Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 8: 111 - 117

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240621

Rock-Soil Engineering

Experimental Study on Friction Characteristics of Geogrid-Loess Interface

  • CAI Xiao-guang , 1 ,
  • YUAN Chao 2, 3 ,
  • LI Si-han , 1, 3, 4 ,
  • XU Hong-lu 5 ,
  • WANG Xue-peng 6
Expand
  • 1 School of Disaster Prevention and Reduction Engineering, Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, China
  • 2 School of Earthquake Engineering and Structure Safety, Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, China
  • 3 Langfang City Key Laboratory of Research and Application of Geosynthetic Reinforced Soil Structure, Sanhe 065201, China
  • 4 Hebei Key Laboratory of Earthquake Disaster Prevention and Risk Assessment,Sanhe 065201, China
  • 5 Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
  • 6 The Sixth Geological Brigade of Hebei Geological and Mining Bureau, Shijiazhuang 050085, China

Received date: 2024-06-13

  Revised date: 2024-08-17

  Online published: 2025-01-02

Fold

Abstract

[Objective] Geogrids are widely applied in high loess slopes engineering due to their advantages of strong overall durability, high tensile strength, and corrosion resistance. The interface friction coefficient between the reinforcement and soil is a crucial parameter for pull-out verification of reinforced soil slopes, and its value is influenced by multiple factors. [Method] This study employed an independently developed geosynthetic material tensile pull-out testing system to conduct a series of laboratory pull-out tests on steel-plastic geogrids and remolded loess under varying normal stresses, pull-out rates, and water contents, aiming to investigate the effects of these factors on the friction characteristics of the steel-plastic geogrid-loess interface. [Results] The peak pull-out force of the reinforcement increased with increasing normal stress and decreased with increasing water content, with a maximum value of 18.143 kN. Under different normal stresses, the relationship between pull-out force and displacement at the loading end was divided into four stages,such as linear increase, nonlinear increase, decay, and stabilization. The pull-out force increased with the pull-out rate, and higher pull-out rates corresponded to greater peak pull-out forces. Although the pull-out rate varied, the trend of the pull-out force versus loading end displacement curve remained similar; as the loading end displacement continuously increased, the pull-out force first increased, then decreased, and finally tended to stabilize. The maximum shear stress increased with normal stress and decreased with water content; the influence of normal stress on maximum shear stress weakened gradually as water content increased. The interface cohesion showed a trend of first increasing and then decreasing with rising water content, reaching a maximum of 11.043 kPa at the optimal water content. The apparent friction coefficient decreased with increasing water content and normal stress; when the normal stress was 105 kPa, the apparent friction coefficient was approximately 0.13, which was about one-third to one-half of the recommended standard value. [Conclusion] The pull-out characteristic tests indicate that engineering design should not be evaluated solely based on the apparent friction coefficient, but should also fully consider actual water content, overburden load, and other engineering conditions. The results of this study provide a reference for the structural design of high loess slopes.

Key words： geogrid; pull-out test; normal stress; interface characteristic; apparent friction coefficient

Cite this article

CAI Xiao-guang , YUAN Chao , LI Si-han , XU Hong-lu , WANG Xue-peng . Experimental Study on Friction Characteristics of Geogrid-Loess Interface[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(8) : 111 -117 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240621

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0 引言

加筋土是筋材与填土铺设而成的一种复合土体,通过接触面摩擦阻力,约束筋材与层间填土的相对变形,提高复合体抗剪强度及整体稳定性[1]。土工格栅是加筋土结构中常用的筋材之一,因具有整体连续性强、抗拉强度高、耐腐蚀性等优点,而被应用于各高边坡工程[2],如山西吕梁机场黄土高边坡工程。在加筋土结构进行拔出验算时需要土工格栅-填料界面摩擦系数,因此开展筋土界面摩擦特性的试验研究,为结构设计提供参考。
在加筋土结构内部稳定性发生破坏时,锚固区筋材表现为拔出或拉断破坏,因此采用拉拔试验研究锚固区筋土界面特性更为真实合理。众多学者开展拉拔试验以研究筋土界面特性。徐超和廖星樾[3]研究了土工格栅与砂土相互作用机制、格栅几何特征对拉拔阻力的影响,结果表明拉拔阻力由横肋和纵肋共同承担,且随拉拔位移的增大,格栅纵肋所贡献的拉拔阻力会逐步达到峰值;杨广庆等[4]研究了不同填料对土工格栅界面特性的影响,结果表明格栅在砂砾料接触面抗剪强度远大于黏土的抗剪强度,建议在挡墙下部拉拔力较大时应选择砂砾料做填料;Chen等[5]研究了含水率对土工格栅拉拔性能的影响,结果表明含水率对土工格栅极限拉拔力影响显著,随着含水率持续增加,格栅极限拉拔力逐渐减小;蔡晓光等[6-7]研究了不同格栅类型的界面摩擦特性以及同一类型土工格栅横纵肋占比对筋土相互作用的影响,结果表明复合格宾格栅的界面强度指标大于土工格栅和格宾网,在相同法向应力下同一类型土工格栅的拉拔力随着纵肋比例的增加而增大;Alagiyawanna等[8]研究了横纵肋对高伸缩性土工格栅拉拔性能的影响,结果表明纵肋的影响区随着纵肋间距的增大而变得孤立,横肋提供的阻力取决于土工格栅在该横肋处的位移;Kayadelen等[9]深入研究了不同相对密度和级配的砂土对土工格栅界面特性的影响,结果表明砂土级配对拉拔荷载影响较小,拉拔荷载随相对密度增大而增大,由于土壤颗粒与格栅间隙的联锁,土壤与格栅的界面摩擦大于土壤的内摩擦;Sugimoto等[10]研究了土工格栅在刚性和柔性边界条件下的拉拔性能,结果表明刚性边界下的筋土界面的似摩擦角要大于柔性边界下的似摩擦角;张孟喜等[11]通过对格栅交叉节点加固后进行拉拔试验,结果表明对格栅节点加固能够显著提高筋材拉拔阻力;张正和刘振华[12]研究了加筋形式和铺设角度对土工格栅与黄土界面特性影响,研究结果表明通过对格栅加肋能提高界面黏聚力和摩擦角,小角度仰铺筋材能有效提升加筋效果;张文慧等[13]研究了法向应力对土工格栅与黏土界面特性的影响,结果表明随着法向应力增大,筋土界面破坏形式由格栅整体拔出破坏转变为格栅纵肋拔出破坏,且拔出破坏的表观黏着力较小;李齐仁等[14]研究了含水率对土工格栅与膨胀土界面特性的影响,结果表明含水率对似摩擦角影响不显著,含水率较低时似黏聚力较大,较高时界面更偏于理想刚塑性特征。
综上所述,国内外学者对不同填料、不同试验条件下的筋土界面特性进行了大量研究,但对于重塑的马兰黄土筋土界面特性研究较少。因此,本文通过开展土工格栅-重塑黄土界面拉拔试验,对法向应力、拉伸速率、含水率对筋土界面摩擦特性的影响进行研究。研究结果可为黄土高边坡结构设计提供理论支持。

1 拉拔试验

1.1 试验设备

拉拔试验采用自主研发的土工合成材料拉伸拉拔试验系统[15]进行,如图1所示。本套设备由4部分组成:模型箱、横向加载系统、竖向加载系统与数据监测和采集系统。模型箱尺寸(长×宽×高)为1.1 m×0.7 m×0.5 m,其中三侧为2 cm的钢板,另一侧为2 cm的钢化玻璃(便于试验观察)。横向加载系统由电机、螺旋丝杆共同构成,配合夹具、转换接头、橡胶垫板、木垫板、格栅夹片等使用。竖向加载系统由YJIIDL-300型结构加载架和油压千斤顶构成,法向应力大小由液压千斤顶控制。数据监测和采集系统由拉力传感器、压力传感器、顶杆位移计和采集仪构成,其中拉力传感器、压力传感器、顶杆位移计3种设备进行数据监测,采集仪进行数据采集。
图1 试验系统

Fig.1 Test system

1.2 试验填土

试验填土为重塑马兰黄土,其物理性质指标为:不均匀系数Cu为13.49,曲率系数Cc为0.93,内摩擦角φ为26.10°,黏聚力c为22.70 kPa,最大干密度ρ为1.24 g/cm3,最佳含水率w为9.98%,液限为30.6%,塑限为10.9%。黄土试样颗粒级配曲线见图2。
图2 黄土试样颗粒级配曲线

Fig.2 Particle size distribution curve

1.3 加筋材料

加筋材料采用CATTX80-30型钢塑土工格栅,如图3所示。该土工格栅具体参数指标见表1,根据ASTM规范[16]要求,确定该拉拔试验试件尺寸(长×宽)为1 300 mm×530 mm,预留加载端长度为330 mm。在试样布设4个监测点,将刚度较高的金属棒焊接于夹具上,夹具通过螺栓固定于监测点处,金属棒尾部与位移计相连,用以监测试验过程中测点位移变化。测点布设如图4所示。
图3 格栅试样

Fig.3 Geogrid specimen

表1 土工格栅材料参数指标

Table 1 Parameters of geogrid material

筋材
类型		 网孔尺寸/
(mm×mm)		 极限抗拉
强度/
(kN·m-1)		 单肋
条宽
度/
mm		 单肋
条厚
度/
mm		 纵向标称
抗拉强度
伸长率/
%		 纵横交
叉点极
限分离
力/N
CATT
X80-30		 115×180 80 14 2 1.6 590
图4 监测点布设

Fig.4 Layout of monitoring points

1.4 试验方案

试验以法向应力、含水率和拉拔速率为变量,在出现①拉拔力出现峰值,继续试验至达到稳定值;②土工格栅试样被拉断;③拉拔力出现稳定或降低现象,试样拔出速率等于试验设定位移速率[17]等现象之一时结束试验。具体试验工况如表2所示。
表2 试验工况

Table 2 Test conditions

工况 拉拔速率v/
(mm·min-1)		 含水率
w/%		 法向应力
σn/kPa		 目的
1 1.0 10 140 基准试验
2 1.0 10 35 法向应力影响
3 1.0 10 70
4 1.0 10 105
5 1.0 10 175
6 0.5 10 140 拉拔速率影响
7 1.5 10 140
8 1.0 5 35 含水率影响
9 1.0 15 35
10 1.0 5 70
11 1.0 15 70
12 1.0 5 105
13 1.0 15 105
14 1.0 5 140
15 1.0 15 140
16 1.0 5 175
17 1.0 15 175

2 试验结果分析

2.1 法向应力对拉拔特性的影响

为探究法向应力对拉拔特性的影响,选取w=10%、v=1.0 mm/min的工况1—工况5进行对比分析。不同法向应力下拉拔力与加载端位移关系曲线如图5所示。可知:①法向应力不同时,拉拔力与加载端位移关系曲线变化趋势相同;②土工格栅拉拔力及拉拔力峰值随法向应力的增大而增大。在35、70、105、140、175 kPa的法向应力下拉拔力峰值分别为12.23、13.42、14.59、15.27、16.32 kN;③拉拔力与加载端位移关系主要分为4个阶段。第一阶段为线性增长阶段,该阶段拉拔力与加载端位移呈线性增长关系且随着法向应力的增加,增长速率增大。第二阶段为非线性增长阶段,此阶段随着加载端位移的不断增加,拉拔力逐渐增大达到峰值,但增长速率却在逐渐减小。第三阶段为衰减阶段,随着加载端位移的持续增加,拉拔力由峰值逐渐减小,此时土工格栅在土体中呈现出应变软化现象。第四阶段为稳定阶段,随着加载端位移的增加,拉拔力不再发生太大变化,最后趋于稳定。造成这种分布趋势的原因为:土工格栅摩擦加筋作用主要由纵横肋与黄土之间的摩擦阻力和横肋的被动端承阻力组成,在拉拔试验初期,土工格栅一旦发生水平位移,格栅与土体之间的摩擦阻力便会立即发挥作用,拉拔力迅速进行发展;格栅横纵肋与土体之间的嵌固力增强,在相同加载端位移情况下需要更大的拉拔力,从而导致拉拔力增长速率变大。随着土工格栅加载端位移的增加,格栅横肋逐渐发生位移和形变,端承阻力也逐步开始发挥作用,因此在拉拔中期,拉拔力呈现出非线性增长并逐渐达到峰值。
图5 不同法向应力下加载端位移与拉拔力关系曲线

Fig.5 Curves of loading end displacement versus pull-out force under different normal stresses

2.2 拉拔速率对拉拔特性的影响

为探究拉拔速率对拉拔特性的影响,选取σn=140 kPa、w=10%的工况1和工况6、工况7进行对比分析。不同拉拔速率下拉拔力与加载端位移关系曲线如图6所示。由图6可知:①拉拔速率不同时拉拔力与加载端位移关系曲线变化趋势相同,且随着加载端位移的不断增加,拉拔力先增大后减小最后逐渐趋于稳定。②v为0.5、1.0、1.5 mm/min时,拉拔力峰值分别15.267、15.984、16.894 kN,即拉拔力随拉拔速率的增大而增大。其原因如下:①更大的拉拔速率会导致土工格栅短时间经历更大的应变,从而产生更大的抵抗力。②拉拔速率的增加,使得经历相同加载端位移的时间缩短,土体颗粒位置来不及重新排列,颗粒之间的剪胀性发挥作用,使得所需拉拔力有所增加,对应的拉拔力峰值也随之增大。
图6 不同拉拔速率下拉拔力与加载端位移关系曲线

Fig.6 Curves of pull-out force versus loading end displacement under different pull-out rates

2.3 含水率对拉拔特性的影响

为探究含水率对拉拔特性的影响,选取v=1.0 mm/min的工况1—工况5和工况8—工况17进行对比分析。图7为各法向应力时,不同含水率下拉拔力与加载端位移曲线。由图7可知:①在各法向应力下,10%含水率拉拔力峰值的加载端位移均小于5%和15%含水率所对应的加载端位移;②随着法向应力的增加,不同含水率拉拔力峰值差值增大。除法向应力为35 kPa工况外,不同含水率拉拔力峰值均为5%含水率>10%含水率>15%含水率,在w=5%、σn=175 kPa下拉拔力峰值取得最大值18.143 kN。这是由于随着含水率的增加,水在黄土颗粒表面形成润滑薄膜起到了润滑作用以及减小了土工格栅和黄土之间的接触面积,从而减小了摩擦阻力。此外,含水率的增加也会导致加筋土结构单元的嵌固作用减弱,使得拉拔力峰值有所减小。因此,在进行加筋土边坡设计时,应严格控制回填土含水率,做好防排水措施。
图7 各法向应力下含水率对拉拔力的影响

Fig.7 Effect of moisture content on pull-out force under different normal stresses

2.4 筋土界面强度参数分析

2.4.1 最大剪应力

筋土界面抗剪性能是评价加筋效果的重要指标,基于静力平衡和筋土界面剪应力均布分布假设,筋土界面大剪应力τmax定义为
τ m a x = T m a x 2 B L 　 。
式中:Tmax为试验所测得的拉拔力峰值;B为埋入格栅的有效宽度;L为埋入格栅的有效长度。
表3为工况1—工况5和工况8—工况17所对应的界面最大剪应力成果。图8(a)为v为1.0 mm/min,w分别为5%、10%、15%下最大剪应力与法向应力之间的关系曲线,将最大剪应力与法向应力的关系进行线性拟合,其线性回归方程如表4所示。从图8(a)可看出随着法向应力的增大,土工格栅-重塑黄土结构体受到的最大剪应力也增大。这是由于随着法向应力的增大,土工格栅肋条与填土颗粒之间的摩擦阻力增大,土工格栅网孔与填土颗粒间的嵌固作用增强,因此最大剪切应力增大。在拉拔试验中,当剪切应力达到最大值时,拉拔力也会达到相应的峰值,两者具有相似的变化趋势,这与图8表现出的结果一致。由表4可知,随着含水率的增加,最大剪切力与法向应力之间的曲线斜率逐渐减小,其斜率分别为0.045、0.028和0.021。法向应力对最大剪切应力的影响随着含水率的增加而逐渐减弱。
表3 最大剪应力

Table 3 Maximum shear stress

法向应
力/kPa		 拉拔力峰值/kN 最大剪应力/kPa
w=5% w=10% w=15% w=5% w=10% w=15%
35 11.80 12.23 11.69 11.48 11.89 11.37
70 13.68 13.41 12.44 13.30 13.06 12.10
105 16.10 14.59 13.68 15.66 14.19 13.30
140 17.05 15.27 14.26 16.58 14.85 13.87
175 18.14 16.32 14.47 17.64 15.87 14.07
图8 不同含水率下最大剪应力、拉拔力峰值与法向应力关系

Fig.8 Relations of normal stress against maximum shear stress and peak pull-out force under different moisture contents

表4 最大剪应力与法向应力的回归方程

Table 4 Regression equations between maximum shear stress and normal stress

含水率w/% 回归方程 R2
5 y = 10.250 + 0.045 x 0.968
10 y = 11.043 + 0.028 x 0.991
15 y = 10.788 + 0.021 x 0.944
图9为含水率对界面黏聚力和似摩擦角的影响规律,w分别为5%、10%、15%时,界面黏聚力分别为10.250、11.043、10.788 kPa,界面摩擦角分别为2.58°、1.60°、1.20°。当含水率由5%增大到10%时,界面黏聚力增加7.74%,摩擦角减少37.78%;含水率由10%增大到15%时,界面黏聚力下降2.30%,摩擦角下降25.00%。筋-土界面界面黏聚力随着含水率增大呈现先增大后减小趋势,筋-土界面黏聚力越接近于最佳含水率越大,这与张利阳等[18]和肖成志等[19]研究结果一致。
图9 不同含水率下界面参数

Fig.9 Interfacial parameters under different moisture contents

2.4.2 似摩擦系数

由于筋-土相互作用主要由土工格栅与填土颗粒之间的摩擦作用来决定,故引入似摩擦系数f来定量描述筋土摩擦特性,其定义为
f = τ m a x σ n 　 。
图10为不同含水率下似摩擦系数与法向应力之间的关系曲线,这与易富等[20]和刘昌禄等[21]所得到的试验结果变化趋势相符。不同含水率下,似摩擦系数与法向应力之间的拟合曲线决定系数R2分别为0.995、0.977、0.947,由于3条曲线拟合优度都>0.9,表明其拟合程度都较好。
图10 不同含水率下似摩擦系数与法向应力的关系

Fig.10 Relationship between apparent friction coefficient and normal stress under different moisture contents

由图10可知:①似摩擦系数随着含水率的增加而逐渐减小。这是由于随着含水率增加,水渗入填土颗粒间隙中,在其表面形成润滑薄膜,减少了颗粒之间的接触面积和接触力,从而降低了填土颗粒之间的摩擦力,似摩擦系数也随之减小。②似摩擦系数随法向应力的增大而减小最后逐渐趋于平缓。这是由于法向应力较小时,土体颗粒随着土工格栅的拉拔发生位移和旋转,具有较高的剪胀性[22],随着法向应力的增大,土体颗粒变得密实,限制了土体颗粒变形,减弱了剪胀性的效果,似摩擦系数也随之减小。综上可知,不能单以似摩擦系数进行加筋性能评价评价,还应充分考虑实际含水率、上覆荷载等工程应用条件。
由上述可知,法向应力在拉拔试验中对似摩擦系数影响较大,在《公路路基设计规范》[23]、《铁路路基支挡结构设计规范》[24]中对于似摩擦系数的取值常为0.3~0.4,而实际情况下似摩擦系数随着法向应力的增大而减小,且在法向应力为105 kPa时约为0.13,为规范设计值的1/3~1/2。在相同锚固长度情况下由试验值计算的抗拔力远小于规范值计算的抗拔力。在进行黄土高边坡设计时采用似摩擦系数规范值会严重高估筋材的抗拔力,导致设计不安全。

3 结论

通过开展钢塑型土工格栅-重塑黄土拉拔试验,探讨筋-土界面特性受法向应力、拉拔速率、含水率的影响,得到以下结论:
(1)拉拔力峰值随法向应力的增大而增大;在不同法向应力作用下,拉拔力与加载端位移之间的变化趋势相同,其变化过程主要分为线性增长阶段、非线性增长阶段、衰减阶段以及稳定阶段4个阶段。
(2)在不同拉拔速率作用下,拉拔力随拉拔速率增大而增大,拉拔速率越大,拉拔力峰值越大。
(3)除法向应力为35 kPa外,拉拔力峰值随含水率增大而减小,在w=5%、σn=175 kPa下拉拔力峰值取得最大值18.143 kN。
(4)最大剪应力随含水率的增大而减小,随法向应力的增大而增大;界面黏聚力随着含水率增大呈现先增大后减小,在最佳含水率时取得最大值,约为11.043 kPa。
(5)似摩擦系数随含水率增大而减小,随法向应力增大而减小,且减小速率逐渐变小。在法向应力为105 kPa时似摩擦系数约为0.13,远小于相关规范建议值0.3~0.4。

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