土工格栅界面摩擦特性试验研究

赵川，窦远明，耿敏

（河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

土工格栅界面摩擦特性试验研究

赵川，窦远明，耿敏

（河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

以河北省某高速公路加筋高填方路堤工程为依托，通过室内直剪试验与拉拔试验，系统研究了不同垂直荷载作用下筋土界面的摩擦特性，并分析了试验装置、试验方法对试验结果的影响规律．结果表明，在两种试验条件下，其加筋机理有所不同，当相对位移较小时，直剪摩擦试验较能反映实际情况，当相对位移较大时，填料与土工格栅双面均发生相对位移，因此拉拔试验更为合适．由对比分析可知，拉拔试验剪应力峰值高，且达到峰值强度时剪切位移大．对于双向土工格栅的加筋状况，由于双向土工格栅与填料的空间咬合作用更强一些，宏观上表现为其加筋效果要优于单向土工格栅．该试验结果可为类似的加筋高填方路堤工程研究提供参考依据．

土工格栅；直剪试验；拉拔试验；界面摩擦特性

近年来，随着土工合成材料产品种类的不断增加，使得加筋土技术被广泛应用于铁路、公路、港口、煤矿等各个工程领域中，其中在加筋路堤、加筋挡土墙等方面取得了卓越的成绩．土工格栅作为一种新型的合成材料，具有强度高、伸长率低、耐高温、耐腐蚀、韧性好等特点，在工程应用中主要体现在加筋、抗变形、压实和排水作用等[1-3]．

筋土界面的摩擦特性既是加筋土结构设计中的重要内容，也是研究筋土界面相互作用机理的前提．国内外许多学者通过拉拔试验与直剪试验研究了筋土界面摩擦特性．筋土界面摩擦特性较为复杂，其影响因素较多，例如：筋材特性、填料特性、垂直荷载、压实度、含水率、拉拔速率和边界条件等等．吴景海等[4-7]对土工合成材料与土和砂的界面摩擦特性展开了大量的试验研究，也取得了一定的成果．尽管当前有关筋土界面摩擦特性的研究有很多，但对筋土之间相互作用的研究结果及界面摩擦系数却存在较大的分散性．常用的筋土摩擦特性试验是直剪试验和拉拔试验，但是对于试验设备、试验方法、取值标准等方面仍处于探索阶段，因此进一步展开筋土界面摩擦特性试验研究是十分必要的．

文章以河北省某高速公路加筋路堤为背景，以现场用土作为试验填料，通过室内拉拔试验与直剪试验对比研究，分析不同类型的土工格栅与填料的界面摩擦特性，为土工格栅在实际工程中的应用提供设计依据．

图1 拉拔试验设备Fig.1 Pull-out testequipment

图2 直剪试验设备Fig.2 directshear testequipment

1 试验设备与材料

1.1拉拔试验设备

本试验采用天津大学自主研制的拉拔试验机．拉拔试验箱为一矩形箱体，侧壁有足够刚度，竖向加压时不变形，箱体尺寸40 cm×30 cm× 30 cm（长×宽×高），箱体的拉拔端侧壁中间部位留有一条横向贯通的窄缝，缝高约5 mm．窄缝内侧安置一块可上下抽动的插板，用于调整缝隙的大小，以防止土样漏出．垂直荷载控制系统采用自动化油压加载方式，试验开始时，通过加压板对试验箱施加一恒定的垂直荷载．水平加荷控制系统，采用应变式控制加荷．水平位移由高精度位移传感器测量，并通过计算机显示．试验设备如图1所示．

1.2 直剪试验设备

直剪试验箱分为上、下两箱体，上箱体尺寸为40 cm×30 cm×18 cm（长×宽×高），下箱体尺寸为80 cm×30 cm×12 cm（长×宽×高）．在试验过程中，保持上箱体位置固定，使下箱体移动，为了避免在相互错动过程中土工格栅与填料间的接触面不断变小，设计下箱体的长度大于上箱体．上箱体的下底面敞口，可以通过加压板施加垂直压力，下箱体上底面开口．上箱体和下箱体的两侧分别有两个滑道，在滑道上放有钢珠，通过钢珠减少上下箱体在试验时产生的摩擦力．下箱体内部边缘可用一铁片（28 cm×1 cm）和螺丝将土工格栅固定．加荷系统与拉拔试验设备相同，试验设备如图2所示．

1.3 试验材料

试验所用填料选自河北省某高速公路施工现场路堤回填土．参照《土工试验规程》[8]，通过常规的室内试验测得填料的物理力学参数，见表1．

试验选取3种不同类型的土工格栅，分别为EG90R型单向土工格栅、TGDG80型单向土工格栅和EG3030型双向土工格栅．拉拔试验中格栅尺寸为42 cm×26 cm，其中在拉拔试验箱中的有效面积为34 cm×26 cm．直剪试验中的格栅尺寸为80 cm×30 cm，固定在下箱体表面．其技术指标见表2．

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

表2 土工格栅的力学性能Tab.2 Technicalindexesofdifferentgeogrids

2 试验方法

直剪试验与拉拔试验均采用应变式控制，剪切（拉拔）速率均为1.5 mm/m in，将填料含水率调到最佳含水率8%．

直剪试验中，首先在下箱体中加入适量的土体，按93%的压实度分层压实，压实后保持土面平整，将土工格栅固定在下箱上表面，同时在轨道和滚珠上面涂上凡士林润滑，对准放好上箱体，继续往上箱填土，分层压实．压实后保持土面平整，并略低于箱顶．为了使加压板受力均匀，可以在填料表面均匀地撒上一层细沙．将试验箱对准加荷系统，准备施加设计好的垂直荷载，使填料固结．

拉拔试验中，将土工格栅埋设在填料中．将试样的一端从窄缝外引出8 cm，保持两边对称，且与边界无摩擦，保证试样能够与水平夹具连接．插入可调整窄缝高度的插板，使插板下缘正好贴近格栅上表面，将插板固定，按93%的压实度分层压实．准备施加垂直荷载，对粒状土体的固结时间一般不少于15m in．然后缓慢施加一水平荷载，使装置中外露格栅受力且处于绷紧状态，减小夹具与格栅之间的滑动位移对试验结果的影响．

当试验中水平拉力出现峰值时，或水平荷载出现稳定值时，方可停止试验．

图3 直剪摩擦试验剪应力与剪切位移关系曲线Fig.3 Shearstress-sheardisplacementon directshear friction tests

3 试验成果与分析

3.1 直剪试验成果

参考日本橙皮书“奥美拉唑肠溶片”溶出曲线测定用介质[5]以及日本厚生劳动省颁布的《仿制药生物等效性试验原则》[6]中对肠溶制剂溶出测定用介质的要求， 选择 pH 1.2、pH 5.5、pH 6.0、pH 6.8 和水介质进行溶出曲线研究。

通过分析绘制出各土工格栅与填料的剪应力与相对位移曲线，如图3所示，分别为EG90R型单向土工格栅、EG3030型双向土工格栅和TGDG80型单向土工格栅的剪应力与相对位移的关系曲线．由图可知，剪应力与剪切位移呈非线性关系，随着垂直荷载的增加，剪应力和剪切位移逐渐增大，当剪切位移达到一定范围时，剪应力达到最大值，之后趋于稳定．

一般认为在直剪摩擦试验条件下，土工格栅与填料界面之间的摩阻力主要由3部分组成：1）土工格栅与填料表面之间的摩阻力；2）填料之间的摩阻力；3）土工格栅网格与填料之间的空间咬合、嵌固作用．

由图3中a）与b）对比分析可知，EG3030型双向土工格栅的摩擦阻力要高于EG90R型单向土工格栅摩擦阻力的5%左右，这主要是因为双向土工格栅的孔眼较多，与填料之间的空间咬合作用使剪应力增大．由图3中a）与c）对比分析可知，TGDG80型单向土工格栅的摩擦阻力要高于EG90R型单向土工格栅摩擦阻力的4%左右.同样为单向土工格栅，但由于材料性质的不同，加筋效果也不同，TGDG80型单向土工格栅的横肋要比EG90R型单向土工格栅的横肋宽厚，与填料之间的空间嵌固、咬合作用更好一些，增大与填料的摩阻力．

3.2 拉拔试验成果分析

与直剪试验相比，土工格栅在拉拔试验中的摩擦阻力主要由2部分组成：1）土工格栅表面与填料间的摩擦阻力；2）土工格栅网格与填料之间的空间连锁作用，而且第二部分起主要作用．

通过分析绘制出各土工格栅与填料的剪应力与拉拔位移曲线，如图4所示，分别为EG90R型单向土工格栅、EG3030型双向土工格栅和TGDG80型单向土工格栅的剪应力与拉拔位移的关系曲线．与剪切位移曲线相比，在拉拔位移曲线上，随着拉拔位移的增大，剪应力达到峰值以后会迅速下降．在拉拔试验过程中，在一定的范围内，剪应力随着拉拔位移的增大而增大，因为其拉拔阻力是随着格栅埋入的深度由箱外向箱内逐渐传递发挥出来的．

3.3 拉拔与直剪试验对比分析

直剪摩擦试验与拉拔摩擦试验成果汇总于表3．

从表3中可以看出，拉拔试验所得的界面粘聚力要高于直剪试验所得的界面粘聚力，而直剪试验所得的内摩擦角要大于拉拔试验所得的内摩擦角．拉拔试验的内摩擦角因筋材抗拉强度的不同变化较大，而直剪试验所得内摩擦角则较为稳定．从表3中亦可看出直剪试验所得的直剪系数高于拉拔摩擦试验所得的拉拔系数．在直剪试验过程中，因为上下箱体通过滚珠滑动，润滑效果达不到理想的润滑效果，可能导致剪应力过大．还会因为上箱体受垂直荷载，而下箱体的另半侧不受荷载，这样可能会出现土体起拱现象，导致剪应力增大．

表3 试验成果汇总Tab.3 Resultsof test

图4 拉拔摩擦试验剪应力与拉拔位移关系曲线Fig.4 Shearstress-sheardisplacementon pull-outfriction tests

4 结论

1）当加筋土达到抗剪强度时，直剪试验中筋土之间的相对位移要明显小于拉拔试验．直剪试验的剪切位移一般在12mm以内达到抗剪强度，而拉拔试验拉拔位移一般在15mm左右才能达到峰值．

2）当填料与土工格栅相对位移较小时，直剪试验较能反映实际情况；相对位移较大时，拉拔试验更能反映实际情况．

3）由直剪摩擦试验可知EG3030型双向土工格栅的直剪系数最大，由拉拔摩擦试验可知TGDG80型单向土工格栅的拉拔系数较高，所以对变形有严格要求的加筋工程应优先采用EG3030型和TGDG80型土工格栅．

4）由于筋材的材料特性不同，其加筋效果也有所差异．双向土工格栅与填料之间的摩阻力优于单向土工格栅的摩阻力，这是因为双向土工格栅的网格比较多，空间连锁效应更强一些，加筋效果更好一些．在实际工程中，双向土工格栅可以作为一种比较好的加筋材料．

5）通过拉拔试验与直剪试验对比分析可知，不同筋材之间的摩擦系数相差较大，因而在具体的工程应用中，应根据实际工程中土工格栅的位移条件，通过直剪试验或拉拔试验确定设计参数．

[1]李志清，胡瑞林，付伟，等．土工格栅在加固高速公路路堤中的应用研究[J]．岩土力学，2008，29（3）：795-799．

[2]刘丽芳，储才员．国内外土工合成材料的发展[J]．青岛大学学报，2002，17（2）：50-53．

[3]黄晓明，朱湘．公路土工合成材料应用原理[M]．北京：人民交通出版社，2001．

[4]吴景海，陈环，王玲娟，等．土工合成材料与土界面作用特性的研究[J]．岩土工程学报，2001，23（1）：89-93．

[5]马时冬．土工格栅与土的界面摩擦特性试验研究[J]．长江科学院院报，2004，21（1）：11-14．

[6]史旦达，刘文白，水伟厚，等．单双向土工格栅与不同填料界面作用特性对比试验研究[J]．岩土力学，2009，30（8）：2237-2244．

[7]杨广庆，李广信，张保俭．土工格栅界面摩擦特性试验研究[J]．岩土工程学报，2006，28（8）：948-952．

[8]JTG/E 50-2006，公路工程土工合成材料试验规程[S]．

[责任编辑 杨屹]

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

河北省交通厅资助项目（Y-2010025-4）

赵川（1986-），男（汉族），博士生．