1.土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究
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(1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024；2. 大连理工大学 土木水利学院岩土工程研究所，大连 116024)
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。通过室内拉拔试验，针对不同的上覆荷
载，对土工格栅受拉时表面摩擦力分布特征进行了研究。试验结果表明，格栅表面摩擦力沿着格栅纵向逐渐向后传递，并在
股份有限公司生产的 HDPE 单向土工格栅。借助其 专业实验室，按照相关标准[6]，进行了格栅的拉伸 试验以及物理性能、力学性能和耐久性能测试。试 验所采用的 3 种格栅的性能指标见表 2。
格栅型号
EG50 EG65 EG90
肋条长 AL /mm
235 249 252
最大 孔宽 AT /mm 16.43 16.44 17.10
表 1 试验用土的基本性质参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of test soil
最大干密度 /(g/cm3)
最优含水率 /%
黏聚力 /kPa
内摩擦角 /(°)
1.796
12.78
29.55
34.27
2.3 土工格栅性能指标 试验中所用格栅为项目合作单位青岛颐中格栅
本次采用大尺寸拉拔模型试验研究土工格栅与 填料之间的相互作用，通过大量试验数据，针对格 栅的变形与时间、纵向埋设位置之间的关系，建立 了格栅应变的三维空间曲面，拟合出格栅应变函数
ε (x,t) ，从而推得随时间变化的拉拔力函数 T (t) ，
可以为相关理论分析和设计提供依据。
2 土工格栅筋材拉拔试验
2.52 3.06 4.00
质控抗拉 强度
/(kN/m) 61.14 77.96 97.87
峰值 应变 /% 11.37 12.06 9.180
2 %应变 时抗拉力 /(kN/m)
19.20 22.62 32.75
5 %应变 时抗拉力 /(kN/m)
35.25 41.79 63.91
962
岩土力学
拉拔的前期增长明显，后期趋于一个稳定值；利用 S 型曲线模拟了土工格栅的应变与拉拔时间的相关关系。通过不同埋设位
置的检测点所得到的格栅即时应变数据，拟合出格栅的三维应变曲面ε(x, t)；对格栅表面上的摩擦力进行全段积分，得到格
栅拉拔力的时程函数 T(t)。该试验结果对土工格栅加筋结构设计具有一定的参考价值。
Abstract: The interaction property between geogrids and soil is fundamental and important factor on stability of geogrids-reinforced earth structure. A series ofຫໍສະໝຸດ Baiduexperiments to investigate the friction on the surface of pulled geogrids are conducted in the laboratory under various levels of externally-applied load. By analyzing experimental data, some conclusions were drawn that the friction on the surface of geogrids gradually transfers backwards along it, which rapidly increases in early time of the pull-out test and approaches to some stable value ultimately. The relationship between the strain of the geogrids and pulling time is simulated by the sigmoid curve. Based on the experimental data of the strain of the geogrids at different embedments, a three dimensional strain surface that represents a function of coordinate and time is obtained. The time function for pull-out force of geogrids is deduced through integration of friction along total length of geogrids. The experimental data is of referring value for design of geogrids-reinforced earth structure. Key words: geogrids; pull-out test; frictional resistance characteristic; pull-out force
2
Atσ
' n
tanδ
+
2
Alσ
' n
tanδ
+
Abσ
' n
Nq
（1）
式中： F1 、 F2 、 F3 分别为横肋、纵肋提供的极限
摩擦阻力和横肋提供的端承侧面阻力；At 为横肋表
面积； Al 为纵肋表面积；δ 为土与格栅界面的摩擦
角；
Ab
、
σ
' n
、
Nq
分别为横肋的端承面积、格栅
表面的有效正应力及承载能力因子。该公式只能得
第 30 卷第 4 期 2009 年 4 月
文章编号：1000－7598 (2009) 04－0960－05
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.30 No. 4 Apr. 2009
土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究
陈 榕 1, 2，栾茂田 1, 2，赵 维 1, 2，徐晓艳 1, 2，郝冬雪 1, 2
图 1 拉拔试验装置图 Fig.1 Pull-out test of geogrids instrument
2.2 填土的基本性质 试验用的填土为大连市夏家河子地区正在建设
的某部队工程地基土。该场地土质优良，粒径均匀， 杂质少。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 1。
2009 年
2.4 试验方法 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 15 cm。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 125 cm，其中 100 cm 埋于土中，25 cm 为安装长度和槽外预留长度。为了消除侧壁摩阻的 边界效应，格栅试样采用 6 根纵肋，宽度为 13.3 cm。 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[7]，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。
第4期
陈 榕等：土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究
961
强度，但这一关系无法描述出筋材与土处于剪切破 坏之前的状态，也不能表达出土与格栅的咬合作用。
Wilson-Fahmy[4]通过大型拉拔试验研究后指出 拉拔阻力由三部分组成，并给出极限抗拉拔阻力 F 计算公式为
F = F1 + F2 + F3 =
1引言
土工格栅与土的界面摩擦特性直接影响着加筋 结构的安全与稳定性，其界面摩擦特性在加筋结构 的设计中至关重要。格栅与土相互作用的机制极其 复杂，它与筋材的类型、变形特性、形状、几何尺 寸和土的性质及上覆压力等多种因素密切相关。
土工格栅与土之间所形成的摩擦力可归纳为 3 种[1-3]：(1) 土颗粒与格栅表面的摩擦作用；(2) 土 颗粒对格栅横肋的被动阻抗作用；(3) 土工格栅孔 内土体与孔外土体之间的摩擦作用。 3 种作用同时 存在，使得土工格栅对土的加固效果明显，但 3 种作
出极限拉拔力大小，并没有体现在拉拔过程中格栅
的拉力变化情况。
杨广庆等[5]针对拉拔作用下土体产生的膨胀效
应，与摩尔-库仑理论结合，提出了新的拉拔阻力计
算公式：
pt = 2BLσ n tanϕ + 4B0LΔσ n tanϕ
（2）
式中： B 为土工格栅拉筋宽度； L 为计算的拉筋长 度；ϕ 为筋/土界面的摩擦角；σ n 为法向应力；B0 为 土体膨胀对格栅产生附加应力的宽度。法向应力越 大，土体膨胀越明显，增加的剪应力越大。式（2） 反映出拉拔力的变化规律，但对土体内部膨胀区的 宽度判断仍待解决。
表 2 试验用土工格栅的主要性能指标 Table 2 Main indexes of the test geogrids
肋条最 小宽度 FWL /mm
5.80 5.90 5.79
挡条宽度 BWT /mm
17.95 18.44 18.68
肋条厚度 tF /mm
0.93 1.07 1.40
挡条厚度 tB /mm
用的准确求解仍是目前难以解决的技术问题。 工程中土与筋材的摩擦特性通常由室内摩擦试
验、室内拉拔试验及现场足尺试验来测定。室内摩 擦试验主要用于验算土与筋材的界面强度，不能得 到土与筋材的镶嵌咬合作用。现场足尺试验接近于 实际效果，但试验费用太高，试验实施困难，周期 长。相比之下，室内格栅拉拔试验经费少，可以得 到近似于实际工程情况的试验结果，能较好模拟筋 材在土内的工作条件，室内拉拔试验已成为研究土 与格栅界面特性的最有效的试验手段。
关 键 词：土工格栅；拉拔试验；摩擦特性；拉拔力
中图分类号：TU 432
文献标识码：A
Research on pull-out test and frictional resistance characteristic of geogrids
CHEN Rong1, 2，LUAN Mao-tian1, 2，ZHAO Wei1, 2，XU Xiao-yan1, 2，HAO Dong-xue1, 2
2.1 试验装置 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 100 cm、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顶、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。
在基于极限强度理论的加筋土结构分析中，经 常采用τ = c +σ tanϕ 关系描述筋材与土界面的抗剪
收稿日期：2007-07-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 50678032)。 第一作者简介：陈榕，男，1979 年生，博士研究生，主要从事加筋结构中土工格栅蠕变特性，及其加筋机理方面研究工作。Email: rongchen@yahoo.cn 通讯作者：栾茂田，男，1962 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土力学基本理论、海洋土力学理论与实验技术、非线性土动力学理论与 计算等方面的教学与科研工作。E-mail: mtluan@dlut.edu.cn
(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024；2. 大连理工大学 土木水利学院岩土工程研究所，大连 116024)
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。通过室内拉拔试验，针对不同的上覆荷
载，对土工格栅受拉时表面摩擦力分布特征进行了研究。试验结果表明，格栅表面摩擦力沿着格栅纵向逐渐向后传递，并在
股份有限公司生产的 HDPE 单向土工格栅。借助其 专业实验室，按照相关标准[6]，进行了格栅的拉伸 试验以及物理性能、力学性能和耐久性能测试。试 验所采用的 3 种格栅的性能指标见表 2。
格栅型号
EG50 EG65 EG90
肋条长 AL /mm
235 249 252
最大 孔宽 AT /mm 16.43 16.44 17.10
表 1 试验用土的基本性质参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of test soil
最大干密度 /(g/cm3)
最优含水率 /%
黏聚力 /kPa
内摩擦角 /(°)
1.796
12.78
29.55
34.27
2.3 土工格栅性能指标 试验中所用格栅为项目合作单位青岛颐中格栅
本次采用大尺寸拉拔模型试验研究土工格栅与 填料之间的相互作用，通过大量试验数据，针对格 栅的变形与时间、纵向埋设位置之间的关系，建立 了格栅应变的三维空间曲面，拟合出格栅应变函数
ε (x,t) ，从而推得随时间变化的拉拔力函数 T (t) ，
可以为相关理论分析和设计提供依据。
2 土工格栅筋材拉拔试验
2.52 3.06 4.00
质控抗拉 强度
/(kN/m) 61.14 77.96 97.87
峰值 应变 /% 11.37 12.06 9.180
2 %应变 时抗拉力 /(kN/m)
19.20 22.62 32.75
5 %应变 时抗拉力 /(kN/m)
35.25 41.79 63.91
962
岩土力学
拉拔的前期增长明显，后期趋于一个稳定值；利用 S 型曲线模拟了土工格栅的应变与拉拔时间的相关关系。通过不同埋设位
置的检测点所得到的格栅即时应变数据，拟合出格栅的三维应变曲面ε(x, t)；对格栅表面上的摩擦力进行全段积分，得到格
栅拉拔力的时程函数 T(t)。该试验结果对土工格栅加筋结构设计具有一定的参考价值。
Abstract: The interaction property between geogrids and soil is fundamental and important factor on stability of geogrids-reinforced earth structure. A series ofຫໍສະໝຸດ Baiduexperiments to investigate the friction on the surface of pulled geogrids are conducted in the laboratory under various levels of externally-applied load. By analyzing experimental data, some conclusions were drawn that the friction on the surface of geogrids gradually transfers backwards along it, which rapidly increases in early time of the pull-out test and approaches to some stable value ultimately. The relationship between the strain of the geogrids and pulling time is simulated by the sigmoid curve. Based on the experimental data of the strain of the geogrids at different embedments, a three dimensional strain surface that represents a function of coordinate and time is obtained. The time function for pull-out force of geogrids is deduced through integration of friction along total length of geogrids. The experimental data is of referring value for design of geogrids-reinforced earth structure. Key words: geogrids; pull-out test; frictional resistance characteristic; pull-out force
2
Atσ
' n
tanδ
+
2
Alσ
' n
tanδ
+
Abσ
' n
Nq
（1）
式中： F1 、 F2 、 F3 分别为横肋、纵肋提供的极限
摩擦阻力和横肋提供的端承侧面阻力；At 为横肋表
面积； Al 为纵肋表面积；δ 为土与格栅界面的摩擦
角；
Ab
、
σ
' n
、
Nq
分别为横肋的端承面积、格栅
表面的有效正应力及承载能力因子。该公式只能得
第 30 卷第 4 期 2009 年 4 月
文章编号：1000－7598 (2009) 04－0960－05
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.30 No. 4 Apr. 2009
土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究
陈 榕 1, 2，栾茂田 1, 2，赵 维 1, 2，徐晓艳 1, 2，郝冬雪 1, 2
图 1 拉拔试验装置图 Fig.1 Pull-out test of geogrids instrument
2.2 填土的基本性质 试验用的填土为大连市夏家河子地区正在建设
的某部队工程地基土。该场地土质优良，粒径均匀， 杂质少。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 1。
2009 年
2.4 试验方法 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 15 cm。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 125 cm，其中 100 cm 埋于土中，25 cm 为安装长度和槽外预留长度。为了消除侧壁摩阻的 边界效应，格栅试样采用 6 根纵肋，宽度为 13.3 cm。 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[7]，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。
第4期
陈 榕等：土工格栅拉拔试验及筋材摩擦受力特性研究
961
强度，但这一关系无法描述出筋材与土处于剪切破 坏之前的状态，也不能表达出土与格栅的咬合作用。
Wilson-Fahmy[4]通过大型拉拔试验研究后指出 拉拔阻力由三部分组成，并给出极限抗拉拔阻力 F 计算公式为
F = F1 + F2 + F3 =
1引言
土工格栅与土的界面摩擦特性直接影响着加筋 结构的安全与稳定性，其界面摩擦特性在加筋结构 的设计中至关重要。格栅与土相互作用的机制极其 复杂，它与筋材的类型、变形特性、形状、几何尺 寸和土的性质及上覆压力等多种因素密切相关。
土工格栅与土之间所形成的摩擦力可归纳为 3 种[1-3]：(1) 土颗粒与格栅表面的摩擦作用；(2) 土 颗粒对格栅横肋的被动阻抗作用；(3) 土工格栅孔 内土体与孔外土体之间的摩擦作用。 3 种作用同时 存在，使得土工格栅对土的加固效果明显，但 3 种作
出极限拉拔力大小，并没有体现在拉拔过程中格栅
的拉力变化情况。
杨广庆等[5]针对拉拔作用下土体产生的膨胀效
应，与摩尔-库仑理论结合，提出了新的拉拔阻力计
算公式：
pt = 2BLσ n tanϕ + 4B0LΔσ n tanϕ
（2）
式中： B 为土工格栅拉筋宽度； L 为计算的拉筋长 度；ϕ 为筋/土界面的摩擦角；σ n 为法向应力；B0 为 土体膨胀对格栅产生附加应力的宽度。法向应力越 大，土体膨胀越明显，增加的剪应力越大。式（2） 反映出拉拔力的变化规律，但对土体内部膨胀区的 宽度判断仍待解决。
表 2 试验用土工格栅的主要性能指标 Table 2 Main indexes of the test geogrids
肋条最 小宽度 FWL /mm
5.80 5.90 5.79
挡条宽度 BWT /mm
17.95 18.44 18.68
肋条厚度 tF /mm
0.93 1.07 1.40
挡条厚度 tB /mm
用的准确求解仍是目前难以解决的技术问题。 工程中土与筋材的摩擦特性通常由室内摩擦试
验、室内拉拔试验及现场足尺试验来测定。室内摩 擦试验主要用于验算土与筋材的界面强度，不能得 到土与筋材的镶嵌咬合作用。现场足尺试验接近于 实际效果，但试验费用太高，试验实施困难，周期 长。相比之下，室内格栅拉拔试验经费少，可以得 到近似于实际工程情况的试验结果，能较好模拟筋 材在土内的工作条件，室内拉拔试验已成为研究土 与格栅界面特性的最有效的试验手段。
关 键 词：土工格栅；拉拔试验；摩擦特性；拉拔力
中图分类号：TU 432
文献标识码：A
Research on pull-out test and frictional resistance characteristic of geogrids
CHEN Rong1, 2，LUAN Mao-tian1, 2，ZHAO Wei1, 2，XU Xiao-yan1, 2，HAO Dong-xue1, 2
2.1 试验装置 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 100 cm、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顶、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。
在基于极限强度理论的加筋土结构分析中，经 常采用τ = c +σ tanϕ 关系描述筋材与土界面的抗剪
收稿日期：2007-07-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 50678032)。 第一作者简介：陈榕，男，1979 年生，博士研究生，主要从事加筋结构中土工格栅蠕变特性，及其加筋机理方面研究工作。Email: rongchen@yahoo.cn 通讯作者：栾茂田，男，1962 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土力学基本理论、海洋土力学理论与实验技术、非线性土动力学理论与 计算等方面的教学与科研工作。E-mail: mtluan@dlut.edu.cn