拉拔试验研究的现状与发展
出处：论文网
时间：2007-01-10
摘 要：加筋土界面的摩擦特性是现代加筋土技术研究的热点和难点，是彻底弄清加筋机理和建立加筋土理论体系的关键。许多学者做了大量的试验和理论研究工作，取得了一些成果，但由于影响筋土界面摩擦特性的因素多，情况复杂，加之目前由于实验设备及方法的限制，有许多问题还未能彻底搞清楚。本文介绍了目前国内外在此问题上的一些研究成果，着重分析了试验的影响因素、存在的问题及今后发展方向。
关键词：加筋土 界面摩擦特性 拉拔试验 土工格栅
一、概述
现代加筋土技术是由法国工程师HemiVida1于20世纪60年代首先提出的，并于20世纪80年代初引入我国，现已在水利、铁路、公路、港口和建筑工程中得到大量应用，解决了许多土木工程中的技术难题，取得了良好的社会和经济效益，因而该技术得以蓬勃发展。
加筋土结构中，筋土间的摩擦特性对结构的性状有着十分重要的影响。工程应用中，筋土间的摩擦特性通常由室内摩擦(剪切)试验、拉拔试验或现场足尺试验来测定。前者主要用于验算筋土界面的抗剪切强度，后者则用来确定土中筋材受拉时的抗拔强度。目前，用于加筋土技术的筋体材料大致可分为两类，一类是刚度较大的刚性筋材，如各种钢筋质的条带；另一类是刚度较小的柔性筋材，如各种土工织物及土工格栅。从目前应用来看，以柔性筋材居多。一般认为，对刚度较小的土工合成材料，用直剪摩擦试验确定其强度参数较符合实际；对刚度较大的材料，则采用拉拔试验更适宜。
二、拉拔试验研究现状
有关拉拔试验的作用机理、试验设备、试验方法及取值标准，国内外仍处于探索阶段，目前还没有推出一种标准的试验设备，大多是结合直剪摩擦试验，将同一仪器略加改进来实施拉拔试验。拉拔试验的原理是摩擦作用，通过施加正应力，使筋材与土体之间紧密结合，从而利用彼此界面上的静摩擦力抵抗外力（拉拔力）。研究表明，筋材在填料土体中的实际有效受拉长度（产生摩擦作用的长度）与拉拔力大小是有关的，试验测得的筋材刚被拉动瞬间的拉拔力视为界面摩擦强度，不同性质的填土及不同规格和材质的加筋材料，其界面摩擦强度是不一样的。影响拉拔试验结果的因素很多，主要有以下几个方面：土与盒(箱)壁间的摩擦作用、填料的压实度、填料的含水量、拉拔速度、筋材水平埋入长度等。目前，用于拉拔实验结果的分析方法主要有极限平衡法和有限元法。极限平衡法原理简单但不能分析破坏过程中筋土产生的应力、应变和位移，无法给出拉拔破坏前筋材产生的位移和应变的充分信息。而有限元法比较适合分析筋材在土中的位移、应变和变形破坏规律，能模拟试验过程，并对测试数据加以处理，其分析结果的可靠性也依赖于不同的因素，如有限元种类、用于建立不同加筋土模型的本构关系和本构模型的参数等。
三、拉拔试验目前取得的主要成果及发展方向
1．拉拔试验目前取得的主要成果
目前，国内有许多学者做过筋土界面的摩擦特性研究，采用不同加筋材料结合不同性质的填料土做拉拔试验，得到了一系列具有参考价值的结论。西南科技大学的何友芳等人做了土工格栅与铜矿尾矿界面作用特性的实验研究，获得了筋土之间的剪切强度系数（C、Φ）、似摩擦系数f*等结果，并对它们的影响因素进行了分析与探讨。昆明理工大学的黄英等人做了不同排水条件加筋红土三轴试验研究，他们以玻璃纤维和土工布作为加筋材料，对比研究了红土在三种不同排水条件下加筋前后的抗剪强度特性。天津市政工程研究院的吴景海用5种不同种类的国产土工合成材料为加筋材料，以砂和石灰粉煤灰为填料进行拉拔试验，比较了各种土工合成材料与填料的界面摩擦特性。中南大学的徐林荣、吕大伟等人做了筋土界面参数的拉拔试验过程划分研究；提出了当量拉拔位移的概念，并将筋土界面的拉拔试验过程划分成可获取不同位移状态下筋土界面参数的两大部分和三个阶段，据此，可合理获取适用于极限平衡和工作力状态下的筋土界面参数。上海交通大学的张鹏等人针对土工织物筋土接触面的软化和塑性流动现象，根据拉拔试验的结果，提出了剪应力与位移关系的三阶段弹塑性模型，并通过有限差分法进行求解，得到了拉拔试验中的非线性位移、应变、拉力和剪应力等参量。此外，上海交大的肖朝昀、王建华等人还做了土工织物拉拔试验接触面的蠕变研究，探讨了接触面蠕变对筋材应力及位移的影响。最后，要着重提到的是长沙理工大学为实施西部膨胀土课题研究开发了大型数控拉拔试验系统。新开发的拉拔试验系统由拉拔测试主机、数据采集系统、压力伺服控制系统及压实与起吊辅助设备4部分组成。 设备有5大主要特点：①具有较大的尺寸；②加载方式科学；③实现了多点测量及数据采集的自动化；④夹具的设计有创新；⑤试验辅助设备齐全。经试验操作表明，该仪器性能稳定，使用效果良好，所得数据准确可信。
2．目前拉拔试验的发展方向
拉拔试验的目的是研究土与土工合成材料的界面性质，必须准确记录试验中所施加的压力、拉力和土工合成材料的水平位移，因此，试验的测试系统至关重要。因此，开发大型的数控拉拔试验系统迫在眉睫，它也是拉拔试验研究的热点和发展趋势。人们已经注意到筋材的加筋作用不仅发生在接触面和界面上，而且还发生在界面以外的土体内，使筋材周围一定范围内的土体形成了“加筋土体”。也就是说加筋的主要作用在于增强了土的整体性，使土由散体变为有一定连续性的介质，正是它构成了土中加筋的机理所在。然而，如何通过拉拔试验对此加以验证，是当前土工合成材料界面特性研究急待解决的难题。此外，对柔性边界条件的模拟也越来越受到关注。初期研制的绝大多数拉拔仪，格栅是在试验箱刚性前壁端零位移条件下被拔出，然而在现实的加筋土结构中，不少采用格栅反包形成设计坡面，并非刚性支护，考虑到实际工程中这种柔性边界条件，日本的Nagaoka University of Echnology的Sugimoto M和Alagiyawanna A N N在箱体前壁加上一气囊作为柔性支撑，可以更好的模拟现场实际，并且发现其测试结果(格栅端部的应力应变)也与刚性支撑有一定的差异。
关键词：加筋土 界面摩擦特性 拉拔试验 土工格栅
一、概述
现代加筋土技术是由法国工程师HemiVida1于20世纪60年代首先提出的，并于20世纪80年代初引入我国，现已在水利、铁路、公路、港口和建筑工程中得到大量应用，解决了许多土木工程中的技术难题，取得了良好的社会和经济效益，因而该技术得以蓬勃发展。
加筋土结构中，筋土间的摩擦特性对结构的性状有着十分重要的影响。工程应用中，筋土间的摩擦特性通常由室内摩擦(剪切)试验、拉拔试验或现场足尺试验来测定。前者主要用于验算筋土界面的抗剪切强度，后者则用来确定土中筋材受拉时的抗拔强度。目前，用于加筋土技术的筋体材料大致可分为两类，一类是刚度较大的刚性筋材，如各种钢筋质的条带；另一类是刚度较小的柔性筋材，如各种土工织物及土工格栅。从目前应用来看，以柔性筋材居多。一般认为，对刚度较小的土工合成材料，用直剪摩擦试验确定其强度参数较符合实际；对刚度较大的材料，则采用拉拔试验更适宜。
二、拉拔试验研究现状
有关拉拔试验的作用机理、试验设备、试验方法及取值标准，国内外仍处于探索阶段，目前还没有推出一种标准的试验设备，大多是结合直剪摩擦试验，将同一仪器略加改进来实施拉拔试验。拉拔试验的原理是摩擦作用，通过施加正应力，使筋材与土体之间紧密结合，从而利用彼此界面上的静摩擦力抵抗外力（拉拔力）。研究表明，筋材在填料土体中的实际有效受拉长度（产生摩擦作用的长度）与拉拔力大小是有关的，试验测得的筋材刚被拉动瞬间的拉拔力视为界面摩擦强度，不同性质的填土及不同规格和材质的加筋材料，其界面摩擦强度是不一样的。影响拉拔试验结果的因素很多，主要有以下几个方面：土与盒(箱)壁间的摩擦作用、填料的压实度、填料的含水量、拉拔速度、筋材水平埋入长度等。目前，用于拉拔实验结果的分析方法主要有极限平衡法和有限元法。极限平衡法原理简单但不能分析破坏过程中筋土产生的应力、应变和位移，无法给出拉拔破坏前筋材产生的位移和应变的充分信息。而有限元法比较适合分析筋材在土中的位移、应变和变形破坏规律，能模拟试验过程，并对测试数据加以处理，其分析结果的可靠性也依赖于不同的因素，如有限元种类、用于建立不同加筋土模型的本构关系和本构模型的参数等。
三、拉拔试验目前取得的主要成果及发展方向
1．拉拔试验目前取得的主要成果
目前，国内有许多学者做过筋土界面的摩擦特性研究，采用不同加筋材料结合不同性质的填料土做拉拔试验，得到了一系列具有参考价值的结论。西南科技大学的何友芳等人做了土工格栅与铜矿尾矿界面作用特性的实验研究，获得了筋土之间的剪切强度系数（C、Φ）、似摩擦系数f*等结果，并对它们的影响因素进行了分析与探讨。昆明理工大学的黄英等人做了不同排水条件加筋红土三轴试验研究，他们以玻璃纤维和土工布作为加筋材料，对比研究了红土在三种不同排水条件下加筋前后的抗剪强度特性。天津市政工程研究院的吴景海用5种不同种类的国产土工合成材料为加筋材料，以砂和石灰粉煤灰为填料进行拉拔试验，比较了各种土工合成材料与填料的界面摩擦特性。中南大学的徐林荣、吕大伟等人做了筋土界面参数的拉拔试验过程划分研究；提出了当量拉拔位移的概念，并将筋土界面的拉拔试验过程划分成可获取不同位移状态下筋土界面参数的两大部分和三个阶段，据此，可合理获取适用于极限平衡和工作力状态下的筋土界面参数。上海交通大学的张鹏等人针对土工织物筋土接触面的软化和塑性流动现象，根据拉拔试验的结果，提出了剪应力与位移关系的三阶段弹塑性模型，并通过有限差分法进行求解，得到了拉拔试验中的非线性位移、应变、拉力和剪应力等参量。此外，上海交大的肖朝昀、王建华等人还做了土工织物拉拔试验接触面的蠕变研究，探讨了接触面蠕变对筋材应力及位移的影响。最后，要着重提到的是长沙理工大学为实施西部膨胀土课题研究开发了大型数控拉拔试验系统。新开发的拉拔试验系统由拉拔测试主机、数据采集系统、压力伺服控制系统及压实与起吊辅助设备4部分组成。 设备有5大主要特点：①具有较大的尺寸；②加载方式科学；③实现了多点测量及数据采集的自动化；④夹具的设计有创新；⑤试验辅助设备齐全。经试验操作表明，该仪器性能稳定，使用效果良好，所得数据准确可信。
2．目前拉拔试验的发展方向
拉拔试验的目的是研究土与土工合成材料的界面性质，必须准确记录试验中所施加的压力、拉力和土工合成材料的水平位移，因此，试验的测试系统至关重要。因此，开发大型的数控拉拔试验系统迫在眉睫，它也是拉拔试验研究的热点和发展趋势。人们已经注意到筋材的加筋作用不仅发生在接触面和界面上，而且还发生在界面以外的土体内，使筋材周围一定范围内的土体形成了“加筋土体”。也就是说加筋的主要作用在于增强了土的整体性，使土由散体变为有一定连续性的介质，正是它构成了土中加筋的机理所在。然而，如何通过拉拔试验对此加以验证，是当前土工合成材料界面特性研究急待解决的难题。此外，对柔性边界条件的模拟也越来越受到关注。初期研制的绝大多数拉拔仪，格栅是在试验箱刚性前壁端零位移条件下被拔出，然而在现实的加筋土结构中，不少采用格栅反包形成设计坡面，并非刚性支护，考虑到实际工程中这种柔性边界条件，日本的Nagaoka University of Echnology的Sugimoto M和Alagiyawanna A N N在箱体前壁加上一气囊作为柔性支撑，可以更好的模拟现场实际，并且发现其测试结果(格栅端部的应力应变)也与刚性支撑有一定的差异。
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