土工格栅拉拔试验及筋材受力特性分析

王家全，周岳富，陆梦梁，李　良

(广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006)



土工格栅拉拔试验及筋材受力特性分析

王家全，周岳富，陆梦梁，李良

(广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006)

摘要：为了研究土工格栅的筋土界面作用特性与受力变形特征，利用自行研发的土工合成材料拉拔试验装置，对土工格栅进行不同竖向荷载的室内拉拔试验，分析格栅不同嵌固长度处的位移及应变特性，以揭示筋土相互作用的受力机理。结果表明，随着拉拔力的增加，土中格栅受力沿着嵌固长度方向发展，格栅前部分的应变持续明显增大；拉拔力沿格栅嵌固长度对周围土体的影响减少减弱，格栅嵌固长度越大，其相对位移与格栅应变越小；随着竖向荷载的增加，土工格栅的应变总趋势是变小；在拉拔力相对较小时，25 kPa、50 kPa和75 kPa竖向荷载作用下格栅应变发展趋势相近，但随着拉拔力的变大，格栅受到土体摩擦力沿嵌固长度扩展，嵌固长度越大格栅后半段变形越少，末段格栅受力越小。

关键词：土工格栅；拉拔试验；界面作用；应变

0引言

土工合成材料提高了土体结构的抗剪与抗压强度[1]，以达到对土体的加固作用，使得加筋土技术在岩土领域得到了良好的应用。目前，加筋土技术在广大的地质工程中已发挥了重要作用，所以土工合成材料筋土界面特性的研究显得尤为关键，能有效地揭示筋土相互作用的特性，为加筋土技术的工程应用提供设计参数，推动加筋土技术的发展。在土工试验中通常采用室内直剪试验、拉拔试验来测定土与筋材的摩擦特性。为了研究筋土界面特性，国外制定了相关的直剪试验和拉拔试验的试验标准[2]，而我国制定的《土工合成材料测试规程》(SL235-2012)[3]也都以直剪试验和拉拔试验作为其基本方法。通常认为，直剪试验多用于刚度较小的土工合成材料中，而对于刚度较大的土工合成材料，普遍采用拉拔试验确定其界面参数[4]。在研究格栅与土体的筋土界面特性时，拉拔试验则成为最有效的测试手段[5]。

拉拔试验能反映筋材从土料中被拔出时与周围土的摩擦作用，并在筋土界面一定范围内产生土体变形，形成带状剪切区域。普遍认为拉拔试验能较好地获得筋土界面参数[6]，而国内外的学者为了探索筋土界面的特性已经做了不少针对土工格栅的拉拔试验研究。Juran等[7]通过大量的土工拉拔试验，研究了边界条件、操作程序，尤其是压实度对试验结果的影响。Sugimoto 和Alagiyawanna[8]通过拉拔试验，研究了不同的土工材料刚度与上覆荷载对其结果的影响。Lopes等[9]改变试验的侧限应力以及格栅变形，对拉拔试验中的格栅抗拉强度进行了研究。Morci和Recalcati[10]通过拉拔试验研究了不同的加筋结构与刚度，以及上覆荷载、埋设长度等因素对试验结果的影响。王家全等[11]采用体视显微镜及数码拍摄技术等手段研究了土工格栅与砂土的界面摩擦特性及细观力学机理。杨广庆等[12]进行了土工格栅在砂砾料以及粘性土中的拉拔试验。陈榕等[13]通过改变上覆荷载，研究了筋土界面的摩擦力分布特征，并获得了以时间为变量的格栅拉拔力函数。

图1　拉拔试验装置Fig.1　The pull-out test device

学者们通过拉拔试验，改变试验的加载方式、侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度和筋材夹持情况以及筋土结构等几方面工况，分析了影响拉拔试验的主要因素，以获得筋土界面的设计参数。目前的研究对于宏观方面较为成熟，但是针对加筋界面的细观分析仍在初步发展阶段[14]。本文针对土体内部筋材受力与应变开展研究，分析拉拔过程中土体与筋材在拉拔力的作用下的变化趋势，能更真实反映拉拔过程筋土界面的摩擦特性，为实际工程应用提供更有意义的设计参数。

1土工格栅拉拔试验

1.1拉拔试验装置

本试验仪器采用了如图1所示的自行研发的拉拔试验装置，进行了土工格栅拉拔试验。该试验装置主要分为三部分，拉拔模型箱、竖向加载系统和水平加载系统。拉拔模型箱采用钢板焊接，一面由钢化玻璃共同组建而成，在模型箱的左侧面设有开口，以便拉拔格栅进出，模型箱内部尺寸为60 cm×40 cm×50 cm(长×宽×高)。竖向加载系统主要是由电动油泵、液压杆、液压板和油压表组成的竖向荷载系统。水平加载系统则包含了最左端的拉拔电机和在拉拔杆末端连接的滑动夹具，以及在最右端的位移传感器。在拉拔电机的伸缩杆上装有位移传感器，并能通过控制面板的软件获得拉拔电机的时间与力、位移与力的数据。

1.2试验土料及土工格栅参数指标

试验土料是广西柳州本地的砾类粗粒土，该粗粒土具体的物理性质指标为：有效粒径d10=0.58 mm，中值粒径d30=1.36 mm，限制粒径d60=3.06 mm，不均匀系数Cu=5.24，曲率系数Cc=1.04。砂土的具体颗粒级配见表1。

表1　粗粒土颗粒级配

土工格栅采用如图2所示、由山东省肥城市肥城联谊工程塑料有限公司生产的TGSG-30型号双向土工格栅。该土工格栅的具体技术指标见表2，根据试验要求，土工格栅的长度取为85 cm，其在拉拔试验箱中的嵌入长度为60 cm。

图2　拉拔试验装置

每延米纵向拉伸屈服力/(kN·m-1)每延米横向拉伸屈服力/(kN·m-1)纵向屈服伸长率/%横向屈服伸长率/%网孔尺寸/mm32.832.513.711.240×30

1.3试验方法

根据试验具体工况和试验要求，本试验采取了速度控制位移方法。拉拔开始前，在模型箱里埋填土料，通过找平与预压，然后植入土工格栅，并通过滑动夹具固定土工格栅的左端，同时把格栅的模型箱出口处、模型箱内格栅的中部及末端三个测点通过钢绞丝与最右端的位移传感器连接；接着在模型箱内继续填埋土料，并通过油压表控制施加指定竖向荷载。本次试验开展了三个级别为25 kPa、50 kPa、75 kPa竖向荷载的拉拔试验。在位移传感器置零后，通过仪器的控制面板设置参数，根据试验要求，进行竖向荷载围压并开展试验。

试验过程中，采集拉拔模型箱中埋置格栅的前中后3个测点位移，如图3所示，分别对应图3中的B、C、D三点位置，获得3个测点处的相对位移和计算出埋置格栅前半部分以及后半部分的应变。通过拉拔装置控制面板的软件采集数据，能实时获得拉拔电机的拉拔位移(A点位移)和拉拔阻力。格栅的拉拔速度对试验结果影响很大[15]，拉拔试验的拉拔速度应当控制在0.1～20 mm/min之间，本次拉拔试验采用的拉拔速度为2 mm/min。试验的结束以达到仪器拉拔阻力峰值或格栅断裂为标志。

图3　土工格栅位移测点平面布置图

2试验结果分析

2.1土工格栅测点处相对位移与嵌固长度关系

在不同的竖向荷载下进行拉拔试验，通过土工格栅的B、C、D共3个测试点，分别对应0 cm，30 cm，60 cm的嵌固长度所在位置，观测土工格栅的实时相对位移，所得测点相对位移—嵌固长度关系曲线如图4所示。由图4中可得，在整个拉拔过程中，格栅前端的监测点B，相对位移的总趋势是随着拉拔力的增加而增加，但前期的变化并不明显，而后期仍在增大。此现象与实际试验中格栅断裂均在模型箱开口处到夹具部分相吻合。在格栅中部处的监测点C，相对位移的变化趋势跟监测点B相近，但其变化的增值相对于监测点B要小。处于格栅末端的监测点D，其相对位移的变化较平缓，在前期基本保持不变，后期的增值与监测点B、C的趋势相近，均为增大。可以判断土中格栅的相对位移随着拉拔力的增加而增加，随着格栅嵌固长度的增加而减小。通过不同的竖向荷载的相对位移—嵌固长度图的分析可得，竖向荷载越大，其他影响因素不变情况下，相同的拉拔阻力，格栅相对位移均减小。根据图4的格栅嵌固长度与相对位移的曲线斜率，可得竖向荷载越大，土中格栅的前半部分的斜率在增大，后半部分反而斜率减小，在竖向荷载达到50 kPa后，格栅后半部分位移很小，说明土中格栅的受力分布，在嵌固长度上是不均等的，总趋势是嵌固长度越小，则格栅先受力，在整个受力过程中，从模型箱开口处的格栅往纵深方向延伸，格栅的受力在不断减小。竖向荷载越大，格栅的嵌固长度产生的相对位移越小，若嵌固长度足够长，拉力传递到格栅的末端时已接近零，该部分格栅几乎不会发生相对位移。

(a) 竖向荷载为25 kPa

(b) 竖向荷载为50 kPa

(c) 竖向荷载为75 kPa

图4土工格栅测点处相对位移与嵌固长度关系

Fig.4Geogrid measuring point and the relative displacement of fixed length relationship

2.2土工格栅的应变与嵌固长度关系

在拉拔试验过程中，处理土工格栅的应变与嵌固长度及竖向荷载关系的数据，如图5和图6所示。结合图3可知，AB段为夹具到模型箱开口段格栅，BC段和CD段分别为模型箱的前半段和后半段格栅。在图5中，竖向荷载为25 kPa时，裸露在模型箱外AB段格栅应变比在土中格栅的前半部分BC段要大得多，而土工格栅后半部分CD段的应变则更小。随着拉拔力的增加，格栅的应变均呈现变大的趋势，模型箱外的格栅应变明显增大，但土中格栅沿嵌固长度的应变增量变小，尤其是模型箱中后半部分CD段格栅应变很平缓。竖向荷载为50 kPa的格栅应变与嵌固长度的变化趋势跟25 kPa的类似。竖向荷载为75 kPa时，总体趋势不变，但是竖向荷载对埋置在土中格栅的应变影响显得更为突出，表现为竖向荷载越大，土中格栅BC段和CD段的应变均在变小。在25 kPa、50 kPa和75 kPa竖向荷载作用下，裸露在模型箱外的AB段格栅应变均较为接近，达到约10%，且数值均远大于其他部位的格栅应变，但是土中格栅的应变随着竖向荷载的增加而减小。

因此，根据AB、BC、CD段格栅的应变规律，可以发现，格栅沿嵌固长度方向受力并不均匀，格栅受力沿嵌固长度方向由前往后依次减少，当竖向荷载继续增大时，可以推断嵌固在土中末段格栅应变趋于零，此时该段格栅将不受拉力左右，即土中格栅纵向埋置长度是否全程受力，一方面取决于拉拔力的大小，另一方面，还取决于竖向荷载的大小。竖向荷载越大，土对格栅的嵌固作用越显著，土中格栅的应变越小，相反裸露在土外的格栅应变越大，格栅所需的嵌固埋深长度越小，即可使格栅达到拉拔阻力峰值或使格栅拉断破坏。

(a) 竖向荷载为25 kPa

(b) 竖向荷载为50 kPa

(c) 竖向荷载为75 kPa

图5不同嵌固长度段土工格栅应变与拉拔阻力关系

Fig.5Different lengths of fixed geogrid strain and pull-resistance relationship

如图6所示，反映了不同竖向荷载下格栅应变与竖向荷载关系。在图6(a)中，当拉拔力小于4.8 kN时，开口处至格栅中部BC段格栅应变随竖向荷载的增大而不断减小。BC段格栅是拉拔阻力的主要来源，该段格栅的应变远远大于图6(b)的CD段格栅应变，结合图4土中格栅各测点的相对位移情况，B、C、D格栅测点的相对位移以此减少，土工格栅对土体的剪切摩擦及横肋挤压作用也是沿格栅嵌固长度方向递减。随着拉拔力的增大，格栅拉力沿嵌固长度扩散，使得嵌固长度方向上格栅受力不断出现并增大。格栅的应变随竖向荷载的增大而减小。

(a) 土中格栅前端至中部BC段应变

(b) 土中格栅中部至末端CD段应变

图6不同格栅拉拔力下竖向荷载与格栅应变关系

Fig.6The curve of geogrid strain and vertical load for different geogrid pullout force

2.3土工格栅的应变与拉拔力关系

通过拉拔试验的监测点，获取土工格栅的变形量，与拉拔仪器采集的拉拔力绘出如图7所示的应变与拉拔力关系图。在图7(a)中，拉拔力增加时，土中BC段格栅的应变亦逐渐增加；在拉拔力小于3.84 kN时，25 kPa、50 kPa和75 kPa竖向荷载下的格栅应变曲线基本一致。当拉拔力继续增加时，25 kPa和50 kPa竖向荷载下的格栅应变仍在显著增加，但竖向荷载为75 kPa的格栅应变增加并不明显，直到拉拔力为10.5 kN后，对应格栅应变突然增大。在图7(b)中，在土中格栅中部至末端CD段的应变均为很小的值，亦表现随拉拔力的增加而变大。相比较，25 kPa竖向荷载下的格栅应变呈线性递增趋势。50 kPa竖向荷载下的格栅应变相对来说，发展得较慢，当拉拔力达到3.84 kN时才开始增加显著，但增值较小。同样的发展趋势，表现在75 kPa竖向荷载的曲线中，其发展的时间更迟，直到拉拔力达到5.76 kN。可以判断拉拔试验的拉拔力在增加，竖向荷载越大，土中格栅发展得越慢，但其发展趋势均表现为增量增大的递增发展。同拉拔力下格栅沿嵌固长度方向的应变减小，不同竖向荷载时，总趋势表现为竖向荷载增大，其应变变小。

(a) 土中格栅前端至中部BC段应变

(b) 土中格栅中部至末端CD段应变

图7土工格栅的应变与拉拔力关系

Fig.7The relationship between strain and the pullout force of geogrid

3结论

采用自行研发的拉拔试验装置，进行了多种工况的室内拉拔试验，分析土工格栅不同部位的变形规律，揭示土工格栅与粗粒土相互受力机理。根据试验结果进行分析，得到如下结论：

①土工格栅与粗粒土的相互作用，随着拉拔力的增加，格栅受力沿着嵌固长度方向发展。作用在格栅上的拉拔力沿嵌固长度不断减小，土工格栅沿嵌固长度对周围土体的剪切摩擦挤压等作用减少减弱。格栅嵌固长度越大，其相对位移与应变越小。

②土工格栅的应变随着竖向荷载的增加而变小。在拉拔力相对较小时，25 kPa、50 kPa和75 kPa竖向压力作用下的格栅应变发展趋势较为相近，但格栅与土体的界面摩擦力及横肋被动阻力沿格栅嵌固长度方向依次变小，嵌固长度越大格栅末段受力越小，应变越小。

参考文献:

[1]杨果林.现代加筋土技术应用与研究进展[J]. 力学与实践,2002, 24(1): 9-17.

[2]王钊.国外土工合成材料的应用研究[M]. 香港:现代知识出版社,2002.

[3]中华人民共和国水利部.土工合成材料测试规程：SL 235-2012[S]. 北京:中国水利水电出版社,1999.

[4]甘采华,梁寿忠,李春英.土工合成材料老化指标的研究[J]. 广西大学学报(自然科学版),2007, 32(3): 243-247.

[5]土工合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册 [M]. 2版.北京:中国建筑工业出版社,2000.

[6]包承纲.土工合成材料界面特性的研究及试验验证[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25(9):1735-1744.

[7]JURAN I, GUERMAZI A, CHEN C L, et al.Modelling and simulation of load transfer in reinforced soils: Part 1[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1988, 12(2): 141-155.

[8]SUGIMOTO M, ALAGIYAWANNA A M N.Pullout behavior of geogrid by test and numerical analysis[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2003, 129(4): 361-371.

[9]LOPES M L, LADEIRA M.Influence of the confinement, soil density and displacement rate on soil-geogrid interaction[J]. Geotextiles and Geomembranes, 1996, 14(10): 543-554.

[10]MORACI N, RECALCATI P.Factors affecting the pullout behaviour of extruded geogrids embedded in a compacted granular soil[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2006, 24(4): 220-242.

[11]王家全,周健,邓益兵,等.砂土与土工合成材料拉拔试验分析[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2011, 36(4):659-663.

[12]杨广庆, 李广信, 张宝俭.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.

[13]陈榕,栾茂田,赵维.土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究[J]. 岩土力学,2009, 30(4): 960-964.

[14]赖汉江,郑俊杰,甘甜,等.土工格栅加筋拉拔试验界面特性细观分析[J]. 土木工程与管理学报,2012,29(4):45-54.

[15]杨广庆, 庞巍, 吕鹏.塑料土工格栅拉伸特性试验研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(9): 2387-2391.

(责任编辑唐汉民梁健)

Pull-out test and analysis on geogrid mechanical characteristics

WANG Jia-quan, ZHOU Yue-fu, LU Meng-liang, LI Liang

(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University of Science and Technology,

Liuzhou 545006, China)

Abstract:In order to study the deformation of soil reinforcement geogrid and the interaction between soil and geogird, a self-developed geosynthetic pullout test device was used for the pull-out test under different indoor vertical loads to analyze the displacement and strain characteristics corresponding to different embedded lengths. The results show that with the increase of geogrid pullout force, the stress of geogrid along the direction of geogrid longitudinal depth develop, and the strain at the front part of geogrid continue to increase obviously. The pullout force in the surrounding soil is reduced and weakened along the direction of longitudinal depth of geogrid, and the relative displacement and strain of the geogrid is small. With the increase of vertical load, the general trend of geogrid strain is smaller. When the pullout force is relatively small, the development trend of geogrid strain under 25 kPa, 50 kPa and 75 kPa vertical loads is similar. But with the increase of pullout force, the friction between geogrid and soil along the longitudinal depth expands. The greater the longitudinal depth is, the fewer the latter part of grid deformation and the smaller the stress of end of grid are.

Key words:geogrid; pullout test; interface action; strain

中图分类号：TU 41

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0134-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0134

通讯作者：王家全(1981—)，男，广西南宁人，广西科技大学教授，博士; E-mail：wjquan1999@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51469005,51009030)；广西自然科学基金项目(2015GXNSFAA139257,2015GXNSFAA139270)；广西科技大学博士基金项目(院科博1011)

收稿日期：2015-05-13；

修订日期：2015-12-16

引文格式：王家全，周岳富，陆梦梁,等.土工格栅拉拔试验及筋材受力特性分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：134-140.