拉拔试验讨论：如何提高测试准确性？

5.6.3.1　拉拔阻力的组成

国外对拉拔试验研究较多，其目的是为了探究加筋机理，并依此求出加筋土中筋材的阻力（N.Moraci D，2006）。众所周知，格栅的几何形状比较复杂（图2.7），它由纵肋（Longitudinal Rib）和横肋（挡条）（Transvers Rib or Transvers bearing member）组成，此外，格栅的厚度和形状也是重要的几何特征之一[图5.36（a）]。一般认为拉拔试验中的阻力由两部分组成，即土与筋材之间的表面摩擦（其中包括纵肋表面摩擦和横肋表面摩擦）和由筋材横肋部分的抗力所引起的承载阻力（bearing resistance），即咬合力（故也可以认为由三部分组成），如图5.36（b）（Jewell et al，1985）。以式（5.11）表示：

式中：PRS为拉拔力的表面摩擦分量PRS；PRB则为承载阻力分量。

图5.36　土工格栅的加筋机理

（a）土工格栅各部分的定义；（b）土工格栅与土之间阻力的机理

对于一个长度为LR，宽度为WR的格栅，表面摩擦分量为

式中：为法向有效应力；δ为与格栅的外摩擦角；τ为作用于土与格栅界面上的剪应力；αs为格栅的固体部分面积（即除掉格栅空格部分的面积）。

对于承载阻力部分（bearing resistame）可用式（5.13）表示：

式中：s为格栅之间的间距；为承载格栅数目；αB为格栅承载构件总的前端面积；B为承载构件厚度；为格栅承载构件上的有效承载应力。

5.6.3.2　拉拔试验的影响因素

影响拉拔试验的因素众多，如边界条件、格栅的几何特征、土的性质、荷载大小和应力分布状况以及筋材的锚固长度等。现分述如下。

（1）格栅的几何特征问题。前已提到，格栅的抗拔阻力系由纵肋的表面摩擦力和横肋的摩阻力（咬合力和横肋表面摩擦力）组成，其中横肋阻力将在拉拔过程中逐渐发挥主要的作用，但这并不意味着横肋的间距越小越好。研究表明，横肋布置过密，将会引起横肋之间互相的“干扰（Interference）影响”，反而不利于加筋作用的发挥。试验表明（Milligan等，1990），在相同的垂直应力下，格栅横肋的平均承荷力要比单根横肋的承荷力低22%。因此，它的影响是必须考虑的。这种效应已为Palmiera（2007）的数值分析所研究，并为光弹试验的照片所证实（Dyer，1985），如图5.37。图5.37（a）表示横肋间距较大，各横肋的影响区互不干扰，而图5.37（b）表示间距不够大，相互干扰较大，应力分布很不均匀（Palmiera，2007）。

图5.37　土工格栅横肋之间的干扰（Dyer，1985）

（a）横肋之间间距较大；（b）横肋之间间距过小

对土工格栅在拉拔过程中横向肋条的应力情况作过测定。在不同的法向压力下，试验成果列于图5.38（a）、图5.38（b）。在图5.38中，横坐标为格栅横肋的编号，1号表示最靠近拉力点的杆件，依此类推，纵坐标为拉拔力。

图5.38　横肋阻力在不同位置的横肋中分布（Palmeira，2004）

（a）法向应力50kPa下；（b）法向应力75kPa下

可以看出，靠近试验盒侧壁的横向杆件承受最大的力。反之亦然。而且当法向应力增加时，第二根承荷杆承受了最大的承荷力。而第一根以及离侧壁较远的承荷杆则荷载较小。这些试验的最后阶段，格栅将面临拉伸破坏。

Dyer还采用光弹法观察加筋格栅承荷杆件周围的应力分布情况。从中看到，在每一横肋的前方，光线的强度很强[图5.39（b）]，说明局部应力较高。而在这些杆件后面，则存在着黑色的区域，这就是低应力区，在这区域内，土体变松，后续的横肋若进入该区，则抗力将降低，从而使拉拔阻力减小。可见，横肋间距太小时，第一横肋承受的荷载比后面的横肋大得多，横肋之间的荷载分担很不均匀，即在拉拔试验中由于干扰影响，格栅沿拉伸方向的应力分布不均匀。只有当横肋间距足够大时，这种干扰影响才会消失，这时，沿格栅纵向的应力分布比较均匀。

图5.39　各杆件示意和格栅拉拔时光弹照片

（a）格栅各杆件示意；（b）格栅拉拔时的光弹照片

这种影响的定量表达可用“干扰度”DI的概念，其含义即是实际拉拔强度与最大可能拉拔强度（无干扰时）的比值相对于1.0的差值：

(www.xing528.com)

研究表明，只有当S/B值大于40时（这里S为横肋间距，B为横肋的厚度或直径），这时DI达到零[图5.40（a）]，干扰的影响才可忽略。此时，每一横肋都可起独立的作用。

图5.40　横肋间距与横肋厚度的影响

（a）干扰度与横肋间距/横肋厚度关系；（b）独立横肋的拉技试验结果（Palmeira等，1989）

横肋的厚度是另一个几何特征，它与土的粒径有关，图5.40（b）表示了归一化的承载阻力（Bearing Stress）与（横肋厚度/土的平均粒径d50）的关系。可看到，σb/（σv·tanφ）随B/d50的增大而减小，直至B/d50为12时，才不随横肋厚度变化，若B/d50＜10，则尺寸效应就很显著。

其次，从图5.41可发现，横肋的断面形状也影响拉拔阻力，方形的横肋断面比圆形的阻力要大些。

图5.41　横肋不同形状的拉拔试验

有关格栅几何形状的影响，Wilson-Fahmy R F，Koerner R M和Sansone L J（1994）做过系统的工作。他们采用了3种形状不同的塑料格栅A，B，C，分别将它们埋入压密砂样中进行拉拔试验，得到拉拔力—位移关系曲线。

他们认为，格栅的抗拔力是由纵肋摩擦力、横肋摩擦力和横肋咬合力（承载阻力）组成的。在拉拔的全过程中，这三部分的发挥情况如图5.42所示。可以发现，纵肋的摩擦力分量在格栅被拉动时为最大值（静摩擦），随位移的增加，该分量迅速减小。相反，横肋的咬合承载分量则不断上升，而横肋摩擦力基本上处于一定值（Wilson-Fahmy等，1994）。研究表明，当土工格栅埋在均匀压实砂中时，峰值拉拔阻力中表面摩擦分量小于承载阻力（bearing force）的值。表面摩擦分量仅占峰值拉拔阻力的不到20%，在残余值的情况下，拉拔阻力的表面摩擦分量也比承载阻力要小。由此可见，传统的把格栅作用当作一个与平面摩擦层相当的看法与实际的机理相差甚远。

图5.42　格栅A、B、C拉拔力中各分量的变化（格栅长度0.31m）

（a）格栅A；（b）格栅B；（c）格栅C

从上面分析可以看到，格栅的几何形状对拉拔力的发挥有重大影响，纵肋的长短，横肋的尺寸和间距，以及格栅的厚度对它的加筋作用都极有讲究，此外，格栅的刚度也影响其加筋的性能。顺便指出，目前常见的单向格栅的形状，看来是考虑了这些因素的。

（2）试验仪器边界条件的影响。试验剪切合的前壁的刚度和试样的尺寸对试验成果有一定的影响。图5.43示出了若干种典型的前壁边界。这些措施都是为了减少刚性前壁的影响而设置的。

图5.43　拉拔试验的边界条件

（a）表示前壁被膜或油脂润滑；（b）表示前壁采用一套筒（sleeve）的情况；（c）表示筋材的有效长度离前壁较远的情况；（d）表示采用柔性（压力袋）前壁的情况

Sugimoto（2001）等人采用刚性和柔性的前壁剪切合对砂中的塑料格栅进行了大型拉拔试验。其成果如图5.44所示。从拉伸应变沿格栅长度的分布可以看到，只有距前壁大于300mm以后，前壁的刚性影响才会消失。

试样顶部的边界刚度也对拉拔试验的结果有所影响，尤其当试样高度较小时。研究表明，只有当试样高度大于0.6m时，顶壁刚度的影响才可忽略，如图5.44。因此，试验仪器的尺寸应适当大些。

图5.44　柔性前壁拉拔试验盒得到的成果（Sugimoto等，2001）

（3）土类的影响。加筋土中的土类对加筋效果的影响是显而易见的。土的粒径越大，筋材与土的摩阻力也必然越大。黏性土颗粒较小，为了增加加筋效果，常常在筋材表面的两侧设置薄砂层，形成土—砂—筋材—砂—土的“三明治”结构。这种三明治结构会大大增加加筋土的强度。图5.45为一组应力应变曲线，其中：①线为未加筋土；②线为未设砂层的加筋土；③线为有薄砂层的加筋土。可以看出，③线的强度增加很显著。研究表明，砂层的存在使砂粒进入到土中，增大了土的摩擦力。但砂层也不是越厚越好。实验表明，当砂层厚度达到8～10mm时，效果最佳，如图5.46。为了使砂层的作用充分发挥，加筋材料以格栅较好，土工布次些。

图5.45　“三明治”加筋的效果

图5.46　不同砂层厚度的应力应变关系

（4）试验历时和荷载类型的影响。根据Wilson-Fahmy，Koerner和Harpur（1995）的研究，对5种土工格栅进行的短期和长期拉拔试验结果表明，当格栅的锚固长度大于0.9m时，只要结构的完整性仍然保持，长期（1000小时）加荷情况与短期加荷的拉拔强度大体相等。

关于荷载类型的影响曾为Unnikrishnan N等人所研究（2002）。他认为，对于循环荷载，当其变化幅值小于某个临界值时，加筋土试样将不会破坏。该临界值的大小与所用的筋材类型有关，也与土类有关。对于格栅的“三明治”加筋土，其临界应力约为100kPa。