劉巍巍，蔡曉光，徐洪路，黃 鑫

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 地質(zhì)工程學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點(diǎn)實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

1960年末開始使用土工合成材料提高土工結(jié)構(gòu)中土壤的抗拉強(qiáng)度，加筋土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種流行的方法，特別是在堤壩、斜坡、擋墻以及基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)中。在大多數(shù)加筋土結(jié)構(gòu)中，其中一種關(guān)鍵的破壞模式是筋材從土壤中被拉出，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過大而產(chǎn)生破壞。因此，拉拔阻力是加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，并且拉拔阻力主要與筋土之間的界面特性有關(guān)。目前，針對筋土界面摩擦特性主要有兩種試驗方法：直剪試驗和拉拔試驗[1]。直剪試驗適用于筋土之間產(chǎn)生單面相對位移且筋材彈性模量較??；拉拔試驗適用于筋土之間產(chǎn)生雙面相對位移且筋材彈性模量較大。幾十年來，土工合成材料的種類眾多，不同種類的土工合成材料可以用于不同的情況。其中土工格柵的應(yīng)用最為廣泛。由于土工格柵的彈性模量較大，因此采用拉拔試驗進(jìn)行筋土界面特性的研究?，F(xiàn)階段，雖然通過拉拔試驗對筋土界面特性研究取得了不少進(jìn)展，并且也有部分的拉拔試驗規(guī)范，但是國內(nèi)外學(xué)者做拉拔試驗所采用的模型箱尺寸、拉拔速率、邊界條件等方面仍然沒有一個公認(rèn)值。鑒于此，本文結(jié)合國內(nèi)外拉拔試驗研究就其過程以及結(jié)果進(jìn)行綜述。

1 試驗條件

1.1 模型箱尺寸

《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》(JTG E50—2006)[1]和《土工合成材料測試規(guī)程》(SL_235_1999)[2]以及該規(guī)范的2012版[3]皆規(guī)定土工合成材料的拉拔試驗箱最小尺寸為0.25m(長)×0.2m(寬)×0.2m(高)；International Association for Testing Materials(簡稱ASTM)[4]規(guī)定拉拔試驗箱最小尺寸為0.6m(長)×0.46m(寬)×0.305m(高)；Ochiai[5]進(jìn)行了室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗并對其結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)試件的寬度嚴(yán)重影響筋土界面特性，當(dāng)試件寬度小于300mm時，產(chǎn)生了嚴(yán)重的邊界摩擦效應(yīng)，而試件寬度為400mm時，并未產(chǎn)生此效應(yīng)，鑒于此,筆者認(rèn)為采用大尺寸的設(shè)備測試結(jié)果會更貼近實際；除此之外，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的拉拔試驗[6-16]，詳細(xì)的模型箱尺寸見表1。

根據(jù)上述總結(jié)來看，國內(nèi)拉拔試驗規(guī)范中規(guī)定模型箱最小尺寸為0.25m(長)×0.2m(寬)×0.2m(高)過小，應(yīng)該將最小尺寸進(jìn)行一定幅度的提高，避免尺寸效應(yīng)。

表1 模型箱尺寸

1.2 拉拔速率

目前，拉拔試驗中有兩種拉力控制方式：應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式，但大多數(shù)試驗皆采用應(yīng)變控制。其中《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》(JTG E50—2006)[1]和《土工合成材料測試規(guī)程》(SL_235_1999)[2]規(guī)定土工合成材料的拉拔速率一般采用0.2～3mm/min，對砂性土采用0.5 mm/min；International Association for Testing Materials(簡稱ASTM)[4]則規(guī)定針對所有回填料拉拔速率皆為1mm/min±10%；國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的拉拔試驗，其中拉拔試驗中所采用的拉拔速率也不一致，如表2所示。

表2 拉拔速率

由表2可知，國外學(xué)者對砂性土進(jìn)行拉拔試驗時，拉拔速率采用1mm/min，而國內(nèi)學(xué)者采用的拉拔速率從0.5～3mm/min，大小不一。拉拔速率對土工格柵的拉拔試驗結(jié)果影響很大。增大拉拔速率，拉筋附近的土體顆粒來不及重新排列，導(dǎo)致剪切阻力偏大，試驗結(jié)果偏高，因此在選用拉拔速率時應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場土樣的實際情況。

1.3 邊界條件

邊界條件是指頂部邊界條件(包括柔性邊界和剛性邊界)、模型箱前壁邊界條件(包括柔性邊界和剛性邊界)以及側(cè)壁的摩擦條件(試樣兩側(cè)分別距模型箱兩側(cè)的距離)。

頂部邊界條件中的剛性邊界條件大多是指在回填土頂部放置剛性加載板，再在其上放置砝碼或者利用作動器施壓；柔性邊界條件大多采用氣囊或者水袋對回填土進(jìn)行施壓。目前，《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》(JTG E50—2006)[1]和《土工合成材料測試規(guī)程》(SL_235_2012)[3]規(guī)定頂部邊界條件為剛性邊界，國內(nèi)大多數(shù)拉拔試驗中采用的也是剛性邊界[6-16]。然而，在拉拔試驗過程中，由于橫肋的作用，造成土壤堆積，導(dǎo)致回填土頂部不均勻，若采用剛性邊界條件，則抑制土壤堆積與實際不符，鑒于此，International Association for TestingMaterials(簡稱ASTM)[4]則規(guī)定豎向荷載加載裝置為氣囊即柔性邊界條件；《現(xiàn)代土工加筋土技術(shù)》[20]中記載了英國格拉斯哥大學(xué)進(jìn)行拉拔試驗時，豎向荷載采用填土頂部的橡皮囊用壓縮空氣加載；Teixeira[21]在對土工格柵橫肋與縱肋單獨(dú)進(jìn)行拉拔試驗時，豎向荷載同樣采用氣囊； Palmeira 與Milligan[22]采用剛性邊界和柔性邊界條件進(jìn)行拉拔試驗并對其結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：在拉拔位移較小時，剛性邊界和柔性邊界對拉拔阻力影響較??；拉拔位移較大時，剛性邊界和柔性邊界對拉拔阻力影響較大；此試驗結(jié)果與王志杰[23]的數(shù)值模擬結(jié)果一致。目前國外學(xué)者進(jìn)行拉拔試驗時豎向荷載大多采用氣囊，而國內(nèi)學(xué)者大多采用剛性邊界，由此可見，頂部邊界采用柔性邊界是國內(nèi)拉拔試驗的發(fā)展方向。

同樣，模型箱前壁邊界條件也包括柔性邊界和剛性邊界。目前，由于加筋土擋墻的抗震性能好，節(jié)約用地，性價比高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路以及建筑中。而加筋土擋墻的墻面板大多為柔性面板，但國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者進(jìn)行拉拔試驗時采用剛性面板[6-16]；僅有少數(shù)學(xué)者采用柔性面板[24]。鑒于此，模型箱前壁邊界條件同樣是國內(nèi)拉拔試驗的發(fā)展方向。

填料和側(cè)壁的相互作用會導(dǎo)致施加的法向荷載部分被側(cè)壁的摩擦效應(yīng)所消耗，從而導(dǎo)致施加到土工格柵層的法向應(yīng)力減小。為了避免側(cè)壁的摩擦阻力，一般通過潤滑盒壁，同時控制試樣的寬度與箱寬的比值來減小這一影響?！豆饭こ掏凉ず铣刹牧显囼炓?guī)程》(JTG E50—2006)[1]試樣寬度小于試樣箱寬度即可；ASTM[4]則規(guī)定如果側(cè)壁摩擦力最小化，試樣的實際尺寸必須允許試樣每側(cè)與拉出箱的側(cè)壁之間留出至少75mm(3英寸)的間隙，否則最小間隙應(yīng)為每側(cè)150mm(6英寸)；楊廣慶[25]則按試驗箱的尺寸裁剪土工格柵，土工格柵寬度約為試驗箱寬度的3/4。由此可見，試樣寬度小于試樣箱的寬度，但試樣寬度與試驗箱寬度的最佳比值卻沒有一個公認(rèn)值。

1.4 土工格柵形式

土工格柵種類較多，主要包括單、雙向拉伸塑料土工格柵、多向拉伸塑料土工格柵、雙向經(jīng)編滌綸土工格柵、雙向焊接聚酯土工格柵、雙向焊接鋼塑土工格柵、雙向經(jīng)編玻纖土工格柵等。目前，大多數(shù)拉拔試驗中采用單、雙向拉伸塑料土工格柵。蔡春等[26-27]對單向土工格柵設(shè)置了加強(qiáng)肋，對比分析了加強(qiáng)肋對拉拔阻力的影響并提出了拉拔阻力的計算模型；李磊等[28]對雙向土工格柵設(shè)置了加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，分析了加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對拉拔阻力的影響；李貴超等[29]在普通雙向土工格柵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了加強(qiáng)錨固片，對比分析結(jié)果表明帶加強(qiáng)錨固片的土工格柵較普通土工格柵筋土界面的強(qiáng)度參數(shù)較大。總結(jié)以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對普通格柵進(jìn)行局部加強(qiáng)便可增大拉拔阻力，復(fù)合界面是拉拔試驗的發(fā)展方向。

2 拉拔試驗的主要成果

2.1 拉拔阻力的組成及貢獻(xiàn)率

包承綱[30]認(rèn)為埋設(shè)在土中的土工格柵受到拉拔作用時，筋土界面作用主要由兩部分組成，即土工格柵與土之間的表面摩擦力和土顆粒與土工格柵橫肋之間的端承阻力。其中，土工格柵橫肋的端承阻力的貢獻(xiàn)率較大。靳靜等[8]進(jìn)行了室內(nèi)拉拔模型試驗，結(jié)果表明橫肋端承阻力對筋土界面的拉拔力的貢獻(xiàn)接近占90%；王家全等[31]研究了縱橫肋對筋土承載的影響，試驗測得橫肋的端承阻力占拉拔力的67%～71%；Bergado等[32]進(jìn)行了拉拔試驗，提出了縱肋的摩擦阻力占拉拔阻力的5%～15%以及橫肋的端承阻力的計算公式；Teixeira等[21]通過對縱、橫肋獨(dú)立試驗以及大型室內(nèi)拉拔試驗，研究了雙向土工格柵縱橫肋之間的相互影響，結(jié)果表明單獨(dú)拉拔試驗中，法向應(yīng)力為25kPa時，橫肋的端承阻力占拉拔阻力的60%，但大型室內(nèi)拉拔試驗中，橫肋的端承阻力僅占拉拔阻力的26%；陳榕[33]進(jìn)行了整體拉拔試驗和橫、縱肋獨(dú)立拉拔試驗，研究了單向土工格柵縱橫肋之間的相互影響，試驗數(shù)據(jù)經(jīng)修正后表明橫肋的端承阻力占拉拔阻力的66%。目前大多學(xué)者通過剔肋的方式研究縱、橫肋的貢獻(xiàn)率，忽略了單、雙向土工格柵縱橫肋之間的相互影響。除此之外，有關(guān)橫肋摩擦阻力大小的研究也是一個空白。

2.2 橫肋的端承阻力

國內(nèi)外部分學(xué)者對橫肋的端承阻力進(jìn)行了理論分析，Martin Ziegler[17]、Bergado等[32]通過拉拔試驗的力學(xué)模型及理論分析推導(dǎo)出橫肋的端承阻力公式；王家全等[31]進(jìn)行了不同法向壓力的格柵拉拔試驗，提出了縱肋的摩擦阻力和橫肋的端承阻力計算公式并對比了整體剪切和刺入剪切破壞模式下的格柵拉拔阻力；Jewell[34]提出了橫肋端承阻力的簡便計算方法。詳細(xì)公式見表3。這些簡單的計算方法大多來自于理論分析，并未經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的驗證。

2.3 拉拔阻力

土工格柵的拉拔阻力主要是由縱肋和橫肋提供的摩擦阻力以及橫肋的端承阻力組成。楊廣慶等[35]在摩爾-庫侖理論基礎(chǔ)之上考慮了非膨脹區(qū)引起的附加應(yīng)力增量，提出了新的拉拔阻力計算公式；Jewell[34]提出了土工格柵橫肋的端承阻力以及摩擦阻力的計算公式；Nicola Moraci[36]考慮了土的剪脹效應(yīng)以及土工格柵的延展性等因素，提出當(dāng)S/B大于40并且S/D50大于1000時可忽略尺寸效應(yīng)，同時提出了拉拔阻力新的計算公式；除此之外，還有部分學(xué)者在研究橫肋的端承阻力的前提下，增添了土工格柵的摩擦阻力，從而求得土工格柵的拉拔阻力[31-32]，詳細(xì)公式見表4。這些簡單的計算方法大多來自于理論分析，并未經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證。

表3 橫肋的端承阻力

表4 拉拔阻力

3 結(jié)論

結(jié)合國內(nèi)外土工格柵拉拔試驗，對其試驗條件及主要成果進(jìn)行總結(jié)和分析，得出如下結(jié)論：

(1)試驗條件：對加筋土中土工格柵的拉拔試驗，國內(nèi)外學(xué)者采用了不同的模型箱、拉拔速率、邊界條件以及不同的土工格柵形式，但國內(nèi)并沒有一個全面而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦卧囼炓?guī)范?；诔叽缧?yīng)，諸多學(xué)者建議采用較大的模型箱；基于筋材上覆壓力的均勻性以及加筋土工程的實際情況，諸多學(xué)者建議采用柔性氣囊施加上覆荷載并采用柔性氣囊模擬實際工程中的柔性面板；基于拉拔速率對筋土界面參數(shù)的影響，諸多學(xué)者往往采用1mm/min或0.5mm/min，很少結(jié)合實際的工程情況；與此同時，部分學(xué)者正進(jìn)行普通土工格柵局部加強(qiáng)的拉拔試驗，然而目前并未有相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定如何對普通土工格柵進(jìn)行局部加強(qiáng)。

(2)試驗結(jié)果：國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的拉拔試驗，研究了拉拔阻力的組成以及各自的貢獻(xiàn)率、橫肋端承阻力以及拉拔阻力的計算方法。但忽略了土工格柵橫肋和縱肋的相互作用，導(dǎo)致未能準(zhǔn)確的判斷各自的貢獻(xiàn)率。目前有部分學(xué)者通過理論分析得到土工格柵拉拔阻力的簡便計算方法，但并沒有提出相應(yīng)的力學(xué)模型。