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不同土工格栅加筋梁的弹性性能

F. El Meski, Ph.D., P.E.1; and G. R. Chehab, Ph.D., A.M.ASCE2

摘要:本文主要介绍钢筋混凝土格栅构件的特性，土工格栅在混凝土中的应用是在基础设施中使用土工合成材料的新维度。土工格栅在路面的应用是在夹层中的反射裂缝提供约束力与稳定性，和松散的沥青混凝土层的加固。研究土工格栅在混凝土构件行为的最终目的是评估在薄的混凝土中覆盖土工格栅的可行性和效益，实验计划包括测试21点简支梁、钢筋土工格栅梁的四点弯曲。测试参数包括三种不同孔径的土工格栅形状，物理力学性能和材料成分。此外，实验使用了两种普通硅酸盐水泥混凝土混合物:普通和高强度混凝土。测试的结果证实了土工格栅的加强效应例如在过载能力方面的负载变形响应的结果，负载能力，裂纹张开位移(CMOD),和破坏的模型，对于土工格栅的性能和故障性质之间的相关性的结论。

关键词:硅酸盐水泥混凝土 混凝土 弹性行为 土工格栅 土工合成材料 覆盖

1 背景介绍

土工合成材料一直被用作各类重型民用和基础设施的加固与稳定的物品，特别是它涉及到岩土工程。最近，土工格栅作为强化元素的使用已经扩展到路面系统，特别是在松散层中作为一个稳定性媒质，沥青层中的增强元素，和夹层在覆盖层中的应用一样。采用土工格栅夹层减轻有接缝的素混凝土路面的沥青加铺层反射裂缝已被广泛使用。然而，关于土工格栅在由于施工性和耐久性的局限性而不能放置钢筋的加固薄硅酸盐水泥混凝土（PCC）构件和人行道覆盖层和其他结构中的使用的少量的研究已经完成了，这样的限制包括在薄构件中放置钢筋条的物理约束，如建筑元素，混凝土覆盖层和超薄白色配料，但不包括额外的施工和钢材腐蚀时间。因此，寻求可替代钢筋的物品的需求增长了，包括已被广泛研究作为一种可行的替代品的纤维增强复合材料（FRP）复合物。

在考虑孔径形状和肋方向，有三种用于加固和充当夹层的土工格栅:单轴 双轴 三轴。三轴土工格栅相比其他土工格栅类型是一种相对较新的产品并由以正三角形为导向的带肋三角形孔径区分。单轴土工格栅的单向肋具有很高的抗拉强度，而双向土工格栅在纵向和横向具有双向拉伸强度，双向土工格栅进行的测试表明，当受到不同方向的张力它们无法提供一个统一的抗拉强度，特别是路基稳定和加固应用。有理由相信正是由于这种缺陷导致组成的三角筋土工格栅的发展。

本研究的目的是充分了解不同类型的土工格栅加筋加固PCC梁的结构行为。了解这种行为是为了评估在如人行道覆盖层中的PCC元素中使用土工格栅增强的可能性以及分析影响增强效应的有害土工格栅。对结构状态进行评估是通过正常和高强度混凝土构件的简单荷载。实验程序，包括测试21点支撑正常和高强度的采用单轴、双轴、三轴土工格栅加固的硅酸盐水泥混凝土（PCC）梁样品。每个结构的响应一种无筋混凝土试件进行比较以确定从每一处加固中得到的利处。行为的评估包括最大负载能力，荷载挠度响应，裂缝张开角，抗弯强度，积累的吸收的能量和破坏的模型，本文介绍了测试结果的讨论和报告的主要发现。

2 测试程序和材料

总共21个阶形梁试样在单调持续增加的荷载下进行了测试直到破坏，所有标本都是150毫米宽和150毫米厚的方形截面和53厘米的跨度，有一个宽8mm的三角形的缺口并在4.5毫米深度在梁的底面中心靠近跨中处产生弯曲破坏，试样尺寸和加载细节如图2所示。研究中使用了两种PCC的混合物:目标强度为35MPa的正常强度和目标强度为45MPa的高强度。

制作了12种正常强度的混凝土梁:三组没有配筋作为控制组，三组带有一层单轴土工格栅，三组带有一层双轴土工格栅，三组带有一层三轴土工格栅。土工格栅层被放置在梁底面5cm之上，九个高强混凝土梁采用相同的结构，但是不包含单向加筋土工格栅。

图一:单轴，双轴和三轴土工格栅

2.1硅酸盐水泥混凝土

用I型硅酸盐水泥制备PCC混合物，由天然砂组成的细集料，中型石灰石骨料和NMAS（最大公称粒径）为9.5毫米的中型石灰石骨料，19 毫米NMAS的粗糙的石灰石骨料，普通强度混凝土的中骨料粗骨料砂水泥比例的质量分别为1.7∶1.2∶2∶1与0.52的水灰比，

高强度混凝土的比例为1.5∶0.8∶1.7∶1.0，水灰比为0.43.混凝土复合物是被设计用于生产在保养28天时目标抗压强度为35兆帕的正常圆柱混凝土和45兆帕的高强度圆柱混凝土。标本放置在固化室，连续润湿周期为10天。添加第二代减水剂使获得的平均最小坍落度为127毫米，得到的PCC的浓度一方面充分接触在骨料与水泥浆之间，另一方面在骨料和土工格栅间。值得一提的是，PCC的NMAS小于孔径尺寸为单轴，双轴和三轴土工格栅，分别为18毫米，33毫米和46毫米。这样的大小比例允许大骨料通过孔径，从而防止潜在的阻塞，并提供足够的链接。

图二:典型纵剖面加载位置及配筋布置图

2.2土工格栅

三个土工格栅都可以视作刚性土工格栅，它们分别由刚性，无纺布，冲拉土工合成材料组成，单轴型由高密度聚乙烯制成，而其他两种类型是由聚丙烯制成。变化存在于孔径的几何形状和尺寸，物理和机械性能，从制造商获得了土工格栅的性能，在表1–3。

2.3试样的制备

第一批PCC混合物注入15times;15times;53厘米的木制模具并固定到一个与有5厘米厚的不透明层的小直径振动器。随后将一个15times;53厘米土工格栅小心地沉浸在PCC的顶部，随后将第二批PCC的混合物埋入。混合物需要尽可能保证处在格栅上方与下方的混凝土层间。没有分层或麻面时，脱模后打破标本。

表1 物理和机械性能的单轴土工格栅的应用

注：MD =沿机器方向 TD =横向方向；

表2。物理和机械性能的双轴土工格栅的应用

注：MD =沿机器方向 CMD =机器纵向方向；

表3。物理和机械性能的三轴土工格栅的应用

可以将一条横截面宽度为80毫米和深4.5mm的三角形有机玻璃粘在模具底部的跨中用以建造一个三角形凹槽，在使用0.1立方米容量的混凝土搅拌机的第四批次时将21个样品的PCC混合物倒进去。为了尽量减少批次到批次之间的不同对测试结果的影响，至少每三个重复试验中的一个中的每个样品是从各个批次中投放的，测试后的标本表明，批次到批次的变化是微不足道的。

对于试样名称（表4），第一个字母C代表控制，U是单轴，B代表双轴，T代表三轴土工格栅。第二个缩写，NS代表正常强度，HS代表高强度。

2.4测试装置和测量仪器

混凝土梁按ASTM（2010）进行抗弯试验，采用闭环100吨伺服液压万能试验机以一个恒定的0.002毫米/秒的速度进行单调加载，以一个16位数据采集系统采集载水平位移和垂直位移中荷载的数据，除了裂纹张开位移实验外（CMOD）整个测试持续到直到试件破坏。

一个夹在7毫米范围计的ε模型3541用于测量CMOD，一个垂直的弹簧式LVDT（线性可变差动传感器）被固定在固定底板缺口附近的中心接触试件的底面的前端。此外，弹簧加载的LVDT横放在梁的一面作为补充加载手段测量缺口的水平位移。加载和仪器设置见图3。

3 结果与分析

3.1正常强度梁的荷载与竖向位移

素混凝土和高强度钢筋混凝土试件所需的各种土工格栅类型的负载与相对应的中央垂直位移（P-Delta;）图表见4 - 6，据观察，各种标本类型中有三个具有良好的可重复性，这表明，小的变化存在于制造和测试的重复中。在PCC中的土工格栅加筋也有一样的行为。然而，由于不同的混凝土破坏位置，混凝土最大破坏荷载较高的试样见证裂纹在缺口并不超过中间第三的跨度长度的位置的发展。如图所示。4和5所清晰地展示一样，表4给出的数据由同一故障位置的重复平均载荷确定。三个未加固梁一旦达到峰值负载以塑性破坏结束，这一点所表示的负载到来时和整个梁突然发生破坏（图4和5）。这种行为归因于在脆性破坏构件中没有任何钢筋混凝土， 所有的钢筋混凝土和土工格栅的标本，同时吸收由于弯曲产生的弯拉应力。一旦混凝土中的应力达到其强度值，裂纹在梁的底面开始产生。这导

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