摘 要

土工格栅作为一种有效的加筋材料在实际工程中得到广泛的应用，，其具有大变形模量，高拉伸强度，耐腐蚀，耐老化，与道砟颗粒有强连锁效果和大摩擦系数的特性，且效果优于土工布等土工合成材料。采用土工格栅加固铁路道砟层及路基已经被证明是一种简单经济的方法。土工格栅加固铁道道砟可以减少永久沉降，通过研究“土工格栅-道砟”系统的加固机制可以优化并延长维护周期而节约成本。

本文通过拉拔试验对土工格栅的拉拔力学特性以及与道砟间的咬合作用进行了研究，其中土工格栅加固机理的关键部分是研究筋土界面作用机理。因此在宏观上采用自主设计的多功能拉拔试验箱进行通过一系列拉拔试验对土工格栅-道砟的拉拔力学特性进行研究；在细观上采用离散元数值模拟（DEM）从细观上对土工格栅与道砟的加固机制进行研究。

通过土工格栅拉拔试验得出，随着格栅长度的增加，土工格栅所受的拉拔阻力增长率逐渐降低；对比有无橡胶薄膜覆盖的土工格栅可以看出，拉拔阻力的主体是格栅与出口之间的摩阻力以及道砟与格栅间的卡壳；对比大小孔径的格栅，大孔径的格栅拉拔阻力峰值更大，但其本身却易损坏且不稳定；双层土工格栅的拉拔阻力大于单层土工格栅拉拔阻力的2倍，提升约25%，因此相较于单层土工格栅，双层土工格栅的加固效果更好。另外，通过离散元建立级配道砟试样以及双向土工格栅模型，拉拔试验模拟结果显示拉拔阻力的发展趋势与试验结果较吻合。

本研究对土工格栅的加固机理有一定的理论与工程意义，此外，通过对比试验结果和模拟结果，探索多层土工格栅加固作用下布置深度间距对加固效果之间的关系，可以为相关理论分析和土工格栅的设计应用提供一定的参考。

关键词：土工格栅，拉拔试验，离散元模拟，加固机制，道砟

Abstract

As an effective reinforced material, geogrid has been widely used in practical engineering. It has the characteristics of large deformation modulus, high tensile strength, corrosion resistance, aging resistance, strong linkage effect with soil particles and large friction coefficient, and the effect is better than geotextile and other geosynthetics. It has been proved to be a simple and economical method to reinforce railway ballast layer and roadbed with geogrid. The reinforcement mechanism of "geogrid - ballast" system can optimize and prolong the maintenance cycle and save the cost.

In this paper, the drawing mechanical characteristics of geogrid and the occlusive action between geogrid and ballast are studied by drawing test. Therefore, the self-designed multi-function drawing test box is adopted to study the mechanical characteristics of geogrid and ballast-drawing through a series of drawing tests. In terms of meso, discrete element numerical simulation (DEM) is adopted to study the reinforcement mechanism of geogrid and ballast-building on meso.

According to the drawing experiment of geogrid, the increase rate of drawing resistance of geogrid decreases with the increase of the length of geogrid. Comparing the geogrid covered with or without rubber film, it can be seen that the main body of the drawing force is the friction resistance between the grid and the outlet and the jamming between ballasts and the grid. Compared with the geogrid with large and small aperture, the geogrid with large aperture has larger drawing force peak value, but it is easy to damage and unstable. The drawing resistance of the double layer geogrid is twice that of the single layer geogrid, which increases about 25%. Therefore, compared with the single layer geogrid, the double layer geogrid has a better reinforcement effect. In addition, the discrete element is used to establish the graded ballasta specimen and the two-way geogrid model.

This study has certain theoretical and engineering significance to the strengthening mechanism of geogrid. In addition, by comparing the test results with the simulation results, it explores the relationship between the arrangement depth spacing and the strengthening effect under the strengthening effect of multi-layer geogrid, which can provide certain reference for the relevant theoretical analysis and the design and application of geogrid.

Key Words：Geogrids; Pull-out test; Discrete element simulation; reinforcement mechanism; ballast

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内研究现状 1

1.2.1对于粗粒料与土工格栅的研究 1

1.2.2对于砂土与土工格栅的研究 2

1.2.3对于道砟力学特性的研究 5

1.3研究目标与研究内容 5

第二章 多功能土工格栅拉拔试验 6

2.1多功能拉拔装置 6

2.2试验材料：土工格栅与道砟 7

2.2.1土工格栅简介 7

2.2.2道砟简介 8

2.3试验操作过程 9

第三章 单层土工格栅的力学特性研究 11

3.1不同规格的单层土工格栅拉拔试验 11

3.2考虑边界条件影响下的单层土工格栅拉拔试验 12

3.3 大孔径土工格栅的拉拔试验 13

3.4试验结果分析 14

3.4.1单层土工格栅试验结果分析 14

3.4.2考虑边界条件的单层土工格栅试验结果分析 15

3.4.3大孔径土工格栅拉拔试验结果分析 15

3.5结论 15

第四章 双层土工格栅的力学特性研究 17

4.1双层土工格栅拉拔试验 17

4.2试验结果分析 18

4.3结论及后续工作 18

第五章 数值模拟下的土工格栅拉拔试验 19

5.1数值模拟简介 19

5.2单层土工格栅拉拔试验的数值模拟 19

5.3单层土工格栅拉拔试验的数值模拟结果 21

第六章 结论 23

6.1 主要结论 23

6.2 问题与展望 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

土工格栅拉拔试验被认为是用于研究土工格栅和粗骨料之间的机械性能的直接和有效的方法。土工格栅具有高的抗张强度，耐腐蚀，耐老化，并与道砟颗粒的摩擦系数大。对于实际工程，加固土工格栅是一种简单而经济的方法。为了能更好地将土工格栅用于实际工程中，需要研究土工格栅加固机理，其中的关键就是筋土界面的作用机制。

1.2国内研究现状

1.2.1粗粒料与土工格栅的加固机制研究

易富等^[9]在研究土工格栅与尾矿拉拔试验中,通过分析试验中所得到的数据，整合格栅所受到的剪应力、应变和拉力这三种数据，进行了深入数值分析, 获得这对界面特性不小的影响的拉伸系数和拉伸力，与格栅的分布进一步推导出试验数据所得公式的可行性。在钢筋尾矿结构中，当增强材料的位移较小时，该公式具有位置变化后的肋的拉伸力的相对准确的估计。

王家全等^[8]采用自行研发的拉拔试验装置,进行了多种工况的室内拉拔试验,分析土工格栅不同部位的变形规律,揭示土工格栅与粗粒土相互受力机理。根据测试结果，得到了以下结论：土工格栅和粗粒土之间的相互作用，当牵拉力增加，对格栅的力沿嵌入固体的长度发展。作用在格栅的拉力沿着插入的长度连续减小，并且沿所述插入件的长度周围的道砟的剪切摩擦土工格栅的效果降低和减少。增加格栅嵌固长度,其位移与相对应变也会变小。在拉拔阻力相对较小时,格栅应变发展趋势较为相近,但格栅与土体的界面摩擦力及横肋被动阻力沿格栅嵌固长度方向依次变小,嵌固长度越大格栅末段受力越小,应变越小。

董博文等^[20]使用改进设备的三种岩土工程格栅（双向塑料焊接网，双向塑料拉伸网和双向经编涤纶格栅）使用土石坝工程拉拔试验研究提出了最优网格;最后，结合试验研究，通过弹塑性分析，分析了土工格栅加固对坝体静动力变形和坝坡稳定性的影响。结论是，拉伸试验结果表明，由于塑料拉伸土工格栅的强度较低，可能会发生整体断裂失效。不建议在大颗粒尺寸的岩石堆中使用这种格栅进行加固;塑料土工格栅接缝强度是控制钢筋强度的关键因素。该值与正常负载无关。它可以通过加筋土界面的强度参数来表征。当使用这种网格进行土体加固时，应考虑节点失效对滑动稳定性的影响。

1.2.2砂土与土工格栅的加固机制研究

周健等^[2]通过室内拉拔模型试验的方法对土工格栅横肋与砂土界面的运动模式进行模拟, 研究了双向土工格栅横肋与砂土界面相互作用的细观变化规律, 得出以下结论:

（1）似摩擦系数不是一个常量,且评价加筋效果时,还需要考虑法向压力。

（2）砂粒在格栅横肋和砂的界面处的运动比下界面颗粒的运动更严重。随着上法向应力的增加，横向肋条附近的沙粒运动逐渐从近水平变化到垂直运动向上，而下界面运动仍然主要在水平拉伸方向上。

（3）横肋附近个体砂粒的运动表明，横肋附近砂粒的运动位移与常压正相关，砂粒远离网格并减速。

陈榕等^[3]采用室内拉拔试验方法对不同的上部载荷进行了研究，研究了拉拔过程中土工格栅表面摩擦力的分布。得出以下结论：

（1）土工格栅表面的摩擦应力与格栅的纵向埋设位置以及拉拔时间t有关。随着拉拔时间增大，摩擦应力沿着格栅表面逐渐向后传递，其大小取决于该点的应变变化值。

(2)土工格栅上任意位置点产生应变时，前期应变的增幅较大，后期趋于平缓，并逐渐达到某一极限应变值，格栅应变与时间的相互关系总体呈现“S”形曲线。

杨广庆和庞巍^[5]通过内部试验对塑料土工格栅进行拉伸试验，进行了试验，研究了不同拉伸速率对三种强度土工格栅拉伸性能的影响。结果表明，土工格栅的拉伸强度和拉伸模量随拉伸速度的降低而减小，峰值应变值随拉伸速度的降低而增大。土工格栅强度越高,受拉伸速度的影响越小。当拉伸速度一定时,同一种土工格栅对应2%,5%,10%应变和峰值应变的拉伸强度依次增大,而拉伸模量却依次减小。

王家全等^[8]通过进行多组的屋内拉拔试验，研究横肋减少的情况下，格栅受力、阻力峰值和位移这三个要素会如何变化；并且对于整体破坏与刺入破坏下的剪切破坏进行对比其拉拔阻力，探究出土工格栅与道砟之间的加固机理。

结果表明，拉拔阻力在横肋越来越少的情形下也有所下降；对比横向与纵向减少下的最大阻力，横向的要大于纵向的，所以完整横肋有助于土工格栅与道砟界面的加筋作用的充分发挥。

易富等^[9]分析土工格栅与尾矿拉拔试验中拉力沿土工格栅的变化规律,通过试验试验结果，整合格栅所受的拉力，剪应力与应变，进一步分析其数值关系,得出：在高密实度的填料中，随着筋－土界面位移的发展，填料的扩张现象更为明显;填料的致密性小，并且胀的趋势是当垂直压力是大不明显;填料的更大的紧凑性，更明显的道砟的胀倾向;土体的密实度将直接影响到格栅的加筋效果；对于土体的剪胀，存在一临界点，当格栅拉拔位移大于此临界点时，土体的剪胀趋势将显著发生。

李静等^[10]通过拉拔试验对筋土界面摩阻力横向分布进行了研究，使用千分表测试土工格栅不同位置处的位移，将位移量转化为格栅的应变值，根据筋土界面摩阻力等于格栅应变值乘以变形模量从而算出其摩阻力。得出：在土工格栅的横肋处，压载物与土工格栅之间的摩擦力达到最大值，摩擦阻力在横肋两侧达到最小值。对于单向土工格栅，格栅横肋提供界面的摩擦阻力。二是通过链条作用限制土体的变形，可以显着提高土工格栅的加固效果;首先是上半部道砟与土工格栅之间的摩擦阻力，下半部分的压载和土工格栅界面是阻力逐渐变大。

靳静等^[11]通过拉出模型进行了测试，研究了不同横向肋间距条件下单轴拉伸土工格栅与高密度聚乙烯的加筋土界面的行为，以及横肋间距和正常应力的两个因素对道砟与土工格栅之间的拉出力。可以得出结论，随着横肋间距的增加，压载物与土工格栅之间的最大拉出力和所需的拉出位移逐渐减小，内聚力和摩擦角也减小。当土工格栅的横肋之间的间距变小时，拉伸曲线伴随着应变硬化的趋势。当土工格栅的横肋之间的间距变大时，拉伸曲线伴随着应变硬化的趋势。应变软化的趋势发生了变化;当土工格栅横肋间距固定时，压载土与土工格栅之间的最大拔出力随正应力的增大而增大;压载和土工技术网格界面之间的摩擦系数随横向肋间距和正应力的增加而减小;端部支承力在拉力中起主导作用，横向肋在大应力作用下得到加强。效果更显着。

马存明等^[12]通过室内拉拔试验得出：在塑料土工格栅的拉出行为中，界面摩擦力随筋材所受拉力的增大明显地表现出初始加载阶段、应力的发展阶段、局部的屈服阶段和全部屈服阶段四个阶段。在高围压或长埋深的情况下，筋材会出现拉断破坏，这时摩擦应力至多经历前三个阶段，而不具备完整的四个应力发展阶段。

杨广庆等^[15]分析得出土工格栅筋材界面特性对研究土工格栅加筋土的作用原理和结构的稳定至关重要。想要探究对于不同的负载，边界效应和尺寸效应，压载的厚度和压实和肋的固定夹紧这些因素中，影响绘图测试的主要因素是什么？经此来确保土工格栅拉拔设备的可靠与正确性。

陈榕等^[16]通过室内大型土工格栅拉拔试验，针对不同的正常荷载和不同砾石含量的粉土，对拉土土工格栅拉拔时的特性进行了对比试验。发现简单地增加法向载荷以增加栅格表面的摩擦剪切阻力的方法是不适用的。在粉土中加入大尺寸砾石可以增加网格横肋的被动阻力，但在垂直载荷较小的情况下，网格的整体拉拔阻力减小;并应用适当的法线。切削力抑制了道砟的剪胀效应，并且网格的整体拉力显着增强（粉土中的砾石）。

李磊等^[18]通过室内拉伸试验，将土工格栅上加固节点后的压载土与土工格栅之间的力学性能进行了对比，并在加强厚度的条件下讨论了极限拉力。关节。拉阻力会发生什么变化。得出:

（1）所述加强节点被设置后，土工格栅绘图曲线的实时斜率逐渐减小作为绘图位移变大。当正常的应力减小，绘图阻力峰值附近稳定化;当正常应力大，则应变曲线将应变硬化的;

(2)经由加强节点加固后的土工格栅的极限拉拔阻力会受到这两点因素的影响:横肋的间距和加强节点厚度。加强节点厚度不变时,相同的法向应力对应的极限拉拔阻力随着横肋间距的增大而减小;横肋间距不变时,同一法向应力对应的极限拉拔阻力随着加强节点厚度的增加而增大;

（3）与传统的格栅相比，拉伸该土工格栅的电阻与所述加强的接头的极限有一定程度的改善，以及加强节点效应系数的最大值是1.531;

（4）极限拉拔性和加强的接头的厚度的拟合结果表明，两种具有在一定范围内的线性关系，并与正常的应力的增加的极限拉拔阻力增大的增加;

（5）通过分析最终拉拔阻力的组成，发现随着横肋间距的增加，对最终拉拔阻力贡献最大的力从横肋的最终端承载阻力变为肋与道砟界面之间的最终摩擦阻力。由强化节点形成的"加强土体"对极限拉拔阻力的最大贡献率为35％。

景苏明等^[21]指出：

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