土工格栅
影响土工格栅与膨胀岩界面力学特性的因素
影响土工格栅与膨胀岩界面力学特性的因素
土工格栅作为一种高强度的加筋材料，埋设于土中形成复合加筋土后，一方面可提高土体的强度，另一方面可以限制土体的侧向变形，近年来广泛应用于公路、铁路、水利、机场、市政等领域，有关加筋机理方面的研究也正引起国内外岩土工程界的关注。由于格栅的抗拉特性，当其埋设于土中并受到平面方向的拉力时，会在格栅内引起应力和变形，同时由于法向荷载的作用，格栅与土的上、下界面将产生阻碍其变形和运动的摩阻力。这种筋土之间的相互作用不仅表现在两种介质的界面(包括接触面和剪切带)，而且在界面以外一定范围内的土体也参与了共同作用。这正是筋材加固作用的机理所在。
目前研究界面作用特性的方法主要包括室内的直剪试验、拉拔试验、扭剪试验、斜板试验以及现场足尺试验等，其中直剪试验可以测定筋材与土单剪切面的摩擦特性，拉拔试验可以反映加筋材料从土中被拉出时与周围一定范围内土体的相互作用特性，是目前被工程界广泛采用的两种研究手段。
土工格栅与砂土、黏土的相互作用[2-6]在国内外已有大量的试验研究成果，但对于具有特殊胀缩性能的膨胀岩(土)，土工格栅的加筋机理、加筋效果等还有待于进一步深入研究[7-8]。本文即针对南水北调中线工程膨胀岩渠段的中膨胀岩，采用改造的叠环剪切试验仪进行了不同上覆荷载条件下两种土工格栅的拉拔试验，对格栅与膨胀岩的界面相互作用机理进行了初步研究，得到界面似摩擦角和似黏聚力参数，分析格栅不同埋深处界面摩阻力的分布规律，并对由于界面摩阻力作用而引起的土体附加剪应力分布进行初步的探讨。
拉拔试验中对格栅与土界面相互作用特性影响较为显著的因素包括垂直荷载、拉拔速率、格栅强度、尺寸大小、以及土样不同含水量、干密度状态等，考虑各影响因素的不同水平，可进行相关试验设计。由于时间关系，目前仅完成第一阶段试验，本论文对其中5组试验成果进行分析，主要讨论垂直荷载和不同强度格栅材料对界面摩擦强度的影响，初步探讨格栅不同埋深处界面摩阻力的分布规律，并通过各叠环的位移分析由于界面摩阻力引起的土体附加剪应力的分布。
埋设在土中的格栅受到沿其平面方向的拉力时，将在拉力方向上引起应力和变形。同时由于法向应力的作用，在格栅与土的上、下接触面上将产生阻碍格栅与土相对运动的摩擦应力，且其分布沿格栅埋深方向是不均匀的，施拉端最大，并随着水平拉力的增大逐渐向自由端传递，当自由端摩擦应力也达到最大静摩擦力时，格栅即发生整体运动，一般定义此瞬间为格栅的拔出时刻。在实际工程设计中往往将此时沿筋材表面的摩擦力简化成均匀分布，以获得界面的似摩擦系数：
对于网格状结构的土工格栅加筋而言，在达到拔出状态后，筋―土之间将发生相对位移，界面相互作用就由单一的静摩擦力转为滑动摩擦和土颗粒与筋材之间的咬合力。为了克服格栅横肋对土颗粒的被动阻力以及网孔间土颗粒自身的强度，水平拉拔力会进一步增大，直到土体剪切破坏。因此，可将拉拔试验分为两个阶段：筋―土无相对位移的静摩擦阶段和筋―土相对运动的滑动摩擦阶段，不同阶段的加筋机理并不完全相同。第一阶段单纯是界面上的摩擦作用，而在第二阶段，则相互作用不仅发生在界面上，而且在界面以外一定范围的土体颗粒也发生了位移、转动甚至颗粒的剪切，“间接加筋作用”也产生了影响。
拉拔试验中不同位置的拉拔位移由两部分组成：一是格栅受拉时自身的伸长变形，一般称之为延伸率，主要发生在夹具端，二是筋材与土之间的相对位移。由于模型箱侧壁不可避免地存在一定厚度(本次试验叠环侧壁厚度为74 mm)，其间格栅处于无约束状态，在应变式试验中首先该部位的格栅被拉伸，延伸率较大，而埋设在土中的格栅受到土体的约束，其拉伸特性和无约束状态下的拉伸特性完全不同，产生的延伸率很小。从试验结束后对格栅标记段的测量(见表6)可以验证这一点，PE50型土工格栅埋于土中受拉时的延伸率为0.3%～1.0%，PE80型格栅延伸率略大，但也仅0.9%～2.0%，远远未达到其极限拉伸率，并且靠近夹具端的纵肋平均延伸率都大于靠近自由端的纵肋延伸率，说明不同埋深处格栅的拉应力分布并不均匀，由拉拔端的最大值向自由端减小，而这主要是由于界面处摩擦应力的不均匀分布引起的。
PE50格栅不同上覆荷载条件下对应最大水平拉拔力时不同高度叠环的侧向变形分布示意图，尽管试验数量有限，部分叠环数据不够光滑，但仍可看出一些规律性分布，(1)由界面摩擦力引起的土体剪切变形普遍较小，均在mm级；(2)最大剪切变形一般都发生在筋土界面处，叠环距界面越远，其剪切变形越小；(3)小荷载时土体剪切变形分布与大荷载条件下有很大不同，从目前试验结果来看，垂直荷载100 kPa时叠环的剪切位移最大；(4)上覆荷载高于200 kPa时，不同高度叠环侧向位移的差异变小。
试验成果验证了由筋土界面的摩擦应力所引起的土体附加剪应力分布现象，但受到试样高度和上部加载板的限制作用，还不能定量得出“加筋有效影响范围”的大小。
(1)可将土工格栅的拉出过程分为两个阶段，即筋土无相对位移的静摩阻力阶段和筋土相对运动的滑动摩擦阶段。其中静摩擦力只占界面总强度的20%～40%，界面相互作用的力学特征受第二阶段格栅网孔间土颗粒嵌固咬合作用的影响非常显著，且界面摩擦应力的分布在时间、空间上的分布都是不均匀的。
(2)格栅受拉产生的位移包括两部分：材料的伸长变形(延伸率)以及筋土间相对位移。在上覆荷载和土体约束作用的影响下，筋材的延伸率很小，相应的拉应力远未达到格栅的极限拉伸强度，因此格栅不会产生拉断破坏。另一方面，筋土间的相对位移在拉拔初期呈非线性分布，当拉拔力达到峰值后转为线性变化。
(3)低荷载条件下，界面附近土颗粒结构更易调整重组，因此静摩擦力对界面总强度的影响较小。
(4)界面摩擦应力将引起土体的附加剪应力，并在法向方向上按照一定规律逐渐衰减，叠环剪试验可以作为这一现象的研究手段，进一步的定量研究还在进行中。
影响土工格栅与膨胀岩界面力学特性的因素只涉及到上覆荷载和加筋材料，尚未对膨胀岩不同含水量、干密度、拉拔速率、格栅尺寸等因素进行全面的试验，因此只能从提供的试验现象和成果对土工格栅和膨胀岩的界面相互作用机理做一简单的定性分析，关于界面摩擦应力的具体分布形式以及土体附加剪应力的分布和加筋有效影响范围的量化等问题还需进一步的研究。
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