土工格栅加筋土拉拔试验与分析

王同福　王林　张克文

摘要：为了研究土工格栅加筋土的机理，找出影响加筋土界面特性的主要因素，通过改进现有拉拔试验设备，研制了兼顾速率稳定性和能量损失的电动型拉拔设备。采用TGDG80型土工格栅，以石灰土、粉土为填料，在疏松、中密、密实3种压实状态和3.125、5.417、7.167 kPa三种竖向荷载下进行多组正交拉拔试验。结果表明：石灰土与TGDG80型土工格栅的加筋土组合的安全性和稳定性更优，充足的压实度能大大提高加筋土挡墙的柔性和协调性。

关键词：土工格栅；拉拔试验；界面特性；剪应力

中图分类号：U4171文献标志码：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

土工格栅加筋土挡土墙作为一种典型的柔性支挡结构，因其加筋材料与填料之间良好的筋土界面效应，可有效抑制自身变形和不均匀沉降；并且具有造型美观、占地较少、协调性好、适应性强等特点，在高填方路基、软土路基、地震频发地区、土地资源紧张地区及重要建筑物拆迁困难路段应用广泛[1]。

随着柔性支挡工程的大范围应用，国外专家和学者开始对加筋土及加筋材料的拉拔试验进行研究，主要包括拉拔试验的作用机理、试验设备及试验方法等[26]。拉拔试验设备多采用电机提供动力，速度和力量稳定，但能量损失大；且该设备多由直剪仪改装而来，或者使用千斤顶提供横向拉拔力[78]，在拉拔速率的控制上精度不高。总体来说，现有拉拔试验设备不能兼顾速率稳定和能量损失；加筋材料及填料的选取也存在区域性，对筋土界面效应的揭示不够全面[913]。

本文借鉴已有拉拔试验设备的优缺点，研制改进电动型拉拔试验设备，研究土工格栅与填料之间的相互作用。通过统计分析试验数据，揭示不同加筋材料、填料、压实度对加筋土特性的影响。

1电动型拉拔试验设备

1.1拉拔试验设备要求

土工格栅加筋土拉拔试验属于土工合成材料试验中的拉拔摩擦试验，经过资料收集和专家咨询，该试验所用设备需满足以下要求：竖向荷载可控，可实现级数递增；横向拉力稳定；拉拔速率恒定，横向拉拔速率的范围为02～10 mm·min-1；箱体尺寸合理，结合试验所采用土工格栅的纵横肋尺寸特点和试验所要求的填料厚度，试验箱的尺寸定為800 mm×300 mm×400 mm；数显系统精确，数显系统包括拉力传感器和数显仪表；夹持稳定，横向拉拔系统与土工格栅之间的连接部件应保证土工格栅拉拔状态稳定。

1.2拉拔试验设备设计

本文在阅读文献和前期调研的基础上，提出了电动型拉拔试验的设计方案。

该方案的横向拉拔系统由电机、减速机、丝杆升降机组成，数显系统由S型拉力传感器和数显仪表组成，试验箱采用厚度为10 mm的钢板制成，夹具采用加螺丝的T形钢板，竖向加载方式为土袋加载。具体技术参数如下：电机初始转速为940 r·min-1，额定电压为380 V；减速机减速比为1∶1 440，额定电压为380 V；拉力传感器型号为CABHS5T，量程为5 T，同时接有显示仪表；丝杆升降机的电机经过减速机变速之后，转速为0653 r·min-1，丝杆升降机的拉拔速度为4569 mm·min-1，且保持匀速。

为验证设计方案的可行性，基于有限元软件ANSYS对拉拔试验设备的受力变形进行模拟，结果如图1所示。

1.3拉拔试验设备研制

根据确定的研制方案制作满足土工格栅加筋土拉拔试验要求的试验设备，具体过程如图2所示。

2土工格栅加筋土拉拔试验

2.1试验仪器

拉拔试验采用自行研制的电动型拉拔试验设备。

2.2试验材料

2.2.1填料

试验中所用的填料有2种：石灰土、粉质黏土（黄土）。石灰土取自山东德商高速现场用土；粉质黏土则是在粉质黏土区域公路项目的现场取土。

2.2.2加筋材料

加筋材料以依托工程中使用的TGDG80型土工格栅为主，如图3所示。

加筋材料的基本性能参数如表1所示。

2.2.3拉拔试验方案

为了分析土工格栅加筋土中填料、竖向荷载和加筋材料对加筋土特性的影响，开展2种填料、3种竖向荷载下的多组正交拉拔试验，分组如表2所示。

按照上述试验分组，开展土工格栅加筋土拉拔试验，步骤如下。

（1）把土体放入试验箱中，每隔50 mm（疏松）、100 mm（中密）、150 mm（密实）夯实一次，直至土体高度达到150 mm，继续添加土体并夯实，使得土体高度略高于窄缝高度。

（2）将加筋材料放于土体上，使其平整无褶。为了保证加筋材料在拉拔过程中与土体的接触面积不发生变化，需将加筋材料的末端延伸出试验箱；加筋材料前端从窄缝处引出试验箱，并用夹具夹牢。

（3）继续向试验箱内添加土体，按照步骤（1）的方式夯实，直至添加到加筋材料上方150 mm高度处，夯实整平后在土体上方加承压板。

（4）在承压板上放土袋，使试验箱内的土体固结。

（5）打开横向拉拔系统的开关开始拉拔，每隔5 s记录1次拉力值。如果横向拉力出现峰值，则峰值稳定之后停止本组试验，继续下一组试验；如果不出现峰值或者加筋材料被拉断，则说明埋在土体中的加筋材料长度大于拔出长度，应缩短埋在土体中的加筋材料的长度并重新试验。

（6）每组试验结束后，去掉竖向加载设备和承压板，挖出填料，取出加筋材料，改变竖向压力或者加筋材料，重复以上过程进行下一组试验。

3拉拔试验结果分析

3.1不同填料对加筋土特性的影响

分别针对同一种加筋材料（TGDG80型土工格栅），选择不同填料（石灰土、粉质黏土）开展试验，并统计剪应力随时间的变化规律；为验证数据的合理性和特征性，进行剪应力峰值和对应竖向应力的关系拟合，建立拟合曲线。石灰土与TGDG80型土工格栅的拉拔试验剪应力时间曲线和剪应力竖向应力拟合曲线如图4所示，粉质黏土与TGDG80型土工格栅的拉拔试验剪應力时间曲线和剪应力竖向应力拟合曲线如图5所示。

加的幅度均越来越小，最后达到一个峰值。由于横向拉拔系统是匀速运动，可以认为，剪应力随着筋土相对位移的增加而递增，最后趋近于一个峰值，此时横向拉拔力与筋土摩擦阻力平衡，符合摩擦加筋机理。石灰土和粉质黏土分别作填料时也符合这个规律。

（2）石灰土作填料时，竖向荷载为3125、5417、7167 kPa所对应的剪应力峰值为351、412、478 kPa；粉质黏土作填料时，竖向荷载为3125、5417、7167 kPa所对应的剪应力峰值为316、35.9、411 kPa。即对于同一种填料，竖向荷载越大，剪应力的峰值也越大；对于相同的密实度和竖向荷载，石灰土的剪应力峰值均大于粉质黏土，石灰土与土工格栅组合成的加筋土的等效黏聚力略大于粉质黏土。根据这些规律可知，在本次拉拔试验的条件下，石灰土与TGDG80型土工格栅组合的抗拉强度要大于粉质黏土与TGDG80型土工格栅的组合。

（3）石灰土作填料时，竖向荷载3125、5417、7.167 kPa所对应的剪应力随时间的变化较为一致和稳定，即在不同的竖向荷载下，剪应力达到峰值所需的时间比较接近，且剪应力达到峰值之后基本保持稳定，使得土工格栅的作用得以充分发挥。粉质黏土作填料时，不同的竖向荷载下剪应力达到峰值的时间不太一致，竖向荷载为7167 kPa时所需的时间明显大于另外两级竖向荷载；同时，剪应力在达到峰值之后还会有一定幅度的变化，即相对不太稳定。这种现象与粉质黏土的级配有关，粉质黏土的粒径要大于石灰土，在拉拔过程中，部分大颗粒会出现翻滚、瞬间位变现象，使剪应力相对不太稳定，因此土工格栅在粉质黏土中不能充分发挥作用。

（4）由本次拉拔试验可知，在用TGDG80土工格栅作为加筋材料时，石灰土作填料的效果要优于粉质黏土。

3.2不同压实度对加筋土特性的影响

分别针对同一种加筋材料（TGDG80型土工格栅）和同一种填料（石灰土），选择不同压实度（疏松、中密、密实）开展试验。石灰土的压实度分为3个等级：疏松（填土过程中，每隔15 cm夯实1次）、中密（填土过程中，每隔10 cm夯实1次）、密实（填土过程中，每隔5 cm夯实1次）。统计剪应力随时间的变化规律；同时，为验证数据的合理性和特征性，进行剪应力峰值和对应竖向应力的关系拟合，建立拟合曲线。不同压实度的TGDG80型土工格栅的拉拔试验剪应力时间曲线和剪应力竖向应力拟合曲线如图6～8所示。

由图6～8以及表4可以看出以下几点。

（1）随着时间的推移，加筋土的剪应力逐渐增加，但是增加的幅度会越来越小，最后达到峰值。由于横向拉拔系统是匀速运动，因此可以认为，剪应力随着筋土相对位移的增加而递增，最后趋近于峰值，而这个峰值对于研究挡墙的极限承载能力和摩擦加筋机理有很大参考价值。

（2）竖向荷载分别为3.125、5.417、7.167 kPa时，疏松石灰土对应的剪应力峰值分别为101、121、165 kPa；中密石灰土对应的剪应力峰值分别为24.5、28.5、33 kPa；密实石灰土为35.1、41.2、47.8 kPa。即对于同一压实度的石灰土，加筋土剪应力的峰值均会随着竖向荷载的增大而增大。

（3）由图6可知，在0～200 s内，竖向荷载为3125 kPa时的剪应力大于竖向荷载为5.417 kPa的剪应力，且差距较明显；由图7可知，在0～200 s内，竖向荷载为3.125 kPa时的剪应力大于竖向荷载为5.417 kPa时的剪应力，差距与图6相比较小；图8中也出现了这种现象，但是与图6、7相比，差距和影响基本上可以忽略。出现这种现象一是由于在拉拔试验的初始阶段，拉拔过程还未充分稳定；二是由于土体具有压硬性，随着竖向荷载的增大，这种现象越来越不明显。由此证明，充足的压实度是加筋土挡土墙能够发挥其优于一般挡墙稳定性和柔性的前提条件。

（4）由表4可知，石灰土处于疏松、中密、密实状态时的等效黏聚力分别为4.749、1765、2512 kPa。压实度越高，加筋土等效黏聚力也越大，证明加筋材料会提高土体的黏聚力，且土体的压实度越大，对于黏聚力的提高越明显。因此，加筋土在一定程度上改变了原有土体的性能。

（5）从图6～8可以发现，疏松石灰土的剪应力大约在600 s左右达到峰值，中密石灰土、密实石灰土则分别在800、900 s左右达到峰值。由此可知，石灰土的压实度越高，加筋土的剪应力达到峰值的时间就越长，或者说剪应力达到峰值所需的位移就越大。因此，充足的压实度能大大提高加筋土挡墙的柔性和协调性。

4结语

（1）通过总结现有拉拔试验设备的不足，提出了兼顾速率稳定和能量损失的电动型拉拔设备设计方案，研制了改进型土工格栅加筋土拉拔试验设备。采用石灰土、粉质黏土2种填料，疏松、中密、密实3种压实度，3.125、5.417、7.167 kPa三种竖向荷载与TGDG80型土工格栅进行正交拉拔试验。

（2）石灰土与TGDG80型土工格栅的加筋土组合的安全性和稳定性更优，3种荷载作用下对应的剪应力峰值分别为35.1、41.2、47.8 kPa，石灰土处于疏松、中密、密实状态时的等效黏聚力分别为4749、17.65、2512 kPa，且剪应力分别在600、800、900 s左右达到峰值，说明填料的压实度越高，加筋土的剪应力达到峰值的时间就越长。

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[责任编辑：杜卫华]