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(qiáng)、老路補(bǔ)強(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)和鐵路路基、堤壩護(hù)坡、機(jī)場跑道、防沙治沙等工程項(xiàng)目。

玻纖格柵是選用優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)型無堿玻纖紗，利用國外先進(jìn)經(jīng)編機(jī)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(qiáng)力，改善其力學(xué)性能，使其具有良好的抗拉強(qiáng)度，抗撕裂強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)，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(qiáng)的難題。

玻璃纖維土工格柵產(chǎn)品特點(diǎn)：

產(chǎn)品有強(qiáng)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(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于舊的水泥路面、機(jī)場跑道的維修、堤壩、河岸、邊坡防護(hù)、道橋路面增強(qiáng)處理等工程領(lǐng)域，可給路面增強(qiáng)、補(bǔ)強(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)路基整體強(qiáng)度。

5. 新建道路半鋼性基層產(chǎn)生收縮裂縫，加筋增強(qiáng)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(shí)，會(huì)在格柵內(nèi)引起應(yīng)力和變形，同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(yàn)、拉拔試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)、斜板試驗(yàn)以及現(xiàn)場足尺試驗(yàn)等，其中直剪試驗(yàn)可以測定筋材與土單剪切面的摩擦特性，拉拔試驗(yàn)可以反映加筋材料從土中被拉出時(shí)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(yàn)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(jī)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(yàn)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(yàn)，對格柵與膨脹巖的界面相互作用機(jī)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(yàn)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(qiáng)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(yàn)設(shè)計(jì)。由于時(shí)間關(guān)系，目前僅完成第一階段試驗(yàn)，本論文對其中5組試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，主要討論垂直荷載和不同強(qiáng)度格柵材料對界面摩擦強(qiáng)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(shí)，將在拉力方向上引起應(yīng)力和變形。同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)，格柵即發(fā)生整體運(yùn)動(dòng)，一般定義此瞬間為格柵的拔出時(shí)刻。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往將此時(shí)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(dòng)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(dòng)阻力以及網(wǎng)孔間土顆粒自身的強(qiáng)度，水平拉拔力會(huì)進(jìn)一步增大，直到土體剪切破壞。因此，可將拉拔試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：筋―土無相對位移的靜摩擦階段和筋―土相對運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦階段，不同階段的加筋機(jī)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(dòng)甚至顆粒的剪切，“間接加筋作用”也產(chǎn)生了影響。

拉拔試驗(yàn)中不同位置的拉拔位移由兩部分組成：一是格柵受拉時(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)束后對格柵標(biāo)記段的測量(見表6)可以驗(yàn)證這一點(diǎn)，PE50型土工格柵埋于土中受拉時(shí)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(shí)不同高度疊環(huán)的側(cè)向變形分布示意圖，盡管試驗(yàn)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(shí)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(yàn)結(jié)果來看，垂直荷載100 kPa時(shí)疊環(huán)的剪切位移最大；(4)上覆荷載高于200 kPa時(shí)，不同高度疊環(huán)側(cè)向位移的差異變小。

試驗(yàn)成果驗(yàn)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(gè)階段，即筋土無相對位移的靜摩阻力階段和筋土相對運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦階段。其中靜摩擦力只占界面總強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度，因此格柵不會(huì)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(qiáng)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(yàn)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(yàn)，因此只能從提供的試驗(yàn)現(xiàn)象和成果對土工格柵和膨脹巖的界面相互作用機(jī)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。