本文結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巖土工程研究所自行研制的大型土與結構接觸面循環加載剪切試驗機(TH 20t CSASSl) 上進行, 如圖1所示, 該設備實現了加載和測量的自動化, 加載按位移控制。

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

所示。

[5]

圖1 TH 20t CS ASSI 設備圖Fig. 1 Equipment photo of TH 20t CS

ASSI

圖2 試驗設備示意圖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的EG65R 、EG90R 、EG130R 單向土工格柵, 橫肋間距為25cm, 其主要的技術指標如表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場的砂質粉土, 土的性質如表2所示。其中白河堡粘土和粉土按照最優含水量制備, 然后按照相關規范, 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。為模擬現場工況, 拉拔試驗均采用不固結快速拉拔試驗。

表1 單向土工格柵的技術指標

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

3

表2 粘土和粉土的技術指標Table 2 Technical index of clay and silt

最優含水量w o p

白河堡粘土天津耳閘粘土

粉土

3

由質控拉伸試驗質控抗拉

m) 強度 測得的抗拉力 (kN

kN m 2%應變5%應變1368864 5

3823 716 1

75 545 230 9

峰值20! 蠕變

應變 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場, 技術指標見表3。粉細砂的干密度 含水量關系曲線沒有呈現明顯的峰狀, 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場, 其級配不均勻、不連續, 含有較多的大顆粒。剔除大于40mm 的顆粒以后的技術指標見表3。其最大干密度為2 107g cm , 最小干密度為1 654g cm 。按照有關規范, 試樣相對密度取為D r =0 7, 相應試樣干密度 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指標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。

直剪試驗采取應變控制的方式, 剪切速率取0 5mm/min, 土工格柵用環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 單向格柵在砂質粉土和粉細砂中進行了拉拔試驗。繪制出每個法向應力作用下, 格柵的滑動位移與雙面剪應力之間的變化曲線, 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 時均開始出現拐點, 隨后曲線光滑地變化, 接近于雙直線。根據曲線出現明顯轉折處, 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。繪制出每個法向應力作用下, 格柵的滑動位移與雙面剪應力之間的變化曲線, 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。可見曲線經常表現為臺階狀。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 電 學 報2006年

圖5 E G65R 在砂質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

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表4 拉拔試驗強度指標

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

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如表4所示, 其中砂礫料強度指標中, 括號內為設計強度指標, 括號外為極限拉拔強度指標。

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, 其結點及橫肋處的砂礫料被推動, 大顆粒被卡住而產生更大的咬合抗力。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。從試驗結果分析, 在L =4mm 處的拉拔力大體上相當于其初始移動時的拉拔強度, 可以把它作為設計強度指標。

試驗結果表明, 土與格柵之間的作用主要是橫肋及節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構形式, 其極限抗剪強度包線就會出現較大的假粘聚力, 或在低壓力下內摩擦角高達50∀以上, 與國外一些試驗結果(1982年, Ingold 做的土工格柵與砂石的拉拔試驗摩擦角為40~71∀) 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 時均開始出現拐點, 曲線接近于雙曲線。根據曲線出現明顯轉折處, 確定其極限摩擦強度, 即抗剪強度。根據求出抗剪強度繪制出 p 與各級法向應力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為:c =6 3kPa, ! =21 2∀, 接近土本身的強度指標。這比拉拔測得的拉拔強度指標(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 拉拔強度指標和直剪強度指標的選用

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

在加筋結構中, 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, 則破壞形式表現為筋材拉斷或從土中拔出的破壞, 故設計錨固長度時, 應取拉拔強度指標。如果滑裂面形狀如圖10(b) 所示的復,

72水 力 發 電 學 報2006年出的破壞, 計算時仍取拉拔強度指標; 底部則表現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

選用直剪強度指標較為合理。

圖10 滑裂面示意圖

Fig. 10 Sketch of slip face

5 結論

(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, 應注意排水。

(3) 砂礫料中格柵的拉拔強度曲線會出現臺階現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整造成的。取格柵后部水平位移L =4m m 的強度作為設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品的強度標準值。

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

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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環質量法：一般適用于原狀樣中的細粒土，未受擾動的砂土，以

及形狀規則的土體。

⑫蠟封法：適用于具有不規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

場的測試。

2.3 儀器設備

⑪環質量法：環質量，天平，切土質量，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 (環質量法)

⑪ 稱量所使用環質量的質量和體積。

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

⑬ 將土樣削成略大于環質量直徑的土柱，然后將環質量向下壓，邊

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

⑭ 擦干環質量外壁，稱量環質量和土的總質量。

⑮ 計算 ρ0 = m /v ρd = ρ0/(1+0.01w)

⑯ 本試驗需進行兩次平行測定，其平行差值應不大于0.03g/cm3，

否則應重新測定，取兩次的平均值作為該土樣的密度值。 實驗數據的計算過程

環質量號：315 環質量質量：42.92g 環質量＋土重：160.98g

環質量體積 60cm3 密度：（160.98g －42.92g ）／60cm ＝1.97g ／cm3 環質量號：280 環質量質量：42.91g 環質量＋土重：164.19g

環質量體積60cm3密度：（164.19g －42.91g ）／60cm ＝2.02g ／cm3 平均密度：（1.97+2.02）／2=1.995g/cm3

指標應用：

（1）密度是土的基本物理指標之一，可用來計算土的干密度，孔隙比指標等。

(2) 用來計算土的自重應力。

(3) 用來計算地基穩定性和地基承載力。

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量與同體積4℃時純水質量的比值。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，冷卻后稱比重瓶的質量（空瓶）。

② 稱取烘干土樣裝入比重瓶內，稱試樣和瓶的總質量。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，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，直至水溫穩定為止。當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，和試樣的總質量，并測定瓶內的水溫。

⑤ 查表找出該水溫下裝滿水的瓶的質量。

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 ：注滿水時瓶的質量（克）

m bws ：試驗結束時比重瓶，土和水的總質量（克）

實驗數據及計算過程

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 指標應用：

比重用于計算其它指標。

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的上限含水率。當土中含水率繼續減小，土就變成有脆性，區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的下限含水率。飽和粘性土逐步干燥，土體積逐漸減縮，當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 ）之間的關系： I p (塑性指數)=W l -W p

I l (液性指數)=(W-W p )/I p

③工程上常根據塑性指數（I p ）對細粒土進行分類，根據液性指

數（I l ）確定土的狀態。

4.2 試驗方法和適用范圍：

① 液塑限試驗方法：光電（數顯）液塑限聯合測定法，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 儀器設備：

① 液限：光電（數顯）液塑限聯合測定儀，碟市儀 ，裝土杯，

調土質量，電子天平 ，鋁盒，烘箱等

② 塑限：毛玻璃板，游標卡尺

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

純水調制成膏狀，靜置過夜，以確保試樣含水均勻。

②充分調勻試樣，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調節零點，使圓錐儀錐尖逐漸接觸試樣表面，指示燈亮時表

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克放入盒內測定含水率。

⑤ 將全部試樣再加水或吹干并調均勻，重復②- ④步驟，液塑

限聯合測定至少要測定3個不同的深度及對應的含水率，經驗表明，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，當出現

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 當土條直徑搓成3 mm 時產生裂縫，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。