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本文結(jié)合奧運工程水上公園等項目, 以單向塑料土工格柵為加筋材料, 分別以粘土、粉土、粉細砂、砂礫料為填料, 通過拉拔試驗和直剪試驗, 對土工格柵與填料之間的界面作用特性進行研究和分析。

1 試驗儀器、材料和試驗方法

1 1 試驗儀器

本試驗采用清華大學(xué)巖土工程研究所自行研制的大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切試驗機(TH 20t CSASSl) 上進行, 如圖1所示, 該設(shè)備實現(xiàn)了加載和測量的自動化, 加載按位移控制。

拉拔試驗車的內(nèi)部尺寸45c m 36cm 25cm(長 寬 高) , 直剪試驗車的內(nèi)部尺寸49cm 36 5cm 26 5cm, 如圖2

所示。

[5]

圖1 TH 20t CS ASSI 設(shè)備圖Fig. 1 Equipment photo of TH 20t CS

ASSI

圖2 試驗設(shè)備示意圖Fig. 2 Sketch of test apparatus

1 2 試驗材料

試驗采用的土工格柵為青島頤中股份有限公司生產(chǎn)的EG65R 、EG90R 、EG130R 單向土工格柵, 橫肋間距為25cm, 其主要的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

粘土分別采用白河堡粘土和天津耳閘粘土, 粉土采用奧林匹克水上公園現(xiàn)場的砂質(zhì)粉土, 土的性質(zhì)如表2所示。其中白河堡粘土和粉土按照最優(yōu)含水量制備, 然后按照相關(guān)規(guī)范, 取擊實度為90%, 分層擊實制備試樣。而天津耳閘粘土則按最優(yōu)含水量、90%擊實度制樣后, 在下部充水至飽和再進行試驗。為模擬現(xiàn)場工況, 拉拔試驗均采用不固結(jié)快速拉拔試驗。

表1 單向土工格柵的技術(shù)指標(biāo)

Table 1 Technical index of single direction plastic geogrid 筋材種類EG130R EG90R EG65R

3

表2 粘土和粉土的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of clay and silt

最優(yōu)含水量w o p

白河堡粘土天津耳閘粘土

粉土

3

由質(zhì)控拉伸試驗質(zhì)控抗拉

m) 強度 測得的抗拉力 (kN

kN m 2%應(yīng)變5%應(yīng)變1368864 5

3823 716 1

75 545 230 9

峰值20! 蠕變

應(yīng)變 極限強度 %k N m 11 511 511 5

493425 5

最大干密度 max 1 7g cm 31 69g cm 31 61g cm 3

液限

w l 塑限w p

塑性指數(shù)I p 14 912 35 0

17%17 5%19 0%

32%17 1%30 1%17 8%27 5%22 5%

在奧運水上公園工程中, 靜水賽道需挖出砂質(zhì)粉土及粉細砂300多萬m , 而填筑動水賽道需土60~70萬m , 如何使用挖方棄土作為加筋土坡填方是一個主要課題。粉細砂取自奧林匹克水上公園現(xiàn)場, 技術(shù)指標(biāo)見表3。粉細砂的干密度 含水量關(guān)系曲線沒有呈現(xiàn)明顯的峰狀, 在10%~16%含水量時, 擊實干密度對于含水量不

3敏感, 最大干密度為1 60g cm , 制樣時按含水量16%, 90%擊實度分層制樣。

砂礫料取自贛龍鐵路現(xiàn)場, 其級配不均勻、不連續(xù), 含有較多的大顆粒。剔除大于40mm 的顆粒以后的技術(shù)指標(biāo)見表3。其最大干密度為2 107g cm , 最小干密度為1 654g cm 。按照有關(guān)規(guī)范, 試樣相對密度取為D r =0 7, 相應(yīng)試樣干密度 d =1 947g cm 。分層擊實制備試樣。

第6期湯 飛等:單向塑料土工格柵與土界面作用特性的試驗研究

表3 粉細砂和砂礫料的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of fine sand and grail

顆粒組成 mm

特征粒徑 mm

d 60

0 15d 6011

d 500 13d 507 5

d 300 095d 300 95

d 10

0 065d 100 13

C u 2 3184 6

C c

69

粉細砂砂礫料

>0 210%>1041 6%

0 2~0 0583%10~127 9%

0 05~0 005<0 0056 5%0 5%1~0 07524 5%

<0 0756%

0 930 63

1 3 試驗方法

拉拔試驗采取應(yīng)變控制的方式, 拉拔速率取0 5mm/min。如果在夾具頭測水平位移, 可能包含有夾具與格柵的滑動位移, 縫口與夾具之間格柵的拉伸變形等, 所以試驗中在格柵的后部用位移傳感器測定水平位移。

直剪試驗采取應(yīng)變控制的方式, 剪切速率取0 5mm/min, 土工格柵用環(huán)氧樹脂粘在光滑鐵板上, 將鐵板固定在加荷板上。在直剪車的前端放置位移傳感器。

2 拉拔試驗

選用EG90R 單向格柵在白河堡粘土和天津耳閘粘土中, EG65R 單向格柵在砂質(zhì)粉土和粉細砂中進行了拉拔試驗。繪制出每個法向應(yīng)力作用下, 格柵的滑動位移與雙面剪應(yīng)力之間的變化曲線, 如圖3(a) 、圖4(a) 、圖5(a) 、圖6(a) 所示, 可以看出, 各組試樣在拉拔至1~3mm 時均開始出現(xiàn)拐點, 隨后曲線光滑地變化, 接近于雙直線。根據(jù)曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折處, 確定其極限拉拔力T d 。將極限拉拔力除以雙面的面積, 求出抗剪強度 p =T d (2LB ) , 繪制出 p 與各級法向應(yīng)力p 之間的曲線

[4]

, 如圖3(b) 、圖4(b) 、圖5(b) 、圖6(b)

所示。@

圖3 EG90R 在白河堡粘土中拉拔試驗曲線Fig. 3 Pull out test curve of EG90R in clay of

Baihepu

圖4 E G90R 在天津耳閘粘土中拉拔試驗曲線Fig. 4 Pull out test curve of E G90R in clay of Erzha in Tianji ng

選用EG130R 單向格柵和EG65R 單向格柵在砂礫料中進行了拉拔試驗。繪制出每個法向應(yīng)力作用下, 格柵的滑動位移與雙面剪應(yīng)力之間的變化曲線, 如圖7(a) 和8(a) 所示。對于EG130R 型格柵, 在150kPa 和200kPa 正壓力下, 格柵最后被拉斷; 對于EG65R 型格柵, 在75kPa 和100kPa 正壓力下, 格柵最后被拉斷。可見曲線經(jīng)常表現(xiàn)為臺階狀。在法向壓力較高時, 格柵最后被拉斷; 法向壓力較小時, 格柵在較大位移時拉拔力達到峰值。繪制

70水 力 發(fā) 電 學(xué) 報2006年

圖5 E G65R 在砂質(zhì)粉土中拉拔試驗曲線

Fig. 5 Pull out test curve of E G65R in sandy

silt

圖6 EG65R 在粉細砂中拉拔試驗曲線

Fig. 6 Pull out test curve of EG65R in fine sand

出抗剪強度 m 處的拉拔力作p 與各級法向應(yīng)力p 之間的曲線, 如圖7(b) 和8(b) 所示, 圖中, 實線部分為取L =4m

為設(shè)計拉拔力的強度包線,

虛線部分為極限拉拔力的強度包線。

圖7 EG130R 在砂礫料中拉拔試驗曲線

Fig. 7 Pull out test curve of EG130R in

grail

圖8 EG65R 在砂礫料中拉拔試驗曲線

Fig. 8 Pull out test curve of EG65R in grail

第6期湯 飛等:單向塑料土工格柵與土界面作用特性的試驗研究

表4 拉拔試驗強度指標(biāo)

Table 4 Strength index of direct shear test 填料白河堡粘土天津耳閘粘土砂質(zhì)粉土粉細砂砂礫料

格柵種類EG90R EG90R EG65R EG65R EG130R EG65R

c kPa 1 6106068 8(0) 45(0)

(∀) 6 348 313 315 6(29 4) 11 3(29 2)

71

試驗得出的不同種類填料和不同格柵之間的強度指標(biāo)如表4所示, 其中砂礫料強度指標(biāo)中, 括號內(nèi)為設(shè)計強度指標(biāo), 括號外為極限拉拔強度指標(biāo)。

粘土與格柵間接觸面抗剪強度很低, 以粘土為填料不能提供足夠的錨固力, 尤其是對于拉拔力較大的格柵及孔壓未能充分消散的情況。其中, 天津耳閘粘土是在飽和后進行的拉拔試驗, 不固結(jié)快拔試驗! 僅為4∀, 可見飽和土樣的接觸面抗剪強度更

低。砂質(zhì)粉土和粉細砂與格柵間接觸面抗剪強度稍 高于粘土。格柵在粘土、砂質(zhì)粉土、粉細砂中的拉拔曲線特征均為:在拉拔至1~3mm 時開始出現(xiàn)拐點, 隨后曲線光滑地變化, 接近于雙直線。

砂礫料與格柵間接觸面抗剪強度較高, 對于拉拔力較大的格柵, 砂礫料是合適的填料。由于該砂礫料級配不均勻, 隨著格柵被拉拔, 其結(jié)點及橫肋處的砂礫料被推動, 大顆粒被卡住而產(chǎn)生更大的咬合抗力。所以拉拔曲線呈臺階狀。而且在法向壓力較高的情況下, 格柵最后被拉斷。從試驗結(jié)果分析, 在L =4mm 處的拉拔力大體上相當(dāng)于其初始移動時的拉拔強度, 可以把它作為設(shè)計強度指標(biāo)。

試驗結(jié)果表明, 土與格柵之間的作用主要是橫肋及節(jié)點與土顆粒間的咬合, 在細顆粒土中這種咬合作用很弱, 而格柵的有效面積又較小, 因而接觸面的抗剪強度很低(低于土本身強度) ; 在砂礫料中這種咬合力成為主要阻力, 有時甚至形成類似錨拉的結(jié)構(gòu)形式, 其極限抗剪強度包線就會出現(xiàn)較大的假粘聚力, 或在低壓力下內(nèi)摩擦角高達50∀以上, 與國外一些試驗結(jié)果(1982年, Ingold 做的土工格柵與砂石的拉拔試驗?zāi)Σ两菫?0~71∀) 一致。

3 直剪試驗

選用EG65R 單向格柵在白河堡粘土中進行了直剪試驗。繪制出每個法向應(yīng)力作用下, 小車的水平位移與摩擦力之間的變化曲線, 如圖9(a) 所示, 可以看出各組試樣在位移至4~6mm 時均開始出現(xiàn)拐點, 曲線接近于雙曲線。根據(jù)曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折處, 確定其極限摩擦強度, 即抗剪強度。根據(jù)求出抗剪強度繪制出 p 與各級法向應(yīng)力p 之間的曲線, 如圖9(b)

所示。

圖9 EG65R 與粘土直剪試驗曲線

Fig. 9 Direct shear test curve between EG65R and clay

可見E G65R 單向格柵與白河堡粘土間的直剪摩擦強度指標(biāo)為:c =6 3kPa, ! =21 2∀, 接近土本身的強度指標(biāo)。這比拉拔測得的拉拔強度指標(biāo)(c =1 6kPa, ! =6 3∀) 高很多, 這是由于格柵肋之間的空隙并且格柵有一定的厚度, 使得鐵板與土間摩擦和土與土之間的摩阻力占了很大比例。

4 拉拔強度指標(biāo)和直剪強度指標(biāo)的選用

對于EG65R 單向格柵與白河堡粘土, 其拉拔摩擦強度指標(biāo)為c =1 6kPa, ! =6 3∀, 其直剪摩擦強度指標(biāo)為c =6 3kPa, ! 21 2∀, 兩者數(shù)值上有很大差別。

在加筋結(jié)構(gòu)中, 如果滑裂面形狀如圖10(a) 所示, 貫穿整個加筋材料, 此時若沿滑裂面破壞, 則破壞形式表現(xiàn)為筋材拉斷或從土中拔出的破壞, 故設(shè)計錨固長度時, 應(yīng)取拉拔強度指標(biāo)。如果滑裂面形狀如圖10(b) 所示的復(fù),

72水 力 發(fā) 電 學(xué) 報2006年出的破壞, 計算時仍取拉拔強度指標(biāo); 底部則表現(xiàn)為上部土體沿格柵接觸面的滑動破壞, 所以計算底部滑裂面時

選用直剪強度指標(biāo)較為合理。

圖10 滑裂面示意圖

Fig. 10 Sketch of slip face

5 結(jié)論

(1) 如果在夾具頭測水平位移, 可能包含有夾具與格柵的滑動位移, 縫口與夾具之間格柵的拉伸變形等, 位移偏大; 而由于格柵剛度較大, 所以在試樣后部測水平位移較為合理。

(2) 粘土與格柵接觸面抗剪強度很低, 不能提供足夠的錨固力, 尤其是對于拉拔力較大的格柵及孔壓未能充分消散的情況, 以粘土為填料是不合適的。而粉土和粉細砂接觸面抗剪強度較低, 不容易壓實且易液化, 也不是很合適的填料。如果選用它們作填料, 應(yīng)注意排水。

(3) 砂礫料中格柵的拉拔強度曲線會出現(xiàn)臺階現(xiàn)象及極限強度的非線性, 這是由于拉拔過程中孔眼間的大顆粒砂礫的咬合和位移調(diào)整造成的。取格柵后部水平位移L =4m m 的強度作為設(shè)計拉拔力是較為可靠的。

(4) 砂礫料與格柵間抗拔阻力以咬合為主, 所以接觸面抗剪強度較高, 在法向壓力較高的情況下, 格柵甚至被拉斷, 拉斷時的單位長度拉力稍小于格柵產(chǎn)品的強度標(biāo)準(zhǔn)值。

(5) 若整體沿滑裂面破壞時表現(xiàn)出格柵的拉拔破壞, 設(shè)計錨固長度時應(yīng)采用拉拔抗剪強度指標(biāo); 若沿復(fù)合滑裂面破壞時會出現(xiàn)沿格柵接觸面的滑動破壞, 此時宜用直剪抗剪強度指標(biāo)。

參考文獻:

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二 密度試驗

2.1基本原理：

土(體) 的密度是指土的單位體積的質(zhì)量，單位是g/cm3或kg/m3，土的密度可分為天然密度（濕密度）和干密度兩種。

2.2試驗方法及適用范圍

⑪環(huán)質(zhì)量法：一般適用于原狀樣中的細粒土，未受擾動的砂土，以

及形狀規(guī)則的土體。

⑫蠟封法：適用于具有不規(guī)則形狀的易碎裂的難以切割的土體。 ⑬灌砂法，灌水法：用于對粗粒土密度的測試，主要用于施工現(xiàn)

場的測試。

2.3 儀器設(shè)備

⑪環(huán)質(zhì)量法：環(huán)質(zhì)量，天平，切土質(zhì)量，鋼絲鋸，凡士林等

⑫蠟封法： 架盤天平（最大稱量500克，感量0.01克），蠟，燒

杯，細線，針，切土質(zhì)量等

⑬灌水法：臺稱（最大稱量20千克，感量1克，最大稱量50千

克，感量5克），水平尺，鐵鏟，塑料薄膜，盛水桶，裝土器具等

2.4試驗步驟 (環(huán)質(zhì)量法)

⑪ 稱量所使用環(huán)質(zhì)量的質(zhì)量和體積。

⑫ 取待測試的土樣，整平其兩端，在環(huán)質(zhì)量內(nèi)壁均勻地涂上一薄層凡士林，然后將環(huán)質(zhì)量質(zhì)量口向下放在土樣上。

⑬ 將土樣削成略大于環(huán)質(zhì)量直徑的土柱，然后將環(huán)質(zhì)量向下壓，邊

壓邊削，至土樣露出環(huán)質(zhì)量為止，將兩端余土削平修平，并取剩余代表土樣測定含水率。

⑭ 擦干環(huán)質(zhì)量外壁，稱量環(huán)質(zhì)量和土的總質(zhì)量。

⑮ 計算 ρ0 = m /v ρd = ρ0/(1+0.01w)

⑯ 本試驗需進行兩次平行測定，其平行差值應(yīng)不大于0.03g/cm3，

否則應(yīng)重新測定，取兩次的平均值作為該土樣的密度值。 實驗數(shù)據(jù)的計算過程

環(huán)質(zhì)量號：315 環(huán)質(zhì)量質(zhì)量：42.92g 環(huán)質(zhì)量＋土重：160.98g

環(huán)質(zhì)量體積 60cm3 密度：（160.98g －42.92g ）／60cm ＝1.97g ／cm3 環(huán)質(zhì)量號：280 環(huán)質(zhì)量質(zhì)量：42.91g 環(huán)質(zhì)量＋土重：164.19g

環(huán)質(zhì)量體積60cm3密度：（164.19g －42.91g ）／60cm ＝2.02g ／cm3 平均密度：（1.97+2.02）／2=1.995g/cm3

指標(biāo)應(yīng)用：

（1）密度是土的基本物理指標(biāo)之一，可用來計算土的干密度，孔隙比指標(biāo)等。

(2) 用來計算土的自重應(yīng)力。

(3) 用來計算地基穩(wěn)定性和地基承載力。

三 比重試驗（土顆粒）

3.1 基本原理

土顆粒的比重是指土顆粒在105-110℃下烘干至恒重時的質(zhì)量與同體積4℃時純水質(zhì)量的比值。它是一個比值，沒有單位。

3.2 試驗方法和適用范圍

⑪. 比重瓶法。 適用于顆粒粒徑小于5mm 的土顆粒 ⑫. 虹吸筒法。適用于顆粒粒徑大于5mm 的土顆粒 ⑬. 浮稱法。 適用于顆粒粒徑等于5mm 的土顆粒

3.3 儀器設(shè)備

⑪. 比重瓶法: 比重瓶（50，100） 天平（最大稱量200克，感

量0.001克） 恒溫水槽 電爐 溫度計（0-50℃，最小刻度0.5）

⑫. 虹吸筒法：虹吸筒（含虹吸管和虹吸筒） 天平（最大稱量1000

克，感量0.1克） 量筒（大于50ml ）

⑬. 浮稱法：鐵絲框 盛水容器 浮稱天平（最大稱量2000克，

感量0.5克）

3.4 試驗步驟

㈠比重瓶法

① 將比重瓶洗凈，和待測土顆粒一起放入烘箱中烘干，然后置于干

燥器內(nèi)，冷卻后稱比重瓶的質(zhì)量（空瓶）。

② 稱取烘干土樣裝入比重瓶內(nèi)，稱試樣和瓶的總質(zhì)量。100ml

比重瓶裝入約15克烘干土，50ml 比重瓶裝入約10克烘干土

③ 向比重瓶內(nèi)注入半瓶純水，搖動比重瓶，然后放在帶有細砂

的電爐上煮沸，粘性土，粉土沸騰時間不小于1小時，砂土沸騰時間不小于30分鐘。

④ 將煮沸冷卻的純水注入已煮好的比重瓶內(nèi)，要求將瓶塞插入

后要有多余的水分能從瓶塞的毛細管中溢出。然后將比重瓶放入恒溫水槽內(nèi)，直至水溫穩(wěn)定為止。當(dāng)比重瓶中上部懸液澄清時，取出比重瓶，擦干瓶的外壁，稱量比重瓶，水，和試樣的總質(zhì)量，并測定瓶內(nèi)的水溫。

⑤ 查表找出該水溫下裝滿水的瓶的質(zhì)量。

⑥ 計算：

G s =md /(mbw +md -m bws )*Git

G s: 土顆粒的比重m d:干土的質(zhì)量（克）

G it ：某溫度時純水或中性液體的比重（可查表）

m bw ：注滿水時瓶的質(zhì)量（克）

m bws ：試驗結(jié)束時比重瓶，土和水的總質(zhì)量（克）

實驗數(shù)據(jù)及計算過程

3.5 注意事項：

①試樣中所使用的純水要煮沸以除去水中所含氣體。 ②如果土中含有鹽分，要用中性液體代替純水。 ③比重瓶煮沸冷卻后家純水時要緩慢，插入瓶塞時也要緩

慢。@

④粗顆粒做比重時要先做飽和晾干，不能直接將烘干的土

顆粒放入虹吸筒中。 3.6 指標(biāo)應(yīng)用：

比重用于計算其它指標(biāo)。

四．界限含水率試驗

4.1 基本原理：

①試驗中的界限劃分。將土具有最小強度時的含水率作為液體和塑性

體之間的界限值，稱為液限（W l ），它是細粒土呈可塑狀態(tài)的上限含水率。當(dāng)土中含水率繼續(xù)減小，土就變成有脆性，區(qū)分塑性和脆性的界限含水率稱為塑限（W p ），它是細粒土呈可塑狀態(tài)的下限含水率。飽和粘性土逐步干燥，土體積逐漸減縮，當(dāng)土體不再收縮時的含水率稱為縮限（W S ）。

②含水率（W ）與液限（W l ），塑限（W p ）之間的關(guān)系： I p (塑性指數(shù))=W l -W p

I l (液性指數(shù))=(W-W p )/I p

③工程上常根據(jù)塑性指數(shù)（I p ）對細粒土進行分類，根據(jù)液性指

數(shù)（I l ）確定土的狀態(tài)。

4.2 試驗方法和適用范圍：

① 液塑限試驗方法：光電（數(shù)顯）液塑限聯(lián)合測定法，碟式液限儀

法，塑限搓條法。該方法主要針對的是細粒土。

② 縮限試驗方法：采用收縮皿法測定縮限。該方法適用于細粒土。

4.3 儀器設(shè)備：

① 液限：光電（數(shù)顯）液塑限聯(lián)合測定儀，碟市儀 ，裝土杯，

調(diào)土質(zhì)量，電子天平 ，鋁盒，烘箱等

② 塑限：毛玻璃板，游標(biāo)卡尺

③ 縮限：收縮皿，天平，蠟，燒杯，細線，針，卡尺等

4.4 試驗步驟：

㈠ 液限（光電聯(lián)合測定法）

①將待測的細粒土粉碎，過0.5 mm 細篩，取篩下土200克用

純水調(diào)制成膏狀，靜置過夜，以確保試樣含水均勻。

②充分調(diào)勻試樣，密實地將試樣填入試樣杯中（試樣中不得有

孔隙），并刮平試樣杯表面。

③放試樣杯于液限測定儀的平臺上，在圓錐儀的錐尖上抹一薄

層凡士林，接通電源，使磁鐵吸住圓錐儀。

④調(diào)節(jié)零點，使圓錐儀錐尖逐漸接觸試樣表面，指示燈亮?xí)r表

示錐尖儀接觸試樣表面，按下測試健，5秒后測讀圓錐下沉深度，取出試樣杯，挖去錐尖入土處的凡士林，取錐體附件試樣不少于10克放入盒內(nèi)測定含水率。

⑤ 將全部試樣再加水或吹干并調(diào)均勻，重復(fù)②- ④步驟，液塑

限聯(lián)合測定至少要測定3個不同的深度及對應(yīng)的含水率，經(jīng)驗表明，圓錐入土深度在4-5mm ，9-11mm ，16-18mm 時效果較好。

㈡ 塑限

① 取0.5 mm 篩下土100克，加純水拌勻，濕潤過夜。

② 將制備好的試樣房在手中，揉捏至不沾手，再捏扁，當(dāng)出現(xiàn)

裂縫時，表示其含水率接近塑限。

③ 將試樣捏成橢圓形，放在毛玻璃板上用手掌滾搓，要均勻用

力，土條不得有空心，土條長度不宜大于手掌寬帶。

④ 當(dāng)土條直徑搓成3 mm 時產(chǎn)生裂縫，并開始斷裂，表示試樣

的含水率已達到塑限含水率，取3-5克測定其含水率。