拉拔速率對土工格柵-礫性土界面摩擦特性的影響分析

祁航翔　王家全　林志南　唐瀅

摘? 要：為研究土工格柵與礫性土的界面特性，通過室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究了拉拔速率、法向應(yīng)力對界面參數(shù)的影響，分析了拉拔力峰值、界面摩擦參數(shù)及界面摩擦系數(shù)比的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：不同拉拔速率下的拉拔力與拉拔位移曲線均呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，且隨著拉拔速率的增大，相同法向應(yīng)力下拉拔力峰值對應(yīng)的拉拔位移基本相同;隨著法向應(yīng)力的增大，相同拉拔速率下拉拔力峰值對應(yīng)的拉拔位移逐漸增大;土工格柵-礫性土界面的似摩擦角在拉拔速率（v≤0.9 mm/min）下變化較小，隨著拉拔速率的進(jìn)一步增加，界面的似摩擦角略有提升，且隨著拉拔速率的增加，存在一個(gè)臨界拉拔速率（v=0.9 mm/min），此時(shí)土工格柵-礫性土界面的似黏聚力達(dá)到最大，為最小界面似黏聚力的1.9倍左右;界面摩擦系數(shù)比K隨著拉拔速率的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，拉拔速率在0.3～4.5 mm/min時(shí)，K的變化范圍為1.29～1.58;從偏安全角度考慮，實(shí)際加筋土工程設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇低速率試驗(yàn)工況下的界面摩擦系數(shù)比.

關(guān)鍵詞：礫性土;土工格柵;界面特性;拉拔速率;應(yīng)變軟化

中圖分類號：TU47??????????? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.003

0??? 引言

礫性土作為一種重要的工程材料，在自然界分布廣泛且儲存量大，具有壓實(shí)性好、透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、承載力高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于土石壩、鐵路路基、橋梁墩臺以及處理軟弱地基的砂石墊層等工程中[1].

在筋土結(jié)構(gòu)中，筋土界面特性直接影響加筋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性、筋材拉力發(fā)揮以及結(jié)構(gòu)極限破壞型式，是筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變形及穩(wěn)定分析最為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，目前研究筋土界面特性主要是通過試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究[2-4]，主要通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)進(jìn)行分析.謝寶琎等[5]為研究不同含水率下尾礦與土工格柵的界面特性進(jìn)行了室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，在界限含水率下的界面似黏聚力最大，似摩擦角最小.靳靜等[6]利用室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究不同橫肋間距單向拉伸土工格柵的筋土界面作用特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橫肋間距較小時(shí)，拉拔曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，在橫肋間距增大的過程中，拉拔曲線由應(yīng)變硬化向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變.王家全等[7-8]通過直剪試驗(yàn)研究了素粗粒土和加筋粗粒土界面特性，發(fā)現(xiàn)加筋粗粒土相對于素粗粒土內(nèi)聚力有所增加，內(nèi)摩擦角有所降低.徐超等[9]采用室內(nèi)拉拔試驗(yàn)研究土工格柵與砂土相互作用機(jī)制以及格柵幾何特征對拉拔阻力的影響，認(rèn)為橫肋和縱肋的減小不僅造成拉拔阻力的減小，而且也會降低格柵的拉伸模量、網(wǎng)格剛度和抗拉摩阻力，最終導(dǎo)致筋土相互作用的機(jī)制發(fā)生改變.楊敏等[10]以土工布作為筋材，進(jìn)行了黃土加筋土的直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，分析了不同壓實(shí)度條件下筋土界面間的直剪和拉拔強(qiáng)度以及摩擦系數(shù).以上學(xué)者研究筋土界面特性采用的拉拔速率或剪切速率比較單一，而不同拉拔速率下的加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也有所差異，因此，有必要研究不同拉拔速率下的筋土界面特性.

目前，有一些學(xué)者研究了拉拔速率對筋土界面參數(shù)的影響.史旦達(dá)等[11]利用拉拔試驗(yàn)研究了拉拔速率對黏性土與單向土工格柵拉拔結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示拉拔阻力峰值隨著拉拔速率增加而增大;而對于砂土與雙向土工格柵界面作用特性，隨著拉拔速率增加，界面剪應(yīng)力略微下降，但規(guī)律性不強(qiáng).易富等[12]分析了3種拉拔速率下的土工格柵與碎石土填料的界面摩擦特性，在法向應(yīng)力一定時(shí)，最大拉拔力隨著拉拔速率的增加而增大.張利陽等[13]研究了拉拔速率對尾礦與土工布界面特性的影響，在法向應(yīng)力一定時(shí)，界面剪應(yīng)力峰值隨著拉拔速率的增加略有增加，而界面似黏聚力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，界面摩擦角先略微減小后快速增加.易富等[14]通過拉拔試驗(yàn)研究尾礦與土工格柵在3種不同拉拔速率下的界面特性，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面似摩擦角隨著拉拔速率的增加逐漸變大，而似黏聚力先緩慢減小后迅速增大.Lopes等[15]通過開展砂土與土工格柵的拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明拉拔阻力隨著拉拔速率的增加而增大.

綜上所述，以上學(xué)者研究拉拔速率對筋土界面摩擦特性的影響，所選的拉拔速率變化范圍較小，很難準(zhǔn)確反映筋土界面的真實(shí)情況，且對礫性土與土工格柵筋土界面的研究較少.基于此，本文以礫性土為試驗(yàn)填料，探討了拉拔速率、法向應(yīng)力對土工格柵-礫性土界面拉拔摩擦特性的影響，得到了一些有益的結(jié)論，可為土工格柵加筋土工程建設(shè)提供參考.

1??? 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1?? 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用TZY-1型土工合成材料綜合測定儀，該儀器由南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn).水平荷載采用應(yīng)變控制加荷方式，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動變速箱均勻施加，最大拉力為10 kN;拉拔速率有12種檔位可供選擇，速率范圍為0.04～13.00 mm/min.法向荷載采用高精度調(diào)壓閥和滾動隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)進(jìn)行施加;數(shù)據(jù)采集由8031單片微機(jī)控制，采樣速度10次/s，自動判斷峰值，實(shí)時(shí)傳輸力與位移的數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)或試驗(yàn)結(jié)束后一次傳輸整個(gè)試驗(yàn)的全部數(shù)據(jù).拉拔試驗(yàn)盒由上盒和下盒組成，拉拔試驗(yàn)盒上盒內(nèi)部尺寸為200 mm（長）×200 mm（寬）×37 mm（高），下盒內(nèi)部尺寸為?????? 200 mm（長）×200 mm（寬）×63 mm（高），試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示.

1.2?? 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的填料為柳州地區(qū)工程建設(shè)所用的河砂，通過篩分試驗(yàn)得到粒徑范圍為0～10 mm的砂土，經(jīng)過人工配比，調(diào)配出的礫性土的不均勻系數(shù)Cu=5.38，曲率系數(shù)Cc=1.16，故礫性土級配良好，礫性土的顆粒級配曲線如圖2所示.筋材采用雙向拉伸HDPE土工格柵，試驗(yàn)時(shí)格柵尺寸為300 mm×160 mm（長×寬），如圖3所示，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

1.3?? 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，以礫性土的密度控制裝砂量，將試驗(yàn)填料從下往上分層填筑裝入試驗(yàn)盒，每層填筑高度為25 mm，保證每組試驗(yàn)的密實(shí)度相同;填筑完成后將剛性承壓板蓋上，通過調(diào)壓閥和氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)在預(yù)定的法向應(yīng)力下進(jìn)行預(yù)壓;預(yù)壓結(jié)束后，在不同拉拔速率和法向應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)土工格柵拉拔位移達(dá)到35 mm或者拉拔力達(dá)到峰值并穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn).

1.4?? 試驗(yàn)內(nèi)容

為研究土工格柵-礫性土之間的界面特性，采用級配良好的礫性土為試驗(yàn)填料，雙向拉伸HDPE土工格柵為試驗(yàn)筋材，分別在25 kPa、50 kPa、75 kPa這3種法向應(yīng)力下進(jìn)行5種不同拉拔速率（0.3 mm/min、0.6 mm/min、0.9 mm/min、1.5 mm/min、4.5 mm/min）的拉拔試驗(yàn).

2??? 結(jié)果分析

2.1?? 拉拔速率對拉拔結(jié)果的影響

圖4（a）—圖4（e）為礫性土與土工格柵在5種不同拉拔速率和3種不同法向應(yīng)力下拉拔力與拉拔位移的曲線關(guān)系圖.由圖4可知，拉拔力與拉拔位移的曲線發(fā)展規(guī)律無顯著變化，在各拉拔速率下曲線的發(fā)展規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征.在不同拉拔速率下，當(dāng)法向應(yīng)力σ從25 kPa增大到50 kPa、75 kPa時(shí)，拉拔力峰值均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.以拉拔速率v=0.3 mm/min為例，當(dāng)法向應(yīng)力σ從25 kPa增加到50 kPa時(shí)，拉拔力峰值從??????? 2.64 kN增加到4.69 kN，增幅為77.7%;當(dāng)法向應(yīng)力σ從50 kPa增加到75 kPa時(shí)，拉拔力峰值從??? 4.69 kN增加到6.72 kN，增幅為43.3%.可見隨著法向應(yīng)力的增加，拉拔力峰值增加的幅度有所減小.此外，由圖4可知，在相同的法向應(yīng)力作用下，隨著拉拔速率的增大，各拉拔速率下拉拔力峰值對應(yīng)的拉拔位移基本相同;在拉拔速率一定時(shí)，隨著法向應(yīng)力的增大，拉拔力峰值對應(yīng)的拉拔位移逐漸增大.

圖5為不同拉拔速率下法向應(yīng)力與最大剪應(yīng)力的擬合關(guān)系，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上，表明擬合結(jié)果具有很好的可靠性.此外，根據(jù)擬合關(guān)系表達(dá)式可得到最大剪應(yīng)力與拉拔速率的曲線關(guān)系，如圖6所示.從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，不同法向應(yīng)力下，最大剪應(yīng)力隨著拉拔速率的增加均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.以法向應(yīng)力25 kPa為例，當(dāng)拉拔速率v從0.3 mm/min增大到1.5 mm/min時(shí)，最大剪應(yīng)力持續(xù)增加，增幅為22.8%;當(dāng)拉拔速率v進(jìn)一步從1.5 mm/min增大到4.5 mm/min時(shí)，最大剪應(yīng)力開始減小，減幅為12.8%;隨著拉拔速率的增加最大剪應(yīng)力會存在一個(gè)最大值，表現(xiàn)出先增后減的趨勢.

通過該擬合結(jié)果可以得到土工格柵-礫性土界面參數(shù)似黏聚力和似摩擦角，將不同拉拔速率下的界面參數(shù)匯總到表2.由表2可知，隨著拉拔速率的增加，界面似黏聚力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢.而當(dāng)拉拔速率v≤0.9 mm/min時(shí)，界面似摩擦角變化較小;當(dāng)拉拔速率v>0.9 mm/min時(shí)，相對拉拔速率界面似摩擦角略有提升.當(dāng)拉拔速率v從0.3 mm/min增大到0.9 mm/min時(shí)，似黏聚力增大至最大值，增幅為88.3%，似摩擦角持續(xù)減小，減幅為0.2%;當(dāng)拉拔速率v從0.9 mm/min增大到4.5 mm/min時(shí)，似黏聚力持續(xù)減小，減幅為38.7%，似摩擦角略有提升，增幅為2.6%.不難發(fā)現(xiàn)，隨著拉拔速率的增加，存在一個(gè)臨界拉拔速率（v=0.9 mm/min），在該速率下界面似黏聚力最大.

分析其原因，當(dāng)拉拔速率較小時(shí)，土工格柵與周圍的土顆粒能及時(shí)重新排列，其鑲嵌、咬合作用更強(qiáng)，格柵橫肋以及土體的塑性變形來不及發(fā)展，從而導(dǎo)致拉拔摩擦阻力增大，因此，礫性土與土工格柵的界面參數(shù)似黏聚力變大.而當(dāng)拉拔速率較大時(shí)，土工格柵與周圍的土顆粒不能及時(shí)重新排列，其鑲嵌、咬合作用變小，主要靠縱肋和橫肋端承阻力提供摩阻力，因此，拉拔摩擦阻力減小，從而使得礫性土與土工格柵的界面參數(shù)似黏聚力變小.且由于土顆粒發(fā)生相對錯(cuò)動較小，所以界面參數(shù)似摩擦角變化較小.

2.2?? 拉拔速率對拉拔力峰值的影響

拉拔力峰值隨拉拔速率的變化曲線如圖7所示.由圖7可知，隨著拉拔速率的增加，各法向應(yīng)力下的拉拔力峰值均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，且拉拔力峰值隨法向應(yīng)力的增加而增大.在低法向應(yīng)力下（σ≤50 kPa），當(dāng)拉拔速率v=0.9 mm/min時(shí)，拉拔力峰值達(dá)到最大;而在法向應(yīng)力σ=75 kPa下，拉拔力峰值達(dá)到最大，對應(yīng)的拉拔速率v=1.5 mm/min.這是因?yàn)樵诘头ㄏ驊?yīng)力下（σ≤50 kPa），土工格柵與周圍土體的側(cè)限約束較小，且拉拔速率從?? 0.3 mm/min增加到0.9 mm/min，拉拔速率變化比較小，土工格柵與周圍土顆粒能及時(shí)重新排列，其鑲嵌、咬合作用變大，故拉拔力峰值進(jìn)一步增大;而當(dāng)拉拔速率從0.9 mm/min增大到4.5 mm/min時(shí)，拉拔速率變化比較大，土工格柵與周圍土顆粒不能及時(shí)重新排列，其鑲嵌、咬合作用變小，故拉拔力峰值有所降低.相對而言，在法向應(yīng)力σ=75 kPa下，土工格柵與周圍土體的側(cè)限約束較大，當(dāng)拉拔速率從0.3 mm/min增大到1.5 mm/min時(shí)，拉拔力峰值逐漸增大;而當(dāng)拉拔速率從1.5 mm/min增到4.5 mm/min時(shí)，土顆粒平移以及轉(zhuǎn)動比較明顯，但由于土顆粒不能及時(shí)重新排列，其與土工格柵的鑲嵌、咬合作用變小，從而導(dǎo)致拉拔峰值減小.

2.3?? 拉拔速率對界面摩擦系數(shù)比的影響

依據(jù)《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGT/TD32—2012）[16]中界面摩擦系數(shù)比的定義，即：

[K=tan?g-stan?s-s]?????????????????????????????????? （1）

式中：[?g-s]為土工格柵-礫性土界面的似摩擦角;[?s-s]為礫性土的摩擦角，[?s-s]=44.50°.

圖8為土工格柵-礫性土界面摩擦系數(shù)比隨拉拔速率變化曲線.由圖8可知，界面摩擦系數(shù)比K隨著拉拔速率的增加整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，根據(jù)規(guī)范所得的界面摩擦系數(shù)比的變化范圍為1.29～1.58.此外，發(fā)現(xiàn)低拉拔速率下（v≤0.9 mm/min），界面摩擦系數(shù)比的變化范圍比較小，近似一條水平直線，且界面摩擦系數(shù)比的最小值與最大值僅相差0.8%;而當(dāng)0.9 mm/min

3??? 結(jié)論

為研究礫性土與土工格柵的界面特性，進(jìn)行了5種不同拉拔速率和3種不同法向應(yīng)力下的拉拔試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）在土工格柵與礫性土的拉拔試驗(yàn)中，不同拉拔速率下的拉拔力與拉拔位移曲線均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征;且隨著拉拔速率的增大，相同法向應(yīng)力下拉拔力峰值對應(yīng)的拉拔位移基本相同;隨著法向應(yīng)力的增大，相同拉拔速率下拉拔力峰值對應(yīng)的拉拔位移逐漸增大.

2）隨著拉拔速率增加，界面似黏聚力呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，而界面似摩擦角的影響較小;且隨著拉拔速率增加，存在一個(gè)臨界拉拔速率??????????? （v =0.9 mm/min），此時(shí)界面似黏聚力最大，最大界面似黏聚力是最小界面似黏聚力的1.9倍左右.

3）隨著拉拔速率的增加，各法向應(yīng)力下的拉拔力峰值均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;在低法向應(yīng)力下（σ≤50 kPa），在拉拔速率v=0.9 mm/min時(shí)，拉拔力峰值達(dá)到最大;而在法向應(yīng)力σ=75 kPa下，拉拔力峰值達(dá)到最大，對應(yīng)的拉拔速率???????????????????? v =1.5 mm/min.

4）土工格柵和礫性土的界面摩擦系數(shù)比K隨著拉拔速率的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，拉拔速率在0.3～4.5 mm/min時(shí)，K的變化范圍為1.29～1.58;從偏安全角度，實(shí)際加筋土工程設(shè)計(jì)中應(yīng)要選擇低速率試驗(yàn)工況下的界面摩擦系數(shù)比.

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Impact analysis of pullout velocity on interface friction characteristics of geogrid-gravel soil

QI Hangxiang， WANG Jiaquan*， LIN Zhinan， TANG Ying

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the interface characteristics of geogrid-gravel soil， the effects of pullout velocity and normal stress on interface parameters were studied through indoor pullout tests. The variation law of the peak pullout force， the interface friction parameters and the interface friction coefficient ratio were analyzed. The test results show that the curves of pullout force and pullout displacement under? different pullout velocities all show strain softening characteristics， and with the increase of the pullout velocity， the pullout displacement corresponding to the peak pullout force of the same normal stress is basically the same; with the increase of normal stress， the pullout displacement corresponding to the peak pullout force gradually increases at the same pullout velocity; The friction-like angle of the???????? interface geogrid and gravel soil changes little at the pullout velocity （v≤0.9 mm/min）. With the further increase of the pullout velocity， the friction-like angle of the interface is slightly increased，and with the increase of the pullout velocity， there is a critical pullout velocity （v =0.9 mm/min）. At this time， the???? cohesive force of the geogrid-gravel soil interface reaches the maximum， which is about 1.9 times of the minimum interface cohesion. The interface friction coefficient ratio K shows a trend of first???? ??????increasing and then decreasing with the increase of the pullout velocity， When the pullout velocity is 0.3 mm/min-4.5mm/min， the change range of K is 1.29-1.58; From a safety perspective， the interface????? friction coefficient ratio under low velocity test conditions should be selected in the actual engineering design of reinforced soil.

Key words： gravel soil; geogrid; interface characteristic; pullout velocity; strain softening

（責(zé)任編輯：羅小芬、黎?? 婭）

收稿日期：2020-10-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41962017）;廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2017GXNSFAA198170）;廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（YCSW2020222）資助.

作者簡介：祁航翔，碩士研究生.

通信作者：王家全，博士，教授，研究方向：加筋土結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)工程等，E-mail：wjquan1999@163.com.