楊　敏，李　寧，劉新星，劉乃飛，蘇立海，2

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，陜西 西安 710038)

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土工布加筋土界面摩擦特性試驗(yàn)研究

楊敏1，李寧1，劉新星1，劉乃飛1，蘇立海1，2

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，陜西 西安 710038)

以延安新機(jī)場黃土高填方為依托，以工程實(shí)際使用的土工布作為筋材，采用與西安亞星土木儀器有限公司共同研制的土工合成材料試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了黃土加筋土的直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，測試了不同壓實(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)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線為硬化型，而拉拔位移與拉應(yīng)力關(guān)系曲線為軟化型；②土工布與黃土的界面強(qiáng)度在直剪和拉拔條件下均符合莫爾庫侖強(qiáng)度理論，土工布與黃土間具有較好的摩擦特性，但相同條件下直剪摩擦系數(shù)大于拉拔摩擦系數(shù)；③剪切條件下筋土界面強(qiáng)度參數(shù)對壓實(shí)度不敏感，而拉拔條件下壓實(shí)度對界面粘聚力影響顯著。

土工布加筋土；黃土；界面強(qiáng)度；直剪試驗(yàn)；拉拔試驗(yàn)

筋材和土是構(gòu)成加筋土結(jié)構(gòu)的兩種主要材料，由于它們之間的相互作用極其復(fù)雜，填料、加筋材料及布筋方式、壓實(shí)度和含水率等均會(huì)對加筋效果產(chǎn)生影響[1]，所以兩者間的界面摩擦特性是加筋土工程設(shè)計(jì)和研究的重要內(nèi)容。趙川等[2]、鄒玉娜等[3]以土工格柵為筋材，進(jìn)行了摩擦特性試驗(yàn)。黃向京等[4]、杜勇立等[5]分別用土工布、鍍鋅覆塑格賓網(wǎng)為筋材，進(jìn)行了摩擦特性試驗(yàn)。王軍等[6]研究了格柵橫肋與縱肋及格柵幾何尺寸對筋土界面強(qiáng)度特性的影響。王協(xié)群等[7]研究了格柵類型等五個(gè)因素對格柵-土界面強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。苗晨曦等[8]建立三維離散元模型，模擬了三向格柵的增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)。謝婉麗等[9]、雷勝友等[10]通過三軸壓縮試驗(yàn)方法探討了加筋黃土的強(qiáng)化機(jī)理。劉湘元等[11]以土工布為筋材，粘土為填料，進(jìn)行了界面摩擦特性試驗(yàn)。綜上可知，雖然目前關(guān)于筋-土界面摩擦特性的研究較多，但對其在直剪和拉拔兩種試驗(yàn)條件下的對比研究卻鮮見報(bào)道，致使在實(shí)際工程中，筋土的界面參數(shù)到底采用直剪試驗(yàn)結(jié)果還是拉拔試驗(yàn)結(jié)果，仍無定論，因此，開展加筋土的直剪和拉拔摩擦特性試驗(yàn)對于高速發(fā)展的工程實(shí)際至關(guān)重要。

本文以延安新機(jī)場黃土高填方為背景，以現(xiàn)場黃土作為試驗(yàn)填料，以工程實(shí)際使用的土工布作為筋材，進(jìn)行了黃土與土工布界面間的直剪和拉拔摩擦特性試驗(yàn)，并就兩種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。研究成果可為實(shí)際工程應(yīng)用中正確選擇相應(yīng)的界面參數(shù)提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土料均取自延安機(jī)場擴(kuò)建工程黃土高填方現(xiàn)場，如圖1所示，基于界限含水率試驗(yàn)得到了圓錐下沉深度與含水率的關(guān)系，并將下沉深度17 mm時(shí)所對應(yīng)的含水率作為液限，以下沉深度2 mm時(shí)所對應(yīng)的含水率為塑限；用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法測定了黃土的密度與含水率的關(guān)系，從而確定出黃土的最大干密度及最優(yōu)含水率。試驗(yàn)所有黃土的顆粒粒徑均小于5 mm。其主要物理參數(shù)見表1。

圖1　試驗(yàn)所用土料Fig.1　Test materials of loess

液限/%塑限/%塑性指數(shù)最優(yōu)含水率/%最大干密度/(g/cm3)30.721.49.3161.80

試驗(yàn)用的土工布型號為PES100-50，是一種新型土工合成材料，具有強(qiáng)度高、延伸率低、蠕變性低等優(yōu)點(diǎn)。其力學(xué)性能及制造材料見表2。

表2　試驗(yàn)土工布的基本參數(shù)

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用與西安亞星土木儀器有限公司共同研制的土工合成材料直剪拉拔摩擦一體機(jī)，該儀器主要由軸向加壓裝置(氣缸加壓)、水平直剪拉拔裝置及測控系統(tǒng)三部分構(gòu)成，可進(jìn)行土工合成材料的直剪及摩擦界面特性試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2　直剪拉拔摩擦特性試驗(yàn)儀器Fig.2　Experimental instrument of shear and pullout test

直剪和拉拔摩擦特性試驗(yàn)的試樣制備是不同的。直剪摩擦特性試驗(yàn)采用接觸面積遞減型剪切盒，上下剪切盒的尺寸相等，內(nèi)部尺寸均為300 mm ×300 mm×10 mm，試樣基座采用土質(zhì)基座。制樣時(shí)先在基座填土、夯實(shí)并整平，然后在黃土基座上鋪設(shè)并固定準(zhǔn)備好的試驗(yàn)土工布，最后用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)將上盒的土樣壓實(shí)至預(yù)定的壓實(shí)度。

拉拔摩擦特性試驗(yàn)的模具盒采用整體式，為一矩形箱體，箱體尺寸為250 mm×200 mm×200 mm，在箱側(cè)壁的半高處開一條貫穿全寬的窄縫，窄縫高度為5 mm，供土工布引出箱體進(jìn)行拉拔，制樣時(shí)先按設(shè)計(jì)壓實(shí)度用黃土填至拉拔面，再將土工布試樣平放于土面上，并埋入土中100 mm，然后繼續(xù)往箱內(nèi)填土，分層壓實(shí)至設(shè)計(jì)的密度。試驗(yàn)按照J(rèn)TG E50-2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，剪切、拉拔速度均控制在1 mm/min，直剪、拉拔摩擦特性試驗(yàn)選取黃土的最優(yōu)含水率為16%，設(shè)定土工布在不同豎向應(yīng)力作用與不同壓實(shí)度條件下進(jìn)行直剪和拉拔試驗(yàn)。每種試驗(yàn)均制備了16個(gè)試樣。詳細(xì)試驗(yàn)方案見表3。

表3　試驗(yàn)方案

2　筋土界面摩擦特性

2.1試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)后按照J(rèn)TGE50-2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行了數(shù)據(jù)整理。圖3和圖4分別為不同壓實(shí)度條件下黃土與土工布之間的直剪和拉拔試驗(yàn)結(jié)果。

由圖3可以看出，各方案下直剪摩擦特性試驗(yàn)曲線基本一致，均呈現(xiàn)硬化特性，即剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而增大。這是由于隨著直剪試驗(yàn)的進(jìn)行，下盒在水平力推動(dòng)下與上盒的接觸面積逐漸減小，而豎向應(yīng)力保持不變所致。各試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)的總體規(guī)律為：在剪切位移小于10 mm前，剪應(yīng)力增長較快，之后剪應(yīng)力緩慢增長。同時(shí)可以看出，在不同豎向應(yīng)力作用下，黃土與土工布之間的直剪剪應(yīng)力-位移曲線變化趨勢大致相同。同一壓實(shí)度下，剪應(yīng)力隨著豎向應(yīng)力的增大而增大。

圖4　拉拔試驗(yàn)曲線Fig.4　Pull-out test curves

對比圖3和圖4可以看出，無論是直剪試驗(yàn)曲線還是拉拔試驗(yàn)曲線，在同一壓實(shí)度下，最大應(yīng)力值都隨著豎向應(yīng)力的增大而增大。在圖4中，不同豎向應(yīng)力作用下，黃土與土工布之間的拉拔應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)軟化特性，即拉應(yīng)力隨著拉拔位移的增大先增大后減小，這與杜勇立等[12]的拉拔試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，規(guī)律一致。

2.2界面強(qiáng)度特性分析

由前述分析及圖3可知，直剪試驗(yàn)所得關(guān)系曲線為硬化型曲線(未出現(xiàn)峰值)，因此根據(jù)JTG E50-2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》，取位移量為剪切面積長度10%(30 mm)時(shí)對應(yīng)的剪應(yīng)力作為最大直剪剪應(yīng)力。而對于拉拔試驗(yàn)(見圖4)，其所得關(guān)系曲線為軟化型曲線，可取其峰值為最大拉拔拉應(yīng)力。

各試驗(yàn)方案所得最大直剪剪應(yīng)力和最大拉拔拉應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，兩種試驗(yàn)條件下，最大剪(拉)應(yīng)力與法向應(yīng)力間有很好的線性關(guān)系，且均符合莫爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。其關(guān)系可用下列式子表示：

τ=csg+σntanφsg

(1)

式中，τ為最大剪(拉)應(yīng)力；σn為法向應(yīng)力；csg為界面粘聚力；φsg為界面摩擦角。

圖5　最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力曲線Fig.5　Maximum shear stress and normal stress curves

圖6　最大拉應(yīng)力與法向應(yīng)力曲線Fig.6　Maximum tensile stress and normal stress curves

由圖5可以看出，隨著壓實(shí)度的增加，土工布與黃土之間的界面粘聚力(擬合曲線的截距)及界面摩擦角(擬合曲線與x軸的夾角)均稍有增大，說明在直剪試驗(yàn)中，壓實(shí)度對界面參數(shù)的影響較小。

由圖6可以看出，隨著壓實(shí)度的增大，界面粘聚力明顯增大，而摩擦角變化較小，說明在拉拔試驗(yàn)中，壓實(shí)度對粘聚力的影響顯著而對摩擦角影響較小。

根據(jù)圖5和圖6可以得到不同試驗(yàn)方案條件下筋-土界面間的粘聚力和摩擦角，詳見表4。

表4　 土工布與黃土間的界面強(qiáng)度

由圖5和圖6及表4可知，土工布的直剪界面摩擦角一般要比拉拔界面摩擦角大，約為2.2倍。這是由于直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的機(jī)理不同所致。

2.3界面摩擦特性分析

筋-土界面摩擦系數(shù)f是加筋土工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其值一般是不同方向應(yīng)力下的最大剪應(yīng)力τmax與對應(yīng)的法向應(yīng)力σn的比值，即：

(2)

根據(jù)式(2)可計(jì)算得到不同方案下的筋-土界面摩擦系數(shù)。各方案下直剪摩擦系數(shù)介于0.40～0.68之間，而拉拔摩擦系數(shù)介于0.23～0.76之間。不同壓實(shí)度下黃土與土工布之間的直剪摩擦系數(shù)、拉拔摩擦系數(shù)與相應(yīng)法向應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖7和圖8所示。

圖7　直剪摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.7　Direct shear friction coefficient and normal stress

由圖7可以看出，同一壓實(shí)度下，直剪摩擦系數(shù)隨著法向應(yīng)力的增大呈逐漸減小趨勢，即法向應(yīng)力較低時(shí)的直剪摩擦系數(shù)大于法向應(yīng)力較高時(shí)的直剪摩擦系數(shù)，且隨著法向應(yīng)力的增大，直剪摩擦系數(shù)減小速度逐漸變慢。相同法向應(yīng)力條件下，隨著壓實(shí)度的增加，直剪摩擦系數(shù)逐漸增大。

圖8　拉拔摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.8　Drawing friction coefficient and normal stress

由圖8可以看出，拉拔摩擦系數(shù)的分布規(guī)律與直剪摩擦系數(shù)分布規(guī)律基本相同。拉拔摩擦系數(shù)隨著法向應(yīng)力的增大而減小，但量值較直剪界面摩擦系數(shù)小。

從理論上講，直剪試驗(yàn)土工布與黃土之間的摩擦為單面摩擦，而拉拔試驗(yàn)為雙面摩擦，如果計(jì)算時(shí)考慮面積的變化，那么由拉拔試驗(yàn)獲得的摩擦系數(shù)應(yīng)為直剪試驗(yàn)的2倍。但從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，拉拔摩擦系數(shù)介于0.23～0.76之間，相同條件下拉拔摩擦系數(shù)僅為直剪摩擦系數(shù)的0.58～1.12倍。

JTG D30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對筋材與粘性填料間摩擦系數(shù)的取值建議：0.25～0.40?？梢?，本試驗(yàn)土工布用于實(shí)際加筋土工程(延安新機(jī)場)時(shí)，其筋-土界面摩擦系數(shù)滿足路基規(guī)范建議值，滿足工程要求。

3　摩擦特性機(jī)理

3.1直剪特性機(jī)理

假定直剪摩擦特性試驗(yàn)的軸向壓力為P，推動(dòng)下盒移動(dòng)的水平力為F，土工布與土之間的摩擦系數(shù)為μ，下盒長、寬分別為a、b，下盒的移動(dòng)距離為x。直剪試驗(yàn)初始及試驗(yàn)結(jié)束示意圖如圖9所示。

由摩擦系數(shù)的定義可知軸向力與水平力的關(guān)系：

F=P·μ

(3)

對式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，有：

(4)

式中，P、μ、a、b均為定值，因此隨著x的減小，剪應(yīng)力不斷增大，理想曲線呈現(xiàn)硬化特征，這與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖9　直剪試驗(yàn)示意圖Fig.9　Schematic diagram of direct shear test

3.2拉拔特性機(jī)理

假定拉拔摩擦特性試驗(yàn)的軸向壓力為P′，夾具拉拔土工布的拉拔力為F′，土工布與土之間的摩擦系數(shù)為μ′，盒寬為a′，土工布的埋置深度為b′，土工布拉出距離為x′，k為盒長，σ為軸向壓力作用下土工布的正應(yīng)力，τ′為水平拉拔力作用在土工布上的拉拔應(yīng)力。拉拔試驗(yàn)初始及試驗(yàn)結(jié)束示意圖如圖10所示。

圖10　拉拔試驗(yàn)示意圖Fig.10　Schematic diagram of pullout test

由摩擦系數(shù)的定義可知軸向力與水平拉拔力的關(guān)系，有：

(5)

對式(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，有：

(6)

式中，由于P′、μ′、k、a′均為常數(shù)，故拉拔應(yīng)力應(yīng)該為常數(shù)。但考慮到土工布為柔性物體，拉拔試驗(yàn)過程中，首先是土工布的拉伸過程，隨著土工布自身的變形，拉拔力值不斷增大，拉拔應(yīng)力也逐漸增大；當(dāng)自身變形達(dá)到最大值時(shí)，土工布開始從土中被拉出直至試驗(yàn)結(jié)束。理想情況下，此過程中拉拔應(yīng)力應(yīng)該保持不變，但試驗(yàn)中受多種因素影響，例如窄縫處漏土等導(dǎo)致曲線呈現(xiàn)明顯的軟化特性。

4　結(jié)　論

1)直剪條件下剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線為硬化型，而拉拔條件下拉拔位移與拉應(yīng)力關(guān)系曲線為軟化型。

2)直剪條件下壓實(shí)度對直剪界面參數(shù)的影響不敏感，而在拉拔條件下壓實(shí)度對粘聚力的影響較大，對摩擦角影響較小。

3)土工布與黃土的直剪界面強(qiáng)度和拉拔界面強(qiáng)度均滿足莫爾庫侖強(qiáng)度理論。

4)直剪條件下的界面摩擦角大于拉拔試驗(yàn)的，而拉拔條件下界面的粘聚力大于直剪試驗(yàn)的。

5)在相同條件下，直剪界面摩擦角約為拉拔界面摩擦角的2.2倍，而直剪摩擦系數(shù)約為拉拔摩擦系數(shù)的1.2倍。

綜上可知，由于直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的機(jī)理不同，實(shí)際工程中筋-土界面參數(shù)的選擇，應(yīng)充分考慮加筋織物所處的位置，判斷是屬于直剪摩擦還是拉拔摩擦，從而正確選擇相應(yīng)的界面參數(shù)。

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(責(zé)任編輯周蓓)

Experimental research on interface frictional behaviors of the geotextile-reinforced soil

YANG Min1，LI Ning1，LIU Xinxing1，LIU Naifei1，SU Lihai1，2

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

Based on the loess filled embankment in Yan’an new airport,and with the geotextile used in engineering practice as reinforcement material,the geotextile synthetic material testing machine jointly developed by Xi’an Yaxing Civil Engineering Instrument Co.Ltd.is adopted to carry out the direct shear tests and pull tests of geotextiles-loess interface so that the direct shear and pull strengths and friction coefficients between geotentile soil interfaces in the case of different compactness are tested.The test results indicate:①The curves of shear displacement and shear stress is hardening type and the curves of drawing displacement and tensile stress is softening type; ②The interface strength of geotextiles-loess conforms with the Mohr-Coulomb strength theory.The friction behaviors of the geotextile-loess interface is very good.But the friction coefficient of direct shear is greater than that of pull test in the same condition; ③In the shearing conditions,the interface strength of geotextiles-loess is not sensitive to the compaction degree,but in the drawing conditions,the compaction degree has a significant effect on interfacial cohesive force.

geotextile-reinforced soil；loess；interfacial strength；direct shear test；pull-out test

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.009

2015-04-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179153)；西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(310-11202J306)

楊敏，女，碩士生，研究方向?yàn)辄S土高填方及旋切觸探。E-mail：yangmin0069@126.com

李寧，男，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)閹r體靜、動(dòng)力學(xué)及巖土工程。E-mail:ningli@xaut.edu.cn

TU43

A

1006-4710(2016)01-0046-06