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关于沙土中纤维聚合增强材料的拉拔特性实验研究
张成城；朱鸿鹄；石斌；吴方东 ；殷建华； 美国土木工程师学会会员
摘要：纤维增强复合材料（玻璃钢）条和条带是传统土壤增强的潜在替代品。在这方面，两种常用的玻璃钢材料是玻璃纤维和碳纤维。然而，在沙土中拉拔行为的差异，玻璃纤维和碳纤维杆，与传统的钢筋，没有得到很好的理解。本文介绍了在研究低压力下玻璃钢棒（条）砂界面的行为以及一系列的拉拔试验对GFRP、CFRP筋带埋在沙子的实验结果。利用理想弹塑性界面剪切应力应变的简单模型提出了模拟钢筋的拉拔性能的关系。分析逐步拉拔过程及其演变界面剪应力分布，从而得到所提出的模型。实验和分析结果表明，在比较CFRP和GFRP加固钢筋，具有非线性和界面剪应力分布不均匀。杨氏模量和界面剪切系数的差异导致了这三种材料不同的拉拔行为。减少了过度拉伸和弯曲变形对GFRP筋的杨氏模量的风险影响。测试结果表明，逐步拉拔行为也和材料的加固尺寸有关。
DOI: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000526. copy; 2014 American Society of Civil Engineers.
关键词：纤维增强聚合物（玻璃钢）；土体加固；弹塑性模型；拉拔；界面剪切应力；渐进破坏
引言
土体加固，作为一种提高原位土壤强度和刚度的技术，被广泛用于稳定人工边坡，挡土墙壁和堤防。通过包含纤维、土工合成材料，或土钉在土体的稳定性，地理结构可以显着增强。土壤之间的相互作用是一个加固土结构的性能的关键因素。界面剪切测试（例如，岸田和上杉，1987；奥洛克等，1990；李和曼朱纳特，2000；楚和殷2005；萨克尔等，2005）和拔出测试（例如，比尔等，2003；德恩等人。2004；尹和苏，2006；殷和周，2009）经常进行的特点界面行为，为钢筋的设计提供指导结构。
岩土工程中常用的加固材料有一定的缺点。例如，钢钢筋有腐蚀土环境的风险。通常，土工合成材料由聚合物材料制成，也发现随着时间的推移恶化（萨维基和弗兰科夫斯基1998）。纤维增强聚合物（玻璃钢）材料，与传统的几个优点材料，能够解决这些问题。玻璃纤维增强聚合物和碳纤维增强复合材料（GFRP）（碳纤维）是建筑施工中常用的玻璃钢材料。与钢相比，玻璃钢材料享有许多好处，如耐腐蚀性好，重量轻，容易现场操纵，和保持能力，以保持类似或更好材料强度（朱等。2011）。玻璃钢材料的近期回顾工程实践是由Bakis等人给出的。（2002）结构应用的重点。它表明，在过去二十年来，已经进行广泛的调查研究得出玻璃钢加固与钢筋混凝土界面结构的力学性能与粘结滑移机理。
目前，使用土增强材料制成的玻璃钢材料在岩土工程中仍然是有限的。在实际工程中的应用已报道的就有关于玻璃钢格栅为加固挡土墙（宫1996）和FRP土钉为边坡开挖（杨等人。2007；程等。2009；诸等。2011；郑和戴2014）。文学评论研究还表明，只有几次尝试已经取得了研究玻璃钢与土之间的相互作用，通过界面剪切试验或拔出试验。其中，霜和汉（1999）发现他们的实验中，玻璃钢砂界面行为的影响由一些因素，如界面粗糙度，颗粒材料的平均晶粒尺寸和正应力。朱等人。（2011）、李等。（2013），和佩等。（2013）采用高精度光纤布拉格光栅传感器监测GFRP筋水泥灌浆过程中应力变化实验室和现场拉拔试验。在监测的基础结果中，他们得出结论，不同的应力状态下在拉拔过程中存在应力的增强。在理论领域研究，诸等。（2011、2012）提出了2种分析模型对于玻璃纤维增强材料，在土壤中拔出行为的解释。在后者的模式，对这些土壤随时间变化的现象考虑了界面。最近，进行了一系列的碳纤维碳纤维复合材料的界面剪切试验和建议一个层次的单表面塑性模型来解释测试结果。声称，现浇碳纤维布样品可以提供更高的抗拔力，比预制样品正常压力低。此外，物理不同玻璃钢材料的力学性能也有所不同。例如，例如，碳纤维复合材料具有较高的杨氏弹性模量和拉伸强度，比低成本的玻璃纤维的拉伸强度高，从而能够在工程应用中维持更高的压力。从上面的文献回顾，它表明，在土壤中的玻璃钢加固材料的拉拔行为与传统的土材料有很大的不同，有迫切需要更好的理解纤维土之间的相互作用。
在本文中，有一个全面的实验研究，研究加固材料的影响（玻璃纤维、碳纤维、钢）、截型（条带），和尺寸，在低压力下的沙中对土的抗拔性能。一个简单的弹塑性模型提出了连续三次的玻璃钢和沙子在拉拔过程中的渐进界面破坏阶段。对于每一个的三个阶段，拉拨力-位移关系及界面演化剪切应力的测试结果进行比较模型的预测。此外，拉拔行为的差异不同的增援解释使用建议模型。
实验室拉拔试验
砂和玻璃钢加固
在这项研究中所用的土壤样品是干净的，级配砂（土）按统一的土壤分类系统（ASTM 1992）。图1显示了粒度分布的沙子。通过标准击实试验，获得砂的最佳含水量和最大干密度。进行了一系列的直剪试验确定砂土的摩擦角ϕ，表1总结砂样的性质。
比较得出土壤增强土体的力学行为与不同材料制成的表面粗糙度无关，具有光滑表面的市售棒材和带材被选为在这项研究中的试验加固材料（图2）。玻璃钢与直径为3，5，10，16，和20毫米的碳纤维复合棒使用在拉拔试验。直径为10毫米的钢筋还测试了比较的目的。此外，玻璃钢和五种不同截面尺寸的碳纤维布，即：15、6、5、30、5、35、3、15和19宽度为2毫米的厚度，也进行了测试，研究形状增强效果。钢筋的横截面积浸渍试验的条带在表2中列出。此外，我们请注意，钢筋的横截面或直径在计算中使用的是名义上的条件。所有的测试中所用的材料为0.85米，嵌入式有助于抗拔力。玻璃钢增强材料的力学性能总结在表3。在这里，我们注意到，虽然在本研究中，只有光滑的增援进行了测试，外表面条件的玻璃钢加固也是一个根本性的影响玻璃钢粘结性能的因素。覆砂FRP筋和螺旋缠绕玻璃钢在砂下可能表现出不同的界面行为拉拔条件。
仪器和测试程序
拉拔试验是在实验室拔出试验箱中进行的，试验箱的尺寸为长1540 mmtimes;宽250 mmtimes;内部尺寸250毫米高。试验箱由六铝合金制成用螺栓连接固定在一起的板。有一个60毫米直径的土配筋孔盒子的前面，与它的中心在125毫米的水平底部。薄塑料片被连接到内部表面，用润滑剂连接在中间的方块，以减少侧摩擦，所以土壤质量可以更自由地移动
对于实验室的拉拔试验，沙子被压缩在试验箱四层至95%（1.96毫克=立方米），推出其最大干密度。对于每一层，首先，所需数量的土壤被放置在试验箱轻轻地划了出来。下一步，将一个木板放置在土壤表面。然后，土壤被用沉重的锤子打在木板上压实。测试箱的两侧通过检查的深度来标记所需的密度。本试验箱是中承式的，FRP加固把压实的沙子小心地放在箱子里。10毫米长度的塑料管是用来分隔的前面部分压实的砂，将玻璃钢从周围的沙子和被拆除后。这种方法是根据帕尔梅拉和史帕克（1989）的经验通过拉拔来消除边界效应。预埋FRP筋，穿过前孔连接到一个固定的测试支架的电动压力表，用这个仪器测量拔出力。通过旋转车轮上的试验台，位移控制试验。通过试验站在一个恒定的位移速率为2毫米/分钟施加的拔出力。这个拔出位移用电刻度尺测量在玻璃钢加固头上。另一个电子压力表来确保在测试过程中没有测试盒的移动。这些仪器被连接到一台计算机进行自动数据采集。图3所示的撤离设置的详细信息。原状土样从不同地点收集，经过试验箱测试，测定了砂土的压实密度和含水量，与发现的是一致的，可以忽略不计的变化每一个测试（W=10%）。因此，由土体自重产生覆土压力为2.82 kPa，所有测试对玻璃钢砂界面的研究的。
通过一系列的实验，研究了一种玻璃钢加固土的抗拔性能三个主要影响因素：（1）增强材料（玻璃纤维、碳纤维和钢）；
（2）加强型（条带）；
（3）加强钢筋尺寸（五个不同尺寸的条带）。
详细的测试条件总结在表2。这些测试分类编号为便于比较和讨论。例如，符号CB-10表示加固是一种碳纤维杆的直径为10毫米，而GS-6.0对应一个GFRP条带宽度为6的厚度比。
拉拔试验结果
典型的拉拔力-位移曲线图4。可以看出，在试验条件下（低覆盖压力和光滑的加固面），没有软化的拉拔行为观察。在所有的测试中，拔出力先增加约线性与拔出位移，然后保持一旦达到抗拔力。它是表明，玻璃钢砂界面遵循一个理想的弹塑性剪应力-应力-应变关系（图5）。在本节中，一简单的弹塑性模型来描述一个在砂土中的玻璃钢加固。
砂钢加固
模型的制定
如图6所示，玻璃钢加固的阻力拉拔力通过界面剪应力tau;，设置玻璃钢砂界面。从一个玻璃钢的平衡强化元素（萨维基1998），这表明
（1）
这里的 W 是FRP玻璃钢棒的直径D或宽度B。这里的活动加强区被定义为投影区（一条）或2DL 2BL（一条）和L是有效的嵌在砂中的钢筋长度
此外，玻璃钢加固被认为是一个轴向加载张力构件，从而使玻璃钢的拉力增强表示为
（2）
E和A分别为加固的杨氏模量和玻璃钢的横截面面积；u(x)为钢筋位移
如前面所述，玻璃钢砂界面的行为如下一种理想的弹塑性本构关系（图5）
（3）
当G =剪切刚度的玻璃钢夹砂，gamma;1 =接口界面剪切相应的界面抗剪，tau;最大应变等于tau;max = G作为一个结果，一个玻璃钢的拉拔性在砂中的加固可以分为三个阶段，即初始的纯弹性阶段（第一阶段），过渡弹塑性阶段（第二阶段），最后的纯塑料阶段（第三阶段）。
在最初的纯弹性阶段，因为只有一个低级别的界面剪切应力被动员起来拔出力，界面具有弹性。基于这样的假设，没有剥离或滑移发生在这个阶段，玻璃钢加固的位移是一薄层砂的剪切变形的结果（即，剪切带），与玻璃钢表面接触的沙子在玻璃钢砂界面的位移可以考虑为等效的FRP筋（杰威尔和佩德利1990；史帕克和泰1998）。假设剪切应变在剪切带中呈线性减小，与拉拔位移和界面剪切应变 （4）
其中h =厚度的剪切带，这被认为是沿钢筋均匀分布，但将被改变由于土的剪胀性。一旦界面剪应力在所施加的拉拔力附近的界面剪切电阻，脱粘启动和从强化的传播头到尾。二次拉拔阶段被称为过渡弹塑性阶段的弹塑性态沿玻璃钢加固。作为接口部分脱胶和滑动位移逐步发展，方程（4）仍然适用于弹性区，这是不适用于塑性区，。当界面剪应力在增强尾增大到界面抗剪性，最终纯塑性阶段开始。在这一阶段，界面完全脱粘和界面剪切应力保持不变，即界面抗剪强度。这个拉拔力与拉拔位移的关系每拔出阶段给出u0（参见附录详情）
其中G =玻璃砂接口定义的剪切系数2G /h；beta;=系数定义的 HP为塑性区长度。
连续拉拔破坏的详细说明
如图7所示，所提出的模型中给出一些详细的插图，其中有测试GB-05拉拔过程的模拟。图7中的符号PCEP（B）表示的临界拉拔力之间第一阶段和第二阶段。界面剪应力和距离是一个归一化的形式分别为tau;=tau;Max和x = L。我们注意到，测试GB-05，过渡塑性阶段是重要的，不能被忽视的分布界面剪应力在进入前是高度非线性的最后的纯塑料阶段。在这项研究中，一个拔出位移比值描述过渡弹塑性的意义在整个撤离过程中的阶段被定义为
(6)
在ue和uep分别表示第一阶段和第二阶段的最大拉拔位移。此外，参数作为界面剪切阻力，界面剪切系数和的拉拔位移比被确定为实验通过使用曲线拟合方法。工艺参数的确定在表2中列出，并在图4中所示的拟合曲线虚线。表明所提出的拔出力模型，它被认为是在良好的条件下的预测结果，与实验结果相同。
论述
增强材料对拉拔的影响行为
正如前面所述，不论在当前的测试条件下的加固材料、类型，或尺寸，加固砂界面行为遵循一个理想的弹塑性模型，。然而，在三个加固材料的拉拔行为之间，是有一些差异的。例如，从图4可以看出，虽然它几乎是一个钢筋的一半，但对GFRP筋和相同直径的CFRP筋抗拔力来说本质是一样的。因此界面性能应注意解释这些差异的。
图三比较了8种材料的界面剪切应力的分布。据观察，GFRP筋有更多的非线性和非均匀分布的界面剪应力，纯塑料棒比碳纤维和钢进入最后阶段之前。然而，碳纤维筋和钢筋之间的差异是微不足道的。此外，比较三种材料之间的拉拔位移比和界面剪切系数。
如图9所示。对GFRP筋的拉拔位移比是20.3%，但只有4.27%的钢筋和3.76%，表明GFRP筋不能更进步的方式比碳纤维和钢的拉拔过程中的钢筋。除了这种效果，界面剪切系数也被建议是有关土壤增强的拉拔行为的一个重要的控制（朱等。2011）。从图9中，可以观察到界面剪力系数G的变化：不同材料的碳纤维和钢筋是几乎相同的G值，但比GFRP杆高多了。这表明，玻璃砂的界面与碳纤维（钢）砂界面相比更容易变形。从上述分析，可以推断在CFRP和GFRP的钢相比，杨氏模量显著降低，在目前的研究中观察到的拉拔行为的显着差异。
增强型对拉拔性能的影响
由Schlosser和埃利亚斯最初提出的（1978）明显的摩擦系数，被广泛用于表征的一种加筋土界面的行为（楚和殷2005）。它被定义为界面抗剪tau;最大除以覆压sigma;V，即F=tau;max/sigma;V。这里的上覆压力为2.82 kPa，界面剪切性能是从该拉拔模型所有测试中确定的。图10显示了纤维增强材料的表面摩擦系数埋材料（卷或条）。考虑到实验数据可以是最好的拟合指数函数，它是假定摩擦的表观系数对某些材料的加固
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