加筋土界面特性拉拔试验仪的研发进展

杨和平，万 亮,2，肖 杰

(1.长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点试验室，湖南 长沙 410076；2.安徽省农垦集团有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

加筋土是一种在土中加入筋材而形成的复合土体，当承受压力时，筋土间的相互作用能限制土体侧向位移，等效于施加一侧向压力增量，从而大大提高其强度和整体性。所加筋材包括草、竹、木等植物纤维，钢带、钢筋网格等金属材料及土工织物、土工格栅等多种土工合成材料。用添加筋材来加强土工结构物古已有之。远在新石器时代，我们的祖先就利用茅草作为加筋材料筑做房屋的土墙和屋顶，距今已有五六千年的历史[1]。20世纪30年代以来，化纤材料工业迅速发展，聚乙烯土工膜、土工织物、土工格栅等多种有机纤维材料相继问世，更加丰富了土中加筋的复合结构。1969年，法国工程师Vidal开展模型试验发现，土中添加有机纤维材料能明显提高其强度，进而研究提出现代加筋土理论[2]。

为获得土中加筋的工作机理，弄清筋、土间的相互作用力，国内外不少学者研发拉拔测试仪并开展了大量试验研究[3]，但时至今日，仍没有统一完善的拉拔试验仪器及操作方法，导致即使用同一种土工格栅加筋同一种土，各家因测试仪器及施测方法不同，所得测试结果常大相径庭。为此，有必要回顾土中加筋拉拔试验仪的研发过程并探究该领域今后研究的方向。通过梳理国内外已有拉拔试验成果，基于长沙理工大学自主研发的大型数控拉拔试验系统十多年来的大量试验研究，分析总结已研发仪器及在测试中的主要优、缺点，尝试提出其改进方向，以期为新仪器研发与规范试验测试方法提供参考。

1 拉拔试验仪研发现状

1.1 国外的研发情况

国外较早开展拉拔试验研究，1977年Alim等[4]、1978年McGown等[5]、1980年Jewell[6]率先开始该项工作并探索了边界条件对测试结果的影响。表1给出了近30年拉拔仪的研发状况。

1.2 国内的研发情况

国内的拉拔试验始于1989年，许仲生[18]改造了剪切面30 cm×30 cm的直剪仪做拉拔试验，研究土工织物加筋土的界面特性，得出织物与土间摩擦受两者性能的影响，测试时拉拔速度宜为4～7 mm/min。近20年随着国内加筋土工程日益增多，不少学者也开发仪器做拉拔试验。表2给出了仪器的研发情况。

2000年，杨果林等[19]用83 cm×45 cm×70 cm的木质模型箱开展拉拔试验，水平力由吊篮加砝码施加，应力控制拉拔方式(每级拔出荷载持续5 min、荷载增量50～100 N)。结果表明，土与箱壁间摩擦、拔出速率、墙板刚度、筋材上下填土厚、土的级配、强度、圆滑程度、密实度及筋材夹具等均影响测试结果。

2001年，吴景海等[20]用50 cm×24 cm×30 cm的模型箱做拉拔试验，竖向加载用油压千斤顶，水平加载用机械千斤顶，拉拔速度1 mm/min，并实施应变控制，研究土工合成材料加筋砂土及粉煤灰的拉拔系数。测得不同填料及土工材料的拉拔系数相差较大，提出须由拉拔试验来确定合适的拉拔系数。

2003年，施有志等[21]为评价格栅加筋砂砾、粗砂及残积土的界面摩擦系数，将箱体20 cm×20 cm×12 cm的直剪仪改装成小型拉拔仪做拉拔试验，通过加砝码控制水平力并与有纺土工布加筋土做比较。结论是箱体小时边界影响大且填料的密实度不易控制，需改进设备与试验方法使测试结果接近实际工况。

2004年，徐林荣等[22]研制了专测膨胀土与土工格栅界面作用的装置，箱体(110 cm×50 cm×90 cm)用木板及角钢制成，竖向加载用油压千斤顶，水平拉力由滑轮、电机及变速箱提供。研究提出测试步骤、要求和结束标准及夹具与筋材连接、位移传感器安置、竖向及水平加载要点。确定了结束试验的标准，拉拔力下降且趋于稳定，筋材末端产生位移。

2006年，张嘎等[23]改造大型土与结构接触面循环加载剪切仪(TH-20t CSASSI)，用拉拔试验车替换土容器车，在水平加载单元上连结固定结构的夹具，开展土工布加筋土拉拔试验。测得土与织物接触面剪胀作用使抗剪强度与法向应力呈非线性，土工布锚固强度与法向应力为曲线关系，宜用对数函数描述。

2012年，蔡春等[27]研发了带加强肋单向格栅加筋砂土拉拔仪，其箱内尺寸为30 cm×30 cm×30 cm，侧面开设窗口以观察土体扰动变形。测得同法向应力作用时带肋格栅的极限拉拔力明显比普通格栅的大，且随肋厚、肋距增大，拉拔力增大愈显著或逐渐减小。

2016年，王家全等[28]在60 cm×40 cm×50 cm箱的一侧壁中心装上钢化玻璃窗，用高清数码和体视显微镜对试验中筋土界面土粒实时录像，获取界面处土粒位移及孔隙率的变化。结果表明，竖向荷载越大，土与格栅界面摩擦和嵌固作用越显著；荷载达到一定值时，结构破坏由格栅整体位移拔出变为自身断裂，符合两种典型的工程破坏；界面土粒位移的模式分平移及转动，且位移集中带前厚后薄。

2017年，丁金华等[29]将原土-土工合成材料界面直剪仪增加闭环伺服电气控制及应力变形测量两系统，开发了箱体60 cm×30 cm×30 cm的既能直剪又能拉拔的多功能试验机。对比有、无侧限约束时加筋的力学性质，发现两者特性参数的差别较大，建议工程中注重筋材实际约束条件，用合适试验方法获取特性参数，确保安全与经济。

2019年，肖成志等[30]研制了箱体80 cm×40 cm×55 cm的中型拉拔仪做双向格栅加筋砂土拉拔试验，获取界面正应力、横肋百分比、格栅宽度和拉拔速率对筋-土界面作用及格栅横肋受力的影响。仪器特点是箱前端预留高、宽各 1 cm和34 cm的缝隙，引筋材出箱连接夹具，箱内壁衬贴5 mm厚钢化玻璃以减小摩擦。

1.3 规范对拉拔仪的有关规定

《土工合成材料测试规程》(SL235—2012)[31]，要求箱体≮40 cm×25 cm×25 cm，在箱前壁半高处开一5 mm横贯全宽平缝引土工材料出箱，紧贴缝壁装能上下抽动的板以调节缝隙防土粒出漏(见图1)。测试时拉拔速率根据土性，砂性、黏性土的拉拔速率宜分别取0.5 mm/min及0.5～1.0 mm/min。

表2 国内拉拔仪器研发一览表

图1 拉拔试验示意图

《公路土工合成材料试验规程》(JTGE50—2006)[32]要求箱体≮25 cm×20 cm×20 cm，箱前壁半高处也开一全宽平缝(5 mm)引土工材料出箱，贴紧缝壁内也设抽动板调节缝隙以防拉拔时土粒出漏(见图2)。一般拉拔速率0.2～3.0 mm/min，砂性土可用0.5 mm/min，由填料土性定固结时间：粒状土≮15 min，黏性土则是每小时竖向变形增量≤0.000 25h(h为填土高)。

图2 拉拔试验箱示意图

美国材料与试验协会标准ASTM D6706-01[33]建议箱体≮61 cm×46 cm×30.5 cm，并规范了夹具及加载与位移监测系统(见图3)，规定试验时的空气湿度为60%±10%，温度(21±2) ℃，拉拔速度取(1±10%) mm/min。

图3 土工合成材料拉拔试验装置

由上述分析可知，试验箱、加荷及量测系统是仪器的主体部分，目前对3者的规格及使用仍无统一明确的规定，且国内两规范颁发距今已久，不能与时俱进反映仪器研发的新进展。各家仪器最大的不同是箱体尺寸，尤其是长、宽之差别；其次是箱壁摩擦及拉拔速度的影响；而水平与竖直加载及位移监测大多朝着可控、可视及数字化发展。研发现状及尚存问题可归纳如下：

(1)试验中填料多为砂土。一是其无黏性且强度参数仅内摩擦角易获得；二是土质均匀，施测时密度好控制。不过测试时拉拔出口端易发生砂土外漏，且工程填料一般带黏性或为掺灰黏土，仅用砂土做试验有别于工程实际。

(2)试验研究参数多为筋土界面系数，即最大拉拔力与埋入筋材的面积之比。它较适于土工织物加筋，对网格尺寸不统一的格栅不合适，因埋入同面积的格栅若横肋数不同，测试值会大不一样，确定试验参数须考虑筋材与填土特点。

(3)仅ASTMD6706-01提出试验工作环境参考要求，国内规范均无规定，土工织物多是聚乙烯或聚丙烯材料，测试温度对其性质影响大，而湿度对细粒土影响大，拉拔试验宜考虑环境温、湿度影响。

2 CS-LB01系统介绍

2.1 系统性能简介

2006年，长沙理工大学首创单向土工格栅加筋柔性支护技术，成功治理了宁明膨胀土堑坡坍滑。为获得加固机理并提出科学合理设计方法，需得到膨胀土与格栅相互作用界面参数，因此自主研发了国内箱体最大的大型数控拉拔试验系统(CS-LB01)并获得多项国家专利[24]。

图4为CS-LB01主机，表3为其主要性能指标，其特色是试验接触面大且能施加大的竖向荷载并产生较大相对位移。整个系统由测试主机、压力伺服控制、数据采集系统、压实与起吊辅助设备4部分组成(见图5)。

图4 CS-LB01拉拔测试主机(单位：mm)

表3 CS-LB01主要性能

图5 CS-LB01试验系统组成

2.2 系统的优点

(1)试验箱体大(120 cm×50 cm×50 cm)，不仅适用于土工织物、土工网等纵横向尺寸差距不大的土工材料，也适用于单向土工格栅等纵横肋尺寸差距较大的土工材料。

(2)拉拔过程可采取恒速或恒力控制，即可依工程的实际情况选择不同拉拔方式。

(3)填料可用砾石、砂土、黏土等各类土。

(4)采取上、下双面气囊并配置稳压伺服系统使法向压力的施加更均匀稳定。

(5)将侧壁摩擦转化为筋材表面法向压力，可消除侧壁摩擦对试验结果的影响。

(6)数据采集系统可实时获取土中加筋的位移-拉力关系。选用Microsoft Visual Basic为开发平台操作软件并充分利用组件技术，实现了试验操作和控制的全屏完整显示。

2.3 系统的不足

(1)拉拔量程仍不够。其设计量程为8 cm，若试验时加筋长120 cm，筋材应变为10%，拉动后的全部位移至少12 cm，当施测上覆压力较大时，夹具位移会大于设计量程，可能测不到最大拉拔力。

(2)夹具设计需优化。夹具为机械式咬合且外置，仅能测试土工织物、土工格栅等二维材料，无法测土工格室等三维加筋，使用范围受限。

(3)试验拉拔方向单一。设计拉拔方向仅为水平，不能变换拉拔角度，若实际工程的拉拔力沿非水平向时无法模拟。

(4)拉拔过程中筋、土间相互作用不可视。采用位移及拉力传感器等，将数据传输电脑系统做分析后屏幕显示参数间关系曲线，无窗口可直视测试时筋、土界面作用的发生和发展过程。

3 未来拉拔仪的研发与展望

3.1 试验仪器

(1)箱体尺寸

箱体大小取决于试验目的与对象。大箱适用范围广，可对粗粒与较长加筋材料直接做拉拔试验，减少边界效应的影响，更接近实际。而细粒、砂土与土工布或网等加筋材料的拉拔试验，用小箱高效、便捷且经济。

(2)夹具设计

国外有将其内置于箱体并设有一筒套可防填料带出，故箱体大对制样过程要求高。国内基本是将夹具外置，一是为减小箱体，二是方便操作，且可确保测试时筋土间接触面积符合实际。但夹具外置使部分筋材被拔出箱体而减小筋土实际接触面积。

(3)拉拔方向与位移量程

目前，绝大部分仪器是采用水平向拉拔，目的是研究锚固段的筋土相互作用，少见依实际工况模拟设有倾角的拉拔，但变角度拉拔可从拉拔与锚固两方面研究筋土间相互作用，更符合实际。夹具位移量设计宜与箱长匹配，若筋材铺满箱体，应考虑拉拔时其产生10%应变，为测得最大拉拔力设计量程宜>1/10箱长。

(4)可视化设计

现有仪器的可视化测试多采用钢化玻璃墙壁及X射线(拍照)法等。透过钢化玻璃侧壁来观察拉拔时筋土界面作用的方法虽成本低，但可视效果有限且受边界条件影响大；而连续跟踪的X射线摄影法可视化效果佳，但在试验准备、材料、操作等方面所需成本及要求高。

3.2 试验参数选取

(1)拉拔速度

陈榕等[34-35]研究表明，测试时的拉拔速度对结果影响较大，速度较大或较小时所测的土中加筋最大拉拔力均较大，因随拉拔速度改变，加筋材料对填料的剪切机理也在变。故做同种筋材与不同填料的加筋效果比较试验，必须采用相同的拉拔速度。

(2)拉拔位移

目前结束拉拔试验大多取最大拉拔力出现或加筋材料被拉断的时点，此时土中加筋已产生较大位移，而实际中不同工程结构的允许变形不一样，试验中设计筋材拉拔位移量应与工程结构的允许量相匹配。

(3)测试时的温、湿度条件

王钊等[36]做土工材料拉伸试验时发现，温度对拉伸强度、伸长率均有一定影响。李齐仁等[37]由改变填料含水率的拉拔试验得到，湿度也影响试验时筋土间相互作用力。美国标准[33]则明确规定了拉拔试验时的温度、湿度。可见测试环境对筋、土的力学性能影响较大，须按每个工程的实际环境，合理设定测试时温度、湿度条件。

(4)箱内填料的填筑碾压

以往的填料多为砂土，其填筑质量用密实度评价，而实际工程填料一般带黏性，箱内填筑时应按工程的加筋部位采用规范规定的压实度实施水平分层填压控制。

3.3 试验测试有关注意事项

(1)尽量消除箱壁摩擦

Sugimoto等[11]研究发现即使是用钢化玻璃制作，箱壁的摩阻不容忽视。施测时侧壁摩擦会消耗作用于土层的部分法向力，使筋土界面实际荷载难以精准获取。CS-LB01通过在上、下箱体间设预提升螺钉避免两者直接接触，巧妙地将侧壁摩擦转为筋土界面上覆压力，使法向压力=上覆土层自重+上箱体自重+气囊施加压力，箱壁摩擦得以消除，对比试验测得其最大拉拔力的提高幅度达24.14%[24]。

(2)加筋材料的裁剪制作

土工布、土工网、双向土工格栅等筋材，其铺设面积直接按设计长、宽尺寸裁剪；而单向土工格栅因横肋间距大，测试中横肋承担的剪力占筋土相互作用拉拔力的比重大，裁剪时须确保参与拉拔横肋根数准确。

(3)测试时夹具夹紧筋材的时点

填完筋材的上层土，立刻用夹具夹紧筋材，再填筑上箱体填料并施加竖向荷载，此时施测所得拉拔力与完成全部填筑后的竖向加载，与再用夹具夹紧筋材所测的拉拔力值会有差别，原因是夹紧筋材后再填筑和加载，使拉拔前的筋土间已有作用力，这样的试验较符合实际。

3.4 拉拔试验的研究参数

拉拔试验测得的最直接成果是拉拔力与拉拔位移(时间)之关系，最大拉拔力由筋、土表面摩擦及筋材横肋剪切填料两部分构成，故宜将摩擦力和剪切力定为研究参数。目前，因各家筋材的规格不统一，尤其是单向土工格栅纵、横肋的宽度及间距均不相同，直接影响加筋效果，如何用两参数统一评价不同型号筋材的加筋效果，确需深入研讨。不过每款产品单位面积中的空隙面积固定，文献[38]引入空隙率概念求筋材与填料间有效作用面积后，用摩擦系数即可求筋土间摩擦力，这样参与剪切筋材的横肋截面积就成了剪切力求算的关键。

随着计算机高度发展，数值模拟技术日趋成熟，由少量拉拔试验获取必要参数后，用数值分析软件准确模拟筋、土相互作用的发生、发展过程[39]，可迅速确定最优加筋方式，并促进厂商对筋材设计与生产实施改型与升级。

4 结论

(1)与材料科学、计算机及工业技术快速发展俱进，新型拉拔仪的研发也应根据加筋材料及填料的特点，将可控、可视和数字化作为重点和方向，以使新仪器的测试过程与结果更贴近工程实际，加快土中加筋作用机理研究的进程。

(2)试验箱体的尺寸，宜根据填料及加筋的类型设计，测试单向土工格栅加筋砾石土时要用大箱体。分析夹具外置仪器的测试结果，应计及拔出部分的筋材面积。箱壁摩擦对测试值影响大，钢化玻璃制作侧壁或贴润滑膜均难将其消除，而上、下箱间预置提升螺钉避免两箱接触，可化壁摩擦为筋土界面的上覆压力，消除该影响。

(3)测试条件及环境(拉拔速度、填料的压实及温度、湿度)对确定试验参数有重要影响，必须按实际工况，按不利条件和环境开展试验，确保测试结果符合实际。

(4)拉拔试验研究的参数，须按筋材特性，遵循简单易测、使用高效的原则确定，评价单向土工格栅加筋土的效果，宜引入筋材空隙率和横肋有效作用面积两参数，先测试加筋与不同填料间的摩擦力与剪切力，进而分析求算各土中加筋的最大拉拔力。