基于P5含量的砂礫土與格柵拉拔試驗(yàn)及破壞特性分析

康博文 周圓兀 王家全 唐瀅

摘 ? ?要：為研究砂礫土P5（粒徑[>]5 mm的粗顆粒質(zhì)量百分比）對(duì)土工格柵拉拔性狀及破壞特性的影響，利用土工合成材料綜合測(cè)定儀對(duì)不同P5的砂礫土進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了P5對(duì)拉拔力峰值、格柵破壞形式的影響及格柵拉拔阻力在不同填筑方式下的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：在同一法向應(yīng)力下，當(dāng)P5由20%增長(zhǎng)為30%時(shí)，拉拔力峰值增長(zhǎng)為原來(lái)的1.1倍左右;當(dāng)P5相同時(shí)，隨著法向應(yīng)力的增加，格柵破壞從撕裂演變?yōu)榕?，法向?yīng)力每增加25 kPa，橫向撕裂長(zhǎng)度擴(kuò)大2倍左右;當(dāng)法向應(yīng)力一致時(shí)，改變P5，格柵破壞形式基本一致;在相同豎向壓力與P5含量下，分別采取擊實(shí)填筑與壓實(shí)填筑砂礫土，拉拔曲線分別表現(xiàn)為軟化、硬化兩種截然不同的發(fā)展趨勢(shì).

關(guān)鍵詞：土工格柵;拉拔試驗(yàn);破壞特性;砂礫土;界面作用;

中圖分類號(hào)：TU311 ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.003

引言

砂礫土作為天然原材料，其儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，便于取材且經(jīng)濟(jì).砂礫土具有壓縮性低、承載力高、抗剪強(qiáng)度高，滲透性大等特點(diǎn)，同時(shí)由于其良好的界面摩擦特性，與土工合成材料相結(jié)合，被廣泛應(yīng)用于鐵路路基、高速公路基礎(chǔ)、土石壩、軟土地基處理等[1].

因此，關(guān)于砂礫土與土工合成材料的加筋作用研究備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注且取得一系列有價(jià)值的成果.Vangla等[2-3]研究了砂礫土顆粒尺寸及表面粗糙度對(duì)界面剪切行為的影響.Makkar等[4]利用大模型直剪試驗(yàn)對(duì)三維土工格柵加筋的砂礫土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，研究砂礫土顆粒尺寸、加筋形式等對(duì)加筋界面抗剪強(qiáng)度的影響并量化同顆粒土-加筋界面的界面剪切強(qiáng)度參數(shù).Moraci等[5]通過(guò)對(duì)嵌入不同壓實(shí)度填料的格柵進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示拉拔阻力取決于土的物理性質(zhì)、土工合成材料強(qiáng)度以及幾何形狀等，特別是隨筋土抗剪強(qiáng)度、土工格柵承載面積的增加，橫桿等效厚度與顆粒平均直徑之比B/D50減小，拉拔阻力顯著增加.關(guān)于砂礫土動(dòng)力特性方面，孫田等[6]對(duì)級(jí)配相同顆粒形狀不同的砂礫土進(jìn)行動(dòng)三軸對(duì)比試驗(yàn)，研究礫石顆粒形狀對(duì)砂礫土動(dòng)剪切模量和阻尼比的影響，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)礫石顆粒形狀對(duì)砂礫土動(dòng)剪切模量的影響與有效圍壓、剪應(yīng)變幅值有關(guān).趙凱等[7]利用改進(jìn)的GDS循環(huán)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同 P5的砂礫土開(kāi)展動(dòng)殘余變形試驗(yàn)，研究了P5等對(duì)砂礫土動(dòng)殘余變形特性的影響.吳琪等[8]對(duì)不同細(xì)粒含量FC的細(xì)粒-砂粒-礫?；旌狭线M(jìn)行了不排水循環(huán)3軸試驗(yàn)，基于顆粒接觸狀態(tài)理論，探討了FC對(duì)細(xì)粒-砂粒-礫?；旌狭蟿?dòng)強(qiáng)度CRR的影響.王炳輝等[9]為研究砂礫土抗液化強(qiáng)度問(wèn)題，對(duì)不同礫含量，不同相對(duì)密度的砂礫土進(jìn)行了小型土箱振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明含礫量和相對(duì)密度的增加后，砂礫土的抗液化強(qiáng)度明顯增大且趨勢(shì)越來(lái)越明顯.

綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)砂礫土的研究主要是土顆粒物理性狀對(duì)砂礫土界面特性、動(dòng)力特性的影響，關(guān)于砂礫土粗粒組對(duì)土工格柵拉拔行為影響鮮有研究.砂礫土是指我國(guó)現(xiàn)行《土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]所定義的包括礫類土和砂類土在內(nèi)的粗粒土.P5作為其分界粒徑（P5[<]5 mm為細(xì)料，P5[>]5 mm為粗料）對(duì)砂礫土與土工合成材料界面力學(xué)性質(zhì)有顯著影響[11-13].因此，本文采用級(jí)配良好的砂礫土，在不同P5下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，研究不同P5對(duì)砂礫與土工格柵拉拔行為及格柵破壞的影響，為加筋工程提供更有意義的設(shè)計(jì)建議.

1 ? ?砂礫土拉拔試驗(yàn)

1.1 ? 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用一種雙向土工格柵，5組P5含量的砂礫土，分別在法向應(yīng)力25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa這4種法向壓力下進(jìn)行拉拔試驗(yàn).試驗(yàn)采用的聚丙乙烯雙向土工格柵具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

按照《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》（SL 235-2012）[14]對(duì)河砂進(jìn)行篩分，分別配制3組級(jí)配良好的砂礫土，其中P5含量分別為20%、25%和30%.由于控制試驗(yàn)變量，配置后的砂礫土除P5含量不同外，級(jí)配曲線基本一致，故僅列出P5=30%時(shí)的級(jí)配曲線，如圖1所示.

1.2 ?試驗(yàn)裝置

用于砂礫土拉拔試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TZY-1型土工合成材料綜合測(cè)定儀.該儀器主要由變速箱、夾具、垂直框架、剪切盒、滑動(dòng)部件、氣缸、頂頭部件、電器箱、控制面板、機(jī)架及數(shù)據(jù)采集軟件等部件組成，常用于測(cè)定土工合成材料的力學(xué)特性以及土與合成材料相互作用特性試驗(yàn).通過(guò)儀器所給氣壓值和法向力的換算系數(shù)，確定豎直荷載下的氣壓值，再通過(guò)氣泵向高精度調(diào)壓閥和滾動(dòng)隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)施加氣壓;水平拉拔力采用應(yīng)變控制加荷方式，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)變速箱均勻施加;數(shù)據(jù)處理由8031單片微機(jī)控制，采樣速度10次/s，數(shù)字顯示應(yīng)力-應(yīng)變或應(yīng)力-位移，自動(dòng)判斷峰值，實(shí)時(shí)傳輸力與位移的數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，或試驗(yàn)結(jié)束后一次傳輸整個(gè)試驗(yàn)的全部數(shù)據(jù).

1.3 ? 試驗(yàn)方法

首先，用分層填筑法將砂礫土從下往上按每層厚25 mm依次填筑至與下盒頂部齊平;再以拉拔盒中軸線為基準(zhǔn)，對(duì)稱鋪置寬度小于拉拔盒20 mm的格柵;然后，用銷釘將上盒固定在下盒上.為防止因拉拔口高度過(guò)低，砂礫土粗粒因卡槽中的鋼片嵌固在拉拔口，使低強(qiáng)度格柵提前斷裂影響試驗(yàn)正確性，故在鋼片兩端分別墊上高度合適且一致的橡膠墊片.當(dāng)上述要求準(zhǔn)備好后，通過(guò)氣泵施加預(yù)定法向應(yīng)力進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓完畢后，以1.5 mm/min的速度進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)格柵拉拔位移達(dá)到35 mm或者拉拔力達(dá)到峰值力平穩(wěn)后試驗(yàn)結(jié)束.在試驗(yàn)結(jié)束后，除電腦與儀器自動(dòng)采集的拉拔位移曲線外，還需取出埋置于填料的格柵，對(duì)其在不同P5含量、豎向荷載下的拉伸、破壞方式進(jìn)行觀察分析.

2 ? ?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ? ?P5對(duì)拉拔曲線的影響

圖2為各P5砂礫土在不同法向應(yīng)力下的拉拔曲線變化情況.由圖2分析可知：P5含量對(duì)拉拔曲線總體發(fā)展趨勢(shì)無(wú)顯著影響，各法向應(yīng)力下，拉拔力發(fā)展趨勢(shì)基本一致.法向應(yīng)力從25 kPa增長(zhǎng)至50 kPa、 ?75 kPa和100 kPa，土工格柵的拉拔力逐次增加，其中，法向應(yīng)力達(dá)到100 kPa時(shí)，土工格柵在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷裂，其拉拔力峰值急劇下降.在低法向應(yīng)力（[σv<75 kPa]）下，雖然P5增加，但低法向應(yīng)力的約束作用不能使粗細(xì)顆粒與土工格柵產(chǎn)生緊密的接觸和良好的咬合嵌固作用，格柵抗拔阻力較小，且拉拔阻力在土工格柵抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，故土工格柵未被破壞，砂礫土與土工格柵上下面的界面摩擦力及橫肋

的嵌固咬合作用能完全發(fā)揮，各法向應(yīng)力下拉拔力隨著拉拔位移增加逐步發(fā)揮并達(dá)到峰值;而高法向應(yīng)力（σv≥75 kPa）下，隨著P5從20%分別增加至25%和30%，格柵均在σv=75 kPa和100 kPa下發(fā)生斷裂，其破壞峰值強(qiáng)度基本一致，該兩種工況的拉拔曲線的峰值由格柵本身的抗拉強(qiáng)度控制，并非由筋土界面強(qiáng)度控制.這是因?yàn)镻5增加使得加筋土整體結(jié)構(gòu)在相同法向應(yīng)力約束下更為密實(shí)，在拉拔過(guò)程中拉拔阻力超出了土工格柵極限抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致格柵被拉斷，拉拔阻力還未達(dá)到峰值便急劇下降.

2.2 ? 格柵破壞形式

圖3、圖4為分別以σv、P5為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)的格柵破壞圖，土工格柵破壞位置皆位于試驗(yàn)箱拉拔口附近，且集中于土工格柵同一橫格內(nèi).經(jīng)過(guò)多組工況觀察，破壞結(jié)果相似.這說(shuō)明埋置于砂礫土的土工格柵與拉拔箱外暴露在空氣的土工格柵段相比，拉拔箱內(nèi)部格柵受到土體的約束，格柵變形較小，而拉拔箱外部的土工格柵裸露于空氣中，未受到約束，其變形較大，故土工格柵破壞均在試驗(yàn)箱拉拔開(kāi)口處發(fā)生破壞.

其中，圖3為P5=30%時(shí)σv下格柵破壞圖.從圖3分析可知，隨著σv增加，格柵破壞程度加劇.當(dāng)σv=25 kPa時(shí)，格柵基本沒(méi)有形變，σv增至50 kPa時(shí)，格柵橫肋開(kāi)始出現(xiàn)形變，σv達(dá)到75 kPa、100 kPa時(shí)，格柵發(fā)生拉斷破壞.且σv每增加25 kPa，格柵橫向破壞長(zhǎng)度增長(zhǎng)近2倍.圖4為σv=100 kPa時(shí)，不同P5下格柵破壞圖，格柵破壞程度隨著P5增加而不斷增加.拉拔力峰值本因P5增加而上升，但格柵強(qiáng)度較低，σv=100 kPa時(shí)格柵斷裂，導(dǎo)致拉拔力峰值相差無(wú)幾.在相同拉拔力峰值下，P5差異使得筋土內(nèi)部細(xì)、粗粒間咬合固嵌程度不同.P5=20% 時(shí)，拉拔力達(dá)到峰值，筋土摩擦、固嵌咬合作用不足，格柵被立即拉出;隨著P5增大，筋土嵌固作用加強(qiáng)，拉拔力峰值作用在土工格柵的時(shí)間更長(zhǎng)，使得破壞加劇.

在實(shí)際加筋工程中，筋土結(jié)構(gòu)亦存在這種破壞形式.在筋土界面摩擦力及橫肋的嵌固咬合作用還未完全發(fā)揮時(shí)，由于土工格柵的彈模過(guò)低，致使土工格柵被拉斷.值得注意的是在實(shí)際加筋土工程中，當(dāng)土工格柵被拉斷破壞時(shí)，設(shè)計(jì)驗(yàn)算不能用摩爾-庫(kù)倫公式求取加筋土界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，因?yàn)槟?庫(kù)倫理論成立的前提是筋土處于極限平衡狀態(tài).筋土界面強(qiáng)度是指筋土抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，筋土界面摩擦力及橫肋的嵌固咬合作用完全發(fā)揮達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，摩爾-庫(kù)倫公式才成立.

2.3 ? P5對(duì)不同填筑方式下拉拔阻力影響分析

拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，砂土的擊實(shí)填筑與壓實(shí)填筑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著.圖5為P5=30%、σv=50 kPa時(shí)的拉拔曲線.由圖5可知，擊實(shí)填筑下的拉拔位移曲線呈軟化型，壓實(shí)填筑下的拉拔曲線為硬化型，且拉拔阻力峰值大小基本一致，擊實(shí)填筑下拉拔力達(dá)到峰值的拉拔位移為壓實(shí)填筑下的50%左右.同一P5的砂礫土在相同法向應(yīng)力下呈現(xiàn)兩種截然不同的拉拔曲線，這是由于砂礫土中較多粗顆粒導(dǎo)致的.壓實(shí)情況下，砂礫土中粗顆粒與細(xì)粒構(gòu)成的整體孔隙較大，低法向應(yīng)力下砂礫土壓實(shí)不足，未使顆粒間咬合嵌固充分.拉拔時(shí)，在法向應(yīng)力的豎向約束下，各顆粒被格柵帶動(dòng)，顆粒旋轉(zhuǎn)、重組，砂礫土不斷被密實(shí)，故拉拔阻力隨拉拔位移的增加逐漸增大.擊實(shí)情況下，砂礫土在拉拔開(kāi)始時(shí)就已被充分密實(shí)，拉拔過(guò)程中格柵與砂礫土界面摩擦、嵌固咬合逐步發(fā)揮并達(dá)到極點(diǎn)，之后顆粒旋轉(zhuǎn)、重排，破壞筋土結(jié)構(gòu)，拉拔力又逐漸下降.擊實(shí)相比壓實(shí)跳過(guò)密實(shí)階段，故擊實(shí)時(shí)拉拔阻力增大速度快于壓實(shí)填筑時(shí)的拉拔阻力發(fā)展速度.

在實(shí)際粗粒土加筋工程中，擊實(shí)填筑可使筋土結(jié)構(gòu)在相同拉拔位移下產(chǎn)生更大的拉拔阻力并比壓實(shí)填筑更迅速地達(dá)到拉拔阻力峰值.當(dāng)受到相同外力拉拔時(shí)，擊實(shí)填筑下土工格柵被拔出端長(zhǎng)度更短，筋土結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定.

2.4 ? P5對(duì)拉拔力峰值的影響分析

為研究P5對(duì)拉拔力峰值的影響，選取P5=20%、25%、30%在各法向應(yīng)力下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.綜合表2、由圖6可知，當(dāng)法向應(yīng)力σv≤75 kPa時(shí)，在相同法向應(yīng)力下拉拔力峰值隨著P5增加而增加.在25 kPa下，拉拔力峰值由1.71 kN（P5=20%）變?yōu)?.83 kN（P5=30%），為原來(lái)的1.1倍;在50 kPa下拉拔力峰值由2.7 kN（P5=20%）變?yōu)?.86 kN（P5=30%），為原來(lái)的1.06倍.當(dāng)法向應(yīng)力從75 kPa增加至100 kPa時(shí)，各P5下的拉拔峰值都趨于2.9 kN左右.這是因?yàn)?，在高法向?yīng)力下，土工格柵與砂礫土拉拔產(chǎn)生的拉拔阻力較大，筋土界面摩擦力及橫肋的嵌固咬合力尚未完全發(fā)揮至最大值，拉拔力便超過(guò)土工格柵的極限拉伸強(qiáng)度使格柵發(fā)生斷裂，拉拔力無(wú)法繼續(xù)增長(zhǎng).因此，在實(shí)際施工中選取合適強(qiáng)度的格柵是其充分發(fā)揮加筋作用的關(guān)鍵.

3 ? ?結(jié)論

1）隨法向應(yīng)力與砂礫土的P5含量增加，格柵破壞形式都有不同程度加劇，但土工格柵破壞點(diǎn)基本分布于格柵節(jié)點(diǎn)區(qū)域，且法向應(yīng)力對(duì)格柵破壞的影響大于P5.法向應(yīng)力增加時(shí)，格柵變形加劇，從格柵橫肋微變形轉(zhuǎn)變?yōu)楦駯殴?jié)點(diǎn)小范圍撕裂，最后直接橫向整齊劈裂，且法向應(yīng)力每增加一級(jí)，格柵橫向破壞長(zhǎng)度增加2倍左右.

2）擊實(shí)填筑與壓實(shí)填筑兩種方式下土工格柵與砂礫土的界面拉拔力峰值基本接近，但擊實(shí)填筑、壓實(shí)填筑下的拉拔曲線截然不同，分別呈軟化型、硬化型，且擊實(shí)填筑比壓實(shí)填筑更快達(dá)到拉拔力峰值，前者對(duì)應(yīng)的拉拔位移是后者的50%.土工格柵拔出位移一致時(shí)，擊實(shí)填筑下的筋土結(jié)構(gòu)能夠更快速的達(dá)到峰值發(fā)揮加筋作用，筋土結(jié)構(gòu)受力更為穩(wěn)定.

3）在低法向應(yīng)力（σv[<]75 kPa）下，土工格柵在抗拔強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著P5=20%增加至30%，格柵拉拔力不斷增加，峰值增長(zhǎng)為原來(lái)的約1.1倍.當(dāng)格柵拉拔力超過(guò)土工格柵極限拉伸強(qiáng)度后，高法向應(yīng)力（σv≥75 kPa）下，拉拔力達(dá)到土工格柵極限拉伸強(qiáng)度后，格柵斷裂，進(jìn)一步增加P5含量和法向壓力，拉拔力無(wú)法繼續(xù)增大，拉拔力峰值基本趨于2.9 kN.在實(shí)際施工中選取合適強(qiáng)度的土工格柵是其充分發(fā)揮加筋作用的關(guān)鍵.

4）砂礫土P5從20%增加至30%，高法向應(yīng)力下土工格柵發(fā)生拉拔斷裂，且隨著P5增加，筋土界面作用增強(qiáng)，拉拔力峰值增大，土工格柵拉拔破壞所需法向應(yīng)力降低.

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Abstract： Aiming at studying the influence of gravel soil P5 on the pullout test behavior of geogrid， the P5 peak pull-out force， geogrid failure form and the development law of geogrid force-displacement curve under different filling methods were systematically studied by the geosynthetics comprehensive measuring instrument which was used to carried out pullout test by the gravel soil of different P5. The test results indicate that under the same normal stress， when P5 improve from 20% to 30%， the peak pull-out force increases about 1.1 times. In some test groups， the tensile modulus cannot be measured due to the low elastic modulus of the geogrid. When at constant P5， as the normal stress increases， the geogrid failure form changes from tear to split. When the normal stress increases 25 kPa， the lateral tear length expands by about 2 times. When the normal stress is consistent， change P5， the form of failure is very similarly; under the same vertical pressure and P5 content， compaction and press of gravel soil will result in two distinct development trends： strain softening and hardening of the pullout curve.

Key words： geogrid; pullout test; failure characteristics; gravel soil; interface interaction

（責(zé)任編輯：黎 ?婭）