超靜定土工格柵的強度特性測試研究

褚智超，魏軍揚，鄭澄鋒

（1.江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063；3.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京210024）

超靜定土工格柵的強度特性測試研究

褚智超1，魏軍揚2，鄭澄鋒3

（1.江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063；3.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京210024）

超靜定土工格柵的測試在現(xiàn)行規(guī)范中難以找到明確的測試方法。為了對超靜定土工格柵的強度力學(xué)性能進行測試研究，對超靜定土工格柵采取了7種不同種方案的拉伸試驗測試。試驗結(jié)果表明：①超靜定土工格柵的單向土工格柵多條受力時呈現(xiàn)出以上一級（少于此多條格柵一條的多條格柵）的單根格柵折算強度的大約90%增加；②建議現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中土工格柵單條法計算拉伸強度時試樣最大拉力應(yīng)乘以一折算系數(shù)，對于本實驗中的超靜定土工格柵，所乘折算系數(shù)取為10（1-0.9N），N為樣品每米寬度上的肋數(shù)；③本研究中的超靜定土工格柵的超靜定作用使得單根格柵折算強度提高1.03%～14.06%，效果明顯，建議更多超靜定土工格柵的生產(chǎn)與應(yīng)用。

超靜定土工格柵；拉伸測試；折算強度；折算系數(shù)

土工格柵作為一種新型的土工合成材料，由聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓為二維網(wǎng)格狀或具有一定高度的三維立體網(wǎng)格屏柵而成，并作為工程上的土工加筋材料。土工格柵由于其獨特的性能和功效，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種公路、鐵路、機場的路基增強，路面增強，涵洞增強，大型停車場和碼頭貨場等永久性承載的地基增強，單向拉伸土工格柵增強后的土坡的二次增強，進一步增強土坡，防止水土流失，鐵路、公路的邊坡防護，礦山、坑道加固等土木工程領(lǐng)域中。并隨著工程上不同的要求，土工格柵的種類也越來越多，主要有單、雙向塑料土工格柵、玻璃纖維土工格柵、滌綸經(jīng)編土工格柵、鋼塑土工格柵等。

1 相關(guān)研究與本文研究

關(guān)于土工格柵強度測試的研究隨著工程的發(fā)展也逐漸增加。高潔［1］探討了土工格柵拉伸機理，通過試驗分析了土工格柵拉伸工藝條件對土工格柵性能的影響。在格柵適宜的拉伸溫度范圍內(nèi)，較低的拉伸溫度、較高的拉伸速度及采用二次拉伸工藝有助于提高土工格柵的性能和生產(chǎn)率。郭奕崇等［2］通過試驗研究了塑料土工格柵的拉伸過程，總結(jié)了結(jié)晶聚合物土工格柵試樣拉伸的一般規(guī)律，根據(jù)聚合物拉伸理論解釋了試驗現(xiàn)象，并探討了塑料土工格柵連續(xù)穩(wěn)定拉伸的條件。張孟喜等［3］通過循環(huán)荷載作用下土工格柵拉伸試驗研究得到了隨著循環(huán)次數(shù)、循環(huán)拉力、預(yù)拉力的增加，動應(yīng)變增大；隨著加載頻率的增大，在相同循環(huán)次數(shù)下，動應(yīng)變減小。隨著循環(huán)次數(shù)、循環(huán)拉力、預(yù)拉力的增加，軟化指數(shù)減??；隨著加載頻率的增大，相同循環(huán)軟化指數(shù)逐漸減少等結(jié)論。蔣文凱等［4］通過對土工格柵強度損傷特性的試驗研究得到5種典型路堤填料下的幾種典型土工格柵的強度損傷特性，并給出了相應(yīng)的土工格柵鋪設(shè)損傷強度折減折算系數(shù)的建議值。劉英［5］通過對土工格柵拉伸試驗影響因素研究得到拉伸速率、環(huán)境溫濕度以及夾具形式是土工格柵拉伸試驗的主要影響因素，且強度會隨著拉伸速率的增大而增大。汪恩良等［6］通過低溫條件下塑料土工格柵拉伸特性的試驗研究得出塑料土工格柵在低溫狀態(tài)下抗拉伸能力明顯提高且低溫條件下，塑料土工格柵肋條截面積越大，拉伸力隨溫度降低而提高的幅度越大，屈服伸長率隨溫度的降低而下降的趨勢越明顯。彭芳樂等［7］通過加筋砂土中土工格柵配置形狀與剛性效果試驗得到增加土工格柵加筋材與砂土之間的接觸面積，有助于提高加筋砂土的壓縮強度，即在材料使用量一定的情況下，合理地提高土工格柵的面內(nèi)配置密度，可以有效地提高加筋土的壓縮強度，且效果明顯。另外，朱子超［8］對單向土工格柵的拉伸做了一定研究；魏軍揚［9］通過加筋土筋土界面分離式試驗研究測試出加筋格柵在加筋土工作中的拉伸強度。

在實際工程中，土工格柵的單向尤其是縱向（主要受力方向）拉伸強度和和相對應(yīng)的應(yīng)變是最基本的技術(shù)指標之一，往往通過拉伸試驗進行測試拉伸性能的好壞。目前單條法和多條法是測定土工格柵拉伸性能的主要試驗方法。雖然中國行業(yè)標準［10］和國外先進國家的相關(guān)標準［11-13］均采用多條法拉伸，采用多條法可以有效地減小誤差，使土工格柵拉伸強度更加符合實際情況；而單條法所得的拉伸強度和應(yīng)變不能真實完整的反映所試驗土工格柵的整體強度情況和工程當(dāng)中的實際情況。但是在實際土工格柵拉伸強度測試操作中，很難做到將格柵多條同步夾持并同步拉伸，而在實際土工格柵加筋土工程中，土工格柵的破壞也是每條格柵發(fā)揮到一定強度且強度不盡相同后逐條破壞。本文對新興的形狀不同于常規(guī)且沒有明確測試規(guī)范操作的超靜定土工格柵采取了7種不同種方案的拉伸試驗測試，得到不同試驗結(jié)果并進行分析，某種程度上彌補土工格柵測試規(guī)范的空白，對超靜定土工格柵的力學(xué)性能和效果進行一定研究，同時為形狀不同于常規(guī)的土工格柵測試提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

2 試驗方案及操作注意事項

2.1 試驗方案及操作及注意事項

1）選取足夠量的超靜定土工格柵，見圖1。

2）將試驗材料加工成縱向7種不同方案試樣（每種方案試樣均制作4個），分別是Z1（格柵一單條）、Z2（格柵一主單條外加左右兩個副單條）、Z3（格柵一主單條外加左右2個副單條且副單條中間斷開）、Z4（格柵2個主單條）、Z5（格柵2個主單條外加左右兩個副單條）、Z6（格柵兩個主單條外加左右2個副單條且副單條中間斷開）、Z7（格柵3個主單條）。方案中之所以有必要在主條外加2個副單條，主要是測得超靜定格柵對拉伸主條的超靜定約束作用所產(chǎn)生的效果。超靜定作用具體試樣圖案詳見圖2，Z4～Z7依部分試樣圖類推。

3）將縱向7種不同方案試樣行拉伸試驗，取每種方案試樣4個結(jié)果的平均值作為該種試驗方案試樣的拉伸強度。

4）分析各個試樣的試驗拉伸強度，根據(jù)各種試樣情況相互進行比較，得出此種超靜定土工格柵的強度測試可行辦法。

圖1 超靜定土工格柵圖Fig.1 Hyperstatic geogrid

圖2 部分試樣圖Fig.2 Part of the sample

2.2 試驗操作注意事項

本次實驗采用微機控制電子萬能試驗機操作，并按照《土工合成材料測試規(guī)程》（SL235-2012）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。試驗過程中應(yīng)注意下列事項：

1）調(diào)整上下夾具的具體位置，將超靜定格柵試樣的計量長度調(diào)整在250mm。

2）將格柵試樣的拉伸速率設(shè)置為50mm·min-1，大約為計量長度的20%/min。

3）為防止格柵試樣在夾具處打滑或在夾具處夾壞，可以通過選擇較為合理的夾具或在夾具內(nèi)增加適量的襯墊。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

首先做出如下定義：

單根格柵折算強度=試樣強度/格柵主單條數(shù)超靜定土工格柵各個試樣強度結(jié)果見表1。超靜定土工格柵各個試樣單根格柵折算強度結(jié)果見表2。一根試樣Z6拉伸位移-強度關(guān)系曲線圖類似圖3。其余三根試樣Z6拉伸位移-強度關(guān)系曲線圖類似圖3。其他試樣拉伸位移-強度關(guān)系曲線圖也類似圖3。

表2 超靜定土工格柵各個試樣單根格柵折算強度結(jié)果Tab.2 Single grille discount test result of each sample of hyperstatic geogrid

3.2試驗分析

在表1、表2中，對比試樣方案Z1，Z4和Z7。

的結(jié)果可以看出，當(dāng)超靜定土工格柵的單向土工格柵多條受力時，所受力值并不是單條的成倍數(shù)的累加，也不是有不同程度的減少［12］，而是呈現(xiàn)出以少于此多條格柵一根的多條格柵單根格柵折算強度的89.8%～90.1%增加，這里的89.8%為表2中的Z4的單根折算強度525.4 N與表2中的Z1的單根折算強度605.3 N的比值；90.1%為表2中的Z7的單根折算強度473.6 N與表二中的Z4的單根折算強度525.4 N的比值，本研究推薦比值取值統(tǒng)一取為90%。而現(xiàn)行規(guī)范《土工合成材料測試規(guī)程》（SL235-2012）中土工格柵多條法拉伸強度的計算

式中：T1為土工格柵拉伸強度，kN·m-1；F為試樣最大拉力，kN；N為樣品每米寬度上的肋數(shù)，肋/m；n為試樣肋數(shù)，（單條法時n=1，多肋法時n為試樣實際肋數(shù)）。

圖3 試樣Z6拉伸位移-強度關(guān)系曲線圖Fig.3 Tensile strength&displacementcurves of sample Z6

該計算公式中若n=1單條法時則體現(xiàn)出所受力值為單條的成倍數(shù)的累加，故而這里應(yīng)該乘以一折算系數(shù)，本試驗中由于采用超靜定土工格柵可以取為在表1，表2中，對比試樣方案Z1，Z2和Z3，可以看出，當(dāng)超靜定土工格柵進行拉伸試驗時，由于2個副單條的超靜定作用，Z3（格柵一主單條外加左右2個副單條且副單條中間斷開）、Z2（格柵一主單條外加左右2個副單條）比Z1（格柵一單條）的拉伸強度單根格柵折算強度分別提高了14.06%和12.23%。比較Z2和Z3能夠得出左右兩個副單條中斷與否所起作用相差1.83%，相差較小。

在表1、表2中，對比試樣方案Z4，Z5和Z6，可以看出，由于2個副單條的超靜定作用當(dāng)超靜定土工格柵進行拉伸試驗時Z6（格柵2個主單條外加左右2個副單條且副單條中間斷開）、Z5（格柵2個主單條外加左右2個副單條）比Z4（格柵2個單條）的單根格柵折算強度分別提高了1.03%和1.08%。比較Z5和Z6能夠得出左右2個副單條中斷與否所起作用相差0.05%，相差很小，幾乎可以忽略不計。

4 結(jié)論

1）超靜定土工格柵的單向土工格柵多條受力時呈現(xiàn)出以上一級（少于此多條格柵一條的多條格柵）的單根格柵折算強度的大約90%增加。

2）建議現(xiàn)行規(guī)范《土工合成材料測試規(guī)程》（SL235-2012）中土工格柵單條法計算拉伸強度時試樣最大拉力應(yīng)乘以一折算系數(shù)，對于本實驗中超靜定土工格柵，所乘折算系數(shù)取為10(1-0.9N)，N為樣品每米寬度上的肋數(shù)，。

3）本研究中的超靜定土工格柵的超靜定作用使得單根格柵折算強度提高1.03%～14.06%，效果明顯，建議更多超靜定土工格柵的生產(chǎn)與應(yīng)用。

[1]高潔.土工格柵拉伸機理及工藝研究[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報,2002,10(2):28-31.

[2]郭奕崇,閆寶瑞,信春玲.塑料土工格柵拉伸過程的試驗研究[J].工程塑料應(yīng)用,2004,32(8):47-50.

[3]張孟喜,林青松,劉飛禹.循環(huán)荷載作用下土工格柵拉伸試驗研究[J].巖土力學(xué),2010,31(7):2024-2028.

[4]蔣文凱,阮志新,鄧衛(wèi)東.土工格柵強度損傷特性的試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2006,30(3):421-424.

[5]劉英.土工格柵拉伸試驗影響因素研究[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2008,10:113-114.

[6]汪恩良,徐學(xué)燕.低溫條件下塑料土工格柵拉伸特性的試驗研究[J].巖土力學(xué).2008,29(6):1507-1511.

[7]彭芳樂,平川大貴,龍岡文夫.加筋砂土中土工格柵配置形狀與剛性效果試驗[J].同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,33(5): 604-609.

[8]朱子超.單向土工格柵拉伸性能試驗研究[J].山西建筑,2011,37(2):111-112.

[9]魏軍揚,王保田,張海霞.加筋土筋土界面特性分離式試驗研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2013,30(5):57-61.

[10]中華人名共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 15788-2005,土工布及其有關(guān)產(chǎn)品寬條拉伸試驗[S].北京,中國標準出版社,2006.

[11]American Society for Testing and Materials，D4595-1986,Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method[S].Philadelphia,ASTM Press,1986.

[12]British Standard Institution,BS 6906.Pt.1-1987,Methods of test for geotextiles.Determination of the tensile properties using a wide width strip[S].London,Technical Standards Press,1988.

[13]Association Fran?aise de Normalisatio,NF G38-012-1989,Textiles.Articles for Industrialuses.Tests for Geotextiles.Determina?tion of Thickness[S].Paris,Techniqueet Documentation,1989.

Test Study on Strength Characteristics of Hyperstatic Geogrid

Chu Zhichao1,Wei Junyang2,Zheng Chengfeng3
(1.Jiangsu Zhenjiang Research Institute of Building Science Group Co.,LTD.,Zhenjiang 212000,China; 2.China Shipbuilding NDRI Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China; 3.Geotechnical Engineering Department,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024,China)

It is difficult to find a definitemethod for hyperstatic geogrid testing in current specifications.In order to conduct test study on themechanical properties of hyperstatic geogrid strength,this paper adopts seven different tensile test schemes for hyperstatic geogrid.The test results show that:①Uniaxial hyperstatic geogrids'multiple tensile stress increases about 90%of the upper level's single grid conversion strength;②In calculating tensile strength with geogrid singlemethod in current relevant specifications,the grid's samplemaximum tensile strength should bemultiplied by a coefficient,and in this hyperstatic geogrid test study themultiplication coefficient is about 10×(1-0.9N)with N being the number of samples permeter in width;③Hyperstatic geogrids'hyperstatic ef?fectsmake the single grid conversion strength increase about 1.03%～14.06%,and the obvious effect suggestsmore hyperstatic geogrid can be produced and applied.

hyperstatic geogrid;tensile test;conversion strength;conversion coefficient

TU4

A

2014-01-13

褚智超（1988—），男，主要研究方向為土木工程施工和管理及土木工程試驗。

1005-0523（2014）04-0090-05