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【摘 要】土工格栅与土的相互作用特性是影响土工格栅加筋结构稳定性的重要因素。通过拉拔试验，可弄清筋土界面相互作用机理及筋土界面的摩擦系数，从而研究土工格栅受拉时表面摩擦力分布特征。本文还从试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材夹持状况等几方面分析了土工格栅界面摩擦特性的影响因素。
【关键词】土工格栅；拉拔试验；界面；影响因素
1.引言
土工格栅作为一种优良的土工特种材料，以强度高、柔性好、耐腐蚀、能预制和运输方便的特点在世界上日益广泛地应用。土体具有一定的抗压和抗剪强度，而几乎没有抗拉强度，在土中加入或铺设适当的筋带、纤维或其他加筋材料形成加筋土，依靠筋材与土体之间的摩擦和嵌锁咬合等作用，传递拉应力，分担土体应力，增加土体的变形模量，使筋材的抗拉强度和土体的抗压强度相结合，改善土体的强度和变形特征，从而可达到提高土体强度和稳定性的目的。土工格栅的加固效果主要体现在三个方面，即土工格栅纵肋和横肋表面与土粒的摩擦作用、土粒对格栅肋的被动阻抗作用及格栅的孔眼对土的镶嵌与咬合作用。土工格栅的物理性质、力学性质、结构形式、填土的工程性质以及筋土界面力学特性等因素都对加筋结构的力学行为和稳定性带来影响[1]。
目前有关界面特性的试验研究内容较为广泛。本文仅就土与土工格栅接触面的摩擦特性试验进行研究。由于不同研究人员的研究方法不同，所采用的仪器设备差别很大，在研究中使用的材料（土和土工格栅）多种多样，因此土与土工格栅界面特性的试验方法、成果分析评价标准至今并无统一的准则，在国际上ASTM和GRI的相关标准只是较多地被采用罢了。因此，土与土工格栅界面摩擦特性的影响因素多种多样，本文主要从试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材夹持状况等几方面进行了分析研究。
2.土工格栅拉拔试验
拉拔试验模拟土工合成材料加筋应用中筋材受力被拔出的情形，与直剪试验所不同的是在土工合成材料双面（或四周）与土样接触的条件下发生相对剪切变形。在试验箱的前壁（或前后壁）中间部分开一定规格的扁平孔以放置土工格栅，试验时先在试样箱的下半部分装满土样，并按一定要求压实，然后放置土工格栅，再放置试验箱的上半部分，并按一定要求装满土样。在试样箱上部施加压力，通过夹具对土工格栅施加拉拔力。在试验中记录所施加的压力、拉力和土工合成材料的水平位移。具体试验装置及试验方法如下。
试验装置主要由两部分组成，如图1所示。一部分为模型填土槽，为了保证填土槽足够的刚度，采用10 mm厚的钢板焊接围成，其内腔尺寸长100cm、宽40 cm、高50 cm。在钢槽两端挡板上预留有宽1 cm的孔口。为了防止侧向变形，四周用三角钢进行加固。试验过程中测得钢槽的侧向变形非常小，可以忽略不计。在刚性钢板上安放千斤项、传感器和应变仪，通过填土槽的反力架提供反力，给土层施加均匀、稳定的法向荷载。另一部分为应变控制式水平拉伸装置，主要由齿轮组、滑道、水平拉杆、侧向支架与夹具等部分构成。装置通过特制夹具与格栅连接，避免拉拔过程中格栅在夹具中产生滑动位移。同时，为了防止夹具对土工格栅造成伤害，在夹具与格栅之间放置一层橡胶。装置通过恒定的齿轮转速，对格栅进行稳定的水平纵向拉拔。水平拉杆上安装了高灵敏度拉力传感器，可以直接读取瞬时拉拔力大小。
对所取填土进行了室内常规试验，分别测试了填土的最大干密度、最优含水率、黏聚力、内摩擦角等4项指标，见表l。
拉拔试验采用应变控制式方法。根据室内常规试验结果，对试验填土进行含水率配比，使其达到最优含水率。控制格栅的上、下土层压实度为95%。填土高度上下各15cm。拉拔过程中，为了保证土工格栅在土中的摩擦面积不变，试验采用的土工格栅长125cm，其中100cm埋于土中，25cm为安装长度和槽外预留长度。为了消除侧壤摩阻的边界效应，格栅试样采用6根纵肋，宽度为13.3cm。在格栅中间2根纵向肋条上分段埋设了3个相对位移计和3个应变计，可测得即时的格栅与土之间的相对位移值和格栅瞬时应变值。拉拔试验中格栅的拉拔速度对试验结果影响很大，速率过快，土颗粒来不及重新排列，导致剪切阻力增大，试验结果偏高。拔出速度一般控制在0.1～20 mm/min之间，本次试验拉拔速度大小为7.5 mm/min。
实际设计中，通常假定土工格栅表面的摩擦力为一个固定值，以得到计算简单、使用方便的极限设计值。试验证明：①摩擦应力的分布沿筋材的纵向位置变化（如图2）；②同一埋设位置，摩擦应力随时间的变化也产生变化，应是一个双参数的函数（如图3）。
3.土工格栅界面摩擦特性影响因素分析
目前各种测试土工格栅与填料界面直剪和拉拔摩擦特性的试验设备和试验方法均未统一，试验设备所考虑的因素也有所不同。拉筋与填料相互作用的机理较为复杂，它既与填料的工程特性（填料的抗剪强度、相对密度、压实程度、级配、上覆压力以及土的膨胀特性）有关，也与土工格栅的特性（几何形状、网孔大小、刚度大小、受力方向以及变形特性等）有关。在工程应用中拉筋与填料的摩擦特性一般通过室内摩擦剪切试验拉拔试验或现场足尺试验等方法确定[2]。
3.1 试验方法。土工合成材料测试规程推荐了直剪试验设备而目前大量的直剪试验一般是把土工格栅埋置于土体中推动上盒，使其沿剪切面滑动[3]。由于土工格栅的网孔较大，这种直剪试验结果主要贡献于土体之间的摩擦特性，而并非真正意义上的土工格栅与土体之间的直剪摩擦特性。因此，从某种意义上说研究土工格栅与土体的摩擦特性采用拉拔试验更具有实际意义。
3.2 加载方式
筋土摩擦试验方法的加载方式主要有两种应变控制式和应力控制式一般以前者居多在应变控制式试验中剪切速率的大小对以土工格栅为拉筋的摩擦试验结果影响很大增大剪切速率由于拉筋周围土体的变形来不及调整土粒之间来不及重新排列导致剪切阻力增大试验结果偏高一般而言对于直剪摩擦试验剪切速率一般为0.2 3.0 mm/min 对于拉拔摩擦试验拔出速率的控制范围一般0.1～20mm/min之间。 3.3 试验箱侧壁的边界效应和尺寸效应。使用自制的拉拔试验设备研究了刚性和柔性试验箱前壁（Front face）对试验结果的影响。在试验中不仅量测了土工格栅不同位置的位移变化和前壁承受的侧向压力，还对界面附近的微观变化进行了观测。发现在其它试验条件相同的条件下，采用刚性和柔性前壁时土工格栅位移、应变、格栅受力和剪切带应力沿格栅的分布的区别是显而易见的。由于刚性前壁限制了拉拔过程中剪切带的侧向位移，所以在受力端产生应力集中现象，而在柔性边界条件下则改善了许多，几乎沿整个土工格栅都受力。这一现象在微观观测中也得到了印证。拉拔试验中土工格栅附近砂粒在刚性前壁条件下向前移动，由于刚性前壁的存在砂粒受挤压而向上下移动；在柔性边界条件下则主要向前移动，不出现或只有轻微的挤压现象[4]。
在土工格栅的拉拔试验中，对室内试验和足尺试验结果进行了对比。发现室内拉拔试验和现场拉拔试验中土工格栅抗拔阻力的发挥过程相似，同时也发现当土工格栅的宽度小于300mm（两种试件的宽度分别为280 mm和160mm）时所得到的试验结果与宽度等于400 mm的结果有较大不同，表现出明显的边界摩擦的影响，单位抗拔阻力偏大。
3.4 填料厚度.拉拔试验过程中拉筋上下填料厚度对试验结果有影响随着拉筋上下填料厚度的增加拔出阻力会减小直到一个最小拉拔荷载临界值一般情况下拉拔试验中拉筋上下填料厚度不宜大于30cm。
3.5 填料压实度。筋土界面的摩擦特性与填料的压实度有密切关系密实的填料与拉筋之间的摩擦力较大疏松的填料与拉筋之间的摩擦力随着摩擦过程逐渐增强对于同一种填料所制作不同压实度的试件由于拉筋上下填料逐渐密实致使其残余强度将趋于一致因此拉拔试验中所采取的压实方式应保证拉筋上下填料压实度均匀一致。
3.6 拉筋夹持情况。拉拔试验中在试件盒外拉拔端的夹持会使拉筋拔出部分丧失侧向约束导致测试过程中界面面积产生变化拉筋的夹持作用应保证在拉拔过程中试件界面面积保持不变为达到这一要求试验时应使拉筋自由端伸出在试件盒以外。
4.结束语
为研究土工格栅受拉时表面摩擦力分布的影响因素及特征，预测埋土格栅的拉拔力，针对不同的上覆荷载进行了室内拉拔试验[6]。分析试验结果得出如下结论：
（1）土工格栅表面的摩擦应力f与格栅的纵向埋设位置石及拉拔时间t有关。随着拉拔时间增大，摩擦应力沿着格栅表面逐渐向后传递，应力大小取决于该点应变变化值。
（2）格栅上任意位置点开始产生应变时前期应变的增幅较大，后期趋于平缓，逐渐接近并达到某一极限应变值，可以用S型曲线函数来描述格栅应变与时间的相互关系。
（3）土工格栅界面的摩擦特性受试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材夹持状况等几方面的影响，只有正确分析各因素对试验结果的影响程度，才能得到较为可靠的土工格栅界面的摩擦特性试验结果。
参考文献：
[1]欧阳仲春.现代土工加筋技术[M].北京：人民交通出版社.1991.
[2] 杨广庆，李广信，张保俭.土工格栅界面摩擦特性试验研究[J].岩土工程学报，2006，28（8）：948--952.
[3] FARRAG K， GRIFFIN P. Pull-out testing of geogrids in cohesive soils， geosynthetic soil reinforcement testing procedures[M]. West Conshohocken， 1993，76–89.
[4] ALFARO M C， MIURA N， BERGADO D T. Soil-geogrid reinforcement interaction by pullout and direct shear tests[J].Geotechnical Testing Journal，1995，18（2）：157–167.
【关键词】土工格栅；拉拔试验；界面；影响因素
1.引言
土工格栅作为一种优良的土工特种材料，以强度高、柔性好、耐腐蚀、能预制和运输方便的特点在世界上日益广泛地应用。土体具有一定的抗压和抗剪强度，而几乎没有抗拉强度，在土中加入或铺设适当的筋带、纤维或其他加筋材料形成加筋土，依靠筋材与土体之间的摩擦和嵌锁咬合等作用，传递拉应力，分担土体应力，增加土体的变形模量，使筋材的抗拉强度和土体的抗压强度相结合，改善土体的强度和变形特征，从而可达到提高土体强度和稳定性的目的。土工格栅的加固效果主要体现在三个方面，即土工格栅纵肋和横肋表面与土粒的摩擦作用、土粒对格栅肋的被动阻抗作用及格栅的孔眼对土的镶嵌与咬合作用。土工格栅的物理性质、力学性质、结构形式、填土的工程性质以及筋土界面力学特性等因素都对加筋结构的力学行为和稳定性带来影响[1]。
目前有关界面特性的试验研究内容较为广泛。本文仅就土与土工格栅接触面的摩擦特性试验进行研究。由于不同研究人员的研究方法不同，所采用的仪器设备差别很大，在研究中使用的材料（土和土工格栅）多种多样，因此土与土工格栅界面特性的试验方法、成果分析评价标准至今并无统一的准则，在国际上ASTM和GRI的相关标准只是较多地被采用罢了。因此，土与土工格栅界面摩擦特性的影响因素多种多样，本文主要从试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材夹持状况等几方面进行了分析研究。
2.土工格栅拉拔试验
拉拔试验模拟土工合成材料加筋应用中筋材受力被拔出的情形，与直剪试验所不同的是在土工合成材料双面（或四周）与土样接触的条件下发生相对剪切变形。在试验箱的前壁（或前后壁）中间部分开一定规格的扁平孔以放置土工格栅，试验时先在试样箱的下半部分装满土样，并按一定要求压实，然后放置土工格栅，再放置试验箱的上半部分，并按一定要求装满土样。在试样箱上部施加压力，通过夹具对土工格栅施加拉拔力。在试验中记录所施加的压力、拉力和土工合成材料的水平位移。具体试验装置及试验方法如下。
试验装置主要由两部分组成，如图1所示。一部分为模型填土槽，为了保证填土槽足够的刚度，采用10 mm厚的钢板焊接围成，其内腔尺寸长100cm、宽40 cm、高50 cm。在钢槽两端挡板上预留有宽1 cm的孔口。为了防止侧向变形，四周用三角钢进行加固。试验过程中测得钢槽的侧向变形非常小，可以忽略不计。在刚性钢板上安放千斤项、传感器和应变仪，通过填土槽的反力架提供反力，给土层施加均匀、稳定的法向荷载。另一部分为应变控制式水平拉伸装置，主要由齿轮组、滑道、水平拉杆、侧向支架与夹具等部分构成。装置通过特制夹具与格栅连接，避免拉拔过程中格栅在夹具中产生滑动位移。同时，为了防止夹具对土工格栅造成伤害，在夹具与格栅之间放置一层橡胶。装置通过恒定的齿轮转速，对格栅进行稳定的水平纵向拉拔。水平拉杆上安装了高灵敏度拉力传感器，可以直接读取瞬时拉拔力大小。
对所取填土进行了室内常规试验，分别测试了填土的最大干密度、最优含水率、黏聚力、内摩擦角等4项指标，见表l。
拉拔试验采用应变控制式方法。根据室内常规试验结果，对试验填土进行含水率配比，使其达到最优含水率。控制格栅的上、下土层压实度为95%。填土高度上下各15cm。拉拔过程中，为了保证土工格栅在土中的摩擦面积不变，试验采用的土工格栅长125cm，其中100cm埋于土中，25cm为安装长度和槽外预留长度。为了消除侧壤摩阻的边界效应，格栅试样采用6根纵肋，宽度为13.3cm。在格栅中间2根纵向肋条上分段埋设了3个相对位移计和3个应变计，可测得即时的格栅与土之间的相对位移值和格栅瞬时应变值。拉拔试验中格栅的拉拔速度对试验结果影响很大，速率过快，土颗粒来不及重新排列，导致剪切阻力增大，试验结果偏高。拔出速度一般控制在0.1～20 mm/min之间，本次试验拉拔速度大小为7.5 mm/min。
实际设计中，通常假定土工格栅表面的摩擦力为一个固定值，以得到计算简单、使用方便的极限设计值。试验证明：①摩擦应力的分布沿筋材的纵向位置变化（如图2）；②同一埋设位置，摩擦应力随时间的变化也产生变化，应是一个双参数的函数（如图3）。
3.土工格栅界面摩擦特性影响因素分析
目前各种测试土工格栅与填料界面直剪和拉拔摩擦特性的试验设备和试验方法均未统一，试验设备所考虑的因素也有所不同。拉筋与填料相互作用的机理较为复杂，它既与填料的工程特性（填料的抗剪强度、相对密度、压实程度、级配、上覆压力以及土的膨胀特性）有关，也与土工格栅的特性（几何形状、网孔大小、刚度大小、受力方向以及变形特性等）有关。在工程应用中拉筋与填料的摩擦特性一般通过室内摩擦剪切试验拉拔试验或现场足尺试验等方法确定[2]。
3.1 试验方法。土工合成材料测试规程推荐了直剪试验设备而目前大量的直剪试验一般是把土工格栅埋置于土体中推动上盒，使其沿剪切面滑动[3]。由于土工格栅的网孔较大，这种直剪试验结果主要贡献于土体之间的摩擦特性，而并非真正意义上的土工格栅与土体之间的直剪摩擦特性。因此，从某种意义上说研究土工格栅与土体的摩擦特性采用拉拔试验更具有实际意义。
3.2 加载方式
筋土摩擦试验方法的加载方式主要有两种应变控制式和应力控制式一般以前者居多在应变控制式试验中剪切速率的大小对以土工格栅为拉筋的摩擦试验结果影响很大增大剪切速率由于拉筋周围土体的变形来不及调整土粒之间来不及重新排列导致剪切阻力增大试验结果偏高一般而言对于直剪摩擦试验剪切速率一般为0.2 3.0 mm/min 对于拉拔摩擦试验拔出速率的控制范围一般0.1～20mm/min之间。 3.3 试验箱侧壁的边界效应和尺寸效应。使用自制的拉拔试验设备研究了刚性和柔性试验箱前壁（Front face）对试验结果的影响。在试验中不仅量测了土工格栅不同位置的位移变化和前壁承受的侧向压力，还对界面附近的微观变化进行了观测。发现在其它试验条件相同的条件下，采用刚性和柔性前壁时土工格栅位移、应变、格栅受力和剪切带应力沿格栅的分布的区别是显而易见的。由于刚性前壁限制了拉拔过程中剪切带的侧向位移，所以在受力端产生应力集中现象，而在柔性边界条件下则改善了许多，几乎沿整个土工格栅都受力。这一现象在微观观测中也得到了印证。拉拔试验中土工格栅附近砂粒在刚性前壁条件下向前移动，由于刚性前壁的存在砂粒受挤压而向上下移动；在柔性边界条件下则主要向前移动，不出现或只有轻微的挤压现象[4]。
在土工格栅的拉拔试验中，对室内试验和足尺试验结果进行了对比。发现室内拉拔试验和现场拉拔试验中土工格栅抗拔阻力的发挥过程相似，同时也发现当土工格栅的宽度小于300mm（两种试件的宽度分别为280 mm和160mm）时所得到的试验结果与宽度等于400 mm的结果有较大不同，表现出明显的边界摩擦的影响，单位抗拔阻力偏大。
3.4 填料厚度.拉拔试验过程中拉筋上下填料厚度对试验结果有影响随着拉筋上下填料厚度的增加拔出阻力会减小直到一个最小拉拔荷载临界值一般情况下拉拔试验中拉筋上下填料厚度不宜大于30cm。
3.5 填料压实度。筋土界面的摩擦特性与填料的压实度有密切关系密实的填料与拉筋之间的摩擦力较大疏松的填料与拉筋之间的摩擦力随着摩擦过程逐渐增强对于同一种填料所制作不同压实度的试件由于拉筋上下填料逐渐密实致使其残余强度将趋于一致因此拉拔试验中所采取的压实方式应保证拉筋上下填料压实度均匀一致。
3.6 拉筋夹持情况。拉拔试验中在试件盒外拉拔端的夹持会使拉筋拔出部分丧失侧向约束导致测试过程中界面面积产生变化拉筋的夹持作用应保证在拉拔过程中试件界面面积保持不变为达到这一要求试验时应使拉筋自由端伸出在试件盒以外。
4.结束语
为研究土工格栅受拉时表面摩擦力分布的影响因素及特征，预测埋土格栅的拉拔力，针对不同的上覆荷载进行了室内拉拔试验[6]。分析试验结果得出如下结论：
（1）土工格栅表面的摩擦应力f与格栅的纵向埋设位置石及拉拔时间t有关。随着拉拔时间增大，摩擦应力沿着格栅表面逐渐向后传递，应力大小取决于该点应变变化值。
（2）格栅上任意位置点开始产生应变时前期应变的增幅较大，后期趋于平缓，逐渐接近并达到某一极限应变值，可以用S型曲线函数来描述格栅应变与时间的相互关系。
（3）土工格栅界面的摩擦特性受试验方法、加载方式、试验箱侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度、压实度以及筋材夹持状况等几方面的影响，只有正确分析各因素对试验结果的影响程度，才能得到较为可靠的土工格栅界面的摩擦特性试验结果。
参考文献：
[1]欧阳仲春.现代土工加筋技术[M].北京：人民交通出版社.1991.
[2] 杨广庆，李广信，张保俭.土工格栅界面摩擦特性试验研究[J].岩土工程学报，2006，28（8）：948--952.
[3] FARRAG K， GRIFFIN P. Pull-out testing of geogrids in cohesive soils， geosynthetic soil reinforcement testing procedures[M]. West Conshohocken， 1993，76–89.
[4] ALFARO M C， MIURA N， BERGADO D T. Soil-geogrid reinforcement interaction by pullout and direct shear tests[J].Geotechnical Testing Journal，1995，18（2）：157–167.