格栅反包生态袋挡土面层界面特性试验研究

魏军扬，王保田，张海霞，2，蓝日彦

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 岩土工程水利部重点实验室,江苏 南京 210098；3.广西交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

加筋土作为一种复合结构体系，由抗压强度较好的填土和水平分层铺设在填土中抗拉强度较好的加筋材料组成，集一定抗剪强度和抗拉强度于一体，是一种稳定性较好的护坡或挡土工程形态。2000年后，采用绿维抗老化生态袋作为挡土结构层面和护坡表面开始在工程中得到应用，使不同坡度的挡土结构和边坡工程成为统一绿色、抗冲蚀性好的新型结构。加筋土由于具有经济环保、施工方便、稳定性好、对地基条件要求低等诸多优点,已经广泛应用于土建、水利、园林等工程中[1]。国内外针对加筋土结构和绿色景观护坡技术进行了一系列的研究，概括起来主要集中在加筋土变形规律的研究[2-5]，加筋挡土结构的模型试验研究[6-10]，及加筋与生态挡土结构面与加筋连接特性实验研究[11-12]等方面。加筋格栅反包生态袋柔性挡土结构工艺下生态袋与加筋的连接强度强弱成为控制生态挡土结构面层乃至整个挡土结构稳定性的关键。笔者用两种相同网格尺寸、不同强度的经编涤纶土工格栅反包袋装黏土生态袋挡土面层，对格栅进行了室内拉拔试验，为加筋挡土结构面层界面作用特性研究提供参考，对加筋土工程具有一定指导意义。

1 试验材料基本参数

1)填土黏土的基本参数见表1。

表1 黏土基本参数

2)本试验生态袋和两种经编涤纶双向土工格栅的基本参数见表2，格栅网格尺寸为250 mm×250 mm，网孔尺寸为200 mm×200 mm。在拔盒中可以平铺8根纵筋，格栅拉伸试验的力-位移曲线如图1。

表2 生态袋和格栅基本参数

图1 格栅拉伸试验力-位移曲线Fig.1 Curves between geogrid tensile force and displacement

2 试验仪器及操作步骤

土工格栅若进行直剪试验，由于土工格栅孔较大, 土体之间的摩擦强度占试验结果较大比重,故而采用拉拔摩擦试验。

2.1 试验仪器

采用微机控制土工合成材料直剪拉拔摩擦试验系统。

2.1.1 拉拔箱

拉拔箱为矩形箱体，拉拔箱及拉拔试验简图如图2，长×宽×高为25 cm×25 cm×20 cm。为保证受力时不变形，侧壁用有足够刚度的厚钢板焊接而成。拉拔箱前面侧壁的半高处开一条高约6 mm的横贯全宽的水平窄缝，供试样引出箱体用；为防止土粒漏出，在紧贴着窄缝内壁处安置1个插板，可通过上下抽动调整窄缝的缝隙大小。

图2 格栅反包生态袋拉拔试验示意Fig.2 The schematic of reversely packed drawing test

2.1.2 加荷系统

1)垂直荷载用杠杆通过足够刚度的加压板传递施加。

2)水平荷载采用步进电机传动减速装置按应变控制方式施加。

2.1.3 数据采集系统

数据采集系统由位移传感器、拉压力传感器、数采仪、微机等部分组成。采用拉压力传感器测力；采用数显位移传感器测水平位移。

2.2 试验操作步骤

1)将土料装入拉拔箱，按要求分层压密，压密后土面前低后高，前面略高于箱侧窄缝。

2)将生态袋布平整地平铺于土面上。将格栅通过窄缝平铺于生态袋布上，预留足够的夹持长度，使格栅和水平夹具连接。插入插板，调整好高度。

3)继续往箱内装土，分层压密使得土面平整，略低于箱顶，放上加压板。

4)安装好水平位移传感器，并将位移传感器清零。将杠杆压轮对准传压板正中。为使土料固结，施加相应要求的垂直荷载。固结时间视土性和排水距离而定。将夹有试验格栅的夹具连接到水平加荷装置上。

5)施加水平荷载。由微机进行整个试验过程自动控制。拉拔速率视土性而定，由软件控制。

6)进行试验。数据出现峰值或数据变化平缓时候停止试验。

7)改变竖向荷载，重复试验步骤1)～6)，进行各竖向荷载下的拉拔试验。

为求得拉拔摩擦强度指标，一般在4种不同垂直荷载下进行试验，其中最大的一级荷载(压力)应不小于设计荷载。

3 试验结果及分析

3.1 生态袋间界面作用特性试验结果分析

生态袋装黏土界面直剪摩擦特性试验的摩擦力与直剪位移关系曲线见图3。

图3 袋装黏土生态袋界面摩擦阻力与剪切位移曲线Fig.3 Curves between the friction of the interface of ecological bags packed clay and shear displacement

由图3可见，曲线没有峰值出现，其摩擦强度取剪切位移变形约20 mm处的摩擦力值，因为此时对应的土体剪切位移变形率表明已经发生土体破坏。试验结果表明：摩擦强度随法向应力的增大而增大；生态袋的袋-袋间直剪试验获得袋-袋界面的摩擦强度包线是一条直线，如图4。

图4 袋装黏土生态袋界面法向应力与抗剪强度曲线Fig.4 Curves between the shear strength of the interface with ecologicalbags packed clay and vertical stress

3.2 加筋格栅反包生态袋格栅拉拔试验结果分析

格栅a反包生态袋时生态袋与格栅a之间界面的拉拔摩擦阻力与拉拔位移关系曲线见图5。

图5 袋装黏土格栅a反包生态袋拉拔强度与位移曲线Fig.5 Curves between drawing strength of geogrid a with ecological bags reversely packed clay and drawing displacement

由图5可见，拉拔摩擦阻力与拉拔位移关系曲线大多数出现峰值，峰值对应的拉拔阻力随法向应力的增大而增大。个别未出现峰值，甚至有随位移增大而增大的趋势，此种现象一般是发生在较低法向应力试验条件下，原因是填土虽在生态袋外格栅的强力包裹下，由于法向应力较小，对反包生态袋和其填装的黏土约束作用相对较小，随着拉拔试验的进行，加筋格栅对格栅反包生态袋和填土的约束作用越来越强，相对于法向应力作用开始起主导作用，作用填土整体结构变形进一步趋于稳定，成较为密实的团状，使得摩擦界面变得更加粗糙，继续拉拔只是相当于格栅拉伸，故而表现为拉拔试验不出现峰值。由于试验条件限制，取本次试验最终值作为相应法向应力的拉拔强度。因采取格栅反包生态袋形式，受力面积难以判断，故得出的拉拔应力均可看作是等效拉拔应力，即认为拉拔实验的作用面积仅为拉拔盒内平铺面积。

试验结果显示，大部分应力也是作用在中部格栅平铺部分，反包部分很少(图6中起毛部分为格栅平铺部分，这是因为格栅拉出时受力较大所至，右边勒痕为格栅反包沿拉拔盒竖起部分，受力很少，此处仅以砂土组为例，其余相似)。

图6 格栅反包装砂土生态袋拉拔试验后生态袋表面状况Fig.6 Ecological bag surface condition after the test of drawing geogrid from bags inversely packed by geogrid

由格栅a反包袋装黏土生态袋拉拔试验可以得出，格栅a在生态袋之间的拉拔强度包线是一条直线，试验结果见图7。

图7 袋装红粉黏土格栅反包生态袋拉拔强度与法向应力曲线Fig.7 Curves between the drawing strength of the geogrid with ecological bags reversely packed clay and vertical stress

格栅b反包生态袋时生态袋与格栅b之间界面的拉拔试验情况与格栅a试验相似。其摩擦阻力与拉拔位移关系曲线与相对应的拉拔强度包线分别类似于图5，图7。

生态袋装黏土时生态袋之间的剪切摩擦试验和加筋格栅a、格栅b反包生态袋时的拉拔试验结果见表3。其中平均摩擦系数为4种荷载下试验强度与相应法向应力之比的平均值。

表3 剪切与反包拉拔试验结果

通过对比可以发现：

1)反包生态袋时拉拔强度明显比袋装黏土生态袋界面间直剪试验的试验强度大，反包拉拔试验的平均摩擦系数和黏聚力比袋装黏土生态袋直剪试验大，但是摩擦角大小却相反；其作用机理为反包拉拔试验强度是格栅与生态袋摩擦阻力，填土挤压生态袋透过格栅空隙对格栅的阻力以及格栅本身的部分拉伸强度的叠加。

2)格栅b反包拉拔试验强度比格栅a的拉拔试验强度高，无论是黏聚力、摩擦角还是摩擦系数指标均是格栅b试验组比格栅a试验组大。分析其原因为，格栅b的拉伸试验强度比格栅a大，相同约束条件下格栅b的拉拔试验拉伸变形小，即相同变形条件下表现为拉拔试验强度大，对每级法向荷载条件下反包拉拔试验而言，其后期主要表现为袋装黏土和生态袋结构逐渐趋于稳定，拉拔试验也逐渐以格栅的拉伸为主导，故强度较高的格栅b比强度较弱格栅a反包拉拔试验强度高。

4 结 论

1)袋装黏土生态袋界面之间的剪切摩擦强度和加筋格栅反包生态袋的试验强度均随法向应力的增加而增加，强度包线均是直线。

2)加筋格栅反包生态袋的试验强度比袋装黏土生态袋界面之间的剪切摩擦强度要高，反包拉拔试验的平均摩擦系数和黏聚力比袋装黏土生态袋直剪试验大，但是摩擦角大小却相反。拉拔试验强度随着法向应力的增大而增大，且拉拔强度-位移曲线并不一定出现峰值。

3)强格栅反包拉拔试验强度比弱格栅的拉拔试验强度高，无论是黏聚力、摩擦角还是摩擦系数指标均是强格栅试验组比弱格栅试验组大。因此，在工程中，尽量选择强度大的格栅有利于加筋挡土结构面层的稳定。

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