土工合成材料由于能提高土体的抗剪和抗压强度，提高土体的复合变形能力，故而被广泛应用在挡墙^[1-5]、边坡^[6-7]和路堤^[8-11]等实际工程中。

近年来，许多研究者对其进行了深入的研究。刘动等^[12]通过室内试验和理论分析, 研究了筋材填砂的界面摩擦特性, 探讨了加筋机理, 并通过数值计算进行了整体稳定和变形分析。石安宁等^[13]通过改变筋材层数、筋材长度和替换加筋材料等方式对加筋土挡墙进行了4种工况的模型试验，对4种工况下的加筋土墙体内竖向土压力、墙面水平位移、墙顶竖向位移和筋材应变等进行对比研究。蔡晓光等^[14]通过室内拉伸试验，研究了上覆压力、拉伸速率对3种土工合成材料拉伸性能的影响。

土工格栅与土的界面摩擦特性直接影响着加筋结构的安全与稳定性，其界面摩擦特性在加筋结构的设计中至关重要^[15]。研究筋土界面特性最直接有效的方法之一是土工合成材料拉拔试验。杨广庆等^[16]进行了土工格栅在砾石料和黏性土中的拉拔试验和直剪试验，分析了填料厚度、压实度和筋材夹持状况等因素的影响。王家全等^[17]利用土工合成材料拉拔试验装置，对土工格栅进行不同竖向荷载的室内拉拔试验，分析格栅不同嵌固长度处的位移及应变特性，以揭示筋土相互作用的受力机理。蔡春等^[18]通过大量的拉拔试验，研究了带加强肋土工格栅加筋的筋-土界面特性，探讨了肋间距与肋厚对极限拉拔阻力的影响情况。郑俊杰等^[19]以三向土工格栅为研究对象并考虑了0°和90°两种拉拔方向的影响，开展了一系列拉拔试验，并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度两个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨。

在实际工程中，加筋结构不仅受到单向恒载作用，多数情况下是在循环荷载(如车辆、人流、雨水等)作用下工作^[20]。在周期性循环荷载作用下，路基会发生一定的变形，虽然不能直接导致结构破坏，但会造成疲劳破坏，影响加筋结构的承载能力和正常使用。因此研究加筋结构在循环荷载作用下的抗疲劳特性非常重要。与模型试验不同，拉拔试验主要研究筋-土界面特性及加筋结构破坏特征，施加循环法向应力未必能模拟周期荷载对加筋结构的影响。为此，本研究进行了水平筋材位移的循环拉拔试验，通过位移控制，相较于传统的循环拉拔试验，能更为直接地研究加筋结构的抗疲劳特性。

本研究采用双向循环拉拔试验装置，该试验装置主要分为4部分，模型箱、竖向荷载加载系统、左侧水平荷载加载系统和右侧水平荷载加载系统。模型箱内部尺寸为60 cm×60 cm×50 cm(长×宽×高)，在模型箱的两侧面高度25 cm处设有开口，以便拉拔格栅进出。竖向加载系统主要是由电动油泵、液压杆、液压板和油压表组成的竖向荷载系统；水平加载系统则包含了拉拔电机和在拉拔杆末端连接的滑动夹具，以及安装在拉拔电机伸缩杆末端的位移传感器。因此能通过控制面板的软件获得拉拔电机的时间与力、位移与力的数据。

目前，拉拔试验的加载方式主要为应变控制和应力控制两种方式，而应变控制方式在体现筋材拉拔阻力峰值和筋材应变关系方面更具优势，因此本研究选用应变控制加载方式。

进行试验时，填土与剪切盒侧壁之间的相互作用会对拉拔试验结果造成影响。这是由于加载法向荷载时，有可能一部分被土体与侧壁之间的摩擦效应相抵消，导致实际上施加的法向应力减少。为了控制试验误差，减少剪切盒与土体的相互作用，试验前将润滑液涂抹在剪切盒侧壁上，并在剪切盒内壁四周放置柔性薄膜进行处理。

为消除边界效应与尺寸效应的影响，拉拔试验中，拉筋的宽度是一个非常重要的设计内容。控制拉筋试样宽度与拉拔箱宽度的比值，可作为降低侧壁摩阻的一个有效措施。

试验土料是武汉本地细粒黏土，土壤参数和颗粒级配曲线如表 1和图 1所示。

图 1 颗粒级配曲线 Fig. 1 Particle gradation curve

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筋材为聚乙烯单向塑料土工格栅，其伸屈服力为80 kN/m，峰值应变为8.2%，断裂延伸率为10%。拉拔试验中所用格栅裁剪为80 cm×40 cm×0.3 cm(长×宽×厚)，拉拔有效长度为60 cm，剩余部分伸出试验箱外与夹具相连。材料加工是在加强肋处将增厚的肋粘牢，并用螺栓将加强肋固定。

在50，75 kPa和100 kPa的法向应力和90%回填土压实度作用下，以1.0 mm/min的拉拔速度进行单向拉拔试验，测得土工格栅在黏性填土下的拉拔强度。试验设置3个位移观测点，计算在不同法向应力下的相对位移，进而分析对不同压实度和拉拔速率对筋材特性的影响。

此外，进行了循环拉拔试验，并在试验结束后，将单向拉拔试验与未循环单向拉拔试验结果进行比对，以研究土工格栅疲劳破坏特性。具体试验方案如表 2所示。

设置拉拔速率为1 mm/min，压实度为90%，在50，75 kPa和100 kPa法向应力作用下进行了单向拉拔试验，试验结果如图 2所示。

图 2 不同法向应力下土工格栅拉拔阻力与位移关系 Fig. 2 Relation between geogrid pull-out resistance and displacement under different normal stresses

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从图 2中可以看出，随法向应力增加，土工格栅拉拔阻力会相应明显提高。在法向应力σ=50 kPa时，峰值拉拔阻力为6.9 kN左右，对应的水平位移约为50 mm，达到峰值后拉拔阻力出现骤降。在法向应力σ=75 kPa时，峰值拉拔阻力为7.6 kN左右，对应的水平位移约为65 mm，达到峰值后随水平位移的增加，拉拔阻力并没有出现较大变化，而是进入了一个相持阶段，直到位移88 mm左右时，拉拔阻力明显降低。在法向应力σ=100 kPa时，峰值拉拔阻力为9.3 kN左右，对应的水平位移约为72 mm，且随水平位移的增加，拉拔阻力曲线较为平缓，达到峰值后拉拔阻力缓慢降低，没有出现较为明显的变化，拉拔阻力增长速度和持续增长位移均大于σ=50 kPa和σ=75 kPa的两种工况。这是由于在法向应力作用下，填土和土工格栅之间会发生嵌固作用，形成一个复合体，提升力学强度和整体稳定性，随法向应力增大，应力更容易从上端传到底部，使这个复合体更加趋于稳定，填土与土工格栅之间的嵌固越来越密实，进而导致拉拔阻力峰值增大，且力学表现更为稳定。

在法向应力σ=50 kPa作用下，在90%，92%和95%的压实度作用下进行了单向拉拔试验，对填土压实度的影响进行了研究，试验结果如图 3所示。可以看出，土工格栅拉拔阻力与填土压实度呈正相关，随压实度增加，筋材拉拔阻力提高且幅度明显。在92%压实度下，筋材拉拔阻力峰值为9.7 kN，发生在水平位移71 mm处，在水平位移达到90 mm时，开始发生明显降低。在95%压实度下，筋材拉拔阻力峰值为11.6 kN，发生在水平位移96 mm处，且在水平100 mm内未发生明显衰减。这说明压实度对加筋效果影响较大，通过提高压实度，更容易促进填土与筋材的复合作用，发挥出加筋优势，提高加筋土的综合性能。

图 3 不同压实度下土工格栅拉拔阻力与位移关系 Fig. 3 Relation between geogrid pull-out resistance and displacement under different compactions

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对比图 2和图 3，压实度对筋材力学特性影响更大。法向应力σ=50 kPa时92%和95%压实度下的筋材拉拔阻力峰值均大于法向应力σ=100 kPa时90%压实度的拉拔峰值阻力，且达到峰值后的衰减速度没有那么快，表现得更为稳定。这是由于是分层制样压实，相对于提升法向应力，提高压实度对加筋土整体作用更加直接，不会出现前者应力传导不均的情况，使筋材与土体更容易发挥综合性能。

在法向应力σ=50 kPa作用下在0.5，1.0，1.5，2.0 mm/min和2.5 mm/min拉拔速率下进行了单向拉拔试验，对拉拔速率的影响进行了研究，试验结果如图 4所示。

图 4 不同拉拔速率下土工格栅拉拔阻力与位移关系 Fig. 4 Relation between geogrid pull-out resistance and displacement at different pull-out rates

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可以看出，在0~100 mm水平位移内，筋材拉拔阻力均达到了峰值点。拉拔速率越快，拉拔阻力峰值对应的水平位移则越小，更快达到峰值。在1.5 mm/min拉拔速率下，筋材的峰值拉拔阻力最高，达到了8.7 kN；在0.5 mm/min拉拔速率下，筋材表现得更为稳定。筋材拉拔阻力并未随着拉拔速度率的变化而持续增大或减小，这说明二者间存在一个阈值，增大拉拔速率会使筋材更快速地发挥功效，致使拉拔阻力更快达到峰值，然而，这可能导致筋材性能没有得到充分发挥，未达到理想强度便进入应变硬化阶段。

考虑到路基实际受力和破坏模式，进行了循环拉拔试验。利用右侧水平荷载加载系统，分别在法向应力50，75，100 kPa下进行右侧循环拉拔试验，试验结果如图 5所示。从图中可以看出，在3种不同法向应力下，都呈现出随循环次数增加残余应变减少且拉拔峰值阻力增高的一般特征，且在第3次循环之后，拉拔阻力增加的速度逐渐变缓。当法向应力增加时，筋材在单向循环拉拔试验中仍然表现出拉拔阻力随之升高的现象，这说明法向应力在循环荷载作用下仍能发挥积极作用。

图 5 单向循环荷载下土工格栅拉拔阻力与位移关系 Fig. 5 Relation between geogrid pull-out resistance and displacement under unidirectional cyclic load

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利用左右两侧水平荷载加载系统，分别在法向应力50，75，100 kPa下进行双向循环拉拔试验。试验过程为首先在模型箱两侧利用夹具将筋材固定连接到水平荷载加载系统，然后先进行左侧循环拉拔，拉拔至水平位移20 mm时回返，左侧循环拉拔完成之后进行右侧循环拉拔。左右共进行10次循环拉拔试验。试验结果如图 6所示。

图 6 双向循环荷载下土工格栅拉拔阻力与位移关系 Fig. 6 Relation between geogrid pull-out resistance and displacement under bidirectional cyclic load

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从图中可以看出，在双向循环拉拔试验过程中，表现出了单向拉拔试验的相似特性，仍呈现出随循环次数增加残余应变减少且拉拔峰值阻力增高的一般特征。然而，在第2次循环之后，筋材拉拔阻力增加速度变缓，且在第2次循环之后，残余应变变化值较小，随着循环次数的增加，残余应变越来越小。另外，法向应力在双向循环荷载作用下仍能发挥积极作用，当法向应力增加时，筋材在单向循环拉拔试验中仍然表现出拉拔阻力随之升高的现象。

为研究筋材在循环反复荷载作用下的力学特性，单向循环拉拔试验和双向循环拉拔试验完成后，将筋材再进行一次单向拉拔试验，试验结果如图 7所示。

图 7 循环拉拔之后单向拉拔试验筋材力学特性对比 Fig. 7 Comparison of reinforcement mechanical properties in unidirectional pull-out test after cyclic pull-out

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从图中可以看出，没有参与循环拉拔试验的筋材与其他两种参与循环拉拔试验的筋材表现存在差异。没有参与循环的筋材拉拔阻力-位移曲线相对平稳，没有特别明显的突变，力学性质较为稳定。参与单向循环拉拔试验的筋材与前者差异较大，在3种不同法向应力下，峰值拉拔阻力均有明显提高，当σ=50 kPa时最为明显，峰值拉拔阻力提高约20%。此外，该筋材拉拔阻力峰值出现得较早，在水平位移20 mm内达到峰值点，在水平位移60 mm之后发生突变，且突变幅度大于其余两种筋材，与未参加循环拉拔试验的筋材相比，尽管强度有所提高，但塑性明显降低，力学性质表现得相对不稳定。参与双向循环拉拔试验的筋材拉拔阻力峰值在3种法向应力下也均有提高，除了如图 6(a)所示在50 kPa，峰值拉拔阻力低于单向循环试验的筋材外，其他两种法向应力下峰值最大，出现在水平位移60 mm附近，且力学性质表现得最为稳定，没有明显的突变情况。这是由于筋材在双向循环荷载作用下，水平位移均控制在0~20 mm以内，所以没有出现过大的变形，而这种双向承载的模式促进了筋材与土体的结合，加强了土体对筋材的嵌固作用，使加筋土体强度和稳定性都有所提高。

为研究土工格栅在黏性土中的力学特性，本研究进行了一系列大型拉拔试验，包括单向拉拔试验、单向循环拉拔试验和双向循环拉拔试验，对法向应力、压实度和拉拔速率等相关参数进行了敏感性分析，结论如下：

(1) 土工格栅拉拔阻力与法向应力和压实度均呈现正相关趋势，法向应力σ=50 kPa时92%和95%压实度下的筋材拉拔阻力峰值均大于法向应力σ=100 kPa时90%压实度的拉拔峰值阻力，且高压实度下的筋材拉拔阻力达到峰值后衰减幅度较小，力学性能表现得相比高法向应力更为稳定。

(2) 在1.5 mm/min拉拔速率下，筋材的峰值拉拔阻力最高。未出现拉拔速率越快伴随着筋材拉拔阻力增加或减小的一般规律，拉拔速率与筋材拉拔阻力存在一个阈值，增大拉拔速率会使筋材更快速地发挥功效，致使拉拔阻力更快达到峰值，这也导致筋材性能未得到充分发挥，未达到理想强度便进入应变硬化阶段。

(3) 在循环拉拔试验中呈现出随着循环次数增加残余应变减少且拉拔峰值阻力增高的一般特征。在第2次循环之后，筋材拉拔阻力增加速度变缓，且在第2次循环之后，残余应变差异非常小。

(4) 通过循环拉拔试验之后的筋材对比发现，参与循环拉拔试验的筋材拉拔峰值阻力均有所提高，参与双向循环拉拔试验的筋材力学性质表现得更为稳定。