土工格栅拉拔试验研究进展

刘巍巍，蔡晓光，徐洪路，黄 鑫

(1.防灾科技学院 地质工程学院，河北 三河 065201；2.中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

1960年末开始使用土工合成材料提高土工结构中土壤的抗拉强度，加筋土结构已经成为一种流行的方法，特别是在堤坝、斜坡、挡墙以及基础等结构中。在大多数加筋土结构中，其中一种关键的破坏模式是筋材从土壤中被拉出，导致结构变形过大而产生破坏。因此，拉拔阻力是加筋土结构设计中至关重要的一个环节，并且拉拔阻力主要与筋土之间的界面特性有关。目前，针对筋土界面摩擦特性主要有两种试验方法：直剪试验和拉拔试验[1]。直剪试验适用于筋土之间产生单面相对位移且筋材弹性模量较小；拉拔试验适用于筋土之间产生双面相对位移且筋材弹性模量较大。几十年来，土工合成材料的种类众多，不同种类的土工合成材料可以用于不同的情况。其中土工格栅的应用最为广泛。由于土工格栅的弹性模量较大，因此采用拉拔试验进行筋土界面特性的研究。现阶段，虽然通过拉拔试验对筋土界面特性研究取得了不少进展，并且也有部分的拉拔试验规范，但是国内外学者做拉拔试验所采用的模型箱尺寸、拉拔速率、边界条件等方面仍然没有一个公认值。鉴于此，本文结合国内外拉拔试验研究就其过程以及结果进行综述。

1 试验条件

1.1 模型箱尺寸

《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50—2006)[1]和《土工合成材料测试规程》(SL_235_1999)[2]以及该规范的2012版[3]皆规定土工合成材料的拉拔试验箱最小尺寸为0.25m(长)×0.2m(宽)×0.2m(高)；International Association for Testing Materials(简称ASTM)[4]规定拉拔试验箱最小尺寸为0.6m(长)×0.46m(宽)×0.305m(高)；Ochiai[5]进行了室内试验与现场试验并对其结果进行对比分析，发现试件的宽度严重影响筋土界面特性，当试件宽度小于300mm时，产生了严重的边界摩擦效应，而试件宽度为400mm时，并未产生此效应，鉴于此,笔者认为采用大尺寸的设备测试结果会更贴近实际；除此之外，国内外众多学者进行了大量的拉拔试验[6-16]，详细的模型箱尺寸见表1。

根据上述总结来看，国内拉拔试验规范中规定模型箱最小尺寸为0.25m(长)×0.2m(宽)×0.2m(高)过小，应该将最小尺寸进行一定幅度的提高，避免尺寸效应。

表1 模型箱尺寸

1.2 拉拔速率

目前，拉拔试验中有两种拉力控制方式：应变控制式和应力控制式，但大多数试验皆采用应变控制。其中《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50—2006)[1]和《土工合成材料测试规程》(SL_235_1999)[2]规定土工合成材料的拉拔速率一般采用0.2～3mm/min，对砂性土采用0.5 mm/min；International Association for Testing Materials(简称ASTM)[4]则规定针对所有回填料拉拔速率皆为1mm/min±10%；国内外学者进行了大量的拉拔试验，其中拉拔试验中所采用的拉拔速率也不一致，如表2所示。

表2 拉拔速率

由表2可知，国外学者对砂性土进行拉拔试验时，拉拔速率采用1mm/min，而国内学者采用的拉拔速率从0.5～3mm/min，大小不一。拉拔速率对土工格栅的拉拔试验结果影响很大。增大拉拔速率，拉筋附近的土体颗粒来不及重新排列，导致剪切阻力偏大，试验结果偏高，因此在选用拉拔速率时应当结合现场土样的实际情况。

1.3 边界条件

边界条件是指顶部边界条件(包括柔性边界和刚性边界)、模型箱前壁边界条件(包括柔性边界和刚性边界)以及侧壁的摩擦条件(试样两侧分别距模型箱两侧的距离)。

顶部边界条件中的刚性边界条件大多是指在回填土顶部放置刚性加载板，再在其上放置砝码或者利用作动器施压；柔性边界条件大多采用气囊或者水袋对回填土进行施压。目前，《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50—2006)[1]和《土工合成材料测试规程》(SL_235_2012)[3]规定顶部边界条件为刚性边界，国内大多数拉拔试验中采用的也是刚性边界[6-16]。然而，在拉拔试验过程中，由于横肋的作用，造成土壤堆积，导致回填土顶部不均匀，若采用刚性边界条件，则抑制土壤堆积与实际不符，鉴于此，International Association for TestingMaterials(简称ASTM)[4]则规定竖向荷载加载装置为气囊即柔性边界条件；《现代土工加筋土技术》[20]中记载了英国格拉斯哥大学进行拉拔试验时，竖向荷载采用填土顶部的橡皮囊用压缩空气加载；Teixeira[21]在对土工格栅横肋与纵肋单独进行拉拔试验时，竖向荷载同样采用气囊； Palmeira 与Milligan[22]采用刚性边界和柔性边界条件进行拉拔试验并对其结果进行对比分析，结果表明：在拉拔位移较小时，刚性边界和柔性边界对拉拔阻力影响较小；拉拔位移较大时，刚性边界和柔性边界对拉拔阻力影响较大；此试验结果与王志杰[23]的数值模拟结果一致。目前国外学者进行拉拔试验时竖向荷载大多采用气囊，而国内学者大多采用刚性边界，由此可见，顶部边界采用柔性边界是国内拉拔试验的发展方向。

同样，模型箱前壁边界条件也包括柔性边界和刚性边界。目前，由于加筋土挡墙的抗震性能好，节约用地，性价比高等优势被广泛应用于公路、铁路以及建筑中。而加筋土挡墙的墙面板大多为柔性面板，但国内外大多数学者进行拉拔试验时采用刚性面板[6-16]；仅有少数学者采用柔性面板[24]。鉴于此，模型箱前壁边界条件同样是国内拉拔试验的发展方向。

填料和侧壁的相互作用会导致施加的法向荷载部分被侧壁的摩擦效应所消耗，从而导致施加到土工格栅层的法向应力减小。为了避免侧壁的摩擦阻力，一般通过润滑盒壁，同时控制试样的宽度与箱宽的比值来减小这一影响。《公路工程土工合成材料试验规程》(JTG E50—2006)[1]试样宽度小于试样箱宽度即可；ASTM[4]则规定如果侧壁摩擦力最小化，试样的实际尺寸必须允许试样每侧与拉出箱的侧壁之间留出至少75mm(3英寸)的间隙，否则最小间隙应为每侧150mm(6英寸)；杨广庆[25]则按试验箱的尺寸裁剪土工格栅，土工格栅宽度约为试验箱宽度的3/4。由此可见，试样宽度小于试样箱的宽度，但试样宽度与试验箱宽度的最佳比值却没有一个公认值。

1.4 土工格栅形式

土工格栅种类较多，主要包括单、双向拉伸塑料土工格栅、多向拉伸塑料土工格栅、双向经编涤纶土工格栅、双向焊接聚酯土工格栅、双向焊接钢塑土工格栅、双向经编玻纤土工格栅等。目前，大多数拉拔试验中采用单、双向拉伸塑料土工格栅。蔡春等[26-27]对单向土工格栅设置了加强肋，对比分析了加强肋对拉拔阻力的影响并提出了拉拔阻力的计算模型；李磊等[28]对双向土工格栅设置了加强节点，分析了加强节点对拉拔阻力的影响；李贵超等[29]在普通双向土工格栅节点处设置了加强锚固片，对比分析结果表明带加强锚固片的土工格栅较普通土工格栅筋土界面的强度参数较大。总结以上文献发现，对普通格栅进行局部加强便可增大拉拔阻力，复合界面是拉拔试验的发展方向。

2 拉拔试验的主要成果

2.1 拉拔阻力的组成及贡献率

包承纲[30]认为埋设在土中的土工格栅受到拉拔作用时，筋土界面作用主要由两部分组成，即土工格栅与土之间的表面摩擦力和土颗粒与土工格栅横肋之间的端承阻力。其中，土工格栅横肋的端承阻力的贡献率较大。靳静等[8]进行了室内拉拔模型试验，结果表明横肋端承阻力对筋土界面的拉拔力的贡献接近占90%；王家全等[31]研究了纵横肋对筋土承载的影响，试验测得横肋的端承阻力占拉拔力的67%～71%；Bergado等[32]进行了拉拔试验，提出了纵肋的摩擦阻力占拉拔阻力的5%～15%以及横肋的端承阻力的计算公式；Teixeira等[21]通过对纵、横肋独立试验以及大型室内拉拔试验，研究了双向土工格栅纵横肋之间的相互影响，结果表明单独拉拔试验中，法向应力为25kPa时，横肋的端承阻力占拉拔阻力的60%，但大型室内拉拔试验中，横肋的端承阻力仅占拉拔阻力的26%；陈榕[33]进行了整体拉拔试验和横、纵肋独立拉拔试验，研究了单向土工格栅纵横肋之间的相互影响，试验数据经修正后表明横肋的端承阻力占拉拔阻力的66%。目前大多学者通过剔肋的方式研究纵、横肋的贡献率，忽略了单、双向土工格栅纵横肋之间的相互影响。除此之外，有关横肋摩擦阻力大小的研究也是一个空白。

2.2 横肋的端承阻力

国内外部分学者对横肋的端承阻力进行了理论分析，Martin Ziegler[17]、Bergado等[32]通过拉拔试验的力学模型及理论分析推导出横肋的端承阻力公式；王家全等[31]进行了不同法向压力的格栅拉拔试验，提出了纵肋的摩擦阻力和横肋的端承阻力计算公式并对比了整体剪切和刺入剪切破坏模式下的格栅拉拔阻力；Jewell[34]提出了横肋端承阻力的简便计算方法。详细公式见表3。这些简单的计算方法大多来自于理论分析，并未经过大量数据的验证。

2.3 拉拔阻力

土工格栅的拉拔阻力主要是由纵肋和横肋提供的摩擦阻力以及横肋的端承阻力组成。杨广庆等[35]在摩尔-库仑理论基础之上考虑了非膨胀区引起的附加应力增量，提出了新的拉拔阻力计算公式；Jewell[34]提出了土工格栅横肋的端承阻力以及摩擦阻力的计算公式；Nicola Moraci[36]考虑了土的剪胀效应以及土工格栅的延展性等因素，提出当S/B大于40并且S/D50大于1000时可忽略尺寸效应，同时提出了拉拔阻力新的计算公式；除此之外，还有部分学者在研究横肋的端承阻力的前提下，增添了土工格栅的摩擦阻力，从而求得土工格栅的拉拔阻力[31-32]，详细公式见表4。这些简单的计算方法大多来自于理论分析，并未经过大量数据验证。

表3 横肋的端承阻力

表4 拉拔阻力

3 结论

结合国内外土工格栅拉拔试验，对其试验条件及主要成果进行总结和分析，得出如下结论：

(1)试验条件：对加筋土中土工格栅的拉拔试验，国内外学者采用了不同的模型箱、拉拔速率、边界条件以及不同的土工格栅形式，但国内并没有一个全面而又严谨的拉拔试验规范。基于尺寸效应，诸多学者建议采用较大的模型箱；基于筋材上覆压力的均匀性以及加筋土工程的实际情况，诸多学者建议采用柔性气囊施加上覆荷载并采用柔性气囊模拟实际工程中的柔性面板；基于拉拔速率对筋土界面参数的影响，诸多学者往往采用1mm/min或0.5mm/min，很少结合实际的工程情况；与此同时，部分学者正进行普通土工格栅局部加强的拉拔试验，然而目前并未有相应的规范规定如何对普通土工格栅进行局部加强。

(2)试验结果：国内外学者进行了大量的拉拔试验，研究了拉拔阻力的组成以及各自的贡献率、横肋端承阻力以及拉拔阻力的计算方法。但忽略了土工格栅横肋和纵肋的相互作用，导致未能准确的判断各自的贡献率。目前有部分学者通过理论分析得到土工格栅拉拔阻力的简便计算方法，但并没有提出相应的力学模型。