含水量对红黏土中土工格栅拉拔性能影响的试验研究

岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.2

2009年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2009

含水量对红黏土中土工格栅拉拔性能影响的试验研究

冯晓静12，杨 庆12，李首龙12，栾茂田12

，

，

，

，

(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2. 大连理工大学 岩土工程研究所，辽宁 大连 116024)

摘要：通过室内大型拉拔试验设备，对土工格栅在8组不同含水量的红黏土中的拉拔特性进行系统测试。结果发现，土工格栅在黏性填料中主要表现为拔出破坏，含水量对于拉拔力的影响显著，拉拔极限荷载随含水量的增加逐渐降低，在塑限附近趋于一常数，且此时格栅与填料之间的似摩擦因数接近0。格栅的应变分布特征证明含水量的增加导致筋土摩擦力的显著减小。除了影响极限拉拔力，含水量还影响格栅的拉拔过程，它的增加使得格栅应变的线性增长结束后很快达到其极限承载力。

关键词：土力学；拉拔试验；土工格栅；红黏土；含水量

中图分类号：TU 411.93 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增2–4059–06

INFLUENCE OF WATER CONTENT ON PULLOUT BEHAVIOR OF

GEOGRID IN RED CLAY

FENG Xiaojing12，YANG Qing12，LI Shoulong12，LUAN Maotian12

，

，

，

，

(1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China；

2. Institute of Geotechnical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China)

Abstract：The pullout behavior of geogrid in red clay is studied. An experimental investigation is conducted using geogrid in eight groups of red clays with different water contents. The results indicate that the geogrid embedded in red clay mainly represents pullout failure，and the ultimate pullout force is sensitive to water content. It decreases with the increase of the water content firstly. Then it tends to be constant around the plastic limit. Moreover，the ultimate pullout force is independent of the normal load in this zone. The distribution character of geogrid strains proves that the decrease of the ultimate pullout force is due to the reduction of the friction resistance between soil and geogrid. Besides，the water content influences the process of the pullout behavior. The increase of water content leads to the ultimate pullout force soon after the geogrid strain increases linearly. Key words：soil mechanics；pullout test；geogrid；red clay；water content

材料”[1]。它以施工简易、造价低廉、稳定性好等优点得到越来越广泛的应用。土工格栅作为一种新型的加筋材料，依靠格栅与土体之间的摩擦和嵌锁咬合作用，在一定程度上改善土体的强度和变形性态，从而达到提高土体及构筑物稳定性的目的。研

加筋土结构被前西德《地下建设》杂志(1979年)誉为“继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合

收稿日期：2008–08–07；修回日期：2008–12–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50639010)

作者简介：冯晓静(1981–)，女，2003年毕业于大连理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事加筋土结构试验及数值模拟方面的研究工作。E-mail：fxjdl@163.com

1 引 言

• 4060 • 岩石力学与工程学报 2009年

究土工格栅与土体之间的界面特性，对于探讨土工格栅加筋机制有着积极的推动作用。国内外已经在该领域展开了许多的试验研究[2M. Abu-Farsakh等[5

，11]

～11]

表1 红黏土的主要性质 Table 1 Main properties of red clay

液限

/%

塑限 /%

最优含水量

/%

34.2

最大干密度

－

/(g·cm3)

渗透系数

－

/(cm·s1)

－7

。这些研究除

以外，主要针对无黏性土，

目前对于黏性填土料的研究较少，加筋结构的推广亦受到限制。黏性填料加筋结构的稳定性显著地受到含水量的影响，调查显示，雨水是导致加筋结构破坏的首要诱因

[12]

69.36 30.83 1.452 1.07×10

表2 红黏土的抗剪强度 Table 2 Shear strengths of red clay

含水量w/%

，所以针对该项的研究也显得尤

为重要。本文利用大型拉拔仪对土工格栅加筋红黏土进行了一系列拉拔试验，分别测试了不同含水量下格栅的极限拉拔荷载与法向压力的关系以及拉拔过程中应变沿格栅的分布，以此探求加筋机制。

ϕ /(°) c/kPa

21.7 2.88 54.21 37.1 1.54 9.30 48.1 0.38 0.18

2 拉拔试验

2.1 拉拔仪

试验所用拉拔仪由大型土工直剪仪改造而成，如图1所示，该仪器能够实现应变式土工格栅拉拔试验功能，并具有较高的测试精度。填土槽采用10 mm厚的钢板焊接围成，其内腔尺寸长100 cm、宽40 cm、高50 cm。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。

黏土有很强的水敏性，抗剪强度随含水量增加显著降低，黏聚力的降低尤为显著。 2.3 土工格栅

试验采用的土工格栅为青岛颐中格栅股份有限公司提供的EGR90型单向土工格栅，格栅的几何特征及基本性能参数见图2和表3。

图2 格栅的几何特征

Fig.2 Geometrical characters of geogrid

表3 土工格栅的工程力学性能

Table 3 Engineering mechanical properties of geogrid

产品 规格 EGR90土工格栅 原材料

单位面积 质量

－

/(kg·m2)

质控抗拉 强度

－

/(kN·m1)

不同应变条件下抗拉力

－

/(kN·m1) 2%

5% 63.91 tF /mm

tB /mm

0.60 97.87 32.75

AL /mmAT /mm FWL /mm BTW /mm

图1 拉拔仪 Fig.1 Pullout test apparatus

HDPE

252 17.10 5.79 18.68 1.4 4.0

2.4 试验方法

试验填土高30 cm，分4次填筑夯实，夯实标准按照击实试验所得结果确定。湿土样的制备采用喷壶洒水搅拌，以保证全部填土的含水量均匀，湿土经塑料布覆盖润湿一昼夜。

法向荷载的加载系统由油压千斤顶及与箱体相

试验用红黏土取自大连大窑湾，土料经烘干、

2.2 填土料

碾散、过2 mm筛，其主要性能见表1。该填土抗剪强度采用直剪快剪试验测得，结果见表2，显示红

第28卷 增2 冯晓静，等. 含水量对红黏土中土工格栅拉拔性能影响的试验研究 • 4061 •

连的支撑架组成，中间连有荷载传感器测取荷载

极限拉拔力/(kN·m1) 656055504540353025101520 25含水量/%

303540值。千斤顶荷载通过工字型梁及钢板均匀地传到填土表面。

格栅应变测量采用电阻应变测量方法，该方法测量灵敏度高、标距小，可实现多点同步测量。为了保证拉拔过程中测点及导线不受损坏，试验中采用了保护盒，导线在其中盘绕几圈，当格栅被拔出时，测点在盒内可自由活动，而盘绕的导线则保证其有足够的长度随测点前移。

每组格栅共有7个应变测点，分别布置在格栅的横肋和纵肋中点处，见图3。格栅表面很光滑，因此贴片前应将测点处的格栅用砂纸磨毛，特别是横肋处，由于表面不平整，应首先利用砂轮打平，再用砂纸打磨。

－σ = 30 kPa σ = 60 kPa 图4 极限拉拔力与含水量关系

Fig.4 Relation curves between ultimate pullout force and

water content

规范[15]中对土工格栅的摩擦因数比K(K=tanϕsg/

tanϕ，其中ϕsg为筋材与填料的界面摩擦角，ϕ为填料本身的摩擦角)取0.667。该规范中规定：黏性土加筋设计时，筋土界面似摩擦因数取为0.4，而对于土工格栅这种加筋材料在黏土中的摩擦因数并没有专门的规定。另外，此规范中也并未考虑筋材与土体之间的黏聚力。

图3 应变测点布置

根据各含水量下不同法向荷载对应的极限拉拔力，仿照土体的抗剪强度理论公式，可以得出似黏聚力csg和似摩擦因数tanϕsg，见图5，从图5可以看出，似黏聚力csg随着含水量的增加先增大后小幅减小，在塑限附近趋于一常数；似摩擦因数ϕsg则相反，先减小而后有小幅增大，最后在塑限附近也趋于一常数。由此可以看出，塑限附近，不论是极限拉拔力还是tanϕsg和csg值都比较稳定。由于tanϕsg和csg值的转折并不是很大，可以近似用一个折线来代替它们各自的发展趋势，如图5中虚线所示。塑限附近时tanϕsg≈0，csg≈28 kPa。根据式(1)可得该填土在塑限下的黏聚力为24.1 kPa。

3634似黏聚力/kPa 323028262422

101520Fig.3 Arrangement of strain measuring point

试验的加载速率为0.96 mm/min，通过荷载传感器读取拉拔力，每分钟读取一次数据。

3 试验结果及分析

3.1 含水量对极限拉拔力的影响

表2显示含水量w对填土的抗剪强度影响显著，而格栅与填料之间的相互作用与填土料自身的性质有必然的联系。已有的研究

[13，14]

显示，黏聚力

2530 含水量/%

3540c与含水量w之间的关系曲线采用指数衰减或者抛物线拟合效果较好。本文利用抛物线对表2的数据进行拟合，曲线方程为

c = 0.08w

2

－7.56w+181.1 (1)

极限拉拔力随含水量的变化如图4所示，随着含水量的增加，极限拉拔力逐渐降低，法向荷载越大，极限拉拔力的降幅越显著，在塑限附近，拉拔力基本保持稳定，且此时的极限拉拔力大小与法向荷载大小无关。

(a) 似黏聚力

• 4062 • 岩石力学与工程学报 2009年

0.70.60.5似摩擦因数 0.40.30.20.10.0－0.1－0.2101520 25303540荷载保持稳定不变，即为第三阶段。随着含水量的增加，上述过程有所变化，第二阶段逐渐缩短，曲线转折比较突然，即线性增长结束后，很快便达到极限拉拔荷载。 3.3 格栅应变分布

格栅埋在土中后，应变随拉拔荷载变化，由于横肋阻隔和纵横肋的摩擦作用，靠近前端的测点应变较大，后侧的应变则较小。

(1) 格栅应变随荷载的变化

图7(a)，(b)分别显示了含水量为10.50%，28.90%时，格栅应变随拉拔荷载的变化。随拉拔荷载的增加，格栅应变逐渐增大，比较图7(a)，(b)可以发现，图7(a)各测点的应变分布比较分散，而图7(b)中每个横肋测点与其之前的纵肋测点应变非常相近，这说明随着含水量的增加，格栅与纵横肋的摩擦作用减弱，致使在力向后的传递过程中，沿着纵肋应力变化并不大。而图中显示横肋的阻隔作用随含水量并没有显著的降低。这个现象可以解释图5中似摩擦因数降低而似黏聚力增加的现象。如果简单地设似黏聚力来自纵横肋摩擦，而黏聚力来自横肋阻隔(实际上这两种作用存在相互影响)，当

7060拉拔荷载/(kN·m1)

含水量/%

(b) 似摩擦因数

图5 抗剪参数与含水量的关系曲线

Fig.5 Relation curves between shear strength parameters and

water content

比较填土的抗剪强度参数与拉拔试验结果可以发现，摩擦因数比K随填土含水量的变化是个变量，而且该值较规范

[15]

所定的0.667有较大的差别。但

是当填土含水量超过塑限后，似摩擦因数接近为0，格栅的拉拔力此时主要由似黏聚力提供，该似黏聚力大小可以近似取填土在塑限时的黏聚力。因此设计时对于土工格栅在黏土中的黏聚力不应忽略，而摩擦因数则应慎重选取，安全起见应该忽略似摩擦力的作用。

3.2 拉拔力与拉拔位移

荷载位移曲线如图6所示，观察该曲线，拉拔荷载随着拉拔位移的增大而增加，大致可以将其分为3个阶段：第一阶段为线性上升阶段，该阶段位移较小，拉拔曲线几乎重合，符合线性关系，其斜率随含水量的增加略有下降，在塑限附近又略有上升，但是总的变化不大；第二阶段为非线性上升阶段，该段拉拔荷载的增长速度逐渐降低；当位移达到一定程度时，拉拔荷载达到极限值，以后的拉拔

48 12－3

504030201000－横1横2横3横4 16纵1纵2纵320 (a)w = 10.50%

35拉拔荷载/(kN·m1)

应变 /10

60拉拔荷载/(kN·m1)5040302010002040 － 拉拔位移/mm

60w = 10.50%w = 16.20%w = 24.86% w = 26.70%w = 27.40%w = 28.90%w = 36.30%80100302520151050048应变/10

横1 横2 横3 横4 12－3

－纵1 2 纵 3 纵1620

(b)w = 28.90%

图6 拉拔荷载和拉拔位移关系曲线

Fig.6 Relation curves of pullout load-displacement

图7 拉拔荷载–应变关系 Fig.7 Pullout load-strain relationships

第28卷 增2 冯晓静，等. 含水量对红黏土中土工格栅拉拔性能影响的试验研究 • 4063 •

－3 含水量小时，压实度低，因此横肋的阻抗作用小；随着含水量的增加，压实度的增加致使横肋阻隔作用越来越大，从而似黏聚力增大，而由于摩擦作用随含水量增加而降低，因此似摩擦因数也随之减小。由此可以推论当含水量继续增大时，土体更不易压实，且土体与格栅的摩擦接近为0，其必然导致拉拔力的降低直至为0。

(2) 格栅应变随时间的变化

为了观察拉拔中的格栅随时间的变化，试验时，当格栅的最大应变达到将近2%时，停止拉拔，保持应变不变，观测了3 d格栅的拉拔力及应变变化，如图8所示。停止拉拔后，格栅应变均表现为横肋的应变增大，如图8(a)所示，而纵肋的应变则减小，如图8(b)所示。格栅在拉拔过程中，格栅网孔内的土来不及完成重新排列，因此格栅横肋所受阻力较大，应变较小，停止加载后，网孔内的土颗粒重新分布，格栅横肋向前移动，因此横肋应变增大，相应该横肋之前的纵肋则应变减小。

－3

3210应变/10 0102030 40时间/h (b) 纵肋

506070纵肋3 图8 格栅应变随时间的变化 Fig.8 Geogrid strains varying with time

4 结 论

(1) 含水量对于格栅拉拔力影响显著，随着含水量增加，格栅拉拔力逐渐减小，在塑限附近趋于一常值。

(2) 从格栅应变分布可以看出含水量的增加降低了土工格栅与土之间的摩擦力。接近塑限时，似摩擦因数接近为0。而当含水量趋近于最优含水量时，填土的压实度逐渐增加，横肋阻隔作用明显，因此似黏聚力则增加。由此可以推断，如果继续增大含水量，压实度则会降低，随之似黏聚力和极限拉拔力都会逐渐降低至0。

18171615 0102030 横肋1 40506070应变/10(3) 随着含水量的增加，拉拔力与位移的关系也表现出不同的特征，从线性增长到极限状态的转折段越来越短。

(4) 停止加载后，格栅的拉拔力随时间降低，格栅的应力出现重分布，横肋应变增大，而纵肋应

时间 /h

12111098应变/10－3 0102030 横肋2 506070 变减小。

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