HDPE土工格柵在有約束條件下的蠕變特性試驗

丁金華，周武華

(1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;2.浙江大學建筑工程學院，杭州 315800)

1 研究背景

土工合成材料在持續(xù)荷載作用下變形隨時間不斷增加的現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變是影響加筋土技術(shù)能否用于永久性工程的關(guān)鍵因素之一，它可能引起加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力狀態(tài)的改變，導致結(jié)構(gòu)物喪失穩(wěn)定或發(fā)生過度的變形。因此預測土工合成材料筋材的長期蠕變特性對于結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性都很重要。有鑒于此，目前國內(nèi)外關(guān)于土工合成材料蠕變特性的研究日益增多［1－2］，但基本上都是針對土工織物或者土工膜而開展的，并且多數(shù)國家的相關(guān)試驗規(guī)范和標準(如ISO13431，ASTMD5262，BS6906－1991 及中國國標GB/T17637－1998)中都規(guī)定在無側(cè)限條件下進行。這種試驗方法得到的蠕變性質(zhì)比實際工程中土工合成材料埋于土體內(nèi)的要強得多，導致工程設(shè)計時采用過大的蠕變折減系數(shù)，對強度過多地折減，從而影響了這種材料在加筋土結(jié)構(gòu)中的應用。因此，考慮側(cè)限約束條件對蠕變的影響是非常必要的。

影響土工合成材料側(cè)限蠕變特性的因素很多，除了加筋材料本身的性質(zhì)之外，還必須考慮填料的性質(zhì)(如砂性土或黏性土)、上覆荷載大小、試樣尺寸、蠕變荷載水平等，試驗難度較大，且蠕變試驗的時間一般持續(xù)較長，因此相關(guān)的研究成果很少。L.D.B.Becker等(2002)［3］進行了大比尺試驗以研究無紡土工織物埋于砂土內(nèi)的長期拉伸蠕變性質(zhì)。王協(xié)群(2004)［4］等通過2種典型土工織物在砂土中的側(cè)限拉伸蠕變試驗，分析了在不同的荷載水平和上覆土壓力作用下土工織物蠕變性能的變化。高傳明等(2005)［5］結(jié)合某黃土公路路堤工程，對加筋土工格柵進行了長達2年的應變觀測，得到了格柵在路堤施工以及運行期間的變形發(fā)展規(guī)律。

本文利用土工合成材料直剪拉拔試驗儀對2種形式的土工格柵進行了密實砂土中的有約束拉伸蠕變試驗，并與無約束拉伸條件下的蠕變試驗結(jié)果對比，得到了不同蠕變荷載水平下的蠕變變形發(fā)展規(guī)律。

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)備

側(cè)限約束蠕變試驗采用土工合成材料直剪拉拔試驗儀進行(見圖1)，儀器主要包括垂直和水平荷載加載系統(tǒng)、剪切盒、以及位移采集系統(tǒng)等。其中垂直荷載通過杠桿施加，水平荷載直接通過砝碼施加，剪切盒(430mm×300mm)的上、下盒均固定。為保證格柵在拉伸過程中始終處于水平狀態(tài)，下剪切盒內(nèi)放置硬質(zhì)木塊，上盒填入標準砂，土工格柵位于木塊和砂之間，以模擬土工格柵在土中工作時的側(cè)限條件。

埋設(shè)于土中的格柵2條橫肋上分別固定2根鋼弦，引伸到剪切盒外，并與位移傳感器連接，用來測量土工格柵的蠕變變形量。數(shù)據(jù)采集裝置可以按設(shè)定采集的時間間隔進行自動采集，試驗初始階段采集間隔設(shè)定為每min測1次，以后逐漸延長到30～60 min測一次。

圖1 土工合成材料直剪拉拔試驗儀示意圖Fig.1 The soil-geosynthetics direct shear and pull-out testing apparatus

無約束拉伸蠕變試驗采用微機控制式電子蠕變儀進行(見圖2)，該機包括一個環(huán)境箱，可以控制蠕變試驗的溫度和濕度，并可同時對3個試樣進行不同荷載條件下的蠕變試驗。

圖2 電子式蠕變持久試驗機Fig.2 The electronic apparatus of creep test on geosynthetics

2.2 填料和土工格柵

試驗中采用了2種型號的高密度聚乙烯(HDPE)單向拉伸土工格柵，其基本力學性質(zhì)見表1，典型的拉伸變形曲線見圖3。

表1 2種土工格柵的基本力學性質(zhì)Table 1 Mechanical parameters of two geogrids

以0.25～0.5mm標準砂為填料，在室溫條件下(12～18℃)進行了3組標準砂與HDPE50土工格柵的蠕變試驗，垂直荷載為15 kPa，蠕變荷載分別為無約束極限拉伸強度的40%，50%和58%。同時，進行了1組標準砂與HDPE80土工格柵的蠕變試驗，垂直荷載為5 kPa，蠕變荷載為無約束拉伸強度的26%。此外，為了弄清側(cè)限約束對蠕變的影響，還進行了常溫條件下HDPE50型土工格柵的無約束拉伸蠕變試驗，作為對比成果。

3 試驗成果分析

3.1 無約束拉伸蠕變試驗

無約束拉伸蠕變試驗參照《塑料土工格柵蠕變試驗和評價方法》QB/T2854—2007［6］執(zhí)行。試驗溫度設(shè)置為20℃，蠕變荷載分別為極限拉伸強度的45%，50%和55%。圖4為各種荷載條件下的變形時程曲線?？梢娫诩虞d初期，變形發(fā)展很快;隨著荷載水平的增大，格柵的變形模式也有明顯不同。當荷載水平為55%時，加載約0.1 h后變形即進入持續(xù)發(fā)展階段;在這里，把這種持續(xù)的變形理解為試樣已進入了蠕變變形階段;并且這種蠕變變形在3 h后進入加速發(fā)展階段，總應變已超過了10%的失效應變，達到蠕變破壞的程度了。而在荷載水平為45%時，應變發(fā)展較為緩慢，直到600 h后才達到失效應變10%，可見加載水平對蠕變特性的影響很大。

圖4 土工格柵HDPE50的無約束蠕變曲線Fig.4 Curves of unconfined creep test on geogrid HDPE50

3.2 側(cè)限約束蠕變試驗

圖5所示為HDPE50型土工格柵在不同蠕變荷載條件下的應變時程線。由圖可知，在有側(cè)向約束作用下，格柵的蠕變變形較之無約束條件下降低很多，在試驗時間內(nèi)變形基本穩(wěn)定，且從變形發(fā)展曲線可以推斷，蠕變不會發(fā)展到失效應變10%的程度。例如，當荷載水平高達58%時，120 h后的應變僅約為3.8%，且其中主要的變形發(fā)生在加載后約1 h內(nèi)，約占總變形量的80%以上。并且，隨著蠕變荷載水平的增大，應變也呈增大的趨勢，但其增幅并不很大。當蠕變荷載水平從40%提高到50%時，應變從約2.7%提高到3.5%;而當蠕變荷載水平從50%提高到58%時，應變僅提高了0.3%，而且在不同荷載水平下，0.1 h以后發(fā)展的持續(xù)變形幾乎近乎平行(圖5)，說明它們之間蠕變變形的差別并不很大。

圖5 HDPE50型土工格柵-砂在不同載荷水平下的蠕變曲線(σV=15 k Pa)Fig.5 Curves of the creep of geogrid HDPE50 confined in sand under different stress levels(σV=15 kPa)

針對HDPE80型土工格柵進行了較小垂直荷載下(5 kPa)，蠕變荷載水平為26%的蠕變試驗，圖6為相應的變形時程曲線?？梢?，減小垂直荷載對蠕變的影響非常明顯，即便在較小的蠕變荷載水平下也會產(chǎn)生較大的蠕變變形。在本次試驗中，雖然蠕變荷載水平僅為26%，但HDPE80型格柵在100 h時的應變已達到約3.7%，與HDPE50型格柵在荷載水平58%時的應變基本相當。

圖6 HDPE80型土工格柵-砂的側(cè)限約束蠕變曲線Fig.6 Curves of the creep of geogrid HDPE80 confined in sand

4 討論及結(jié)論

(1)室內(nèi)試驗表明，側(cè)限約束條件對土工格柵蠕變特性的影響是非常顯著的。在砂土的約束條件下，格柵的蠕變較之常規(guī)無約束條件下的成果將大幅度地降低。因此，采用無約束條件下的蠕變數(shù)據(jù)作為工程設(shè)計參數(shù)將導致過于保守的結(jié)果。

(2)蠕變荷載水平越大，其產(chǎn)生的蠕變變形也越大，但當荷載水平大于50%后，對蠕變變形量的影響幅度趨于減緩。

(3)上覆荷載對蠕變的影響也是不容忽視的，上覆荷載越小，在拉力作用下格柵的蠕變變形越大。

(4)由于試驗儀器的限制，本次試驗未能得到格柵在砂土側(cè)限條件下的極限拉伸強度，因此目前蠕變試驗采取的荷載水平只能按無約束拉伸強度的百分比進行控制，這可能使獲得的側(cè)限約束下的蠕變變形量偏小。

［1］FINDLEY W N.26-Year Creep and Recovery of Poly(Vinyl Chloride)and Polyethylene［J］.Polymer Engineering and Science，1987，27(8):582－585.

［2］王 釗.土工合成材料的蠕變試驗［J］.巖土工程學報，1994，16(6):96－102.(WANG Zhao.The Creep Tests of Geosynthetics［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16(6):96－102.(in Chinese))

［3］BECKER L D，NUNESA L L S.Confined Creep of Geotextile in a Compacted Sand Fill［C］∥The 7th International Conference on Geosynthetics，Nice，F(xiàn)rance，September，2002.

［4］王協(xié)群，朱瑞賡，土工織物的蠕變性能和側(cè)限蠕變試驗研究［J］.武漢理工大學學報，2004，26(5):45－47.(WANG Xie-qun，ZHU Rui-geng.Tests under Conditions and Creep Properties of Geotextiles［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2004，26(5):45－47.(in Chinese))

［5］高傳明，苗英豪，趙衛(wèi)東.對土工格柵長期變形特性及其影響因素的試驗研究［J］.內(nèi)蒙古公路與運輸，2005，(1):7－9.(GAO Chuan-ming，MIAO Ying-hao，ZHAO Wei-dong.Test Study on the Long-Deformation Property and Influence Factor of Geogrid［J］.Highways＆ Transportation in Inner Mongolia，2005，(1):7－9.(in Chinese))

［6］QB/T2854—2007，塑料土工格柵蠕變試驗和評價方法［S］.(QB/T2854—2007，Test and Evaluating Method of the Creep of Plastic Geogrid［S］.(in Chinese))