网格状带齿加筋的拉拔特性

赵岗飞， 张孟喜， 蔡 春

(上海大学土木工程系，上海200072)

现代加筋土是由法国工程师Henri［1-2］于20世纪60年代提出来的.加筋土的原理在于将筋材沿土体主应变方向铺设以弥补土体抗拉性能薄弱的缺陷［3-5］，加筋土的发展与土工合成材料的发展是分不开的.土工合成材料是一种新型的工程加筋材料，主要是采用聚合物(塑料、橡胶、化纤等)制成各种产品置于土体中，起到加强及保护土体的作用.土工合成材料主要分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料等［6-7］.

加筋土通过筋土界面相互影响来发挥作用，因此，筋土界面特性试验研究是加筋土研究中的重要内容.目前，国内外对于加筋土的界面特性试验以直剪试验和拉拔试验为主，其中直剪试验主要用于验算筋土界面的抗剪强度，而拉拔试验则用来确定土中筋材的抗拉拔强度［8-10］.实际工程中，拉拔试验能更好地反映加筋土中材料的真实工作状态.Raguif等［11］对砂中土工格栅进行了拉拔试验研究，并与有限元计算结果进行了对比分析.Meye等［12］系统研究了竖向荷载和压实度对筋土界面相互作用特性系数和拉拔力的影响.Sugimoto等［13］通过对一系列拉拔试验结果的对比发现，试验箱的大小、侧壁摩擦和拉拔速率等对界面的特性都有重要的影响.

随着加筋土研究的不断深入，加筋土体内筋材的布置由以前的一维线性及二维平面逐渐向三维空间发展.张孟喜［14］首先提出了立体加筋土的概念.立体加筋是指在传统水平加筋的基础上布置竖向或空间形式的齿筋，因此，立体加筋除了具有传统水平筋与填土摩擦作用外，竖向或空间形式的齿筋也将提供较大侧阻力，从而显著提高了加筋土的强度.

本研究在H-V加筋［15-18］的基础上，提出一种网格状带齿加筋形式;然后，对该种加筋材料在多种法向应力的作用下进行拉拔试验对比研究，并分析了相应的试验结果.

1 网格状带齿加筋

网格状带齿加筋是一种集水平、竖向、空间为一体的三维立体结构.目前，在工程应用中，已出现多种网格状加筋材料，如土工格栅(包括单向土工格栅和双向土工格栅)(见图1)、土工网、土工格室等.网格状带齿加筋(见图2)是指在传统的水平网格状加筋的基础上布置竖向齿筋.

在土中布置网格状带齿加筋材料以后，除了具有传统水平筋与填土摩擦作用，竖向齿筋也提供了较大的侧阻力，从而约束土体的侧向变形，起到加固作用.又由于加筋材料含网格状，因此能提供较大的环向应力，使土的围压增大，从而增大了填土的强度和刚度.

图1 水平网格状加筋Fig.1 Horizontal grid reinforcement

图2 网格状带齿加筋Fig.2 Grid reinforcement of denti-inclusion

2 试验材料及试验方案

2.1 试验材料

(1)筋材.试验材料(见图3)为有机玻璃.首先，对平板有机玻璃材料进行孔洞设置，并通过在孔洞后部布置一定的竖筋来构成网格状带齿加筋材料.拉拔试验中试样的尺寸(长×宽×厚)为45 cm× 29 cm×0.3 cm，其中有效长度为30 cm，剩余部分伸出试验箱外并与夹具相连.材料加工过程中需要先确定试样的孔洞大小，再通过对加筋效果的分析，确定材料的最佳开洞率.本试验通过对多种不同孔洞大小的试样进行加筋后的效果分析，最后选定了3种不同孔洞大小的筋材，孔洞大小(长 ×宽)分别为50 mm×60 mm，60 mm×60 mm，70 mm×60 mm，其中图3(a)为60 mm×60 mm的试样.通过添加不同高度的竖筋，构成了网格状带齿加筋材料(见图3(b)).

(2)填料选用纯净河砂，其颗粒级配分布曲线如图4所示.为了减少填料水分对试验结果的影响，本研究采用了干砂试样，试验所用砂土的物理性质指标如表1所示.

2.2 试验方案、设备及方法

本研究以网格状带齿有机玻璃为主要加筋材料，共设计由不同孔洞大小、不同齿筋高度组合而成的12种工况(见表2).

图3 试验材料Fig.3 Experimental materials

图4 试验用砂颗粒级配分布曲线Fig.4 Grain size distribution curves of sand used in tests

表1 砂样的物理特性参数Table 1 Physical characteristic parameters of sand samples

按照实际工程中筋材的布置情况，法线应力范围为10～100 kPa.因此，本试验取各工况在法向应力分别为25，50和75 kPa时，对网格状带齿有机玻璃材料进行拉拔试验研究，并得到拉拔力与法向应力、筋材位移的关系曲线.

本试验采用上海大学自行研制的应变控制式拉拔试验机(见图5).试验台为简单的钢梁结构，宽0.2 m，长2 m，2根支撑柱通过地脚螺栓固定在地面上;拉拔试验箱尺寸(长×宽×高)为30 cm× 30 cm×30 cm，壁厚2 cm，侧面设有钢化透明玻璃观察视窗;垂直和水平荷载分别由气压系统和电动机提供，最大垂直压力1 MPa，最大拉拔力2 t;内设数据自动采集系统，可根据同步采集到的数据绘制出关系曲线，以实现数据自动处理.

表2 试验工况Table 2 Experimental cases

图5 试验仪器Fig.5 Experimental apparatus

试样制备过程如下：首先，往箱中装砂，按照统一的标准边装边击实，以保证土体的密实度一致，当装到前孔高度时，放置筋材，筋材通过前孔与夹具相连;然后，继续加砂，直到试样制备完毕，对试样施加垂直荷载后，开启数据采集系统;最后，施加水平荷载开始试验.

3 拉拔试验结果及分析

3.1 试验结果

根据网格状带齿有机玻璃材料在不同法向应力作用下的拉拔试验结果，可绘制出拉拔力T与水平位移u的关系曲线.以齿筋高度h=5 mm的网格状带齿有机玻璃为例，在不同孔洞大小情况下，拉拔力与位移的关系曲线如图6所示.

以孔洞大小为60 mm×60 mm的网格状带齿有机玻璃为例，在不同齿筋高度下，拉拔力与位移的关系曲线如图7所示.

由图6和图7可知：①网格状带齿有机玻璃在不同法向应力作用下，拉拔力随位移的增大而增大.拉拔力增大到一定值后开始缓慢增大，最终趋于稳定;②当齿筋高度h=5 mm时，孔洞大小为60 mm× 60 mm的网格状带齿有机玻璃材料的加筋效果最为理想，这是因为孔洞大小为50 mm×60 mm的筋材没有将孔洞与填土的镶嵌和咬合作用完全表现出来，而孔洞过大的70 mm×60 mm筋材与填料的接触面积较小，所以摩擦力较小;③ 拉拔力随法向应力的增大而显著增大，同一孔洞大小的有机玻璃，拉拔力随齿筋高度的增加而明显增大.

3.2 齿筋作用分析

网格状带齿加筋研究的关键是齿筋的加筋效果，即齿筋对整个加筋的贡献作用.具体要从以下几个方面考虑：①齿筋是否能够提高拉拔阻力;②齿筋在整个拉拔力中的贡献有多大;③齿筋高度对加筋效果的影响.

图6 不同孔洞大小情况下的网格状带齿加筋拉拔力与位移关系曲线Fig.6 Pull-out resistances versus displacement of grid reinforcement of denti-inclusion in different sizes

图7 不同齿筋高度下网格状带齿加筋拉拔力与位移关系曲线Fig.7 Pull-out resistances versus displacement of grid reinforcement of denti-inclusion in different heights

以法向应力为25 kPa为例，不同齿筋高度的网格状带齿有机玻璃材料的极限拉拔阻力如表3所示，表中h为齿筋高度，Tult为极限拉拔力，K为极限拉拔力提高率.相对于网格状水平有机玻璃材料，网格状带齿有机玻璃材料由于设置了齿筋，因此极限拉拔阻力明显提高.如孔洞大小为50 mm×60 mm的网格状带齿加筋的极限拉拔力提高了18.7%～114.0%，孔洞大小为70 mm×60 mm的带齿筋的极限拉拔力提高了13.0%～119.9%.这说明与水平网格状有机玻璃材料相比，网格状带齿有机玻璃材料的加筋效果更为明显.

表3 极限拉拔阻力Table 3 Ultimate pull-out resistance

界面特性参数(见表4)能较好地反映出筋土间的界面特性，表中c为似粘聚力，f*为土与网格状带齿加筋材料表面间的似摩擦系数.由表4可知，孔洞大小为60 mm×60 mm的网格状水平加筋的似粘聚力为0.18 kPa，似摩擦系数为0.32;而该孔洞大小的网格状带齿加筋在齿筋高度为10 mm时的似粘聚力为4.90 kPa，似摩擦系数为0.46.

表4 界面特性参数Table 4 Parameters of interface characteristics

4 拉拔阻力分析

网格状带齿加筋拉拔过程中，筋土间的相互作用表现为摩擦-被动抵抗机制，其中网格状水平筋与土间相互摩擦产生摩擦力，而与受拉方向垂直的齿筋主要提供侧阻力(见图8).图9为拉拔阻力分析图.

图8 摩擦-侧阻力相结合示意图Fig.8 Combination of friction and bearing resistance

图9 拉拔阻力分析图Fig.9 Analysis graphics of pull-out resistances

网格状带齿加筋的拉拔阻力计算如下：

式中，T为网格状带齿有机玻璃的拉拔阻力，Tgf为土与网格状水平筋接触面的摩擦力，Tbf为齿筋上表面的摩擦力，Tb为齿筋的侧阻力.下面介绍摩擦力及阻力的计算.

(1)网格状水平筋摩擦力为

式中，σn为法向应力，As1，As2分别为网格状水平筋上、下表面(已扣除齿筋面积)承受的法向应力的面积.

(2)齿筋上端面摩擦力为

式中，Abs为齿筋上端面的面积，fb为齿筋端面与填料之间的摩擦系数.

(3)齿筋侧阻力的计算参照Moraci的土工格栅受力分析［19］，按下式计算：

式中，n为齿筋个数，Ab为齿筋侧面承受阻力的面积，Ab=Bh，σb为齿筋侧面所受侧阻应力，σb按照Matsui等［20］提出的公式计算，即

式中，φ为土的内摩擦角，即

(4)将式(2)，(3)，(6)带入式(1)，得到网格状带齿有机玻璃的拉拔阻力

下面对孔洞大小为60 mm×60 mm的网格状带齿加筋的试验结果与理论值进行对比.齿筋厚度分别为0，5.0，7.5，10.0 mm，齿筋与水平筋的材料相同，f*=fb，砂土内摩擦角为31.6°.将上述参数分别代入式(7)，得到各工况下的拉拔阻力计算值(见表5).通过对比可以发现，计算值与试验值基本吻合，误差大多在10%以内，最大误差为14.92%.

表5 极限拉拔阻力的试验值与计算值对比Table 5 Comparison between experimental and analytical results of ultimate pull-out resistance

5 结论

本研究对有机玻璃进行了孔洞设置以及齿筋添加处理，并通过拉拔试验初步探讨了网格状带齿有机玻璃的界面特性.由试验结果分析可得到如下结论.

(1)网格状带齿有机玻璃在不同法向应力的作用下，拉拔力随位移的增大而增大.拉拔力增大到一定值后开始缓慢增大，最终趋于稳定，表现为强化阶段.也有部分曲线先达到一个峰值，然后开始减小，表现为明显的软化阶段.

(2)在相同法向应力作用下，网格状带齿有机玻璃材料加筋的拉拔阻力明显高于水平网格状有机玻璃材料.

(3)孔洞大小和齿筋高度对网格状带齿有机玻璃材料的极限拉拔阻力有重要影响.在相同法向应力作用下，极限拉拔力随着齿筋高度的增加而增大.齿筋高度的增加可以提高筋材的摩擦系数，增加界面的摩擦特性.

(4)通过对试验值和理论值的比较，发现二者基本吻合.

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