拉拔試驗研究的現狀與發(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，情況復雜，加之由于實(shí)驗設備及的限制，有許多還未能徹底搞清楚。本文介紹了目前國內外在此問(wèn)題上的一些研究成果，著(zhù)重了試驗的影響因素、存在的問(wèn)題及今后方向。

關(guān)鍵詞：加筋土 界面摩擦特性 拉拔試驗 土工格柵
一、概述

現代加筋土技術(shù)是由法國工程師HemiVida1于20世紀60年代首先提出的，并于20世紀80年代初引入我國，現已在水利、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。

加筋土結構中，筋土間的摩擦特性對結構的性狀有著(zhù)十分重要的影響。工程應用中，筋土間的摩擦特性通常由室內摩擦(剪切)試驗、拉拔試驗或現場(chǎng)足尺試驗來(lái)測定。前者主要用于驗算筋土界面的抗剪切強度，后者則用來(lái)確定土中筋材受拉時(shí)的抗拔強度。目前，用于加筋土技術(shù)的筋體材料大致可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是剛度較大的剛性筋材，如各種鋼筋質(zhì)的條帶；另一類(lèi)是剛度較小的柔性筋材，如各種土工織物及土工格柵。從目前應用來(lái)看，以柔性筋材居多。一般認為，對剛度較小的土工合成材料，用直剪摩擦試驗確定其強度參數較符合實(shí)際；對剛度較大的材料，則采用拉拔試驗更適宜。

二、拉拔試驗研究現狀

有關(guān)拉拔試驗的作用機理、試驗設備、試驗方法及取值標準，國內外仍處于探索階段，目前還沒(méi)有推出一種標準的試驗設備，大多是結合直剪摩擦試驗，將同一儀器略加改進(jìn)來(lái)實(shí)施拉拔試驗。拉拔試驗的原理是摩擦作用，通過(guò)施加正應力，使筋材與土體之間緊密結合，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(cháng)度（產(chǎn)生摩擦作用的長(cháng)度）與拉拔力大小是有關(guān)的，試驗測得的筋材剛被拉動(dòng)瞬間的拉拔力視為界面摩擦強度，不同性質(zhì)的填土及不同規格和材質(zhì)的加筋材料，其界面摩擦強度是不一樣的。影響拉拔試驗結果的因素很多，主要有以下幾個(gè)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(cháng)度等。目前，用于拉拔實(shí)驗結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(jiǎn)單但不能分析破壞過(guò)程中筋土產(chǎn)生的應力、應變和位移，無(wú)法給出拉拔破壞前筋材產(chǎn)生的位移和應變的充分信息。而有限元法比較適合分析筋材在土中的位移、應變和變形破壞，能模擬試驗過(guò)程，并對測試數據加以處理，其分析結果的可靠性也依賴(lài)于不同的因素，如有限元種類(lèi)、用于建立不同加筋土模型的本構關(guān)系和本構模型的參數等。

三、拉拔試驗目前取得的主要成果及發(fā)展方向

1．拉拔試驗目前取得的主要成果

目前，國內有許多學(xué)者做過(guò)筋土界面的摩擦特性研究，采用不同加筋材料結合不同性質(zhì)的填料土做拉拔試驗，得到了一系列具有價(jià)值的結論。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)驗研究，獲得了筋土之間的剪切強度系數（C、Φ）、似摩擦系數f*等結果，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度特性。天津市政工程研究院的吳景海用5種不同種類(lèi)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，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的拉拔試驗過(guò)程劃分研究；提出了當量拉拔位移的概念，并將筋土界面的拉拔試驗過(guò)程劃分成可獲取不同位移狀態(tài)下筋土界面參數的兩大部分和三個(gè)階段，據此，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。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(dòng)現象，根據拉拔試驗的結果，提出了剪應力與位移關(guān)系的三階段彈塑性模型，并通過(guò)有限差分法進(jìn)行求解，得到了拉拔試驗中的非線(xiàn)性位移、應變、拉力和剪應力等參量。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接觸面的蠕變研究，探討了接觸面蠕變對筋材應力及位移的影響。最后，要著(zhù)重提到的是長(cháng)沙理工大學(xué)為實(shí)施西部膨脹土課題研究開(kāi)發(fā)了大型數控拉拔試驗系統。新開(kāi)發(fā)的拉拔試驗系統由拉拔測試主機、數據采集系統、壓力伺服控制系統及壓實(shí)與起吊輔助設備4部分組成。 設備有5大主要特點(diǎn)：①具有較大的尺寸；②加載方式；③實(shí)現了多點(diǎn)測量及數據采集的自動(dòng)化；④夾具的設計有創(chuàng )新；⑤試驗輔助設備齊全。經(jīng)試驗操作表明，該儀器性能穩定，使用效果良好，所得數據準確可信。

2．目前拉拔試驗的發(fā)展方向

拉拔試驗的目的是研究土與土工合成材料的界面性質(zhì)，必須準確記錄試驗中所施加的壓力、拉力和土工合成材料的水平位移，因此，試驗的測試系統至關(guān)重要。因此，開(kāi)發(fā)大型的數控拉拔試驗系統迫在眉睫，它也是拉拔試驗研究的熱點(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，使筋材周?chē)�一定范圍內的土體形成了“加筋土體”。也就是說(shuō)加筋的主要作用在于增強了土的整體性，使土由散體變?yōu)橛幸欢ㄟB續性的介質(zhì)，正是它構成了土中加筋的機理所在。然而，如何通過(guò)拉拔試驗對此加以驗證，是當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(lái)越受到關(guān)注。初期研制的絕大多數拉拔儀，格柵是在試驗箱剛性前壁端零位移條件下被拔出，然而在現實(shí)的加筋土結構中，不少采用格柵反包形成設計坡面，并非剛性支護，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，可以更好的模擬現場(chǎng)實(shí)際，并且發(fā)現其測試結果(格柵端部的應力應變)也與剛性支撐有一定的差異。


四、拉拔試驗存在的及建議

目前，拉拔試驗在筋土界面摩擦特性方面主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1，試驗儀器的問(wèn)題。到目前為止，還沒(méi)有形成一個(gè)標準的拉拔試驗儀器，目前拉拔試驗大都是在經(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，導致試驗結果不準確。2，筋土界面摩擦特性的因素太多，十分復雜。目前，很多拉拔試驗都是在實(shí)驗室內進(jìn)行，填料也是事先設計好的，這里就存在一個(gè)問(wèn)題，如何選擇填料，使試驗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(lái)的試驗結果適用性不大。3，缺乏系統和全面的拉拔試驗。目前，雖然很多人做過(guò)筋土的拉拔試驗，但都是針對一個(gè)具體方面的研究，沒(méi)有對拉拔試驗各個(gè)影響因素或者說(shuō)試驗元素進(jìn)行全面系統的試驗研究。因此，導致在實(shí)際工程中，往往缺乏相關(guān)的試驗數據作為設計依據！4，與試驗研究相對工程實(shí)際明顯的滯后。到目前為止，對于加筋機理還不十分清楚，主要是缺乏實(shí)驗驗證。這就導致在實(shí)際工程中，缺乏理論的指導，有時(shí)候往往是憑經(jīng)驗或者并不可靠的數據來(lái)進(jìn)行設計和施工，這也給我們的工程帶來(lái)安全隱患。

針對以上問(wèn)題，我們因該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行努力：首先，我們應該盡快研制出標準化及化的拉拔試驗儀器，畢竟試驗儀器決定了試驗結果的可靠性，并且制定相應的試驗規程。目前的試驗規程過(guò)于簡(jiǎn)單化。新的試驗規程應該包括：儀器設備、筋體材料、填料性質(zhì)、試驗及試驗結果的記錄與分析等。其次，我們應該進(jìn)行多種工況下的拉拔試驗研究，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、程度及機理，將試驗結果進(jìn)行整理、規范化，制成手冊，以供設計和施工人員之用。最后，我們還是應該多多結合工程實(shí)際，將理論研究與工程實(shí)際緊密聯(lián)系起來(lái)，有條件的時(shí)候，可以進(jìn)行現場(chǎng)的原位試驗，從而得到更符合實(shí)際的可靠的數據來(lái)有效的指導我們的施工。

五、結語(yǔ)

隨著(zhù)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必然得到重視及發(fā)展，相信隨著(zhù)機科學(xué)的發(fā)展，拉拔試驗儀器將會(huì )被研發(fā)出來(lái)，試驗方法也將會(huì )得到改進(jìn)。隨著(zhù)試驗手段的進(jìn)步，我們必將最終弄清加筋土的加筋機理，從而建立系統完善的加筋土設計理論與方法，更好的指導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。



參考

[1] 楊和平，萬(wàn)亮，譚波．土工格柵拉拔試驗研究的現狀與發(fā)展．長(cháng)沙學(xué)院學(xué)報，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)驗研究．重慶建筑大學(xué)學(xué)報．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研究．昆明理工大學(xué)學(xué)報（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．筋土界面參數的拉拔試驗過(guò)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，紀剛．土工織物拉拔試驗接觸面的蠕變研究．建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)．2004年5月．第31卷第5期．

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

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