浅析土工格栅的直剪试验

浅析土工格栅的直剪试验

发表时间：2009-07-03T14:49:37.577Z 来源：《赤子》2009年第8期供稿作者：王雅君

[导读] 试验结果的基础上对影响筋土界面的几个因素（包括压实度、含水量、土工格栅孔径）采用直剪试验进行了系统分析

（浙江省工程勘察院，浙江宁波 315012）

摘要：在试验结果的基础上对影响筋土界面的几个因素（包括压实度、含水量、土工格栅孔径）采用直剪试验进行了系统分析，得到了一些有益的结论，可供加筋土工程设计参考。

关键词：土工格栅；直剪试验；含水量

一般外用于测定土工合成材料与土之间的界面特性的方法有直剪摩擦试验和拉拔试验。随着土工合成材料技术的发展，各种高强度的土工合成材料，如单向土工格栅、经编土工格栅得到了广泛的应用，填料种类也有所改变。本文为了掌握土工格栅这类网孔筋材与填料的界面特性，密切结合工程实际，选取工程中常用的TGDG130型单向聚乙烯土工格栅，CATT双向聚丙烯土工格栅作为加筋材料，以依托工程现场土作为填料，采用直剪摩擦试验研究影响土工格栅与填料的界面特性因素，对所得到试验结果进行评价，并探讨了不同格栅与填料在剪切速度对界面剪应力峰值强度的影响，为工程设计或数值分析提供较为精确的参数。

1 试验方法和内容

本次试验采用JY50-4G型大型直剪压缩两用仪，获取筋土的界面参数，其规格上盒长50cm×宽50cm×高20cm，下盒50cm×宽50cm×高

20cm。直剪试验严格按照规范要求进行备料，配制试件，试验操作，采用人工分层击实，考虑到填料中粒径较大，上下盒开缝选择2cm，采用应变控制，即按照等速率（1.8mm/min）施加荷载作用于直剪盒的下盒，上盒不动，水平位移采用电子位移计量测。而土工格栅布设方法，是在下盒土体击实平整以后，布设与直剪盒宽度等宽的土工格栅并采用夹具固定一端。

本次试验选取两种土工格栅，一种为TGDG130型单向聚丙烯土工格栅；另一种为双向土工格栅，为了分析孔径大小对界面特性的影响，选用不同孔径的CATT双向塑料土工格栅，孔径分别为5×5cm、10×10cm、15×15cm和20×20cm，四种不同孔径格栅的纵肋和横肋的宽度和厚度均相同，单根条带极限抗拉强度为7.80kN，峰值应变为9.2%。

2 试验结果与分析

2.1压实度对界面特性的影响

从试验结果得到压实度大小对填土和筋土界面抗剪强度有较大的影响，主要表现在粘聚力、内摩擦角的变化，压实度从90%提高到93%，未加筋土体内摩擦角、粘聚力值分别提高了1.68和1.6，加筋土体内摩擦角、粘聚力值分别提高了-1.21和4.92，筋土界面的内摩擦角提高幅度较填土体大。由于压实度越大土颗粒与土工格栅表面接触紧密，增大颗粒与土工格栅之间的接触面，同时也提高了土工格栅网孔之间土体的密实度，因此，内摩擦角随着压实度增加而提高，而粘聚力变化规律难以判定。

2.2土工格栅孔径对界面特性的影响

试验结果得到不同孔径土工格栅的界面参数大小，由试验结果可以看出：土工格栅孔径对界面特性确实有影响。孔径与粘聚力的关系不明显与摩擦角的关系存在一定规律，有一个最佳孔径就试验的4种格栅孔径，孔径为15cm时，筋土界面的摩擦角最大。所试验的填料d50为7.5mm，从试验中可以看出土工格栅孔径与筋土界面摩擦角的关系，当土工格栅孔径比值大于0.075以后，筋土界面摩擦角降低很快，当比值在0.04和0.075之间时，可以获得较大的摩擦角。某一种级配填料可以找到一种合适孔径的土工格栅进行加筋，获得最佳效果。在实际工程应用时，应当注意土颗粒粒径与格栅孔径的匹配，在设计时，可采用d50土工格栅孔径之比作为设计控制指标之一，取值大小在0.05左右。

2.3含水量对界面特性的影响

加筋土工程不可避免会受到水的影响，大量的工程实践表明，加筋土工程病害与填土含水量变化密切相关。本次试验考虑了三个不同含水量的情况，其大小分别为7.32%、10%、12%，其中7.32%为土体的最佳含水量，土工格栅采用孔径为15cm。从剪切的过程来看，只有含水量为12%的土体在加载的过程，土体中有水从直剪盒的底部以及中间开封渗出，说明该土体含水量为12%的时候，土体接近饱和，因此对于研究土体在饱和状态的条件下的界面强度有很重要的参考价值。无论是填土还是布置土工格栅以后加筋土体，界面内摩擦角随着含水量的增加而降低，当含水量超过10%以后，降低幅度明显增大。填土在最佳含水量7.32%的时候内摩擦角高达35.8°，当土体含水量增加到12%时，内摩擦角降到27°。

2.4试验结果分析

填土压实度和含水量、土工格栅孔径均对筋土界面强度有影响。填土压实度越大，界面摩擦角越大；填土含水量越高，界面摩擦角越小；存在一个最佳的土颗粒粒径与格栅孔径的匹配，获得最大的界面摩擦角，就试验的情况，当土工格栅孔径比值在0.05左右时最佳。筋土界面摩擦角通常稍小于土体内摩擦角。除高含水量为12%情况外，一般情况下，摩擦系数比基本介于0.82到0.95之间，与国内外的有关试验结果基本一致。填土含水量对筋土界面摩擦角有重要影响。就试验的情况，填土接近饱和时，筋土内摩擦角降低18.5%，摩擦系数比为0.51。因此，应重视加筋土工程的排水，在潮湿多雨地区或高液限粘土作为填土材料时，应根据筋土界面摩擦试验，确定筋土界面强度参数，或采用低的界面摩擦系数。

3 不同格栅与填料下剪切速度对界面剪应力峰值的影响

土工合成材料取单向拉伸塑料土工格栅、经编聚乙烯土工格栅、裂膜丝编织土工布、无纺土工布四种；填料选择圆砾、粗砂和残积土。

一般认为，土工格栅与填料的界面摩阻力由以下几部分组成：土工格栅表面与填料的摩擦力；土工格栅对填料的阻力；填料与填料之间的摩擦力。由于土工格栅有较大的孔眼，当填料的粒径略小于孔眼时，可以产生较大的“咬合力”和“嵌固力”，增大其界面摩阻力。有纺土工布与填料的界面摩阻力仅由土工布表面与填料的摩擦力组成，其大小主要取决于土工布的粗糙程度和填料的颗粒组成。由试验结果可得，剪应力随着剪切位移的增大而增大。一般当剪切位移达到6~8mm，剪应力达到最大值。在相同的法向压力下，经编土工格栅的峰值剪应力比其他两种筋材的峰值剪应力大。这是由于填料在经编土工格栅孔眼中的嵌固、咬合作用使剪应力增大，而且经编格栅表面较粗糙，也会增大与填料的摩擦力。三种筋材与各种填料的摩擦系数比K均小于1，即表明筋材与填料间的界面是软弱滑动面。比较界面摩擦系数可看出：在相同的填料中，经编土工格栅的摩擦值最大（0.53~0.66），单向土工格栅次之（0.52~0.59），有纺土工布最小（0.48~0.51）。尤其在砂砾石中，土工格栅中的孔眼与颗粒的咬合、嵌固作用很明显，因此，其摩擦值比有纺土工布的大得多。比较摩擦系数比K可看出：在相同