单、双向塑料土工格栅与不同填料界面作用特性对比试验研究

以上海某植物园加筋土工程为背景,通过一系列室内拉拔和直剪试验,研究了单、双向塑料土工格栅与不同填料（黏性土、砂土）的界面作用特性,对比分析了单、双向格栅的加筋效果和界面剪应力的不同发挥机制,探讨了填料密实度、垂直应力、拉拔速率对界面参数的影响,并就拉拔试验和直剪试验结果进行了对比分析。结果表明,对于单向格栅加筋工况,拉拔曲线和直剪曲线通常表现为应变软化型。然而对于双向格栅加筋工况,其曲线一般表现为应变硬化型;对于双向格栅加筋工况,填料对格栅的嵌锁咬合力增强,宏观上表现为较高的界面黏聚力,加筋效果优于单向格栅;填料密实度、垂直应力、拉拔速率对筋土界面特性具有影响,但其影响程度和机制与填料性质有关。     

砂土颗粒级配对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为了研究不同颗粒级配砂土与格栅界面的剪切特性,采用3种不同颗粒级配的砂土与土工格栅进行了一系列大型室内单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并且通过对比单调直剪以及循环后单调直剪下界面剪切特性的变化,研究了循环剪切应力历史对界面抗剪强度的影响。结果表明:单调直剪试验中,三种界面均发生峰值后剪切软化现象,且高应力下软化现象更明显;三种界面在循环直剪试验中均呈现剪切硬化特点,同一循环次数下颗粒级配良好砂土与格栅界面剪切强度最大;经历过循环剪切后,三种界面的峰值黏聚力与残余黏聚力均减小,而峰值摩擦角与残余摩擦角增大;遭受循环剪切后,三种颗粒级配砂土与格栅界面抗剪强度都得到了提高。     

砂土颗粒级配对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为了研究不同颗粒级配砂土与格栅界面的剪切特性,采用3种不同颗粒级配的砂土与土工格栅进行了一系列大型室内单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并且通过对比单调直剪以及循环后单调直剪下界面剪切特性的变化,研究了循环剪切应力历史对界面抗剪强度的影响。结果表明:单调直剪试验中,三种界面均发生峰值后剪切软化现象,且高应力下软化现象更明显;三种界面在循环直剪试验中均呈现剪切硬化特点,同一循环次数下颗粒级配良好砂土与格栅界面剪切强度最大;经历过循环剪切后,三种界面的峰值黏聚力与残余黏聚力均减小,而峰值摩擦角与残余摩擦角增大;遭受循环剪切后,三种颗粒级配砂土与格栅界面抗剪强度都得到了提高。     

土工格栅与土界面作用特性试验研究

土工格栅与土的界面摩擦特性指标是加筋土工程设计的关键。通过分析土工格栅与土的界面摩擦作用和进行了直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验,测试了两种试验条件的界面摩擦特性。在两种试验条件下,土工格栅加筋土复合体的抗剪强度均有界面摩擦角φsq和界面凝聚力csq,且土工格栅与土相对位移量的不同,其复合体的强度机理有区别。在拉拔摩擦试验中,剪应力峰值强度对应的剪切变形值高于直剪摩擦试验中剪应力峰值强度的剪切变形值5～10倍以上。两种试验均有其适用性,而土与土工格栅的相对位移较小时直剪摩擦试验较能反映实际;土与土工格栅相对位移较大时土与格栅双面均发生相对位移,拉拔摩擦试验更为合适。随法向应力的增大,直剪摩擦和拉拔摩擦试验的剪应力峰值以及剪应力峰值对应的位移均提高。直剪摩擦的剪切速度小,剪应力峰值强度高,且达到峰值强度的剪切位移大;增加剪切速度,剪应力峰值强度降低,且对应的位移也减少,其原因是界面上的孔隙水压力消散和筋材的应力松弛。应根据具体工程的需要选择直剪摩擦试验和拉拔摩擦试验确定设计参数。     

粒孔比对筋土界面直剪特性的影响

为研究填料平均粒径与土工格栅网孔尺寸的比值对格栅-粗粒土界面抗剪特性的影响,试验所用粗粒土的粒径范围分为4种,采用一种方形网孔的土工格栅作为加筋材料,在竖向应力分别为30、60、90 kPa、剪切速率分别为0.25、1、2、5 mm/min、密实度分别为22%、55%、75%的条件下,使用室内大型直剪仪进行了一系列的单调直剪试验。试验结果表明,填料平均粒径与格栅网孔尺寸的比值越大,筋土界面的峰值剪应力和残余剪应力越大。当填料平均粒径与格栅网孔尺寸的比值从0.04增大到0.20时,峰值剪应力的似黏聚力从13.79 kPa增大到64.23 kPa,残余剪应力的似黏聚力从16.11 kPa增大到51.56 kPa,密实度为22%时土样在剪切过程中一直处于剪缩状态,密实度分别为55%、75%时两种土样在整体上均呈现明显的剪胀现象;剪切速率对筋土界面单调直剪特性的影响较小。     

筋土界面特性宏细观分析试验仪器研制与应用

为了更全面地分析筋土界面相互作用特性,改制了一台可视加筋土界面特性宏细观分析的试验仪器,可开展不同土工合成材料与填料的直剪和拉拔试验;该仪器改进了试验箱的尺寸,可方便两种试验的对比分析,增加了图像摄录系统,可进行试验过程的细观分析。使用新研制仪器分别进行了土工合成材料（土工格栅和土工布）加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验,试验结果表明:两种试验条件下,土工格栅与尾矿的界面参数（似黏聚力和似摩擦角）及似摩擦系数均比土工布与尾矿的界面参数和似摩擦系数大;直剪试验下筋材网孔的有无对筋-尾矿界面参数均有较大影响,拉拔试验下筋材网孔有无对筋-尾矿界面参数似黏聚力的影响较为显著,对似摩擦角的影响较小。随着宏观变量法向应力的增加,细观参数孔隙率减小,平均接触数增加,反映在宏观上的现象就是填料颗粒被压密,筋材需要克服的阻力增大。该试验仪器能够较好地分析筋土界面宏细观特性,获得关键技术指标以用于加筋结构的设计。      

颗粒粒径对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为研究颗粒粒径对格栅-粗粒土界面单调直剪和循环剪切特性的影响,利用大型直剪仪进行了一系列室内大型单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行了对比分析,研究了循环剪切应力历史对界面直剪强度特性的影响。结果表明:单调直剪试验中,随着粗粒土粒径的增加,界面似黏聚力和内摩擦角增加;循环剪切中界面抗剪强度发生硬化,同一循环位移幅值下颗粒粒径越小,界面在循环剪切过程中的硬化速度越快;遭受循环剪切后界面残余应力比降低,峰值似黏聚力显著增长。     

土工格栅−建筑渣土界面摩阻特性试验研究

为了研究格栅?建筑渣土的界面摩阻特性,进行了4种不同级配的建筑渣土与3种格栅（两种双向格栅和一种三向格栅）的界面直剪摩阻试验。试验表明,格栅?建筑渣土界面摩阻应力和单位剪位移关系均可用双曲线模型表示;界面摩阻强度与垂直压力呈线性关系;格栅类型、填料级配等决定筋?土界面摩阻特性,其中格栅的拉伸模量影响最为明显;格栅的拉伸模量越大,筋?土界面似摩阻系数越大,界面似黏聚强度越大。似摩阻系数不受渣土级配影响,由格栅类型决定。似黏聚强度既受到渣土级配影响又与格栅特征有关,在本研究的4种级配渣土条件下,对于三向格栅?渣土界面,中、细砾为主的级配渣土的似黏聚强度最大,而对于双向格栅?渣土界面,粗砾为主的级配渣土的似黏聚强度最大。剪切前后渣土颗粒级配变化不明显,可忽略其影响。     

含水率对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响

含水率对土工格栅加筋膨胀土结构的运行具有直接影响,而国内外对其作用机制少有研究。为此,采用填土尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的大型叠环式剪切仪进行一系列拉拔试验,研究了含水率对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响。试验结果表明,含水率对拉拔力与土工格栅位移特征、界面应力变形特征、界面强度参数等具有显著影响。含水率较高,土工格栅发生刚体平动的时间较早,刚体平动时的单宽拉拔力更接近峰值,界面更偏于理想刚塑性特征;含水率较低,界面似黏聚力较大;而含水率对界面似摩擦角的影响不显著。     

用于填筑路堤加固的竹筋格栅力学性能

为了研究慈竹土工格栅在四川巴中-南充高速公路填筑路堤加固应用中的可行性,通过新鲜慈竹的顺纹抗拉和弯曲试验统计分析了慈竹土工格栅的力学性能,将其与传统土工格栅的力学性能相比表明:慈竹土工格栅能满足规范对传统土工格栅的要求,可用于填筑路堤加固。根据力学性能试验结果,选取龄期2 a以上的慈竹作为该公路路堤的辅助加筋材料。通过室内直剪试验对慈竹加筋土的界面特性进行研究,确定了竹青和竹黄朝向间隔布置的竹片格栅相对较优,对应的界面摩擦系数能达到0.32:拉拔试验获得竹片与土的界面似摩擦系数能达到0.35。提供的慈竹土工格栅的编织工艺以及加筋填筑路堤的施工工艺能更好地为工程服务。     

可视大模型加筋土直剪数采仪的研发与应用

研制了一台适用于多种工况下的大尺寸可视直剪试验仪器,可开展不同土工合成材料与土体作用的直剪试验。该仪器改进了加载方式与反力系统,实现了直剪试验正面可视及自动化采集试验数据,并可测量土工物在土中的应变,为探索筋土界面特性与筋土受力机制以及筋土位移分析提供了新的可能。使用新研制的试验装置开展了以砾类粗粒土为填料的土工格栅直剪试验,试验结果表明:加筋土较素土的界面内聚力增加,内摩擦角降低;格栅应变总体随着剪切位移的增加而增大,格栅横肋与土体的嵌阻力快速增大造成格栅应变增长较快,但直剪作用使格栅产生的最大应变值远小于格栅的屈服应变值。素粗粒土直剪界面厚度小于格栅加筋土的界面厚度,在筋土直剪界面处粗粒土主要以平移运动为主,同时部分中小颗粒存在平转位移模式。     

循环剪切对格栅-土石混合体界面特性的影响

为了研究不同含石量下土石混合体-格栅界面的循环剪切特性，采用循环直剪仪，在不同的竖向应力、剪切位移幅值和剪切频率下进行了单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验，探究了5种含石量（0%、25%、50%、75%、100%）、3种剪切位移幅值（1、3、6 mm）和3种剪切频率（0.2、1.0、2.0 Hz）对土石混合体-格栅界面的峰值剪切应力和体变规律的影响。试验结果表明，含石量在0%～75%之间时，随着含石量的增大，土石混合体-格栅界面的循环峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之提高，最终竖向位移绝对值和最大阻尼比随之减小；含石量继续增大至100%，土石混合体-格栅界面的最大峰值剪切应力和最大剪切刚度均随之减小，最终竖向位移的绝对值和最大阻尼比随之增大。在同一含石量下，剪切位移幅值和剪切频率越大，界面最大峰值剪切应力和最终竖向位移绝对值也越大。与单调直剪试验相比，循环后单调直剪试验得到的内摩擦角和似黏聚力有所增加，含石量在0%～75%的范围内，内摩擦角和似黏聚力随含石量的增大而线性增加，含石量继续增加至100%，内摩擦角和似黏聚力随之减小。     

双向土工格栅与黏土界面作用特性试验研究

在加筋土工程中加筋与填土间的界面作用特性是最关键的技术指标,直接决定该工程的稳定性。室内拉拔试验结果表明,双向土工格栅与黏土界面的表观摩擦阻力随法向应力的增加而增加;在较低的法向应力作用下,双向土工格栅与黏土界面间的破坏形式为土工格栅的整体拔出破坏;当法向应力增加到一定值后,双向土工格栅与黏土界面间的破坏形式由土工格栅的整体拔出破坏转变为土工格栅的纵肋拔出破坏;双向土工格栅整体拔出破坏时,表观黏着力小于纵肋拔出破坏时的表观黏着力,而表观摩擦角则相反。     

土工格栅的界面特性试验

有关土工织物界面试验的成果较多,而土工格栅界面试验的成果很少。介绍了单向拉伸格栅和经编格栅的界面试验内容和成果,对土工格栅与砂砾石、粗砂、残积土的界面摩擦系数作出评价,并与有纺土工布的成果进行比较。     

土工格室加筋土的大尺寸直剪试验研究

采用自行研制的500 mm?500 mm?400 mm（长?宽?高）大尺寸直剪仪,对土工格室加筋土以及土工格室加筋水泥稳定土的剪切性能进行了试验研究。通过大尺寸直剪试验模拟土工格室加筋土的剪切作用过程,得出加筋土剪切应力与剪切应变关系为非线性确定了土工格室加筋土的抗剪强度指标以及土工格室对土的抗剪强度增强机理,土工格室加筋土的黏聚力提高较大,内摩擦角变化相对较小。通过对素土和掺入量为5 %的水泥稳定土进行常规直剪试验、大尺寸直剪试验和三轴压缩试验对比分析,探讨不同试验方法对抗剪强度指标的影响,得出3种试验方法对应的抗剪强度指标及其相对大小;即素土的摩擦角大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验小于常规直剪试验,素土的黏聚力大小依次为：大尺寸直剪试验小于三轴试验小于常规直剪试验;水泥稳定土的摩擦角大小为：三轴试验小于大尺寸直剪试验,黏聚力结果比较大小依次为：三轴试验小于大尺寸直剪试验。     

三向土工格栅筋-土界面特性拉拔试验研究

现有关于格栅与土的筋-土界面特性研究多以单、双向格栅为研究对象,而对三向土工格栅筋-土界面特性开展的试验研究较少。以三向土工格栅为研究对象并考虑0°和90°两种拉拔方向的影响(记为TX_0工况和TX_90工况),开展了一系列室内拉拔试验,通过对三向土工格栅沿拉拔方向4个断面的位移进行量测,分析了格栅拉伸应变、筋-土相对位移、界面摩阻力分布及格栅变形与破坏模式,并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度两个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨。研究结果表明:由于平面外挠曲变形的影响,TX_0工况下横肋的嵌锁作用随法向应力增大而增强,从而使TX_0工况的拉拔性能逐渐优于TX_90工况;拉拔过程中,筋-土界面摩阻力的发挥是一个渐进的过程,其分布形式不断发生调整,筋-土界面呈弹塑性-软化特征;TX_0工况的筋-土界面摩擦角显著大于TX_90工况,黏聚力则刚好相反,法向应力较高时TX_0工况的筋-土界面强度更高,更有利于材料性能的发挥。     

不同剪切速率和孔径下立体格栅筋土界面剪切特性

为研究横肋加厚的三维立体土工格栅孔径对筋土界面直剪特性的影响,利用3D打印技术制作出不同规格的三维立体土工格栅,将格栅孔径(25 mm×25 mm、35 mm×35 mm、45 mm×45 mm)、竖向应力(30 kPa、60 kPa、90 kPa)、剪切速率(0.5 mm/min、1 mm/min、2 mm/min)作为试验参数,通过室内大型直剪仪进行单调直剪试验,对以上三种因素影响下的筋土界面剪切特性进行研究。结果表明:3种孔径格栅中,35 mm×35 mm孔径格栅的筋土界面峰值剪应力、内摩擦角最大;随着剪切速率倍增,峰值剪应力变化幅度较小,3种不同剪切速率对应的峰值剪应力之间的相对变化率处于-4%~11%;竖向应力越大,峰值剪应力越大,筋土界面峰值剪应力相对变化率大于20%,表明竖向应力对筋土界面剪切特性影响明显。     

剪切速率和材料特性对筋-土界面抗剪强度的影响

土工合成材料与填料之间的界面强度参数是加筋-土工程设计的关键技术指标,筋-土界面的直剪试验和拉拔试验在界面剪切特性试验研究中应用最为广泛。利用土工格栅、土工织物与砂土的直剪试验和拉拔试验,研究了剪切速率和筋材性质对筋-土界面强度的影响。研究结果表明,当剪切速率不超过一定界限（如7.0 mm/min）时,其对直剪试验结果的影响可以忽略;筋-土界面强度受加筋材料及砂土特性的影响,双向聚丙烯土工格栅和土工织物与砂土之间的内摩擦角与纯砂接近,界面强度较高,而玻纤格栅因其延伸率低和网格尺寸较小,与砂土的界面强度比较低。     

土工格栅加筋膨胀土拉拔试验研究

土工格栅加筋技术对膨胀土地质灾害的防治具有特殊效果,但目前对土工格栅与膨胀土界面特性的研究不足。采用南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土作填料,塑料单向拉伸土工格栅作为加筋体,在叠环式剪切试验机上通过施加不同的竖向荷载对其界面特性进行了拉拔试验研究。研究结果表明,土工格栅在膨胀土中的拔出过程主要经过3个阶段,分别是界面静摩擦力阶段、渐进剪切阶段和整体运动阶段,各阶段受力特性有明显差异;随着法向应力的增大,静摩擦力在界面抗剪强度比值呈对数级增大,从50 kPa时0.20增大至400 kPa时0.57,极限值可达到0.75;对挡土墙、高边坡等加筋设计中应考虑最大静摩擦力所占比重,在格栅的不同竖向高度处所受垂直应力不同,分段设计更加合理。     

带加强肋单向土工格栅的拉拔试验

在水平-垂直加筋体系研究的基础上,对单向土工格栅设置了加强肋,使其具备立体加筋效果。通过大量的拉拔试验,研究了带加强肋土工格栅加筋的筋-土界面特性。通过对汇总得到的36组拉拔试验数据进行分析,探讨了肋间距与肋厚对极限拉拔阻力的影响情况。试验结果表明：在相同法向应力作用下,带加强肋土工格栅的极限拉拔阻力明显高于普通土工格栅,其极限拉拔阻力随着加强肋肋厚的增加而显著增加,并随着加强肋肋距的增加而逐渐减小。在试验基础上,进一步分析了带加强肋土工格栅与砂土的相互作用机制,探讨了极限拉拔阻力的影响因素,建立了拉拔阻力理论公式,并将试验结果与理论值比较,二者基本吻合。