土工格栅横肋在加筋作用中贡献的试验研究

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(河北锐驰交通工程咨询有限公司， 石家庄 050000)

1 试验原理

土工格栅对土的加固机理在于格栅与土的相互作用，这种相互作用可归纳为以下3种：①格栅表面与土粒的摩擦作用；②土粒对格栅肋条的被动阻抗作用；③格栅孔眼对土的镶嵌与咬合作用[1-3]。

上述3种作用方式通过约束土颗粒的侧向位移，增加土体的自主稳定性。同时，这3种作用明显提高土工格栅在土中的抗拔能力或格栅对土的加固效果。

当土工格栅受力拔出时，所受拔出阻力由2部分组成：①填土与土工格栅表面的摩擦阻力；②填土对格栅横肋的被动阻力。其中填土与土工格栅表面的摩擦阻力则由土工格栅纵肋摩擦阻力、横肋摩擦阻力组成，即有[4]

F=F1+F2+F3=2Azσntanδ+

2Ahσntanδ+AcσnNq。

(1)

式中：F为土工格栅在土体中处于拔出状态时所受阻力(kN/m)；F1为所有纵肋极限摩擦阻力(kN/m)；F2为所有横肋极限摩擦阻力(kN/m)；F3为所有横肋侧面阻力(kN/m)；Ah为横肋承受法向荷载面积(m2)；Az为纵肋承受法向荷载面积，当纵肋肋条较厚时，不能忽略侧面积；Ac为横肋侧面承受阻力面积；σn为法向压力；Nq为承压不均匀系数。

由于纵肋和横肋的连接部分较其他部分更宽更厚，可以提高格栅本身的强度并增加该部分在土中的摩阻力，但是如果去掉横肋，这些加宽和增厚部分不存在，土工格栅只剩下一些面积和厚度不变的窄长的矩形条。

在试验过程中，用完整格栅试验得到的力减去去掉横肋后的“矩形条”所受的力，设为F4，即横肋在土工格栅加筋作用中的贡献。则

F4=2Ajσntanδ,

(2)

Aj=nLb。

(3)

式中：Aj为去掉格栅横肋及连接部分后，剩余纵向肋条部分承受法向荷载的面积；n为埋入加筋土中的纵肋条数；L为埋入加筋土中的土工格栅长度；b为土工格栅单根纵肋上矩形段宽度；δ为筋-土界面相互作用摩擦角。

用k来表示土工格栅横肋对拉拔过程中所受阻力的贡献值，计算公式如下：

(4)

2 试验仪器

试验设备为自主研发的大型拉拔仪，采用电动机自动控制加载速率，实现了与小型常规土体拉拔试验工作原理相同的应变控制式土工格栅拉拔试验功能，见图1。

整个试验箱尺寸为800 mm×400 mm×550 mm(长×宽×高)。试验箱靠近加载端的挡板上预留宽1 cm的槽口。试验箱上部有反力架，筋土界面上的正应力通过安放在刚性钢板上的千斤顶施加，给土层施加均匀和稳定的法向荷载。

图1 自制拉拔试验仪

3 试验材料及方法

3.1 填料类型

试验采用黏性土作为回填料，主要物理性质指标如表1、表2所示。

表1 黏性土的主要物理性质指标

表2 粒度成分分析结果

注:括号内的数据为相应粒组的质量，单位为g。

表3 拉拔试验中格栅材料的力学性能

注：T/L分别指横向、纵向。

3.2 土工格栅类型

试验采用青岛颐中格栅公司所生产的高密度聚乙烯(HDPE)单向土工格栅EG65R，EG90R和双向格栅EG3030，性能指标如表3所示。

3.3 试验方法

本文设定在速率为5 mm/min和含水量为15%的条件下进行拉拔试验，分析土工格栅横肋在格栅与土的嵌固作用中发挥的作用以及对筋土界面特性的影响。

4 试验结果分析

试验得到2种土工格栅在有横肋和无横肋状态及不同法向力作用下的拉拔力与拉拔位移曲线(如图2)，由此可知，分别以有横肋和无横肋土工格栅为加筋材料的加筋体，其强度包线存在明显的差别，如图3所示。

图2 拉拔力与拉拔位移曲线

图3 格栅与填料土的τ-σ曲线

所得的内摩擦角、黏聚力和界面摩擦因数比等按照格栅类型和有无横肋等因素分类，制成表4。

表4 土工格栅有、无横肋时筋-土界面参数

从表4中可知，去肋后土工格栅对界面强度参数影响较大。对于单向土工格栅EG65R,在界面摩擦因数方面，去掉横肋后，筋土界面摩擦因数由0.26降低至0.18，降低了0.08，降幅达31%；在筋土界面黏聚力方面，土工格栅去掉横肋后黏聚力由41.9 kPa降低至33.9 kPa，降低8 kPa，也降低了约19%。对于双向土工格栅EG3030，土工格栅去掉横肋后，界面摩擦因数由0.27降低至0.17，降低了0.10，降幅达37%；在筋土界面黏聚力方面，土工格栅去掉横肋后黏聚力由44.3 kPa降低至34.3 kPa，降低10.0 kPa，也降低了约22.6%。土工格栅EG65R和EG3030的界面摩擦因数比分别降低了30.85%和37%。由此可见，去掉土工格栅的横肋后，对界面摩擦因数和黏聚力都有较大影响，使之产生较大幅度的降低。

5 结 语

由试验结果可以看出，横肋在土工格栅加筋结构中的作用十分重要，占土工格栅在拔出过程中受到的阻力的30%以上。然而，这种试验方法还存在很大的不足，并不能全面反映格栅横肋在土工格栅加筋作用中的贡献。采用去掉横肋以测取土工格栅横肋在土工格栅加筋作用中的贡献的方法是正确的，但是由于试验材料及试验条件的限制，最后测出的结果都要小于实际横肋所起到的作用。最主要的原因是虽然将格栅的横肋去掉了，但其横肋破坏处表面依然凹凸不平，且格栅横肋部分相较其他部分宽且厚，这样试验过程中所测出来的拉拔力中仍然有一部分是由于格栅横肋作用所产生的力，最终计算出的结果就要小于格栅横肋实际发挥的作用。实际上，横肋在土工格栅的加筋作用中提供的摩擦力应该超过50%，在王钊等[5-6]研究中，横肋在土工格栅加筋作用中的贡献可以达到90%。

参考文献：

[1] 《土工合成材料应用手册》编写委员会. 土工合成材料应用手册(第2版) [M]. 北京:中国建筑工业出版社,2000. (The Compiling Committee. Manual of Geosynthetics Application(2nd Edition)[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2000. (in Chinese))

[2] 施有志. 土工合成材料的工程特性与加筋垫层试验研究[D]. 泉州：华侨大学，2003.(SHI You-zhi. Experimental Study on Engineering Properties and Reinforced Cushion Geosynthetics[D]. Quanzhou: Huaqiao University, 2003. (in Chinese))

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[4] MYLES B. Assessment of Soil Friction by Means of Shear[C]∥Proceedings of the 2nd International Conference on Geotextiles. Las Vegas, August 1-6, 1982：79- 87.

[5] 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.(WANG Zhao. Application of Geosynthetics Abroad[M]. Hong Kong: Modern Knowledge Press, 2002.(in Chinese))

[6] 栾茂田，肖成志，杨 庆，等. 土工格栅蠕变特性的试验研究及黏弹性本构模型[J]. 岩土力学，2005，26(2):187-192. (LUAN Mao-tian, XIAO Cheng-zhi, YANG Qing，etal. Geogrid Creep Properties of Experimental Research and Viscoelastic Constitutive Model[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(2): 187-192. (in Chinese))