柵反包生態袋的試驗強度均隨法向應力的增加而增加，強度包線均是直線。

2)加筋格柵反包生態袋的試驗強度比袋裝黏土生態袋界面之間的剪切摩擦強度要高，反包拉拔試驗的平均摩擦系數和黏聚力比袋裝黏土生態袋直剪試驗大，但是摩擦角大小卻相反。拉拔試驗強度隨著法向應力的增大而增大，且拉拔強度-位移曲線并不一定出現峰值。

3)強格柵反包拉拔試驗強度比弱格柵的拉拔試驗強度高，無論是黏聚力、摩擦角還是摩擦系數指標均是強格柵試驗組比弱格柵試驗組大。因此，在工程中，盡量選擇強度大的格柵有利于加筋擋土結構面層的穩定。

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