玻璃纖維土工格柵與南水北調(diào)工程

玻璃纖維土工格柵是一種用于路面增強、老路補強，加固路基及軟土基的優(yōu)良土工合成材料。在處理瀝青 路面反射裂紋應(yīng)用上，已成為不可替代的材料。該產(chǎn)品是以高強無堿玻璃纖維通過國際先進(jìn)的經(jīng)編工藝制成網(wǎng)狀基材，經(jīng)表面涂覆處理而制成的半剛性制品。具有經(jīng)、緯雙向很高的抗拉強度和較低的延伸率，并具有耐高 溫、耐低寒、抗老化、耐腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于瀝青路面、水泥路面及路基的增強和鐵路路基、堤壩護(hù)坡、機場跑道、防沙治沙等工程項目。

玻纖格柵是選用優(yōu)質(zhì)增強型無堿玻纖紗，利用國外先進(jìn)經(jīng)編機織成基材，采用經(jīng)編定向結(jié)構(gòu)，充分利用織物中紗線強力，改善其力學(xué)性能，使其具有良好的抗拉強度，抗撕裂強度和耐蠕變性能，并經(jīng)過優(yōu)質(zhì)改性瀝 青涂覆處理而成的平面網(wǎng)絡(luò)狀材料。其因循相似相容原理，重點突出其與瀝青混合料的復(fù)合性能，并充分保護(hù)玻纖基材，極大提高了基材的耐磨性及抗剪切能力，從而得以用于路面增強，抵抗裂縫車轍等公路病害產(chǎn)生，結(jié)束了瀝青路面難以增強的難題。

玻璃纖維土工格柵產(chǎn)品特點：

產(chǎn)品有強度高、伸長率低、耐高溫、模量高、重量輕、韌性好、耐腐蝕、壽命長等特點，可廣泛應(yīng)用于舊的水泥路面、機場跑道的維修、堤壩、河岸、邊坡防護(hù)、道橋路面增強處理等工程領(lǐng)域，可給路面增強、補強，防止路面車轍疲勞裂紋，熱冷伸縮裂紋和下面的反射裂紋，并能將路面承載應(yīng)力分散，延長路面使用壽命，高抗拉強度低延伸率，無長期蠕變，物理化學(xué)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好，抗疲勞開裂，耐高溫車轍，抗低溫縮裂，延緩減少反射裂縫。

玻璃纖維土工格柵產(chǎn)品用途：

1. 舊瀝青砼路面，加筋增強瀝青面層，防治病害。

2. 水泥砼路面改建復(fù)合式路面，抑制板塊收縮等引起反射裂縫。

3. 道路拓改工程，防治新老結(jié)合部及不均勻沉降而造成裂紋。

4. 軟土基加筋處理，利于軟土析水固結(jié)，有效抑制沉降，均勻應(yīng)力分布，增強路基整體強度。

5. 新建道路半鋼性基層產(chǎn)生收縮裂縫，加筋增強防止基礎(chǔ)裂紋反射而引起的路面裂縫。

由于格柵的抗拉特性，當(dāng)其埋設(shè)于土中并受到平面方向的拉力時，會在格柵內(nèi)引起應(yīng)力和變形，同時由于法向荷載的作用，格柵與土的上、下界面將產(chǎn)生阻礙其變形和運動的摩阻力。這種筋土之間的相互作用不僅表現(xiàn)在兩種介質(zhì)的界面(包括接觸面和剪切帶)，而且在界面以外一定范圍內(nèi)的土體也參與了共同作用。這正是筋材加固作用的機理所在。

目前研究界面作用特性的方法主要包括室內(nèi)的直剪試驗、拉拔試驗、扭剪試驗、斜板試驗以及現(xiàn)場足尺試驗等，其中直剪試驗可以測定筋材與土單剪切面的摩擦特性，拉拔試驗可以反映加筋材料從土中被拉出時與周圍一定范圍內(nèi)土體的相互作用特性，是目前被工程界廣泛采用的兩種研究手段。

玻璃纖維土工格柵與砂土、黏土的相互作用[2-6]在國內(nèi)外已有大量的試驗研究成果，但對于具有特殊脹縮性能的膨脹巖(土)，土工格柵的加筋機理、加筋效果等還有待于進(jìn)一步深入研究[7-8]。本文即針對南水北調(diào)中線工程膨脹巖渠段的中膨脹巖，采用改造的疊環(huán)剪切試驗儀進(jìn)行了不同上覆荷載條件下兩種土工格柵的拉拔試驗，對格柵與膨脹巖的界面相互作用機理進(jìn)行了初步研究，得到界面似摩擦角和似黏聚力參數(shù)，分析格柵不同埋深處界面摩阻力的分布規(guī)律，并對由于界面摩阻力作用而引起的土體附加剪應(yīng)力分布進(jìn)行初步的探討。

 拉拔試驗中對格柵與土界面相互作用特性影響較為顯著的因素包括垂直荷載、拉拔速率、格柵強度、尺寸大小、以及土樣不同含水量、干密度狀態(tài)等，考慮各影響因素的不同水平，可進(jìn)行相關(guān)試驗設(shè)計。由于時間關(guān)系，目前僅完成第一階段試驗，本論文對其中5組試驗成果進(jìn)行分析，主要討論垂直荷載和不同強度格柵材料對界面摩擦強度的影響，初步探討格柵不同埋深處界面摩阻力的分布規(guī)律，并通過各疊環(huán)的位移分析由于界面摩阻力引起的土體附加剪應(yīng)力的分布。

埋設(shè)在土中的格柵受到沿其平面方向的拉力時，將在拉力方向上引起應(yīng)力和變形。同時由于法向應(yīng)力的作用，在格柵與土的上、下接觸面上將產(chǎn)生阻礙格柵與土相對運動的摩擦應(yīng)力，且其分布沿格柵埋深方向是不均勻的，施拉端最大，并隨著水平拉力的增大逐漸向自由端傳遞，當(dāng)自由端摩擦應(yīng)力也達(dá)到最大靜摩擦力時，格柵即發(fā)生整體運動，一般定義此瞬間為格柵的拔出時刻。在實際工程設(shè)計中往往將此時沿筋材表面的摩擦力簡化成均勻分布，以獲得界面的似摩擦系數(shù)：

對于網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的玻璃纖維土工格柵加筋而言，在達(dá)到拔出狀態(tài)后，筋―土之間將發(fā)生相對位移，界面相互作用就由單一的靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動摩擦和土顆粒與筋材之間的咬合力。為了克服格柵橫肋對土顆粒的被動阻力以及網(wǎng)孔間土顆粒自身的強度，水平拉拔力會進(jìn)一步增大，直到土體剪切破壞。因此，可將拉拔試驗分為兩個階段：筋―土無相對位移的靜摩擦階段和筋―土相對運動的滑動摩擦階段，不同階段的加筋機理并不完全相同。第一階段單純是界面上的摩擦作用，而在第二階段，則相互作用不僅發(fā)生在界面上，而且在界面以外一定范圍的土體顆粒也發(fā)生了位移、轉(zhuǎn)動甚至顆粒的剪切，“間接加筋作用”也產(chǎn)生了影響。

拉拔試驗中不同位置的拉拔位移由兩部分組成：一是格柵受拉時自身的伸長變形，一般稱之為延伸率，主要發(fā)生在夾具端，二是筋材與土之間的相對位移。由于模型箱側(cè)壁不可避免地存在一定厚度(本次試驗疊環(huán)側(cè)壁厚度為74 mm)，其間格柵處于無約束狀態(tài)，在應(yīng)變式試驗中首先該部位的格柵被拉伸，延伸率較大，而埋設(shè)在土中的格柵受到土體的約束，其拉伸特性和無約束狀態(tài)下的拉伸特性完全不同，產(chǎn)生的延伸率很小。從試驗結(jié)束后對格柵標(biāo)記段的測量(見表6)可以驗證這一點，PE50型土工格柵埋于土中受拉時的延伸率為0.3%～1.0%，PE80型格柵延伸率略大，但也僅0.9%～2.0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到其極限拉伸率，并且靠近夾具端的縱肋平均延伸率都大于靠近自由端的縱肋延伸率，說明不同埋深處格柵的拉應(yīng)力分布并不均勻，由拉拔端的最大值向自由端減小，而這主要是由于界面處摩擦應(yīng)力的不均勻分布引起的。

PE50格柵不同上覆荷載條件下對應(yīng)最大水平拉拔力時不同高度疊環(huán)的側(cè)向變形分布示意圖，盡管試驗數(shù)量有限，部分疊環(huán)數(shù)據(jù)不夠光滑，但仍可看出一些規(guī)律性分布，(1)由界面摩擦力引起的土體剪切變形普遍較小，均在mm級；(2)最大剪切變形一般都發(fā)生在筋土界面處，疊環(huán)距界面越遠(yuǎn)，其剪切變形越��；(3)小荷載時土體剪切變形分布與大荷載條件下有很大不同，從目前試驗結(jié)果來看，垂直荷載100 kPa時疊環(huán)的剪切位移最大；(4)上覆荷載高于200 kPa時，不同高度疊環(huán)側(cè)向位移的差異變小。

試驗成果驗證了由筋土界面的摩擦應(yīng)力所引起的土體附加剪應(yīng)力分布現(xiàn)象，但受到試樣高度和上部加載板的限制作用，還不能定量得出“加筋有效影響范圍”的大小。

(1)可以將玻璃纖維土工格柵的拉出過程分為兩個階段，即筋土無相對位移的靜摩阻力階段和筋土相對運動的滑動摩擦階段。其中靜摩擦力只占界面總強度的20%～40%，界面相互作用的力學(xué)特征受第二階段格柵網(wǎng)孔間土顆粒嵌固咬合作用的影響非常顯著，且界面摩擦應(yīng)力的分布在時間、空間上的分布都是不均勻的。

(2)格柵受拉產(chǎn)生的位移包括兩部分：材料的伸長變形(延伸率)以及筋土間相對位移。在上覆荷載和土體約束作用的影響下，筋材的延伸率很小，相應(yīng)的拉應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到格柵的極限拉伸強度，因此格柵不會產(chǎn)生拉斷破壞。另一方面，筋土間的相對位移在拉拔初期呈非線性分布，當(dāng)拉拔力達(dá)到峰值后轉(zhuǎn)為線性變化。

(3)低荷載條件下，界面附近土顆粒結(jié)構(gòu)更易調(diào)整重組，因此靜摩擦力對界面總強度的影響較小。

(4)界面摩擦應(yīng)力將引起土體的附加剪應(yīng)力，并在法向方向上按照一定規(guī)律逐漸衰減，疊環(huán)剪試驗可以作為這一現(xiàn)象的研究手段，進(jìn)一步的定量研究還在進(jìn)行中。

影響玻璃纖維土工格柵與膨脹巖界面力學(xué)特性的因素只涉及到上覆荷載和加筋材料，尚未對膨脹巖不同含水量、干密度、拉拔速率、格柵尺寸等因素進(jìn)行全面的試驗，因此只能從提供的試驗現(xiàn)象和成果對土工格柵和膨脹巖的界面相互作用機理做一簡單的定性分析，關(guān)于界面摩擦應(yīng)力的具體分布形式以及土體附加剪應(yīng)力的分布和加筋有效影響范圍的量化等問題還需進(jìn)一步的研究。