加筋粗粒土大型拉拔模型试验分析

张东东 荣华

摘要：为明确加筋砾类粗粒土筋土界面之间的相互作用以更好地指导工程实践，在土工格栅加筋粗粒土上采用基于自主设计的可视化大型拉拔设备完成拉拔试验。采用高清数码跟踪技术研究加筋粗粒土拉拔界面的形成演化规律，探讨粗粒土的P5粗粒含量、土工格栅嵌入长度以及上覆应力的变化对筋土界面性质的影响。结果表明，格栅嵌入长度、粗粒含量、上覆应力的增加均可有效提高拉拔力峰值和剩余抗拔力;土工格栅嵌入长度短且粗粒含量低的情况下，筋土拉拔界面位移带形成较早;通过加入更多粗粒量与缩小嵌入长度，可以使拉拔试样内摩擦角与表面黏聚力提升;上覆应力在0～50 kPa范围中升高，可大幅度降低似摩擦系数，上覆应力超过50 kPa时，似摩擦系数下降趋势保持平缓状态。建议工程实际应用中优先考虑提高粗粒含量。所得结果对于合理控制粗粒含量，改善加筋土韧性，提高相关工程结构的稳定性与安全性具有一定的借鉴价值。

关键词：地基基础工程;土工格栅;粗粒土;可视化;拉拔试验;筋土界面

中图分类号：TU443文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx03005

Abstract：

In order to clarify the interaction between the reinforced gravel coarsegrained soil and the interface to better guide the engineering practice， the selfdesigned largescale visual drawing equipment was used to complete the pullout test on the geogrid reinforced coarsegrained soil. The formation and evolution of reinforced coarsegrained soil pullout interface were studied by using highdefinition digital tracking technology， and the influence of P5 coarse material content， embedded length of geogrid and change of overlying stress on the properties of reinforced soil interface was discussed. According to the test data， the increase of embedded length of geogrid， coarse material content and overlying stress can effectively improve the peak value of drawing force and the remaining pullout resistance; when the embedded length of geogrid is short and the content of coarse material is low， the displacement band of the drawing interface of reinforced soil forms earlier; the internal friction angle and the surface cohesion of the drawing sample can be increased by adding more coarse material and reducing the embedded length. If the overlying stress increases in the range of 0kPa to 50kPa， the quasi friction coefficient can be greatly reduced. When the overlying stress exceeds 50kPa， the decline trend of the quasi friction coefficient remains smooth. It is suggests that the increase of coarse material content should be given priority in practical application，

and the results provide some reference for the control of coarse material content， the amelioration of the toughness of reinforced soil and the improvement of the stability and safety of related engineering structures.

Keywords：

ground foundation engineering; geogrid; coarsegrained soil; visualization; pullout test; reinforced soil interface

眾多学者对筋土界面作用开展了广泛而深入的研究，尤其是针对加筋土界面作用特性的研究，

多采用拉拔试验来测定筋土界面参数[14]。

徐超等[5]通过室内拉拔试验，分析了土工格栅与砂土相互作用机制和格栅横纵肋对拉拔阻力的影响;MORACI等[6]采用多变量分析法和拉拔试验，对土工格栅抗拔性能进行了研究;SIDNEI等[7]、PALMEIRA[8]及施有志等[9]研究了筋土界面相互作用的机制，分析了拉拔试验中筋土界面作用的影响因素;周健等[10]从细观角度分析了土工格栅横肋与砂土的拉拔界面作用机理;刘文白等[11]通过室内界面试验研究了土工格栅与砂土接触面的强度特性;张孟喜等[12]提出立体加筋方法，分析了条带式带齿加筋界面特性。

笔者采用大型拉拔试验对加筋粗粒土进行研究，对筋土界面间的作用机理进行分析，与高清数码跟踪技术相结合，研究拉拔试验过程中改变上覆应力σv，P5粗粒含量以及嵌入长度L等参数对界面性质的影响，揭示界面作用机理。

1拉拔设备、试验材料和方案

1.1拉拔设备

图1为拉拔试验设备，拉拔盒的长、宽、高分别为600，400，500 mm。位于試验箱前侧嵌有400 mm×200 mm（长×高）的双层钢化玻璃，可进行筋土界面图像摄录分析。在模型箱侧面设有可伸缩宽度的开口，作为各种土工合成材料拉拔试验的进出口。

加载系统分为水平与竖向2种加载系统，其中竖向加载系统中有反力框架与液压千斤顶，利用液压阀进行竖向载荷加载。采用推拉电动机进行水平加载，电动机速率固定。试验阶段通过拉拔夹具和推拉电动机间的压力传感器、位移传感器反映拉拔位移大小与剪切力大小。

1.2试验土料及加筋材料

所采用的试验土料取自柳州的砾类粗粒土。粗粒土物理性质指标指的是d30中值粒径、d10有效粒径、d50平均粒径、d60限制粒径、Cu不均匀系数以及Cc曲率系数，对应值分别为1.36，0.58，2.18，306 mm和524，1.04，其级配表详见表1。

1.3试验方案

通过对工程应用的实际情况进行分析，针对不同粗粒含量、栅格嵌入长度以及上覆应力等处于各种工况环境下实施加筋粗粒土拉拔试验，探讨各因素对加筋粗粒土拉拔筋土界面特性的影响。共进行了27组试验，试验方案如表3所示。

粗粒土应用领域广泛，粒径组成结构复杂，P5粗粒含量直接影响粗粒土工程性质[1314]，不同含量的粗粒土，界面剪切作用差异很大，目前相关研究较少，尤其是对加筋粗粒土拉拔试验的研究成果更少。本试验依据表1显示的颗粒级配粗粒含量在18% 的基础上，每次递增5%，对改变粗粒含量后影响筋土界面特性情况进行分析，选择的土料中P5粗粒含量分别为18%，23%及28%。拉拔试验中所采用的拉拔速度为1 mm/min。

2试验结果分析

2.1粗粒含量及嵌入长度对筋材拉拔的影响

图3表示含量分别为18%，23%及28%的P5粗粒的土工格栅拉拔试验数据曲线图。分析可知，粗粒含量不同时，拉拔阻力位移曲线规律基本相同。抗拔阻力峰值与P5粗粒含量呈反相关关系。由此得出，P5粗粒含量增加，土粒间的咬合性增强，颗粒承受的阻力加大，使其难以相互错动与旋转，试样生成的拉拔位移一致的情况下所承受的拉拔阻力增大。加大粗粒含量后试样拉拔阻力位移曲线上的拉拔阻力峰值处于上升趋势。

通过比较图3 a）与图3 b）可知，试样在粗粒含量相同时，加大上覆应力后对应的曲线上的拉拔阻力峰值强度也随之增大。分析认为，上覆应力增大后导致土粒更密、咬合更强，增强了界面位置的嵌固强度与摩擦作用，因此，试验生成的拉拔位移相等时所承受的拉拔阻力会显著增大。

图4为土工格栅嵌入长度分别为35，45及55 cm时粗粒土拉拔试验图。

分析图4可得：1）选取多种嵌入长度，位移拉拔阻力曲线在上覆应力较大时（

75 kPa）表现出一定软化特性，拉拔位移的不断延长使得试验拉拔阻力加大，该阻力上升至最高值时，拉拔阻力会在某个固定值上保持稳定或者继续降低。2）延长嵌入长度，试验中的拉拔阻力峰值保持上升趋势。

其原因在于，嵌入长度增加，筋土接触面积加大，拉拔位移相等时承受的拉拔阻力较大。

2.2粗粒土与土工格栅拉拔界面特性分析

试验箱前侧位置嵌入一个钢化玻璃材料的观测窗，利用该窗口可以摄录筋土界面图像，观察延长拉拔长度后筋土拉拔界面位移场演变[15]。

1）拉拔时，筋土界面上的土粒位移大于界面下的土粒位移，造成该现象是由于模型箱体内具有上覆压力与土体自身重力，拉拔试验阶段土工格栅下界面上的土体颗粒与上界面对比密实程度更高，不同颗粒之间接触密切性更大，试验阶段上界面土体颗粒受到土工格栅驱动下出现较大位移。

2）拉拔试验时，格栅拉拔位移的增大，位于筋土界面周围的土体颗粒位移传递至拉拔方向，逐渐形成更清晰的位移带临界轮廓。

3）当L=35 cm时，对应的试样位移≥15 mm;当L=45 cm时，试样取得的拉拔长度≥27 mm，这时筋土界面保持一个稳定性高的拉拔位移带，该带厚度并非完全相同，而是处于某个恒值位置上下浮动。嵌入长度直接影响构成稳定位移带需要的拉拔位移。

图7和图8分别为不同粗粒含量试样筋土接触面的位移演化图。分析各图可得到下列基本规律。

1）随着拉拔位移的加大，界面位移由土工格栅前端向末端扩展，位移带上存在清晰的边界轮廓。

2）试样筋土界面在持续延长拉伸位移后，拉拔位移带逐步保持稳定状态。

3）试样中粗粒含量高时，可以更早地形成位移带，相应的试样拉拔位移带厚度增加。导致该现象的原因在于，试样中含有的粗粒含量高时，相应的土体平均颗粒粒径大，拉拔试验时土体颗粒出现位移、旋转现象严重，导致筋土界面土体颗粒发生错动。

2.3嵌入长度对筋土拉拔界面参数的影响

粗粒土与筋材拉拔时，假设拉拔界面的摩擦力以均匀状态分布，则由下列公式表示拉拔试验界面上的拉拔摩擦强度τp与上覆应力σv：

分析图9和表4可以得到以下结论。

1）加筋粗粒土拉拔试样在延长嵌入长度后，界面黏聚力c由最初的25.92 kPa降低至20.43 kPa，而嵌入长度延长后界面黏聚力下降，黏聚力与嵌入长度间为反比关系。

2）试验界面承受的内摩擦角在嵌入长度延长后下降，而减小嵌入长度时，试样的内摩擦角增大。

3）嵌入长度对筋土界面参数影响较为显著，在试验中，长嵌入长度比短嵌入长度所得筋土界面参数偏小，更加符合与现场大尺寸加筋工况。

根据式（3）分别计算嵌入长度的似摩擦系数f值。图10为不同嵌入长度试样的似摩擦系数上覆应力关系曲线。

分析图10可得以下结论：

1）增大上覆应力相应的不同土工格栅嵌入长度拉拔试样界面摩擦系数下降，同时，上覆应力的增大区间为0～50 kPa，取得的摩擦系数改变幅度最大。当上覆应力超过50 kPa，对应的似摩擦系数改变幅度小，逐步保持平稳状态。

2）延长嵌入长度后，在上覆应力相等的情况下试样摩擦系数下降。

2.4粗粒含量对筋土拉拔界面参数的影响

图11为粗粒含量18%，23%和28%的拉拔试样的剪应力上覆应力关系曲线。表5为不同粗粒含量下界面黏聚力c和内摩擦角φ值汇总表。

分析图11和表5可以发现：

1. 拉拔试样增大粗粒含量后界面黏聚力处于不断上升趋势，在粗粒含量为18%的情况下界面黏聚力为25.30 kPa，增大粗粒含量为28%对应的界面黏聚力上升至27.24 kPa;

2）拉拔试验过程中增加粗粒含量，对应的内摩擦角φ值增加。

图12表示不同粗粒含量时试样的似摩擦系数上覆应力曲线。分析该图可得：增加上覆应力后不同粗粒含量的试验界面摩擦系数下降，该变化类似于改变嵌入长度时界面摩擦系数的变化。上覆应力相等时，粗粒含量与筋土界面似摩擦系数成正比，改变粗粒含量后对似摩擦系数上覆应力曲线中对应于不同上覆应力的似摩擦系数值产生影响，但是影响曲线的变化幅度较小。

3筋土拉拔界面作用机理分析

加筋粗粒土试样中生成拉拔阻力的重要来源是土工格栅面对网孔土体颗粒产生的嵌固作用、拉拔试验时附近土体颗粒接触面与土工格栅生成的摩擦力。

1）上升期试验在实施阶段拉拔位移不断增大，土体与土工栅格间开始生成相互错动，由土工格栅前端开始扩展筋土界面应变场与位移场到末端，这时土工格栅界面承受的界面嵌固作用和界面摩擦作用不断加强。

2）波动期土工格栅在应变场与位移场的扩展下，嵌入长度缩小，接触土体间的面积缩小导致加筋作用变弱，开始形成剪切带与位移带保持稳定状态从而提高加筋作用。两作用共同决定本时期拉拔阻力，该数值会产生波动，同时拉拔阻力也到达峰值。

3）下降期本时期已经在筋土界面形成稳定的剪切带与位移带，延长拉拔位移，相应的土工格栅嵌入长度缩小，并降低土工格栅嵌固作用与界面摩擦作用。本时期拉拔阻力保持某个恒值或者下降，直至试验结束。

4结语

1）试样中改变格珊嵌入长度、粗粒含量及上覆应力后直接影响其宏观特性。在试样拉拔试验阶段，格栅嵌入长度、粗粒含量、上覆应力的增加均可有效提高拉拔力峰值，也可以将试样拉拔阻力位移曲线上剩余的拉拔阻力增大。

2）拉拔试验时，对比土工格栅上界面与下界面土体颗粒位移，前者远远大于后者，增大位移后筋土界面位移场由土工格栅前端扩展至后端，并向着稳定状态发展，最终形成一个厚度一定的位移带。

3）加入的粗粒含量高时，可在早期形成位移带，土工格栅的嵌入长度较短时，与嵌入长度较长的情况相比，形成位移带所需的时间更短。

4）通过加大粗粒含量与缩小嵌入长度，均可将拉拔试样内摩擦角与界面黏聚力增大。

5）随着上覆应力的增加，界面似摩擦系数减小。当上覆应力的增大区间为0～50 kPa时，

似摩擦系数改变幅度较大。而当上覆应力超过50 kPa且持续上升时，似摩擦系数改变幅度保持平缓稳定状态。

6）在上覆应力相等的情况下，延长嵌入长度时对应的似摩擦系數下降，

并且改变幅度较小;同样的上覆应力条件下，增大粗粒含量，相应的似摩擦系数上升。改变粗粒含量后对似摩擦系数上覆应力曲线中不同上覆应力，相应的似摩擦系数值产生影响，但是对曲线变化幅度影响较小。

本文对筋砾类粗粒土筋土界面之间相互作用进行了研究，对加筋粗粒土工程应用具有一定的指导意义。

建议今后采用有限元和离散元耦合技术对此问题进行深入研究，以降低经济成本和时间成本。

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