土工格柵界面摩擦特性試驗研究

趙川，竇遠明，耿敏

（河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

土工格柵界面摩擦特性試驗研究

趙川，竇遠明，耿敏

（河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

以河北省某高速公路加筋高填方路堤工程為依托，通過室內直剪試驗與拉拔試驗，系統研究了不同垂直荷載作用下筋土界面的摩擦特性，并分析了試驗裝置、試驗方法對試驗結果的影響規律．結果表明，在兩種試驗條件下，其加筋機理有所不同，當相對位移較小時，直剪摩擦試驗較能反映實際情況，當相對位移較大時，填料與土工格柵雙面均發生相對位移，因此拉拔試驗更為合適．由對比分析可知，拉拔試驗剪應力峰值高，且達到峰值強度時剪切位移大．對于雙向土工格柵的加筋狀況，由于雙向土工格柵與填料的空間咬合作用更強一些，宏觀上表現為其加筋效果要優于單向土工格柵．該試驗結果可為類似的加筋高填方路堤工程研究提供參考依據．

土工格柵；直剪試驗；拉拔試驗；界面摩擦特性

近年來，隨著土工合成材料產品種類的不斷增加，使得加筋土技術被廣泛應用于鐵路、公路、港口、煤礦等各個工程領域中，其中在加筋路堤、加筋擋土墻等方面取得了卓越的成績．土工格柵作為一種新型的合成材料，具有強度高、伸長率低、耐高溫、耐腐蝕、韌性好等特點，在工程應用中主要體現在加筋、抗變形、壓實和排水作用等[1-3]．

筋土界面的摩擦特性既是加筋土結構設計中的重要內容，也是研究筋土界面相互作用機理的前提．國內外許多學者通過拉拔試驗與直剪試驗研究了筋土界面摩擦特性．筋土界面摩擦特性較為復雜，其影響因素較多，例如：筋材特性、填料特性、垂直荷載、壓實度、含水率、拉拔速率和邊界條件等等．吳景海等[4-7]對土工合成材料與土和砂的界面摩擦特性展開了大量的試驗研究，也取得了一定的成果．盡管當前有關筋土界面摩擦特性的研究有很多，但對筋土之間相互作用的研究結果及界面摩擦系數卻存在較大的分散性．常用的筋土摩擦特性試驗是直剪試驗和拉拔試驗，但是對于試驗設備、試驗方法、取值標準等方面仍處于探索階段，因此進一步展開筋土界面摩擦特性試驗研究是十分必要的．

文章以河北省某高速公路加筋路堤為背景，以現場用土作為試驗填料，通過室內拉拔試驗與直剪試驗對比研究，分析不同類型的土工格柵與填料的界面摩擦特性，為土工格柵在實際工程中的應用提供設計依據．

圖1 拉拔試驗設備Fig.1 Pull-out testequipment

圖2 直剪試驗設備Fig.2 directshear testequipment

1 試驗設備與材料

1.1拉拔試驗設備

本試驗采用天津大學自主研制的拉拔試驗機．拉拔試驗箱為一矩形箱體，側壁有足夠剛度，豎向加壓時不變形，箱體尺寸40 cm×30 cm× 30 cm（長×寬×高），箱體的拉拔端側壁中間部位留有一條橫向貫通的窄縫，縫高約5 mm．窄縫內側安置一塊可上下抽動的插板，用于調整縫隙的大小，以防止土樣漏出．垂直荷載控制系統采用自動化油壓加載方式，試驗開始時，通過加壓板對試驗箱施加一恒定的垂直荷載．水平加荷控制系統，采用應變式控制加荷．水平位移由高精度位移傳感器測量，并通過計算機顯示．試驗設備如圖1所示．

1.2 直剪試驗設備

直剪試驗箱分為上、下兩箱體，上箱體尺寸為40 cm×30 cm×18 cm（長×寬×高），下箱體尺寸為80 cm×30 cm×12 cm（長×寬×高）．在試驗過程中，保持上箱體位置固定，使下箱體移動，為了避免在相互錯動過程中土工格柵與填料間的接觸面不斷變小，設計下箱體的長度大于上箱體．上箱體的下底面敞口，可以通過加壓板施加垂直壓力，下箱體上底面開口．上箱體和下箱體的兩側分別有兩個滑道，在滑道上放有鋼珠，通過鋼珠減少上下箱體在試驗時產生的摩擦力．下箱體內部邊緣可用一鐵片（28 cm×1 cm）和螺絲將土工格柵固定．加荷系統與拉拔試驗設備相同，試驗設備如圖2所示．

1.3 試驗材料

試驗所用填料選自河北省某高速公路施工現場路堤回填土．參照《土工試驗規程》[8]，通過常規的室內試驗測得填料的物理力學參數，見表1．

試驗選取3種不同類型的土工格柵，分別為EG90R型單向土工格柵、TGDG80型單向土工格柵和EG3030型雙向土工格柵．拉拔試驗中格柵尺寸為42 cm×26 cm，其中在拉拔試驗箱中的有效面積為34 cm×26 cm．直剪試驗中的格柵尺寸為80 cm×30 cm，固定在下箱體表面．其技術指標見表2．

表1 填料的物理特性指標Tab.1 Essentialparameterof the filling

表2 土工格柵的力學性能Tab.2 Technicalindexesofdifferentgeogrids

2 試驗方法

直剪試驗與拉拔試驗均采用應變式控制，剪切（拉拔）速率均為1.5 mm/m in，將填料含水率調到最佳含水率8%．

直剪試驗中，首先在下箱體中加入適量的土體，按93%的壓實度分層壓實，壓實后保持土面平整，將土工格柵固定在下箱上表面，同時在軌道和滾珠上面涂上凡士林潤滑，對準放好上箱體，繼續往上箱填土，分層壓實．壓實后保持土面平整，并略低于箱頂．為了使加壓板受力均勻，可以在填料表面均勻地撒上一層細沙．將試驗箱對準加荷系統，準備施加設計好的垂直荷載，使填料固結．

拉拔試驗中，將土工格柵埋設在填料中．將試樣的一端從窄縫外引出8 cm，保持兩邊對稱，且與邊界無摩擦，保證試樣能夠與水平夾具連接．插入可調整窄縫高度的插板，使插板下緣正好貼近格柵上表面，將插板固定，按93%的壓實度分層壓實．準備施加垂直荷載，對粒狀土體的固結時間一般不少于15m in．然后緩慢施加一水平荷載，使裝置中外露格柵受力且處于繃緊狀態，減小夾具與格柵之間的滑動位移對試驗結果的影響．

當試驗中水平拉力出現峰值時，或水平荷載出現穩定值時，方可停止試驗．

圖3 直剪摩擦試驗剪應力與剪切位移關系曲線Fig.3 Shearstress-sheardisplacementon directshear friction tests

3 試驗成果與分析

3.1 直剪試驗成果

參考日本橙皮書“奧美拉唑腸溶片”溶出曲線測定用介質[5]以及日本厚生勞動省頒布的《仿制藥生物等效性試驗原則》[6]中對腸溶制劑溶出測定用介質的要求， 選擇 pH 1.2、pH 5.5、pH 6.0、pH 6.8 和水介質進行溶出曲線研究。

通過分析繪制出各土工格柵與填料的剪應力與相對位移曲線，如圖3所示，分別為EG90R型單向土工格柵、EG3030型雙向土工格柵和TGDG80型單向土工格柵的剪應力與相對位移的關系曲線．由圖可知，剪應力與剪切位移呈非線性關系，隨著垂直荷載的增加，剪應力和剪切位移逐漸增大，當剪切位移達到一定范圍時，剪應力達到最大值，之后趨于穩定．

一般認為在直剪摩擦試驗條件下，土工格柵與填料界面之間的摩阻力主要由3部分組成：1）土工格柵與填料表面之間的摩阻力；2）填料之間的摩阻力；3）土工格柵網格與填料之間的空間咬合、嵌固作用．

由圖3中a）與b）對比分析可知，EG3030型雙向土工格柵的摩擦阻力要高于EG90R型單向土工格柵摩擦阻力的5%左右，這主要是因為雙向土工格柵的孔眼較多，與填料之間的空間咬合作用使剪應力增大．由圖3中a）與c）對比分析可知，TGDG80型單向土工格柵的摩擦阻力要高于EG90R型單向土工格柵摩擦阻力的4%左右.同樣為單向土工格柵，但由于材料性質的不同，加筋效果也不同，TGDG80型單向土工格柵的橫肋要比EG90R型單向土工格柵的橫肋寬厚，與填料之間的空間嵌固、咬合作用更好一些，增大與填料的摩阻力．

3.2 拉拔試驗成果分析

與直剪試驗相比，土工格柵在拉拔試驗中的摩擦阻力主要由2部分組成：1）土工格柵表面與填料間的摩擦阻力；2）土工格柵網格與填料之間的空間連鎖作用，而且第二部分起主要作用．

通過分析繪制出各土工格柵與填料的剪應力與拉拔位移曲線，如圖4所示，分別為EG90R型單向土工格柵、EG3030型雙向土工格柵和TGDG80型單向土工格柵的剪應力與拉拔位移的關系曲線．與剪切位移曲線相比，在拉拔位移曲線上，隨著拉拔位移的增大，剪應力達到峰值以后會迅速下降．在拉拔試驗過程中，在一定的范圍內，剪應力隨著拉拔位移的增大而增大，因為其拉拔阻力是隨著格柵埋入的深度由箱外向箱內逐漸傳遞發揮出來的．

3.3 拉拔與直剪試驗對比分析

直剪摩擦試驗與拉拔摩擦試驗成果匯總于表3．

從表3中可以看出，拉拔試驗所得的界面粘聚力要高于直剪試驗所得的界面粘聚力，而直剪試驗所得的內摩擦角要大于拉拔試驗所得的內摩擦角．拉拔試驗的內摩擦角因筋材抗拉強度的不同變化較大，而直剪試驗所得內摩擦角則較為穩定．從表3中亦可看出直剪試驗所得的直剪系數高于拉拔摩擦試驗所得的拉拔系數．在直剪試驗過程中，因為上下箱體通過滾珠滑動，潤滑效果達不到理想的潤滑效果，可能導致剪應力過大．還會因為上箱體受垂直荷載，而下箱體的另半側不受荷載，這樣可能會出現土體起拱現象，導致剪應力增大．

表3 試驗成果匯總Tab.3 Resultsof test

圖4 拉拔摩擦試驗剪應力與拉拔位移關系曲線Fig.4 Shearstress-sheardisplacementon pull-outfriction tests

4 結論

1）當加筋土達到抗剪強度時，直剪試驗中筋土之間的相對位移要明顯小于拉拔試驗．直剪試驗的剪切位移一般在12mm以內達到抗剪強度，而拉拔試驗拉拔位移一般在15mm左右才能達到峰值．

2）當填料與土工格柵相對位移較小時，直剪試驗較能反映實際情況；相對位移較大時，拉拔試驗更能反映實際情況．

3）由直剪摩擦試驗可知EG3030型雙向土工格柵的直剪系數最大，由拉拔摩擦試驗可知TGDG80型單向土工格柵的拉拔系數較高，所以對變形有嚴格要求的加筋工程應優先采用EG3030型和TGDG80型土工格柵．

4）由于筋材的材料特性不同，其加筋效果也有所差異．雙向土工格柵與填料之間的摩阻力優于單向土工格柵的摩阻力，這是因為雙向土工格柵的網格比較多，空間連鎖效應更強一些，加筋效果更好一些．在實際工程中，雙向土工格柵可以作為一種比較好的加筋材料．

5）通過拉拔試驗與直剪試驗對比分析可知，不同筋材之間的摩擦系數相差較大，因而在具體的工程應用中，應根據實際工程中土工格柵的位移條件，通過直剪試驗或拉拔試驗確定設計參數．

[1]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用研究[J]．巖土力學，2008，29（3）：795-799．

[2]劉麗芳，儲才員．國內外土工合成材料的發展[J]．青島大學學報，2002，17（2）：50-53．

[3]黃曉明，朱湘．公路土工合成材料應用原理[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[4]吳景海，陳環，王玲娟，等．土工合成材料與土界面作用特性的研究[J]．巖土工程學報，2001，23（1）：89-93．

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

[6]史旦達，劉文白，水偉厚，等．單雙向土工格柵與不同填料界面作用特性對比試驗研究[J]．巖土力學，2009，30（8）：2237-2244．

[7]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）：948-952．

[8]JTG/E 50-2006，公路工程土工合成材料試驗規程[S]．

[責任編輯 楊屹]

Interface friction characteristicsof geogrids

ZHAOChuan，DOU Yuan-ming，GENGM in

(Collegeof Civil Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on reinforced high embankmentproject in Hebeiprovince,the friction characteristic ofgeogrid-soilinterfacewere researched under different vertical loadswith direct shear tests and pull tests.Theeffectof testequipment and testmethod on test resultswere analyzed.The resultsshow that the reinforcementmechanismsof two test conditions are different.The results of directshear test reflect the actual situation when the relative displacement is small.Due to upperand low er surfacesofgeogridsand filling occurs friction each other,they appeared relativedisplacementin pull-out test,thepull-out testismoreappropriate to simulatepracticalsituationwhich the relativedisplacement is larger.The final comparative analysisshows thatshear stress peak valueof pull-out testishigherand shear displacement is largerw hen the shearstress reaches peak strength.Forbiaxialplastic geogrid reinforced highembankmentproject,the reinforced effect isbetter thanuniaxialplasticgeogrid in themacroscopicbecause theeffectof spacebites forcebetween biaxialplasticgeogrid and the filling isstronger.These results can provide reliable reference for the sim ilar reinforced high embankment project.

geogrids;directshear test;pull-out test;interface friction characteristics

TU411

A

1007-2373(2014)01-0088-04

2013-06-13

河北省交通廳資助項目（Y-2010025-4）

趙川（1986-），男（漢族），博士生．