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土工格柵
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影響土工格柵與膨脹巖界面力學特性的因素
作者：hengke 來源：山東華太工程材料有限公司時間：2019-05-03 16:53:16 訪問量：次
描述：埋設在土中的格柵受到沿其平面方向的拉力時，將在拉力方向上引起應力和變形。同時由于法向應力的作用，在格柵與土的上、下接觸面上將產生阻礙格柵與土相對運動的摩擦應力，且其分布沿格柵埋深方向是不均勻的，施拉端最大，并隨著水平拉力的增大逐漸向自由端傳遞。
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影響土工格柵與膨脹巖界面力學特性的因素
土工格柵作為一種高強度的加筋材料，埋設于土中形成復合加筋土后，一方面可提高土體的強度，另一方面可以限制土體的側向變形，近年來廣泛應用于公路、鐵路、水利、機場、市政等領域，有關加筋機理方面的研究也正引起國內外巖土工程界的關注。由于格柵的抗拉特性，當其埋設于土中并受到平面方向的拉力時，會在格柵內引起應力和變形，同時由于法向荷載的作用，格柵與土的上、下界面將產生阻礙其變形和運動的摩阻力。這種筋土之間的相互作用不僅表現(xiàn)在兩種介質的界面(包括接觸面和剪切帶)，而且在界面以外一定范圍內的土體也參與了共同作用。這正是筋材加固作用的機理所在。
目前研究界面作用特性的方法主要包括室內的直剪試驗、拉拔試驗、扭剪試驗、斜板試驗以及現(xiàn)場足尺試驗等，其中直剪試驗可以測定筋材與土單剪切面的摩擦特性，拉拔試驗可以反映加筋材料從土中被拉出時與周圍一定范圍內土體的相互作用特性，是目前被工程界廣泛采用的兩種研究手段。
土工格柵與砂土、黏土的相互作用[2-6]在國內外已有大量的試驗研究成果，但對于具有特殊脹縮性能的膨脹巖(土)，土工格柵的加筋機理、加筋效果等還有待于進一步深入研究[7-8]。本文即針對南水北調中線工程膨脹巖渠段的中膨脹巖，采用改造的疊環(huán)剪切試驗儀進行了不同上覆荷載條件下兩種土工格柵的拉拔試驗，對格柵與膨脹巖的界面相互作用機理進行了初步研究，得到界面似摩擦角和似黏聚力參數，分析格柵不同埋深處界面摩阻力的分布規(guī)律，并對由于界面摩阻力作用而引起的土體附加剪應力分布進行初步的探討。
拉拔試驗中對格柵與土界面相互作用特性影響較為顯著的因素包括垂直荷載、拉拔速率、格柵強度、尺寸大小、以及土樣不同含水量、干密度狀態(tài)等，考慮各影響因素的不同水平，可進行相關試驗設計。由于時間關系，目前僅完成第一階段試驗，本論文對其中5組試驗成果進行分析，主要討論垂直荷載和不同強度格柵材料對界面摩擦強度的影響，初步探討格柵不同埋深處界面摩阻力的分布規(guī)律，并通過各疊環(huán)的位移分析由于界面摩阻力引起的土體附加剪應力的分布。
埋設在土中的格柵受到沿其平面方向的拉力時，將在拉力方向上引起應力和變形。同時由于法向應力的作用，在格柵與土的上、下接觸面上將產生阻礙格柵與土相對運動的摩擦應力，且其分布沿格柵埋深方向是不均勻的，施拉端最大，并隨著水平拉力的增大逐漸向自由端傳遞，當自由端摩擦應力也達到最大靜摩擦力時，格柵即發(fā)生整體運動，一般定義此瞬間為格柵的拔出時刻。在實際工程設計中往往將此時沿筋材表面的摩擦力簡化成均勻分布，以獲得界面的似摩擦系數：
對于網格狀結構的土工格柵加筋而言，在達到拔出狀態(tài)后，筋―土之間將發(fā)生相對位移，界面相互作用就由單一的靜摩擦力轉為滑動摩擦和土顆粒與筋材之間的咬合力。為了克服格柵橫肋對土顆粒的被動阻力以及網孔間土顆粒自身的強度，水平拉拔力會進一步增大，直到土體剪切破壞。因此，可將拉拔試驗分為兩個階段：筋―土無相對位移的靜摩擦階段和筋―土相對運動的滑動摩擦階段，不同階段的加筋機理并不完全相同。第一階段單純是界面上的摩擦作用，而在第二階段，則相互作用不僅發(fā)生在界面上，而且在界面以外一定范圍的土體顆粒也發(fā)生了位移、轉動甚至顆粒的剪切，“間接加筋作用”也產生了影響。
拉拔試驗中不同位置的拉拔位移由兩部分組成：一是格柵受拉時自身的伸長變形，一般稱之為延伸率，主要發(fā)生在夾具端，二是筋材與土之間的相對位移。由于模型箱側壁不可避免地存在一定厚度(本次試驗疊環(huán)側壁厚度為74 mm)，其間格柵處于無約束狀態(tài)，在應變式試驗中首先該部位的格柵被拉伸，延伸率較大，而埋設在土中的格柵受到土體的約束，其拉伸特性和無約束狀態(tài)下的拉伸特性完全不同，產生的延伸率很小。從試驗結束后對格柵標記段的測量(見表6)可以驗證這一點，PE50型土工格柵埋于土中受拉時的延伸率為0.3%～1.0%，PE80型格柵延伸率略大，但也僅0.9%～2.0%，遠遠未達到其極限拉伸率，并且靠近夾具端的縱肋平均延伸率都大于靠近自由端的縱肋延伸率，說明不同埋深處格柵的拉應力分布并不均勻，由拉拔端的最大值向自由端減小，而這主要是由于界面處摩擦應力的不均勻分布引起的。
PE50格柵不同上覆荷載條件下對應最大水平拉拔力時不同高度疊環(huán)的側向變形分布示意圖，盡管試驗數量有限，部分疊環(huán)數據不夠光滑，但仍可看出一些規(guī)律性分布，(1)由界面摩擦力引起的土體剪切變形普遍較小，均在mm級；(2)最大剪切變形一般都發(fā)生在筋土界面處，疊環(huán)距界面越遠，其剪切變形越小；(3)小荷載時土體剪切變形分布與大荷載條件下有很大不同，從目前試驗結果來看，垂直荷載100 kPa時疊環(huán)的剪切位移最大；(4)上覆荷載高于200 kPa時，不同高度疊環(huán)側向位移的差異變小。
試驗成果驗證了由筋土界面的摩擦應力所引起的土體附加剪應力分布現(xiàn)象，但受到試樣高度和上部加載板的限制作用，還不能定量得出“加筋有效影響范圍”的大小。
(1)可將土工格柵的拉出過程分為兩個階段，即筋土無相對位移的靜摩阻力階段和筋土相對運動的滑動摩擦階段。其中靜摩擦力只占界面總強度的20%～40%，界面相互作用的力學特征受第二階段格柵網孔間土顆粒嵌固咬合作用的影響非常顯著，且界面摩擦應力的分布在時間、空間上的分布都是不均勻的。
(2)格柵受拉產生的位移包括兩部分：材料的伸長變形(延伸率)以及筋土間相對位移。在上覆荷載和土體約束作用的影響下，筋材的延伸率很小，相應的拉應力遠未達到格柵的極限拉伸強度，因此格柵不會產生拉斷破壞。另一方面，筋土間的相對位移在拉拔初期呈非線性分布，當拉拔力達到峰值后轉為線性變化。
(3)低荷載條件下，界面附近土顆粒結構更易調整重組，因此靜摩擦力對界面總強度的影響較小。
(4)界面摩擦應力將引起土體的附加剪應力，并在法向方向上按照一定規(guī)律逐漸衰減，疊環(huán)剪試驗可以作為這一現(xiàn)象的研究手段，進一步的定量研究還在進行中。
影響土工格柵與膨脹巖界面力學特性的因素只涉及到上覆荷載和加筋材料，尚未對膨脹巖不同含水量、干密度、拉拔速率、格柵尺寸等因素進行全面的試驗，因此只能從提供的試驗現(xiàn)象和成果對土工格柵和膨脹巖的界面相互作用機理做一簡單的定性分析，關于界面摩擦應力的具體分布形式以及土體附加剪應力的分布和加筋有效影響范圍的量化等問題還需進一步的研究。
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