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摘要：在土工合成材料加筋土工程中，土工合成材料与填料的界面作用特性影响加筋土工程的内部稳定性，所以土工合成材料与填料的界面作用特性是关键的技术指标。
关键词：土工合成材料，加筋技术，室内试验，对比分析
不同种类的国产土工合成材料为加筋材料，即针刺无纺土工织物、涤纶纤维经编土工格栅、玻璃纤维土工格栅、单向塑料拉伸土工格栅、双向塑料拉伸土工格栅和土工网，进行三轴试验比较各种土工合成材料对砂的加筋效果；进行直剪试验和拉拔试验比较各种土工合成材料与填料(砂和石灰粉煤灰)的界面作用特性，得到一些有益的结论，可指导土工合成材料的优选和研究土工合成材料的加筋机理。
一、概述
国内外关于土工合成材料与土接触的界面强度参数的试验方法主要有直接摩擦试验和拉拔试验两类。在表述界面强度参数的方式上，一般采用摩尔－库伦强度准则的方法，即采用Ｃ，φ两个强度参数，一般情况主要考虑的是参数φ。直接摩擦试验和拉拔试验方法不同，得出的结果也不同。在加筋路堤的计算分析中，采用界面强度参数主要是校核锚固稳定性，或确定土工合成材料的锚固长度，因此宜优先考虑采用拉拔试验确定的界面强度参数。室内拉拔试验存在很多干扰因素，这些因素包括加载方式、侧壁边界效应和尺寸效应、填料厚度等，而填料和筋材在拉拔过程中位移的变化、应力的分布都很难通过实际观察和测量得到。目前，拉拔试验的数值模拟分析是一种有效得到筋材、填料应力、应变的方法，也是对室内试验有力的补充，尤其是用ＰＦＣ来模拟土工合成材料加筋土拉拔试验。
二、土工合成材料的拉拔试验
1.试样土体。试样土取自研究土工格栅加筋陡坡路堤在山区公路中应用的某高边坡试验路段，试样土均为非粘性土，且具有一定的代表性。将试验土取回后进行常规的室内土工试验，得到了试样土的主要物理参数（见表1）和级配曲线（见图1）
图１ 拉拔示意图
表１ 试样土主要物理特性
2.土工合成材料。（1）有纺土工布。各种土工合成材料与土体界面强度特性不仅受土体级配、干密度和含水率等的影响，同时也取决于筋材本身。本试验所用土工布的原料是聚丙烯和丙乙纶扁丝，它多应用于水利、铁路和公路建筑等工程中。（2）土工格栅。采用两种形式的塑料土工格栅，包括单向格栅和双向格栅。
3.拉拔试验结果与分析。分别做土工布、单向格栅、双向格栅在试样土中的拉拔试验。显然，土工布与土体界面强度值小于格栅，这主要是因为土工布、格栅在拉拔过程中与土体相互作用的不同。土工格栅与土体的相互作用包括格栅与土样界面的摩擦作用、土样对格栅肋条的被动阻抗作用以及格栅孔与土样的镶嵌和咬合作用。而土工布与土体的相互作用主要是土工布与土样界面摩擦作用和较大土颗粒与横向纤维间嵌、卡、挂等作用。另外，从筋材达到拉拔剪应力峰值所需拉拔位移可见，单向格栅＞双向格栅＞土工布，这是因为单、双向格栅横肋间距的差距，单向格栅横肋差距越大，充分调动单向格栅达到筋土界面剪应力峰值所需的拉拔位移值就越大。
三、直剪试验
选用砂和石灰粉煤灰为填料，分别与土工织物、双向土工格栅、经编土工格栅和土工网四种土工合成材料进行直剪试验。直剪系数的计算公式如下：
式中Cds为直剪系数；φsg为土工合成材料与填料的界面摩擦角；φss为填料的摩擦角。(1)石灰粉煤灰的抗剪强度较高，摩擦角高达40.6°，相当于中、粗砂，此外石灰粉煤灰存在长期硬化现象，抗剪强度还会有所提高；(2)直剪系数的变化范围为0.77～1.00；(3)石灰粉煤灰与砂的直剪系数几乎相同(4)各种土工合成材料的直剪系数相差很小。土工合成材料的直剪系数一般低于1.00，即土工合成材料与填料的界面摩擦角低于填料的摩擦角，土工合成材料与填料之间的界面是软弱滑动面，所以土工合成材料加筋土工程需要演算沿土工合成材料平面的抗滑稳定性。
四、工程实例
1.试验方案。为对比研究不同土工合成材料加筋结构对路面结构响应所发挥的作用，本次进行了三种不同土工合成材料的铺筑试验。方案1：在土基顶面铺设钢丝纤维网；方案2：在土基顶面铺设土工格栅；方案3：在土基顶面铺设双层不透水土工布。在加载测试位置所对应的土基顶面(即土工合成材料底部)埋设压力盒，以观测土基顶面压力随荷载变化以及应力消散情况。试验路结构示意如图2所示。
图2 试验路结构示意图
为模拟现场情况，土基顶面的模量控制在不超过30MPa。在土工合成材料铺设完毕后，填土5cm，测试填土的回弹模量，并记录加载过程中压力的变化情况。在填土上铺筑18cm的级配碎石，分三层摊铺碾压。每铺设一层(6cm厚)均测试顶面回弹模量、塑性变形和压力值。
2.试验结果及分析。（1）不同土工合成材料对路基顶面塑性变形的影响。从抵抗基层顶面塑性变形的角度而言，在荷载水平较低时，土工格栅方案的性能和钢丝纤维网方案相近，在较高的荷载水平下，钢丝纤维网方案的性能要优于土工格栅，这两种方案均优于铺设双层不透水土工布。三种不同土工合成材料试验方案的一个共同点是：随着填土厚度的增加，测试顶面的塑性变形(不可恢复的变形)逐渐减小，厚度较小时变化幅度较大。1）钢丝纤维网在填土厚度较小时(5cm)，塑性变形随荷载水平呈曲线变化，而随填土厚度的增加(11cm～23cm)，基本以直线的形式变化。这是由于钢丝纤维网的纵向和横向强度均较大，变形较小而引起的。2）随着填土厚度的增加，土工格栅抵抗变形的能力逐渐接近钢丝纤维网，在适宜的填土厚度下，低水平荷载时，甚至要优于钢丝纤维网。但在较高的荷载水平下，较钢丝纤维网仍有一定的差距。3）总体而言，土工布在抵抗塑性变形方面作用较小。在抵抗塑性变形方面，钢丝纤维网在较高的荷载水平下能够发挥更大的优越性，在较低的荷载水平下，土工格栅和钢丝纤维网抵抗变形的能力相差不大。三种不同土工合成材料的试验方案在0.3MPa荷载作用下各填层顶面的塑性变形，在5cm填厚时，方案1顶面的塑性变形明显小于方案2和方案3，其值为方案2的61%，方案3的34%左右。随填厚的增加，方案1和方案2的顶面塑性变形的差别逐渐减小。填厚23cm时，方案1的塑性变形为方案2的82%，方案1的62%。这意味着，相对于土工格栅和土工布，钢丝纤维网能够有效地抑制基层顶面塑性变形，但这种抵抗塑性变形的效果随着路面结构厚度的增加而逐渐减弱。（2）不同土工合成材料对路基顶面应力消散的影响。从土基顶面的应力消散情况看，在上层压力较小的情况下，钢丝纤维网并不能充分发挥作用。但随着填层厚度的增加，钢丝纤维网的应力消散大于土工格栅，而土工格栅又大于双层不透水土工布。不论在土基顶面铺设何种土工合成材料，随着填土厚度的增加，土基顶面的压应力逐渐减小。但这种变化不是线性的，初期变化较大，后期变化则较不明显。在5cm填厚时，三种方案下土基顶面应力的差别不是特别明显，两种方案的最大差异只有3%。随着填厚的增加，这种差别逐渐增大，在填厚23cm时，钢丝纤维网的应力消散能力比土工布大10.7%，而比土工格栅大4.3%。这也充分说明了钢丝纤维网只有在上层能够提供足够大压力的情况下才能充分发挥作用。
总的来说，在抵抗塑性变形方面，钢丝纤维网在较高的荷载水平下能够发挥更大的优越性，在较低的荷载水平下，土工格栅和钢丝纤维网抵抗变形的能力相差不大。相对于土工格栅和土工布，钢丝纤维网能够有效地抑制基层顶面塑性变形；但这种抵抗塑性变形的效果随着路面结构厚度的增加而逐渐减弱。
参考文献
[1]石钧玉.土工合成材料在加筋土技术中的应用.2017.
[2]王连福.浅谈土工合成材料加筋技术研究及工程应用.2017.
论文作者:闫晓腾
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/17
标签：格栅论文; 土工论文; 材料论文; 拉拔论文; 塑性论文; 土工合成论文; 钢丝论文; 《基层建设》2018年第27期论文;