土工格栅在砂土中的界面摩擦特性

赵川，窦远明，耿敏

（河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

0 引言

目前土工格栅作为一种新型的加筋材料在工程中的应用已日趋广泛，在道路、铁路、软土地基加固、挡土墙加固、高填方路基加固等工程领域中具有卓越的效果。土工格栅是一种高强度、耐腐蚀、柔性好的土工合成材料。土工合成材料能弥补天然岩石材料抗拉性能不足的缺点，例如可有效地分配扩散荷载，提高路基的稳定性和承载力，延长使用寿命；防止路基材料的流失造成的路基变形、开裂；提高挡土墙的承载能力；在公路的路基和面层中加入土工格栅，还可以降低弯沉，减少车辙等等[1-3]。

土工格栅的界面摩擦特性是研究加筋机理的核心问题。杨广庆[4]等认为土工格栅界面摩擦特性受试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材的加持状况等几方面的影响。马时东[5]通过直剪试验和拉拔试验提出了土工格栅配合砂砾、碎石类填料等加筋效果较好，能够起到摩擦、啮合、嵌锁的综合作用。吴景海[6]等认为石灰粉煤灰可以作为理想的加筋工程的填料，并且提出了对于不同的加筋工程所采用的拉拔系数必须通过拉拔试验来确定。

目前用于测定土工格栅与填料之间的界面摩擦特性主要有拉拔界面摩擦试验和直剪界面摩擦试验两种试验方法。近年来有许多学者已经对土工合成材料的界面摩擦特性展开了大量的试验，但是相对于工程的实际需求还远远不够。因此还需要进一步展开对加筋材料的界面摩擦特性研究。

尽管直剪试验和拉拔试验均能反映土工格栅的界面摩擦特性，但是直剪试验只有一个界面与填料之间产生摩擦作用，而拉拔试验中的两个界面均会产生摩擦，因而拉拔试验的空间效果更强，连锁效应更好。本文通过室内拉拔试验来对不同型号、不同类型的土工格栅的界面摩擦特性做了进一步分析，为土工合成材料在实际工程中的应用提供理论依据。

1 试验装置与材料

1.1 拉拔试验装置

拉拔试验箱为矩形箱体，侧壁有足够的刚度，受力时不变形，箱体尺寸为40 cm×30 cm×30 cm（长×宽×高），箱体两面侧壁的半高处开一贯通全宽的窄缝，高约5 mm，供土工格栅拉出箱体用。紧贴窄缝内壁，安置可上下抽动的插板，用于调整缝隙的大小，防止土粒露出。垂直荷载控制系统采用自动化油压加载系统，法向应力在试验过程中保持恒压，且均匀的作用在土面上。水平加荷控制系统采用应变式控制加荷。水平位移通过位移传感器测读，拉压应力由拉压力传感器测读，数字显示，有相应的应用程序能够通过计算机接口传递试验数据。拉拔试验仪器如图1所示。

图1 拉拔试验装置

1.2 试验材料

试验选取3种型号的土工格栅，分别为EG90R单向土工格栅、TGDG80单向土工格栅和EG3030双向土工格栅。拉拔摩擦试验中格栅的尺寸为45 cm×26 cm，其中在拉拔试验箱中的有效面积为37 cm×26 cm。其技术指标如表1所示。

表1 拉拔试验中土工格栅的技术指标

该拉拔界面摩擦试验用土为河北省邢台市邢汾高速正在施工过程中的现场用土。通过常规的室内试验测得该土质的基本性质参数，见表2。

表2 砂土的基本性质参数

2 试验内容与方法

拉拔试验采用应变式控制方式。土工格栅与砂土的界面摩擦特性研究试验共3组：EG90R型单向土工格栅在不同的垂直荷载的条件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）与砂土的拉拔摩擦特性试验；TGDG80型单向土工格栅在不同的垂直荷载的条件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）与砂土的拉拔摩擦特性试验；EG3030型双向土工格栅在不同的垂直荷载的条件下（25 kPa、50 kPa、100 kPa）与砂土的拉拔摩擦特性试验。

拉拔试验的操作[7-8]：1）先在试验箱中加入适量的土体，按93%的压实度分层压实，压实后，保证土体的水平面略高于试验箱一侧的窄缝下缘。2）将土工格栅平铺在土体表面上，要求平整无皱。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，使插板下缘正好在格栅的表面之上，将插板固定。3）继续往箱内填土，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加压，可以在砂土表面均匀的撒上一层细沙。4）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。对粒状土体的固结时间一般不少于15 min。然后施加一微量水平荷载，使水平荷载装置的各处受力绷紧。5）将各个读数系统清零，然后调节拉拔速率为3 mm/min，启动试验。每组试验中当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。

3 试验结果与分析

图2、3、4为在不同垂直荷载作用下，各类型的土工格栅在砂土中的界面摩擦特性曲线。EG90R型单向土工格栅在砂土中的界面摩擦特性指标为：c=12.18 kPa，f=0.078，φ=4.5°；TGDG80型单向土工格栅在砂土中的界面摩擦特性指标为：c=15.77 kPa，f=0.153，φ =8.7°；EG3030型双向土工格栅在砂土中的界面摩擦特性指标为： c=14.16 kPa，f=0.148，φ =8.4°。

如图2、3所示，在相同的垂直荷载作用下，TGDG80型单向土工格栅的拉拔力要高于EG90R型单向土工格栅。因为TGDG80型单向土工格栅的横肋要比EG90R型单向土工格栅宽，摩擦效果更明显一些。同一类型的土工格栅随着垂直荷载的增加，在一定的拉拔位移范围内，拉拔力也随之增大。土工格栅与砂土之间的界面摩擦特性与上覆荷载有直接的关系，因此在实际工程中，应根据实际的工程条件，来选择相应的上覆荷载做室内拉拔试验，这样便能够保证土工合成材料在实际的工程中最大发挥其抗拉性能。

图2 EG90R型格栅拉拔试验特性

图3 TGDG80型格栅拉拔试验特性

图4 EG3030型格栅拉拔试验特性

试验结果显示：拉拔试验界面摩擦特性τ-L曲线呈非线性关系。起初在拉拔位移小于5 mm时，在3种不同的垂直荷载作用下，τ-L曲线接近呈线性关系，随着拉拔位移的增大，曲线明显的呈非线性关系。随着垂直荷载的增大，其相应的拉拔力的峰值所对应的位移量也随之增加。这是因为拉拔阻力是随着埋入的长度由箱外向箱内传递逐渐发挥出来的。

通过拉拔试验对比分析，EG3030型双向土工格栅在砂土中的摩阻力要大于EG90R型单向土工格栅在砂土中的摩阻力，但是小于TGDG80型单向土工格栅在砂土中摩阻力。其原因一方面与填料的性质有关，另一方面与筋材的性质有关。

EG3030型双向土工格栅在拉拔试验的过程中与单向土工格栅相比容易被拉断，如图5所示。土工格栅与土体之间的摩擦可分为两部分，一部分是土工格栅表面与土体之间的摩擦作用，另一部分是土工格栅的网格与土体之间的被动阻力产生的空间连锁作用。双向土工格栅被拉断的主要原因是因为双向土工格栅的网格比较多，横肋比较多，空间连锁效应比较强，这部分摩阻力承担了主要摩擦力。而且双向土工格栅的横肋比较细，因此在拉拔试验的过程中横肋容易开裂。

图5 双向土工格栅拉拔试验现象

4 结语

1）拉拔试验结果表明：TGDG80型单向土工格栅在砂土中的拉拔摩擦系数最大，EG3030型双向土工格栅的次之，EG90R型单向土工格栅在砂土中的拉拔摩擦系数最小。

2）在相同的筋材条件下，双向土工格栅与填料之间的摩阻力比单向土工格栅的要高，这是因为双向土工格栅网格比较多，土工格栅网格与填料之间的空间连锁作用较强，因此在实际的加筋工程中双向土工格栅可以作为一种比较好的加筋材料。

3）不同的加筋材料之间的拉拔系数相差较大，具体的加筋工程中应该根据实际情况通过拉拔试验来测得摩擦系数。

4）本文只针对砂土且如表1中的三种土工格栅进行了拉拔试验，在试验过程中会出现难以控制的因素，比如说压实度的控制，最佳含水率的控制，等等。在今后的试验研究中，需要克服这些影响因素，进行大量的土工合成材料拉拔试验，在实际工程应用中，还需要结合工程的实际特点，这样才能为土工合成材料在工程中的应用提供可靠的设计参数。

[1]《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.

[2]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.

[3]唐晓松，郑颖人，王永甫.土工格栅加筋土挡墙在某机场滑坡治理工程中的应用[J].土木工程学报，2011，44：60－64.

[4]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.

[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]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.

[7]JTJ/T 019—98公路土工合成材料应用技术规范[S].

[8]JTG/E 50—2006，公路工程土工合成材料试验规程[S].