拉拔試驗研究的現狀與發展

拉拔試驗研究的現狀與發展

摘 要：加筋土界面的摩擦特性是加筋土技術的熱點和難點，是徹底弄清加筋機理和建立加筋土體系的關鍵。許多學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題上的一些研究成果，著重了試驗的影響因素、存在的問題及今后方向。

關鍵詞：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難題，取得了良好的和效益，因而該技術得以蓬勃發展。

加筋土結構中，筋土間的摩擦特性對結構的性狀有著十分重要的影響。工程應用中，筋土間的摩擦特性通常由室內摩擦(剪切)試驗、拉拔試驗或現場足尺試驗來測定。前者主要用于驗算筋土界面的抗剪切強度，后者則用來確定土中筋材受拉時的抗拔強度。目前，用于加筋土技術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。從目前應用來看，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來實施拉拔試驗。拉拔試驗的原理是摩擦作用，通過施加正應力，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際有效受拉長度（產生摩擦作用的長度）與拉拔力大小是有關的，試驗測得的筋材剛被拉動瞬間的拉拔力視為界面摩擦強度，不同性質的填土及不同規格和材質的加筋材料，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，主要有以下幾個方面：土與盒(箱)壁間的摩擦作用、填料的壓實度、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。極限平衡法原理簡單但不能分析破壞過程中筋土產生的應力、應變和位移，無法給出拉拔破壞前筋材產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，能模擬試驗過程，并對測試數據加以處理，其分析結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關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，國內有許多學者做過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的填料土做拉拔試驗，得到了一系列具有價值的結論。西南大學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行了分析與探討。昆明理工大學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種不同種類的國產土工合成材料為加筋材料，以砂和石灰粉煤灰為填料進行拉拔試驗，比較了各種土工合成材料與填料的界面摩擦特性。中南大學的徐林榮、呂大偉等人做了筋土界面參數的拉拔試驗過程劃分研究；提出了當量拉拔位移的概念，并將筋土界面的拉拔試驗過程劃分成可獲取不同位移狀態下筋土界面參數的兩大部分和三個階段，據此，可合理獲取適用于極限平衡和工作力狀態下的筋土界面參數。上海大學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象，根據拉拔試驗的結果，提出了剪應力與位移關系的三階段彈塑性模型，并通過有限差分法進行求解，得到了拉拔試驗中的非線性位移、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，要著重提到的是長沙理工大學為實施西部膨脹土課題研究開發了大型數控拉拔試驗系統。新開發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與起吊輔助設備4部分組成。 設備有5大主要特點：①具有較大的尺寸；②加載方式；③實現了多點測量及數據采集的自動化；④夾具的設計有創新；⑤試驗輔助設備齊全。經試驗操作表明，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，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重要。因此，開發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和發展趨勢。人們已經注意到筋材的加筋作用不僅發生在接觸面和界面上，而且還發生在界面以外的土體內，使筋材周圍一定范圍內的土體形成了“加筋土體”。也就是說加筋的主要作用在于增強了土的整體性，使土由散體變為有一定連續性的介質，正是它構成了土中加筋的機理所在。然而，如何通過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越受到關注。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實際，并且發現其測試結果(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方面的問題：1，試驗儀器的問題。到目前為止，還沒有形成一個標準的拉拔試驗儀器，目前拉拔試驗大都是在經改裝的直剪儀上進行，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驗室內進行，填料也是事先設計好的，這里就存在一個問題，如何選擇填料，使試驗中的筋土界面能夠模擬實際工程中的筋土界面特性。否則，我們做出來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，雖然很多人做過筋土的拉拔試驗，但都是針對一個具體方面的研究，沒有對拉拔試驗各個影響因素或者說試驗元素進行全面系統的試驗研究。因此，導致在實際工程中，往往缺乏相關的試驗數據作為設計依據！4，與試驗研究相對工程實際明顯的滯后。到目前為止，對于加筋機理還不十分清楚，主要是缺乏實驗驗證。這就導致在實際工程中，缺乏理論的指導，有時候往往是憑經驗或者并不可靠的數據來進行設計和施工，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。目前的試驗規程過于簡單化。新的試驗規程應該包括：儀器設備、筋體材料、填料性質、試驗及試驗結果的記錄與分析等。其次，我們應該進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際，將理論研究與工程實際緊密聯系起來，有條件的時候，可以進行現場的原位試驗，從而得到更符合實際的可靠的數據來有效的指導我們的施工。

五、結語

隨著加筋土技術的不斷及廣泛，研究筋土界面特性的拉拔試驗必然得到重視及發展，相信隨著機科學的發展，拉拔試驗儀器將會被研發出來，試驗方法也將會得到改進。隨著試驗手段的進步，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做出更大的貢獻。



參考

[1] 楊和平，萬亮，譚波．土工格柵拉拔試驗研究的現狀與發展．長沙學院學報，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驗研究．重慶建筑大學學報．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．昆明理工大學學報（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．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程劃分研究．巖土力學．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．建筑技術開發．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特性．上海交通大學學報．2004年6月．第38卷第6期．

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