拉拔試驗(yàn)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展

摘 要：加筋土界面的摩擦特性是加筋土技術(shù)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，是徹底弄清加筋機(jī)理和建立加筋土體系的關(guān)鍵。許多學(xué)者做了大量的試驗(yàn)和理論研究工作，取得了一些成果，但由于筋土界面摩擦特性的因素多，情況復(fù)雜，加之由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及的限制，有許多還未能徹底搞清楚。本文介紹了目前國內(nèi)外在此問題上的一些研究成果，著重了試驗(yàn)的影響因素、存在的問題及今后方向。

關(guān)鍵詞：加筋土 界面摩擦特性 拉拔試驗(yàn) 土工格柵
一、概述

現(xiàn)代加筋土技術(shù)是由法國工程師HemiVida1于20世紀(jì)60年代首先提出的，并于20世紀(jì)80年代初引入我國，現(xiàn)已在水利、鐵路、公路、港口和建筑工程中得到大量，解決了許多土木工程中的技術(shù)難題，取得了良好的和效益，因而該技術(shù)得以蓬勃發(fā)展。

加筋土結(jié)構(gòu)中，筋土間的摩擦特性對結(jié)構(gòu)的性狀有著十分重要的影響。工程應(yīng)用中，筋土間的摩擦特性通常由室內(nèi)摩擦(剪切)試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)或現(xiàn)場足尺試驗(yàn)來測定。前者主要用于驗(yàn)算筋土界面的抗剪切強(qiáng)度，后者則用來確定土中筋材受拉時的抗拔強(qiáng)度。目前，用于加筋土技術(shù)的筋體材料大致可分為兩類，一類是剛度較大的剛性筋材，如各種鋼筋質(zhì)的條帶；另一類是剛度較小的柔性筋材，如各種土工織物及土工格柵。從目前應(yīng)用來看，以柔性筋材居多。一般認(rèn)為，對剛度較小的土工合成材料，用直剪摩擦試驗(yàn)確定其強(qiáng)度參數(shù)較符合實(shí)際；對剛度較大的材料，則采用拉拔試驗(yàn)更適宜。

二、拉拔試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

有關(guān)拉拔試驗(yàn)的作用機(jī)理、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法及取值標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外仍處于探索階段，目前還沒有推出一種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備，大多是結(jié)合直剪摩擦試驗(yàn)，將同一儀器略加改進(jìn)來實(shí)施拉拔試驗(yàn)。拉拔試驗(yàn)的原理是摩擦作用，通過施加正應(yīng)力，使筋材與土體之間緊密結(jié)合，從而利用彼此界面上的靜摩擦力抵抗外力（拉拔力）。研究表明，筋材在填料土體中的實(shí)際有效受拉長度（產(chǎn)生摩擦作用的長度）與拉拔力大小是有關(guān)的，試驗(yàn)測得的筋材剛被拉動瞬間的拉拔力視為界面摩擦強(qiáng)度，不同性質(zhì)的填土及不同規(guī)格和材質(zhì)的加筋材料，其界面摩擦強(qiáng)度是不一樣的。影響拉拔試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，主要有以下幾個方面：土與盒(箱)壁間的摩擦作用、填料的壓實(shí)度、填料的含水量、拉拔速度、筋材水平埋入長度等。目前，用于拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法主要有極限平衡法和有限元法。極限平衡法原理簡單但不能分析破壞過程中筋土產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，無法給出拉拔破壞前筋材產(chǎn)生的位移和應(yīng)變的充分信息。而有限元法比較適合分析筋材在土中的位移、應(yīng)變和變形破壞，能模擬試驗(yàn)過程，并對測試數(shù)據(jù)加以處理，其分析結(jié)果的可靠性也依賴于不同的因素，如有限元種類、用于建立不同加筋土模型的本構(gòu)關(guān)系和本構(gòu)模型的參數(shù)等。

三、拉拔試驗(yàn)?zāi)壳叭〉玫闹饕�成果及發(fā)展方向

1．拉拔試驗(yàn)?zāi)壳叭〉玫闹饕�成�?BR>
目前，國內(nèi)有許多學(xué)者做過筋土界面的摩擦特性研究，采用不同加筋材料結(jié)合不同性質(zhì)的填料土做拉拔試驗(yàn)，得到了一系列具有價值的結(jié)論。西南大學(xué)的何友芳等人做了土工格柵與銅礦尾礦界面作用特性的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了筋土之間的剪切強(qiáng)度系數(shù)（C、Φ）、似摩擦系數(shù)f*等結(jié)果，并對它們的影響因素進(jìn)行了分析與探討。昆明理工大學(xué)的黃英等人做了不同排水條件加筋紅土三軸試驗(yàn)研究，他們以玻璃纖維和土工布作為加筋材料，對比研究了紅土在三種不同排水條件下加筋前后的抗剪強(qiáng)度特性。天津市政工程研究院的吳景海用5種不同種類的國產(chǎn)土工合成材料為加筋材料，以砂和石灰粉煤灰為填料進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，比較了各種土工合成材料與填料的界面摩擦特性。中南大學(xué)的徐林榮、呂大偉等人做了筋土界面參數(shù)的拉拔試驗(yàn)過程劃分研究；提出了當(dāng)量拉拔位移的概念，并將筋土界面的拉拔試驗(yàn)過程劃分成可獲取不同位移狀態(tài)下筋土界面參數(shù)的兩大部分和三個階段，據(jù)此，可合理獲取適用于極限平衡和工作力狀態(tài)下的筋土界面參數(shù)。上海大學(xué)的張鵬等人針對土工織物筋土接觸面的軟化和塑性流動現(xiàn)象，根據(jù)拉拔試驗(yàn)的結(jié)果，提出了剪應(yīng)力與位移關(guān)系的三階段彈塑性模型，并通過有限差分法進(jìn)行求解，得到了拉拔試驗(yàn)中的非線性位移、應(yīng)變、拉力和剪應(yīng)力等參量。此外，上海交大的肖朝昀、王建華等人還做了土工織物拉拔試驗(yàn)接觸面的蠕變研究，探討了接觸面蠕變對筋材應(yīng)力及位移的影響。最后，要著重提到的是長沙理工大學(xué)為實(shí)施西部膨脹土課題研究開發(fā)了大型數(shù)控拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)。新開發(fā)的拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)由拉拔測試主機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力伺服控制系統(tǒng)及壓實(shí)與起吊輔助設(shè)備4部分組成。 設(shè)備有5大主要特點(diǎn)：①具有較大的尺寸；②加載方式；③實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)測量及數(shù)據(jù)采集的自動化；④夾具的設(shè)計(jì)有創(chuàng)新；⑤試驗(yàn)輔助設(shè)備齊全。經(jīng)試驗(yàn)操作表明，該儀器性能穩(wěn)定，使用效果良好，所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

2．目前拉拔試驗(yàn)的發(fā)展方向

拉拔試驗(yàn)的目的是研究土與土工合成材料的界面性質(zhì)，必須準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)中所施加的壓力、拉力和土工合成材料的水平位移，因此，試驗(yàn)的測試系統(tǒng)至關(guān)重要。因此，開發(fā)大型的數(shù)控拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)迫在眉睫，它也是拉拔試驗(yàn)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。人們已經(jīng)注意到筋材的加筋作用不僅發(fā)生在接觸面和界面上，而且還發(fā)生在界面以外的土體內(nèi)，使筋材周圍一定范圍內(nèi)的土體形成了“加筋土體”。也就是說加筋的主要作用在于增強(qiáng)了土的整體性，使土由散體變?yōu)橛幸欢ㄟB續(xù)性的介質(zhì)，正是它構(gòu)成了土中加筋的機(jī)理所在。然而，如何通過拉拔試驗(yàn)對此加以驗(yàn)證，是當(dāng)前土工合成材料界面特性研究急待解決的難題。此外，對柔性邊界條件的模擬也越來越受到關(guān)注。初期研制的絕大多數(shù)拉拔儀，格柵是在試驗(yàn)箱剛性前壁端零位移條件下被拔出，然而在現(xiàn)實(shí)的加筋土結(jié)構(gòu)中，不少采用格柵反包形成設(shè)計(jì)坡面，并非剛性支護(hù)，考慮到實(shí)際工程中這種柔性邊界條件，日本的Nagaoka University of Echnology的Sugimoto M和Alagiyawanna A N N在箱體前壁加上一氣囊作為柔性支撐，可以更好的模擬現(xiàn)場實(shí)際，并且發(fā)現(xiàn)其測試結(jié)果(格柵端部的應(yīng)力應(yīng)變)也與剛性支撐有一定的差異。


四、拉拔試驗(yàn)存在的及建議

目前，拉拔試驗(yàn)在筋土界面摩擦特性方面主要存在以下幾個方面的問題：1，試驗(yàn)儀器的問題。到目前為止，還沒有形成一個標(biāo)準(zhǔn)的拉拔試驗(yàn)儀器，目前拉拔試驗(yàn)大都是在經(jīng)改裝的直剪儀上進(jìn)行，由于儀器的尺寸受到限制，加之量測的誤差，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。2，筋土界面摩擦特性的因素太多，十分復(fù)雜。目前，很多拉拔試驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，填料也是事先設(shè)計(jì)好的，這里就存在一個問題，如何選擇填料，使試驗(yàn)中的筋土界面能夠模擬實(shí)際工程中的筋土界面特性。否則，我們做出來的試驗(yàn)結(jié)果適用性不大。3，缺乏系統(tǒng)和全面的拉拔試驗(yàn)。目前，雖然很多人做過筋土的拉拔試驗(yàn)，但都是針對一個具體方面的研究，沒有對拉拔試驗(yàn)各個影響因素或者說試驗(yàn)元素進(jìn)行全面系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。因此，導(dǎo)致在實(shí)際工程中，往往缺乏相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)！4，與試驗(yàn)研究相對工程實(shí)際明顯的滯后。到目前為止，對于加筋機(jī)理還不十分清楚，主要是缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這就導(dǎo)致在實(shí)際工程中，缺乏理論的指導(dǎo)，有時候往往是憑經(jīng)驗(yàn)或者并不可靠的數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，這也給我們的工程帶來安全隱患。

針對以上問題，我們因該從以下幾個方面進(jìn)行努力：首先，我們應(yīng)該盡快研制出標(biāo)準(zhǔn)化及化的拉拔試驗(yàn)儀器，畢竟試驗(yàn)儀器決定了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，并且制定相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程。目前的試驗(yàn)規(guī)程過于簡單化。新的試驗(yàn)規(guī)程應(yīng)該包括：儀器設(shè)備、筋體材料、填料性質(zhì)、試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果的記錄與分析等。其次，我們應(yīng)該進(jìn)行多種工況下的拉拔試驗(yàn)研究，研究不同加筋材料在各種不同性質(zhì)填料中的界面特性。弄清楚各種因素的影響范圍、程度及機(jī)理，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理、規(guī)范化，制成手冊，以供設(shè)計(jì)和施工人員之用。最后，我們還是應(yīng)該多多結(jié)合工程實(shí)際，將理論研究與工程實(shí)際緊密聯(lián)系起來，有條件的時候，可以進(jìn)行現(xiàn)場的原位試驗(yàn)，從而得到更符合實(shí)際的可靠的數(shù)據(jù)來有效的指導(dǎo)我們的施工。

五、結(jié)語

隨著加筋土技術(shù)的不斷及廣泛，研究筋土界面特性的拉拔試驗(yàn)必然得到重視及發(fā)展，相信隨著機(jī)科學(xué)的發(fā)展，拉拔試驗(yàn)儀器將會被研發(fā)出來，試驗(yàn)方法也將會得到改進(jìn)。隨著試驗(yàn)手段的進(jìn)步，我們必將最終弄清加筋土的加筋機(jī)理，從而建立系統(tǒng)完善的加筋土設(shè)計(jì)理論與方法，更好的指導(dǎo)我們的加筋土工程的施工，為我們的土木工程事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。



參考

[1] 楊和平，萬亮，譚波．土工格柵拉拔試驗(yàn)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展．長沙學(xué)院學(xué)報(bào)，2006年3月．第22卷第1期．

[2] 何友芳，尹光志，張東明．土工格柵與銅礦尾礦界面作用特性的實(shí)驗(yàn)研究．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)．2006年4月．第28卷第2期．

[3] 黃英，符必昌，金克盛，等．不同排水條件加筋紅土三軸試驗(yàn)研究．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）．2006年2月．第31卷第1期．

[4] 吳景海．土工合成材料界面作用特性的拉拔試驗(yàn)研究．巖土力學(xué)．2006年4月．第27卷第4期．

[5] 徐林榮，呂大偉，顧紹付．筋土界面參數(shù)的拉拔試驗(yàn)過程劃分研究．巖土力學(xué)．2004年5月．第25卷第5期．

[6] 肖朝昀，王建華，紀(jì)剛．土工織物拉拔試驗(yàn)接觸面的蠕變研究．建筑技術(shù)開發(fā)．2004年5月．第31卷第5期．

[7] 張鵬，王建華，陳錦劍．土工織物拉拔試驗(yàn)中筋土界面力學(xué)特性．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)．2004年6月．第38卷第6期．

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