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土工格栅与土体的界面摩擦特性研究

澳门太阳集团2007网站:admin  发布时间:2016-08-09  点击:1354

土工格栅埋置于土中后,其与周围土体构成复合的结构体系,该体系在自重和 外荷载作用下会产生变形,同时在筋土界面产生相互作用,如图2. 8所示。因此,


从筋土的相对位移可以看出,拉筋与土的相互作用形式主要有直接剪切摩擦与拉 拔摩擦两种。由于土工格栅拉筋的特殊性、与不同土体摩擦机理的复杂性以及加 筋土工程中筋土相互作用特性在土工格栅加筋机理中的重要性,决定了研究土工 格栅摩擦特性的重要意义。因此,该项研究内容(广义上指不同介质的相互作用问 题)成为当今岩土工程的热点问题之一。


 

土工格栅与土体相互作用所形成的摩擦力可分为两部分:一部分称为土工格 栅表面和土体之间的摩擦力;另一部分称为土工格栅与土颗粒之间的咬合力。这 种咬合力又包括两种作用力:一种是土颗粒与土工格栅横肋之间的端承力(被动阻 力);另一种是土工格栅网孔内土体与网孔外土体之间的表面摩擦力,如图2. 9所 示。其中,土工格栅和土之间的表面摩擦力是与其他平面条带型拉筋相同的地方, 而土工格栅与土颗粒之间的咬合力则是区别于其他条带式加筋材料之处,也是土 工格栅优越性的体现。

土体与土工格栅表面之间的剪切作用所产生的直接滑动阻力,类似于按常规 方法测得的土与结构材料间的表面摩擦力,可用直剪试验测得,并以表面摩擦角表 示。土工格栅横肋上的端承力作用所引起的直接滑动阻力,只有当网孔内的土体 与土工格栅产生相对位移时才能形成。此时相应土工格栅网孔上、下部分的土体


土工格栅与土之间的表面摩擦力


 

土颖粒与格概横肋之间的端承力

2. 9 土工格栅与土之间的相互作用


 

必须产生相对反向位移,彼此之间产生相对剪切,以维持平衡其值估算较为困难。 土工格栅网孔内外部土体之间的剪切作用产生的直接滑动阻力,就是上覆土体与 网孔内土体之间的剪切阻力,等于未加筋时的土体直剪摩擦角,可通过直剪试验 测得。

当土体为细粒土时,直接滑动面充分利用了土工格栅相对光滑的表面,剪切面 沿土工格栅上下表面产生。土体中存在粒径较大的砂土时,剪切面位置上移,改变 为沿土工格栅横肋表面滑动的土中破裂带。若土中含有与网孔尺寸相近的大颗 粒,那么这些颗粒就有可能嵌固于横肋处并伸人土工格栅上、下两侧土体中。这 样,嵌固的大颗粒较多时,破裂带将被迫远离土工格栅而完全进人土体内。此时直 接滑动阻力等于土体的剪切强度。当土颗粒尺寸太大而不能进入网孔时,剪切面 沿土工格栅表面产生。此时,直接滑动阻力很低,在极端情况下,仅为土体与土工 格栅表面的摩擦力。

试验方法与试验仪器

目前,测定土工格栅摩擦特性的试验方法主要有直剪摩擦试验和拉拔摩擦试 验,试验方法如图2.10和图2. 11所示。


2.10直剪试验示意图 ?试样;2.上盒>3.下盒丨4_水平推力 5.法向压力;6.硬木>7.


2.11拉拔试验示意图 样;2_拉力,3.缝隙;4.法向压力 5?; 6.试验箱


 


 

进行两种剪切试验时,根据施加外力的方式不同,均可分为应变控制式应力控制式。应变控制指剪切速率(或拉拔速率)在整个试验过程中保持不变。 应力控制指在试验过程中各级垂直荷载保持不变,逐渐增加水平剪应力和水平拉 拔力。目前,我国规范[14]中推荐使用应变控制方法,并建议了剪切速率或拉拔速 率的大小。但就欧、美及整个世界而言,目前仍无统一规定的控制方式和速率 大小。

直剪摩擦试验方法主要用于研究筋土界面的相互作用机理、筋土界面的抗剪 强度指标以及筋土界面上的局部剪应力和剪应变的关系。从图2. 8可以看出,筋 土的直接剪切摩擦存在两种情况:筋土界面与潜在破裂面近似平行且重合?’②土 工格栅与潜在的破裂面呈一定角度。因此,除常规的直接剪切摩擦试验方法外,JewdP2] BauerZhao[23]S此进行了改造,使拉筋位置与设定的破裂面有一定 的夹角,且假定的破裂面固定为水平位置。Ochtai[24]之后又对此加以改进,假 定破裂面位置可以调整,且土工合成材料与破裂面的位置可在不同的夹角之间 调整。

拉拔摩擦试验是以确定合理的锚固段长度及稳定性分析为目的,进行筋土界 面相互作用机理、筋土界面的摩擦系数以及筋土界面剪应力和筋/ 土相对位移的变 化规律研究。

许多研究表明,直剪试验中剪力破坏区的剪应变相当均勻,而拉拔试验中剪应 变趋于不均勻。现场实测结果已经证明,拉拔试验能较好地模拟加筋土结构中拉 筋的加筋行为。近年来,拉拔试验已经广泛的应用于研究加筋土挡墙和陡坡中拉 筋的锚固作用,已经测试了诸如金属条带、土工织物和土工格栅等各种拉筋。但 是,巳有研究表明,由于受土质类型和条件、应力水平、材料延伸性、测试样品的大 小及其他因素的影响,拉拔试验一个相当复杂的问题。而对于土工格栅这种网孔 状拉筋,整体锚固行为又受其纵肋的延伸性、横肋的柔性及两肋间的联结强度所左 右,从而使得拉筋在土体中的性状尤为复杂。

PVC防水卷材
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1. 2. 2影响土工格栅与土体界面摩擦特性试验结果的主要因素[25]

综合国内外文献,各种测试土工格栅与周围土体界面直剪和拉拔摩擦特性的 试验设备和试验方法均未统一,试验设备所考虑的因素也有所不同。拉筋与填料 相互作用的机理较为复杂,它既与填料的工程特性(填料的抗剪强度、相对密度、压 实程度、级配、上覆压力及土的膨胀特性)有关,也与土工格栅的特性(几何形状、网 格大小、刚度大小、受力方向及变形特性等)有关[232]。在工裎应用中,拉筋与填 料的摩擦特性一般通过室内摩擦(剪切)试验、拉拔试验或现场足尺试验等方法确 定。通过试验,了解筋-土之间的界面抗拔力的发挥过程、抗拔力的大小、界面似摩 擦系数的变化规律等。

0. 试验方法

按照《土工合成材料测试规程》SL/T235—1999)[33],直剪试验设备推荐如 图1.10所示。目前大量的直剪试验,一般是把土工格栅埋置于土体中,推动下盒, 使其沿剪切面滑动。由于土工格栅的网孔较大,这种直剪试验结果主要贡献于土 体之间的摩擦特性,而并非真正意义上的土工格栅与土体的直剪摩擦特性。因此, 从某种意义上说,研究土工格栅与土体的摩擦特性采用拉拔试验更具有实际意义。

1. 加载方式

筋土摩擦试验方法的加载方式主要有应变控制式和应力控制式两种,一般以 前者居多。在应变控制式试验中,剪切速率的大小对以土工格栅为拉筋的摩擦试 验结果影响很大。增大剪切速率,由于拉筋周围土体的变形来不及调整,土粒之间 来不及重新排列,导致剪切阻力增大,试验结果偏髙。一般而言:对于直剪摩擦试 验,剪切速率一般为0. 2?3. Omm/min砂质填料宜取0. 5mm/min;对于拉拔摩擦 试验,拔出速率的控制范围一般在0.1?20tnm/min之间。

2. 试验箱侧壁的边界效应和尺寸效应

纵观国内外的拉拔试验设备,可能的边界条件如图2. 12(a)?f)所示。大部 分设备由直剪试验设备改装或自行研制。模型槽两侧是由具有足够刚度、受力时 不变形的有机玻璃或钢板组成,后壁为钢板。模型箱前部临空面处设置固定的加 厚优质木挡板,木挡板中间处留一个横贯全宽的水平窄缝,高约5_,供试样引出拉 筋。紧贴缝壁位置安置一个可以上下抽动的板,以调整缝隙大小,防止土粒漏出。

2.12室内拉拔试验的边界条件



填料与侧壁的相互作用会影响拔出试验结果。由于试验过程中施加的法向荷 载部分地被侧壁摩阻所消耗,导致施加法向应力所引起的拉筋水平方向的应力减 少。为减少这一影响,一般可以通过润滑盒壁,将试件装在柔性薄膜内的方法,同 时控制试样宽度与箱宽比值等方法。试件盒的尺寸应足够大,以保证拉筋远离两

侧盒壁。

在拉拔试验中,当拉筋被拉动时,沿筋土界面发生剪切位移,使拉筋周围的土 体产生膨胀,而土体体积的变化又受到周围没有膨胀的土体的限制,从而导致在筋 土界面上产生附加法向应力(集中在拉筋两端靠近侧壁处)。法向应力越大,土体 的膨胀越明显,增加的剪应力越大(2. 13和图2.14),并产生了不同的应力区域 ( 2. 15)


 

 

(a)             (b)

2. 14拉筋界面的相互作用机理

拉筋的拉拔阻力P,可由莫尔-库仑理论求解,即

Pt = 2BL (cp +(Tntan95p) (2. 1)

式中,B——土工格栅拉筋宽度;

L—计算的拉筋长度; cP——/ 土界面黏聚力;


高应力区


 

——/ 土界面的摩擦角;

ffn-- 法向应力。

当考虑由于非膨胀区引起的附加法向应力增量时,拉筋的拉拔阻力可表示为Pt = 2BLffntan^, + iBoLA0ntampp                                                   (2. 2)

因此,单位宽度的拉拔阻力P,

A = | = 2Lffntan9,p +^L^tan^                                                          (2.3)

对于确定的土工格栅拉筋、土体和拉拔设备来说,BLCp、外B0为常数,因此 单位宽度的拉拔阻力主要由ZWn决定。在拉筋的拉拔过程中,中间部分土颗粒的 膨胀作用被约束的较大。当拉筋较宽时,靠近盒壁的土体结构状态比较松散,并且 可能会使拉筋距离盒壁的距离小于执。因此,土工格栅拉拔试验中,由于边界效 应与尺寸效应的影响,单位宽度的拉拔阻力随试样宽度的增加而降低。所以,为洧 除边界效应与尺寸效应的影响,拉拔试验中,拉筋的宽度是一个非常重要的设计内 容。控制拉筋试样宽度与拉拔箱宽度的比值,可作为降低侧壁摩阻的一个有效 措施。

3.         填料厚度

拉拔试验过程中,拉筋上、下填料厚度对试验结果有影响随着拉筋上、下填 ?厚度的增加,拔出阻力会减小,直到一个最小的拉拔荷载临界值。一般情况下, 拉拔试验中拉筋上、下填料厚度不宜大于30cm

4.         填料压实度.

筋土界面的摩擦特性与填料的压实度有密切关系。密实的填料与拉筋之间的摩擦力较大,疏松的填料与拉筋之间的摩擦力随着摩擦过程逐渐增强。对于同一种 填料所制作不同压实度的试件,由于拉筋上下填料逐渐密实,致使其残余强度将趋于 一致。因此,拉拔试验中,所采取的压实方式应保证拉筋上下填料压实度均勻一致。

6.拉筋夹持情况

拉拔试验中,在试件盒外拉拔端的夹持,会使拉筋拔出部分丧失侧向约束,导 致测试过程中界面面积产生变化。拉筋的夹持作用应保证在拉拔过程中试件界面 面积保持不变。为达到这一要求,试验时应使拉筋自由端伸出在试件盒以外。

2.2.3  土工格栅拉拔力组成

土工格栅的可延伸性会致使在拉拔试验过程中沿筋长方向的剪应力和剪切位 移成非线性和非均勻分布。一般认为,邻近拉筋上下两个界面的特性决定着筋土

界面似剪应力或似拉拔阻力(ra)似拉拔阻力可用下式表示:ra = |^其中Tult

极限拉拔荷载,A为土工格栅的埋置面积。

如前所述,土工格栅拉拔试验中拉拔阻力由三部分组成:土工格栅表面(顶面 和底面)与填料的摩擦力;土工格栅的横肋对填料的摩阻力;所有横肋提供的端承 力。由于土工格栅的网孔较大,当填料的粒径略小于网孔大小时,可以产生较大的 咬合力嵌固力,增大了其界面的摩阻力。为了分析方便,将拉拔阻力简化成 土工格栅的上下表面与土体的摩擦阻力和横向格栅肋条提供的端承力之和。因 此,全部拉拔力为

Ft = Ff + Fb      (2.4)

式中,_Ff摩擦力,由莫尔-库仑准则确定,即Ff = n . 2A = ( Ca +crn tan^a) ? 2A (其中,n为实际的摩擦阻力,Ca为实际的黏聚力截距,%为法向应力,&为实际的 筋土界面摩擦角A为土工格栅埋置面积

Fb——端承力,可以用承载力系数iVqN估算。横肋的端承力是相对黏聚力 和摩擦角而言的。土工格栅的端承力Fb可根据Terzaghi-Buisman承载力公式分 析,即

^ = C - Nc+ffv ? Nq (2.5)

式中,N:一横肋个数;

w----- 拉筋宽度;

d——横肋厚度;

NcNq——承载力系数。

Nq 一般依据假定的破坏机理来表达,一般有两个模型[34],如下所述。

(1)   基本的承载力破坏模型(2.16)

= 6,抓2(45+ |)    (2. 6)

(2)                                  冲切剪切破坏模型(2.       17)

Nq = e(f+p)^tan^45° + -|-j (2. 7)

 

Nc最早由Prandrl(1921)推导,SP

Nc = cot^CN, - 1)  (2.8)

Bergado[35]根据实验结果,提出土工格栅的端承力Fb可计算为

Fb = AbNcCu       (2. 9)

式中Ab=w指土工格栅横肋厚度提供的承载区,其大小与格栅网孔尺寸有关。

端承力主要由横肋厚度和格栅网孔孔径宽度决定(借助于横肋的厚度使土体 在整个空隙内发生嵌固),其大小随着正应力和横肋厚度的增加而增加随单位长 度网孔面积的增加而增加。因此,要提高土工格栅的拉拔阻力,一方面应使其具有 足够的表面面积以便在土中能提供很好的界面摩擦,同时横肋应有足够的强度以 承受足够的端承力。所以,土工格栅的合理有效的几何尺寸非常重要。

2.2.4  土工格栅在砂砾料、黏性土中的摩擦特性试验研究

土工格栅的摩擦试验研究主要以级配良好的粗粒料居多,而在工程应用中,填 料千差万别。从土工合成材料加筋土结构的破坏实例中发现,大部分破坏发生于 黏性土填料的结构中。结合赣()()铁路土工格栅加筋土高挡墙工程实际进 行了不同刚度的单向HDPE 土工格栅在砂砾料和黏性土中的拉拔摩擦和直剪摩

擦试验[36]

钢塑软式透水管
钢塑软式透水管

1.试验装置

选取三种型号的土工格栅进行其在砂砾料和黏性土中的摩擦特性试验,土工 格栅技术指标如表2.1所示。试验在清华大学岩土工程研究所研制的TH-20t CSASSI大型土与结构接触面循环加载剪切仪上进行,该仪器配备了拉拔试验和

直剪试验装置。

如图2.18所示拉拔试验车,其内部尺寸为45cmX 36cmX 25cm(XX 高),拉拔试验车主要由箱体、车轮组、有机玻璃等部分组成。箱前后两端侧壁距箱 底10cm处开有横缝,与箱体内部宽度相同,横缝的宽度可在0?1. 0cm范围内调 节。试验时,用挡车器将容器车固定于支架轨道上,通过法向加载系统施加不同的 法向应力,用水平液压加载系统牵引夹具,双楔块夹具有效宽度大于土工格栅宽 度,夹具可将土工格栅均勻夹紧。法向压力和水平拉力均用传感器测定,试样前夹 具头和试样后土工格栅上均设置位移传感器;if嚷机相应采集记录和处雜据。


2.18拉拔试验车示意图


 

直剪摩擦试验车如图2_ 19和图2. 20所示,其内部尺寸为49onX36. 5cmX 26. 5cm(XX高),直剪摩擦试验车主要由箱体、车轮组、有机玻璃等部分组成。


2.19直剪试验设备图


2.20直剪试验车示意图



 


 

车前部设有水平液压加载系统。试验时,将容器车放置于支架轨道上,通过法向加 载系统施加不同的法向应力,用水平液压加载系统牵引小车向前移动。法向压力 和水平拉力均用传感器测定试验车前部设置位移传感器;计算机相应采集记录和 处理数据。

2.  填料

试验采用砂砾料和黏性土两种填料。砂砾料为赣()()铁路土工格栅加 筋土挡墙试验段填筑的材料,其级齙不均勻、不连续。砂砾料中含有较多的大颗 粒,在筛分试验中剔除粒径大于40mm的颗粒后的试验结果见表2. 7。其最大干 密度^=2. llg/cm3,最小干密度^ = 1. 65g/cm3 ^=0^=35. 0°。按照《铁路 路基设计规范KTB10001—1999)[37],试样相对密度Dr = 0. 7,相应干密度内= 1.947g/cm3分层击实制备试样。

2.7砂砾料的技术指标

颗粒组成/%

特征粒径

不均匀

曲率系数

>10mm

10?1mm

1 ?0_ 075mm

<0. 075mm

^60

<^50

<^30

<^10

系数

41.6

27.9

24.5

6.0 ,

11.0

7.5

0. 95

0.13

84.6

0. 63

 

黏性土采用物理、力学指标接近于赣龙铁路土工格栅加筋土挡墙黏性土的北 京白河堡黏土,白河堡黏土的性质见表2. 8

2.8白河堡土土性

密度

/(g/cm3)

最优含

水率/%

最大干密度 / (g/cm3)

液限

/%

塑限/%

塑性指数

压缩系数 /MPa-1

渗透系数

/ (cm/ s)

内摩擦

角八。)

黏聚力

/kPa

2. 71

17

1.7

32

17.1

14.9

0.17

2.6X10—7

26.0

46

 

3. 试验方法

拉拔试验采用应变控制式,拉拔速率取为0. 5mm/min土工格栅埋设在土样 中。试验时,在土工格栅的后部用位移传感器测定其水平位移,主要是基于考虑了 如果土工格栅水平位移的测试传感器安装在夹具头处,则试验测量数值会包含夹 具与土工格栅的滑动位移,缝口与夹具之间土工格栅的拉伸变形等,不能真实地反 映其水平位移。

直剪摩擦试验采用应变控制式,剪切速率取为0. 5mm/min土工格栅用环氧 树脂黏在光滑铁板上,同时在铁板上涂凡士林润滑,将铁板固定在加荷板上。在直


剪摩擦试验车的前端放置位移传感器。

4.  拉拔摩擦试验

(1)砂砾料中的拉拔摩擦试验

1)         试验步骤。试验采用EG130R单向格栅在砂砾料中的拉拔摩擦试验(法向 应力分别取75kPa150kPa200kPa)EG65R单向格栅在砂砾料中的拉拔摩擦 试验(法向应力分别取50kPa75kPa100kPa)试样高度为23cm其中土工格栅 下部土层厚10cm上部土层厚13cm试样分五层击实,层间刨毛,每层击实后髙 度控制在4?5cm击实两层之后预压试样,使土面与缝口下缘齐平。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,并保证足够的富裕量以 使之移动,通过缝口穿人土工格栅,并与前面的夹具对中,均勻的夹紧;然后再将上 层的土分层击实;土样击实完毕后再在上面垫上铁板,其上放加荷顶盖,施加相应 的法向应力。当沉降基本稳定后,调整水平加荷装置,开动油栗,调准拉拔速率,测 读并记录位移量和水平拉力。拉拔试验至拉拔力趋于稳定(拉拔位移约为10?20mm),即可停止试验。

2)         试验数据成果及分析。绘制出在每个法向应力作用下,土工格栅的滑动位 移与拉拔力之间的变化曲线,如图2. 21和图2. 22所示。EG130R型土工格栅在 150kPa200kPa压力下被拉断,对于EG65 R型土工格栅,在75kPalOOkPa 压力下被拉断。从图中看出曲线接近于双曲线,且经常表现为台阶状。根据试样 后部测得的水平位移L=4mm的强度,确定其拉拔强度,求出抗剪强度rP,即rP =

為。根据求出的抗剪强度绘制rP与各级法向应力p之间的曲线,如图2_23

文本框: p/kPa 2. 24所示。

 


 

2. 21 EG130R在砂砾料中rP-L变化曲线图2. 22 EG130R在砂砾料中的rP-/>关系曲线



 

"mm             p/kPa

2. 23 EG65R在砂砾料中rP-L变化曲线 2. 24 EG65R在砂砾料中的rP-/>关系曲线

根据绘制出的rp与各级法向应力P之间的曲线便可求出不同型号的单向土 工格栅与砂砾料间的强度指标。

EG130R单向格栅与砂碓料之间的强度指标为:ca = 05= 29. 4°tan单向格栅与砂烁料间的强度指标为:ca=05=29. 2%tan5=0. 56

(2)黏性土中的拉拔摩擦试验

1) 试验步骤。

试验研究EG90R单向格栅在黏土中的拉拔摩擦试验(法向应力分别取50kPa75kPa100kPa125kPa)首先按照最佳含水量w=17%制备土样,然后按 ^=90%^ = 1. 53g/cm3分层制备试样,试样高度为23cm其中土工格栅下部 土层厚10cm上部土层厚13cm拉拔速率取0. 5mm/min0

2) 试验数据成果及分析。

绘制出每个法向应力作用下,土工格栅的滑动位移与拉拔力之间的变化曲线, 如图2. 25所示。从图中可以看出,其拉拔曲线与在砂烁料中的拉拔曲线不同,各 组试样在拉拔至1?3mm时均开始出现拐点,随后曲线光滑地变化,其形状接近 于双曲线。根据曲线出现明显转折处,确定其拉拔强度。将拉拔强度除以2,求出

抗剪强度rPfP = ^根据求出抗剪强度绘制出rP与各级法向应力p之间的

曲线,如图2. 26所示。根据绘制出的rP与各级法向应力P之间的曲线即可确定EG90R单向格栅与黏土间的强度指标为:Ca = l. 6kPa, ^=6. 3°,tan

由于该砂砾料级配不均勻,个别大粒径颗粒分布对拉拔强度曲线影响很大(出 现台阶)。随着土工格栅被拉拔,其结点及横肋处的砂砾料被推动,大颗粒被堆积 产生更大的抗力,所以拉拔曲线呈台阶状,而且在法向压力较高的情况下,土工格 栅最后被拉断。从试验结果分析,在处的拉拔力大体上相当于其初始移 动时的拉拔强度,故土工格栅在砂砾料中的拉拔强度取土工格栅后部测得的水平 位移L=4mm的强度。


 

文本框: p/kPa 2. 25 EG90R在黏性土中rP-L变化曲线图2. 26 EG90R在黏性土中的rP-夕关系曲线

因为土工格栅横肋间的距离为24cm拉拔试验车长度为45cm约相当于2个 横肋的长度,如直接采用rP = ^计算基本上是合理的,后来进行了单个横肋土工

格栅的对比拉拔试验,结果显示测得的rP相差不大。

(3)  土工格栅直剪摩擦试验

1)         试验步骤。

试验研究了 EG65R单向格栅在黏土中的直剪摩擦试验(法向应力分别取50kPa75kPalOOkPa125kPa)首先按试验箱的尺寸裁剪格栅格栅宽度和长度 稍小于试验箱宽度,并且保证格栅在水平方向可以发生足够长的位移。然后将土 工格栅用环氧树脂黏在光滑铁板上,同时在铁板上涂以凡士林润滑,将铁板固定在 加荷板上,法向应力通过加荷板上的液压加载系统施加。按照?=17%K = 90%,^ = 1- 53g/cm3分层制备试样,试样高度为26. 5cm试验过程中分五层击 实,层间刨毛,每层击实后高度控制在5cm左右。将拉拔试验车推到相应位置,放 置调试好前方的位移传感器,上面放上加荷顶盖,施加相应的法向应力。至沉降基 本稳定后,调整水平加荷装置,开动油泵,调准拉拔速率,测读并记录位移量和水平 拉力。当拉拔曲线出现拐点后,应继续拉拔直至拉拔力稳定(拉拔位移约为10?20mm),即可停止试验。

2)         试验数据成果及分析。

绘制出每个法向应力作用下,小车的水平位移与摩擦力之间的变化曲线,如 图2. 27所示。从图中可以看出各组试样在拉拔至4?6mm时均开始出现拐点,曲 线接近于双曲线。根据曲线出现明显转折处,确定其摩擦强度,即抗剪强度。根据 求出的抗剪强度绘制出rP与各级法向应力p之间的曲线,如图2. 28所示。

EG65R单向格栅与黏土的直剪摩擦强度指标为:Ca=6.3kPa, 5=21.2°, tan5=

0. 388。由于格栅纵肋之间的空隙并且格栅有一定的厚度,使得铁板与土间摩擦和


土与土之间的剪切占了很大比例,用直剪试验来确定接触面的抗剪强度并不合理。 通过做光铁板的对比直剪试验也验证了这一点。

p/kPa


 

2. 27 EG65R与黏性直剪试验rP-L变化曲线 2. 28 EG65R与黏土 rp-/>关系曲线 小结

1)         砂烁料的拉拔强度曲线会出现台阶现象,这是由于拉拔过程中网格内的大 颗粒位置错动调整造成的。

2)                                                      黏土接触面抗剪强度很低(5=6.3°Ca  = 1.6kPa)不能提供足够的锚固 力,尤其是对于拉拔力较大的土工格栅及孔压未能充分消散的情况。砂砾料接触 面抗剪强度较高EG130R单向土工格栅5=29. 4°, ca=0EG65R单向土工格栅5=29. 2% ca=0)在法向压力较大的情况下,土工格栅甚至被拉断,此时由土工格 栅的强度决定其抗拉强度。对于加筋土挡墙下层拉拔力较大的土工格栅,应选择 砂砾料为填料。

2,2.5   试验条件对土工格棚与土体界面摩擦特性的彩响[38]

随着土工格栅加筋土结构的不断推广,填料的选用范围逐渐增大,加筋土体的 密实程度也有所不同。本次研究进行了以下几种试验:①不同垂直荷载下的黏性 土、石灰土与单向、双向土工格栅的直剪、拉拔摩擦试验,其中单向土工格栅与土体 的界面摩擦试验又包括剪切盒内有横肋和无横肋两种情况;不同剪切速率、不同 压实度下黏性土、石灰土与土工格栅的直剪、拉拔摩擦试验。

1.试验材料与试验条件

试验采用的黏性土填料的物理力学指标为:o>opt = 20. 3%~ = 1. 65 g/cm3, 7P = 13. 0,GS = 2. 68,e=0. 64,c=23. 7kPa,^=31. 2°,a? = 0.14MPa_1 ,k = l. 27X

10 6 cm/s

石灰土填料采用生石灰与黏性土按6%的掺人量拌制而成,其物理力学各项 指标为:cuoPt = 20. l%,p^ = l. 62g/cm3,/P = 20,Gs = 2. 73,e = 0. 67c=67. 8kPa,


^=24. 2°,av = 0. 08MPa—1 ,k = l. 07X10—6cm/s

参照击实试验的操作方法,将填料分5层分别放置于200mmX 200mm的上F剪切盒内并用均匀的荷载碾压振平以控制90%96%两种压实度。

试验的土工格栅的主要性能指标见表2. 9

2.9 土工格栅主要性能指标

型号

质控抗拉强度 /(kN/m)

由质控拉伸试验测得的抗拉力/kN

材料

网格尺寸 /(mmXmm)

EG2020A

MD纵向

TD横向

2%应变 MD

2%应变 TD

5%应变 MD

5%应变 TD

聚丙烯

40X40

23. 45

25. 72

11.19

11. 92

20. 84

21. 94

型号

质控抗拉强度 /(kN/m)

由质控拉伸试验测得的抗拉力/kN

材料

峰值应变

EG70R

MD纵向

2%应变MD

5%应变MD

高密度

聚乙烯

9.8%

74.6

24. 75

47.18

 

文本框: 图2. 29 土工合成材料综合测定仪 文本框: 图2.30 土工格栅拉筋/土界面摩擦试验 试验在土工合成材料综合测定仪上进行(图2. 29和图2. 30),该仪器配备了 拉拔试验和直剪试验装置。拉拔摩擦试验中格栅大小采用230_X 230mm样本 在剪切盒中的有效面积为200mmX 200mm直剪摩擦试验中样本在剪切盒中的 有效面积为200mmX200mm


2.不同速率条件下的摩檫试验对比

选用EG70R单向土工格栅在相同的压实度条件下,以黏性土、石灰土为填 料,分别在0. 17mm/min^ 1. 33mm/min> 4. 33mm/min三种剪切速率条件下进行 了直剪和拉拔试验。根据每级法向荷载下的剪切力峰值F和拉拔力峰值Td利用 公式rP=F/Arf = Td/2LB,求出抗剪强度,绘制出rpn与各级法向应力p间的曲线,试验曲线如图2. 31?图2.33所示,图中8的单位为(°)ca的单位 为 kPa

 
文本框: o o o o 4 2 3 1 i讀璧 文本框: o o o o 4 2 3 1 i讀璧

? 0.17mm/min <5=7.4, ca=0.4 1.33mm/min 5=6.6ca=1.9 4.33mm/min ,^=5.9, ca=2.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


100 200 300 法向应力/kPa (a)直剪试验rp-p曲线

 

100 200 300 法向应力/kPa (b)拉拔试验曲线

 

 


2. 31单向格栅盒内无横肋时与黏性土的摩擦试验曲线

 

 



文本框: 5 0 5 0 5 0 5 3 3 2 2 1 1 H篇
文本框: 5 o 5 o 5 o 严 3 3 2 2 1 1 H整

? 0.17mm/min

 

0.17mm/min <5=8.1, ca=0.3 1.33mm/min a=1.7 4.33mm/min § =6.0, ca=1.8

 

 

 


50 100 150 200 250

法向应力/kPa (a)直剪试验rp-/>曲线

 

2. 32单向格栅盒内有横肋时与黏性土的摩擦试验曲线

 

? 0.17mm/mm ^=6.5, ca=2.1 ■ 1.33mm/min ^=6.9, c&~\.9 ▲ 4.33mm/min (5=6.0, c=2.9

 
文本框: 0 5 0 5 0 5 3 2 2 11 Ml制睇铱垢 文本框: 0 5 0 5 0 5 3 2 2 11 Ml制睇铱垢
文本框: o o o o o o 6 5 4 3 2 1 Hi

 

 

 

 

 

 

 

 

 



根据不同速率条件下直剪试验的曲线可以看出,随着剪切速率的变化, 筋土界面的直剪摩擦特性在不同速率下表现出了明显的特征:筋土界面的直剪摩 擦系数(图中直线的斜率)随着剪切速率的增加而明显增大。填料为黏性土、剪切 盒内有横肋时,剪切速率由1. 33mm/min降低到0. 17mm./min时的似摩擦系数增 加了 79. 2%;填料为石灰土时,剪切速率由1. 33mm/min降低到0. 17mm/min时 的似摩擦系数增加了 70%。无论黏性土还是石灰土,随着直剪速度的增大,相应 的都增大。

由拉拔试验的rp曲线可以看出:筋土界面的拉拔摩擦系数随着拉拔速度的 增加而减小,填料为黏性土,剪切盒内有横肋时,剪切速率由1. 33mm/min降低到

0.                                                    17rnm/min时的似摩擦系数降低了         16. 2%;填料为石灰土时,剪切速率由

1. 33mm/min降低到0.17mm/min时的似摩擦系数降低了 5. 8%。随着拉拔速率 的增大,相应的^值增大,5减小。这是因为剪切速率的快慢与界面上孔隙水压 力的高低有一定关联。慢速剪切时,孔隙水压力比快速剪切时更充分的消散,使得 摩擦强度得以提高。

从试验结果可以看出:直剪摩擦试验测得的Ca5值的变化趋势比拉拔试验

值的变化趋势更明显,也就是说,速率变化对直剪摩擦试验的影响比拉拔试 验大。

3.  不同加筋形式条件下的摩擦试验对比

选用EG70R单向土工格栅、EG2020A双向土工格栅,在相同的压实度下,以 黏性土为填料,在4. 33mm/min速率下进行了直剪摩擦试验,在1. 33mm/min速 率下进行了拉拔摩擦试验。绘制了相同速率、不同加筋形式下的法向应力与界面 摩擦抗剪强度之间的rj曲线。同时,绘制了在4.33mm/min速率时每个法向应 力作用下,剪切位移L与直剪摩擦抗剪强度rPl. 33mm/min速率下拉拔位移L 与拉拔摩擦抗剪强度rf之间的变化曲线。直剪摩擦试验曲线见图2. 34,拉拔摩擦 试验曲线见图2. 35

由直剪、拉拔摩擦试验的r j曲线可以看出:对于单向格栅来说,剪切盒内有 横肋时筋土界面的摩擦系数大于无横肋时的情况,说明土工格栅横肋在加筋作用 上有着重要的地位。在相同的剪切速率条件下,黏性土与盒内有横肋时的单向土 工格栅之间的界面摩擦角大于无横肋的情况,这种现象直剪摩擦试验比拉拔试验 更明显。这也从另一个角度说明,土工格栅中的肋及节点与土颗粒的咬合作用是 不容忽视的。

根据rP-Lrf-L曲线可知,筋土之间的剪应力随着相对位移的增加而增大,当 相对位移增大到一定程度后,筋土之间的剪应力趋于稳定,相同的速率下,无横肋 时的单向土工格栅与土之间的剪应力达到稳定所需的时间要短于有横肋的情况。


0              100           200            300

法向应力/kPa (b)不同类型格栅与土摩擦的rP_/7曲线

 
文本框: 画

? ?盒内有横肋<5=7.3, ca=7.1 盒内无横肋J=5,Z ca=11.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



位移/mm

(c) 单向格栅无横肋布置时的rP-L曲线

位移/mm

(d)单向格栅有横肋布置时的rp-i曲线


 


2. 34不同加筋形式下的直剪摩擦试验曲线


文本框: 0 5 0 5 0 5 3 2 2 1 1
文本框: o o o o o 5 4 3 2 1 lii

_盒内有肋占=6.6,ca=1.9

 

0 50 100 150 200 250 法向应力/kPa (b)不同类型格栅与土摩擦的曲线

 

0 50 100 150 200 250

法向应力/kPa (a)单向格栅不同布置形式下的rf-p曲线

 

200kPa

150kPa

 

200kPa

150kPa

lOOkPa

50kPa

 
文本框: 5 0 5 0 5 22 1 1
文本框: Hi

lOOkPa

50kPa

 

0 5 10 15 20

位移/mm

(d)单向格栅有横肋布置时的rf-L曲线

 

位移/mm

(c)单向格栅无横肋布置时的rf-L曲线

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




厚度较大,对土颗粒具有侧向阻力作用。主要表现在:它的横肋较粗,强度高,不 易发生网眼断裂、抗冲击性强,从而能大大提高抗尖石刺破能力;根据摩擦加筋 原理,在加筋土结构中,加筋材料是土体中的受拉构件,填土与加筋材料的摩阻作 用既可将筋材的拉力传递到土体中,又可阻止土体的侧向变形的发展,即将土体与 拉筋材料发生相对位移时,接触面上的摩阻力阻止这种运动;③当拉筋受到拉力作 用时,接触面上的摩阻力又阻止加筋材料被拔出。试验中,单向土工格栅的横肋增 加了筋土界面的摩擦作用,从而有效地阻止了土体与加筋材料发生相对位移,使得 该种情况下的剪应力更不容易达到峰值并保持不变趋势。

4.  不同填料条件下的摩擦试验对比

96%的压实度、1. 33mm/min的速率下分别进行黏性土、石灰土填料与单 向、双向土工格栅的界面摩擦试验,试验结果如图2. 36和图2. 37所示。分析其强 度曲线,对不同填料下的筋土界面特性进行对比研究。


 

)0 150 200 250 300 350                     0 100 200 2

法向应力/kPa                                                                                                             法向应力/kPa

(a) rp-/?曲线                                                                                                              b) 1^/7曲线

文本框: 法向应力/kPa (b) 曲线 2. 36单向格栅与不同填料的摩擦试验曲线

法向应力/kPa (a) rp-/7曲线


 

2. 37双向格栅与不同填料的摩擦试验曲线

通过不同填料的直剪和拉拔试验容易看出:石灰土填料与土工格栅之间的界 面摩擦系数小于黏性土填料与土工格栅之间的界面摩擦系数,这个现象在直剪摩 擦试验中更明显些。对于拉拔摩擦试验,石灰土填料与土工格栅之间的界面摩擦


系数很接近黏性土填料与土工格栅之间的界面摩擦系数。除此之外,也容易看出: 掺人6%的石灰之后,黏性土的强度有所提高。石灰土与土工格栅界面的黏聚力 大于黏性土与土工格栅界面的黏聚力。试验过程中,两种填料与土工格栅之间的 作用效果还是有明显区别的。拉拔后的土工格栅变形情况可见图2. 38、图2. 39。 在进行石灰土的常规力学试验时,大家已看出黏性土掺入石灰后的黏聚力相对素 土提高了很多,从不加灰的23. 7kPa增加至68. 7kPa由此可见石灰对黏性土的 改良作用十分明显。可以从黏性土和石灰的工程特性去分析石灰土强度的形成。

2. 38格栅在黏性土中的拉拔现象     2. 39格栅在石灰土中的拉拔现象


 

黏性土多具有土质均勻、细腻、黏性强的特征,其黏粒组分(粒径<0. 005mm 的颗粒)含量相当高,一般可高达55%?70%粒度较均匀,高分散性。黏土矿物 组成以多水高岭石为主,其他矿物一般包括伊利石、蒙脱石、绿泥石、石英;其化学 成分主要有铁铝氧化物,Si02 (33. 5%?68. 9%)A1203 (9. 6%?12. 7%)Fe203 (13. 4%?36. 4% )等,硅铝率一般均小于2Fe203含量占5%?15%时,黏性 土颜色为褐黄、黄色;Fe203含量增高达15%?25%时,则黏性土呈现为褐红、棕 红色。黏性土内部颗粒的结构主要为蜂窝状结构和絮凝状结构,其介质略呈酸性, 内部颗粒以铁质或铝质凝结胶结为主,黏性土颗粒内部间连接紧固同时土层中大 多发育褐黄、褐红色结核体。总之,黏性土是一种具有黏粒含量髙、高分散性、液限 高、饱和度大、孔隙比大、比重大、渗透系数小、具有较大的胀缩变形能力和灵敏度 的特殊土类[39]。因此,在实际工程中,黏性土作为加筋填料时,需要对其进行适当 的改良。

黏性土中掺人适量的石灰,并在最佳含水量压实后,既发生了一系列的物理力 学作用,也发生了一系列的化学和物理化学作用。在这一系列作用发生的同时,形 成了石灰土的强度。由于石灰与土之间发生了一系列作用,从而使土的性质发生 根本的改变。与原素土相比,在初期,石灰土主要表现在土的结团、塑性降低、最佳 含水量增大和最大干密度的减小等。后期变化主要表现在结晶结构的形成,从而
提高土的强度和稳定性。石灰加入土中发生的物理与化学反应主要有离子交换、
Ca(OH)2

的结晶、碳酸化和火山灰反应。其结果使黏土胶粒絮凝,生成晶体氢氧 化钙、碳酸钙及含水硅、铝酸钙等胶结物,这些胶结物由胶凝状态向晶体状态转化, 致使石灰土的刚度不断增大,强度与水稳性不断提高。此外,生石灰在土中伴随消 解作用的同时,还会有膨胀发热现象,使土体进一步挤密、脱水,降低土中含水量, 进一步提高土体密实度。土体密实度提高了,土体的黏聚力提高了,筋土之间界面 处的黏聚力也有所提高。

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5. 不同压实度条件下的摩擦试验对比

在黏性土填料中布置EG70R单向格栅,改变填料的压实度,绘制出速率为 1.33mm/min时,不同压实度下的直剪摩擦rPj拉拔摩擦Tpn_L曲线,如 图2. 40和图2. 41所示。


 


文本框: ^ K=9Q%, ^=1.6, ca=5.8文本框: HiK=90%,S=6.56,ca=\.9 ■ ^=96%, <5^6.61ca=0.3


法向应力/kPa (a)直剪曲线

 

法向应力/kPa (b)拉拔rf-p曲线

 

 




 

文本框: 图2. 40不同压实度下的r-p曲线拉拔位移/mm                                拉拔位移/mm

2. 41不同压实度下的r_L曲线

根据两种压实度下的直剪和拉拔试验曲线可以看出,随着填料压实度的增大, 筋土界面的摩擦系数也增大。直剪摩擦试验中,压实度为90%时,筋土之间的界 面参数为Ca = 5. 8,5=1. 6/=0. 028;压实度为96%时,筋土之间的界面参数为 ca = 3. 8^=1. 8/=0. 031;对于拉拔摩擦试验,压实度为90%时,筋土之间的界面 参数为ca = l. 9^=6. 56/=0. 115;压实度为96%,筋土之间的界面参数为ca = 0. 35=6.61/=0. 116。加筋土体在90%压实度下的剪切强度包络线与
96%压实度下的剪切强度包络线基本平行,说明加筋对土的内摩擦角影响不明显, 而对黏聚力相对影响较大。同时也可以看出,从90%的压实度到96%,直剪试验 摩擦角的变化趋势比拉拔试验摩擦角的趋势明显一些。

从以上所有t-P曲线容易看出:无论是单向格栅还是双向格栅,无论是黏性土 填料还是石灰土填料,筋土之间拉拔摩擦试验的强度指标明显大于直剪摩擦试验 的强度指标。大家可以从直剪和拉拔摩擦试验的试验原理来分析这个现象。拉拔 试验反映了拉筋从土中被拔出时与周围土体的摩擦特性,而直剪试验测定的是拉 筋与土体沿其界面的摩擦特性。直剪摩擦试验方法主要用于研究筋土界面的相互 作用机理、筋土界面的抗剪强度指标以及筋土界面上的局部剪应力和剪应变的关 系。拉拔摩擦试验是以确定合理的锚固段长度及稳定性分析为目的,进行筋土界 面相互作用机理、筋土界面的摩擦系数以及筋土界面剪应力和筋土相对位移的变 化规律研究。研究表明,直剪试验中剪力破坏区的剪应变相当均勻,而拉拔试验中 剪应变趋于不均勻。现场实测结果已经证明,拉拔试验能较好地模拟加筋土结构 中拉筋的加筋行为。

6.分析结论

筋土界面的抗剪强度指标主要指界面的黏聚力和摩擦角或似摩擦系数。摩擦 角是筋土界面相互作用中一个重要参数,也是加筋土结构设计中的重要指标。通 过试验数据和理论分析,对于筋土界面的摩擦特性,可以得出以下结论:

1) 拉拔摩擦试验和直剪摩擦试验的机理不同,在不同条件下,两种试验的强度 发挥和受影响程度也不同。对于直剪摩擦试验,随着剪切速率的增大,相应的

都增大;而对于拉拔摩擦试验,随着拉拔速率的增大,试验测得的ca值增大4却减 小。而且,随着速率的变化,直剪摩擦试验值的变化趋势比拉拔试验值的 变化趋势更明显,也就是说,速率变化对直剪摩擦试验的影响比拉拔试验大。

2) 相同速率下,土与有横肋的单向土工格栅之间的界面摩擦角大于无横肋的 情况,这种现象直剪摩擦试验比拉拔试验更明显。

3) 不同荷载作用下的摩擦试验表明:随着垂直荷载的增加,剪力峰值及剪力 峰值对应的位移相应增大;黏性土与土工格栅的界面摩擦发展较慢,达到峰值剪力 的相应位移较大,而且当相对位移增大到一定程度后,筋土之间的剪应力趋于稳 定。由于横肋及节点与土颗粒的咬合作用增大了筋土界面的摩擦,相同速率下,有 横肋的单向土工格栅与土之间的剪应力趋于稳定时相对应的位移量要大于无横肋 的情况。

4) 随着填料压实度的增大对筋土界面的内摩擦角影响不明显,而对黏聚力相 对影响较大。而且,直剪试验所得摩擦角的变化趋势比拉拔试验摩擦角的趋势明


显一些。

  1. 对于相同填料、相同加筋材料,拉拔摩擦试验的强度指标明显大于直剪摩 擦试验的强度指标。当加筋土体里的格栅出现拉拔破坏,设计锚固长度时应采用 拉拔抗剪强度指标;若加筋土体出现格栅接触面的滑动破坏,宜选用直剪抗剪强度 指标进行设计。

    由以上的分析可知,加筋方式、筋材拉伸模量、压实度及法向压力的不同,加筋 土的强度和变形特性以及加筋效果也不同,因此对于具体的加筋土结构工程设计, 应综合考虑各种因素。

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