雙向土工格柵的蠕變與收縮特性研究

薛 超,袁 慧,2,劉雙英,白曉紅,4

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024;2.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030027;3.山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030006;4.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

雙向土工格柵的蠕變與收縮特性研究

薛 超1,袁 慧1,2,劉雙英3,白曉紅1,4

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024;2.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030027;3.山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030006;4.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

對(duì)兩種型號(hào)的聚丙烯(PP)雙向土工格柵進(jìn)行相同應(yīng)力水平條件下的蠕變?cè)囼?yàn),試驗(yàn)結(jié)束后完全卸載并對(duì)其收縮情況進(jìn)行觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在蠕變過(guò)程中,雙向土工格柵試樣各部分蠕變發(fā)展并不均勻,最終的應(yīng)變值為4%～5%,與單向土工格柵相比雙向土工格柵蠕變速率發(fā)展較慢。采用開(kāi)爾文串聯(lián)模型對(duì)格柵收縮試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬,建立了描述土工格柵粘彈塑性收縮變形的數(shù)學(xué)方程，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合,擬合效果良好。

雙向土工格柵;蠕變;收縮;模型;擬合

加筋土技術(shù)是根據(jù)土中加筋可以有效提高土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的原理而提出的一種土工增強(qiáng)技術(shù)。法國(guó)工程師Herri Vidal 1963年根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果提出了加筋土設(shè)計(jì)理論。目前土工加筋技術(shù)在水利、公路、港口和建筑工程中已得到廣泛應(yīng)用。

聚丙烯(PP)土工格柵作為一種高分子聚合物,在工作狀態(tài)中長(zhǎng)期處于受拉條件下,會(huì)表現(xiàn)出蠕變特性。拉筋的蠕變會(huì)導(dǎo)致加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的重分布,以致產(chǎn)生整體失穩(wěn)或過(guò)大水平變形[1]。所以,研究土工格柵在長(zhǎng)期荷載作用下的蠕變特性是非常有必要的。

早在20世紀(jì)中葉年代國(guó)外就對(duì)土工合成材料的蠕變特性進(jìn)行了研究。其中,Finnigan(1977)[2]等通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的土工合成材料進(jìn)行了大量有側(cè)限和無(wú)側(cè)限條件下的蠕變?cè)囼?yàn),提出了各種不同類型的蠕變模型。國(guó)內(nèi)對(duì)土工合成材料蠕變特性的研究相對(duì)起步較晚。現(xiàn)有資料[3-4]表明,土工格柵的蠕變不僅與外在應(yīng)力水平有關(guān),還受到時(shí)間、溫度、濕度、加荷速率等因素的影響。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于單向土工格柵蠕變特性研究[5-9]較多,但對(duì)于雙向土工格柵的蠕變?cè)囼?yàn)以及對(duì)于蠕變后土工格柵發(fā)生的收縮現(xiàn)象的研究卻不常見(jiàn)。

目前,雙向土工格柵加筋土技術(shù)已在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。因此在本次試驗(yàn)中,擬采用兩種型號(hào)的雙向土工格柵在相同應(yīng)力水平作用下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn),探討其在相同應(yīng)力水平長(zhǎng)期作用下的蠕變規(guī)律。在此基礎(chǔ)上對(duì)土工格柵蠕變后的收縮情況進(jìn)行觀測(cè),并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合分析,總結(jié)發(fā)生蠕變后土工格柵的收縮規(guī)律。采用開(kāi)爾文串聯(lián)模型研究土工格柵粘彈塑性收縮情況,并利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析擬合。

1 土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)

本試驗(yàn)以工程中常用的聚丙烯雙向土工格柵為研究對(duì)象,試驗(yàn)方法參照《土工合成材料 塑料土工格柵》[10]、《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》[11]執(zhí)行。本試驗(yàn)環(huán)境溫度為(20±3)℃、濕度為20% ～ 40%。試驗(yàn)中所選的兩種土工格柵性能參數(shù)列于表1。

表1 土工格柵基本性能參數(shù)

1.1 試驗(yàn)過(guò)程

用記號(hào)筆在格柵上做出標(biāo)記，標(biāo)記位置如圖1所示,并用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量上下對(duì)應(yīng)的標(biāo)記位置間的距離:l1，l2，l3,取其平均值作為收縮試驗(yàn)測(cè)量段的初始距離L0;把上下夾具之間的凈距離(從上側(cè)夾具的下邊緣至下側(cè)夾具的上邊緣)作為土工格柵的有效長(zhǎng)度,初始為400 mm。考慮到土工格柵特有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在土工格柵試樣的裁剪過(guò)程中需保證每片試樣的尺寸統(tǒng)一。在格柵材料兩端各用帶有內(nèi)襯橡膠墊片的鋼板進(jìn)行夾持,再用螺絲擰緊,并要求鋼板夾持均衡以保證加載后試樣受力均勻，如圖2所示。

圖1 土工格柵試樣示意圖

圖2 土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)夾具與夾持方法示意圖

安裝好格柵后,將夾具懸掛于試驗(yàn)架上靜置24 h(未加載),以使土工格柵試樣在正式加載前處于平整狀態(tài)。將百分表固定,測(cè)量下側(cè)夾具下邊緣的位移,精確到0.001 mm。試樣尺寸及應(yīng)力水平列于表2。

試驗(yàn)加載系統(tǒng)采用一定質(zhì)量的砝碼進(jìn)行加載,應(yīng)力水平與加載質(zhì)量的轉(zhuǎn)換公式如式(1):

(1)

式中:P為應(yīng)力水平，%;m為所需要的砝碼質(zhì)量，kg;R為土工格柵標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度，kN/m;W為土工格柵試樣的寬度，m,此處取0.2。

表2 土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)加載參數(shù)

參照相關(guān)試驗(yàn)研究,制定讀數(shù)時(shí)間間隔為:1，2，4，8，12，30 min；1，2，4，8，10，50，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1 000 h。應(yīng)變計(jì)算公式如式(2):

(2)

式中:ε為土工格柵應(yīng)變值，%;Δl為百分表測(cè)得的土工格柵蠕變伸長(zhǎng)量,mm;l為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)上下夾具間的凈距離,mm。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)1 000 h后,由記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制出的土工格柵應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線如圖3，圖4所示。

圖3 各型土工格柵的應(yīng)變-時(shí)間曲線

圖4 0～40 h應(yīng)變-時(shí)間曲線局部放大圖

從圖3，圖4中可以看出:

1) 對(duì)于試驗(yàn)選用的土工格柵,其應(yīng)變-時(shí)間曲線可分為三個(gè)階段:在加載初期應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展很快,曲線表現(xiàn)為直線上升,應(yīng)變與時(shí)間近似為線性關(guān)系,在此階段土工格柵表現(xiàn)為線彈性伸長(zhǎng);在第二階段內(nèi),應(yīng)變-時(shí)間曲線從直線逐漸過(guò)渡到曲線,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸減小,土工格柵表現(xiàn)為粘彈性特性;隨后進(jìn)入第三階段,應(yīng)變-時(shí)間曲線進(jìn)一步趨緩,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率趨于定值。

2) 在整個(gè)蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中各試樣除去開(kāi)始時(shí)的彈性變形,最終的應(yīng)變均較小:應(yīng)力水平為40%的條件下TGSG1515格柵試樣最終應(yīng)變?yōu)?.27%;TGSG2525格柵試樣最終應(yīng)變?yōu)?.65%,皆未達(dá)到5%。與對(duì)單向土工格柵的相關(guān)研究[12-14]比較可以發(fā)現(xiàn):單向土工格柵在蠕變過(guò)程中的應(yīng)變?cè)谇捌谠鲩L(zhǎng)很快,并且在應(yīng)力水平等條件相同情況下應(yīng)變很快即達(dá)到10%,而本試驗(yàn)中的雙向土工格柵蠕變過(guò)程發(fā)展得更為緩慢,可以認(rèn)為土工格柵的材質(zhì)、形式或加工工藝也是土工格柵蠕變特性的主要影響因素之一。

3) 在本試驗(yàn)時(shí)間內(nèi),兩種土工格柵試樣均未發(fā)生斷裂,表明應(yīng)力水平為40%的條件下,聚丙烯雙向土工格柵表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定。基本上當(dāng)蠕變時(shí)間達(dá)到400 h后,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率趨于定值,但是從圖3中可見(jiàn),TGSG2525的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率略大于TGSG1515。

2 土工格柵蠕變后的收縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

在收縮試驗(yàn)開(kāi)始前,首先應(yīng)對(duì)未卸載時(shí)試樣的收縮試驗(yàn)測(cè)量段進(jìn)行測(cè)量,初值記為L(zhǎng)1。此時(shí)的應(yīng)變值記為ε1’,即收縮量為零時(shí)試樣的收縮試驗(yàn)測(cè)量段的應(yīng)變值。卸載后,應(yīng)將格柵試樣平鋪在一個(gè)平整的臺(tái)面上,保持四邊自由,現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度恒定。隔一定時(shí)間用游標(biāo)卡尺分別對(duì)試樣的測(cè)量段進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量,記為L(zhǎng)n,精確到0.01 mm;測(cè)量時(shí)間間隔為:10，30 min；1，2，10，20，50，80，100 h。以后每100 h記錄一次,共持續(xù)1 000 h。試驗(yàn)溫度為(22±3) ℃,殘余應(yīng)變計(jì)算公式如式(3)：

(3)

式中:εn’為第n次測(cè)量得到的殘余應(yīng)變(%);Ln為收縮試驗(yàn)測(cè)量段在收縮開(kāi)始后第n次測(cè)得的長(zhǎng)度，mm;L0為蠕變?cè)囼?yàn)開(kāi)始前收縮試驗(yàn)測(cè)量段的初始長(zhǎng)度，mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在收縮過(guò)程中,土工格柵殘余應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線如圖5，圖6所示。從圖5，圖6可以看出：

圖5 TGSG1515殘余應(yīng)變-時(shí)間曲線

圖6 TGSG2525殘余應(yīng)變-時(shí)間曲線

1) 總體上,卸載后的土工格柵殘余應(yīng)變隨時(shí)間的增加逐漸減小。試驗(yàn)中的土工格柵試樣收縮過(guò)程大致都表現(xiàn)為三個(gè)階段:第一階段為彈性收縮階段,卸載后土工格柵彈性變形恢復(fù),持續(xù)時(shí)間較短;之后進(jìn)入第二階段,約持續(xù)400 h。在此階段殘余應(yīng)變的減小速率開(kāi)始隨時(shí)間增長(zhǎng)而變小,收縮變形速度減緩,表現(xiàn)為典型粘彈性收縮;約400 h后進(jìn)入第三階段,在此階段內(nèi)各殘余應(yīng)變值變化不明顯,并未收縮至原長(zhǎng)。表明此時(shí)格柵試樣收縮已完成,且在蠕變過(guò)程中發(fā)生了塑性變形。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明:蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后,格柵收縮測(cè)量段達(dá)到的應(yīng)變與格柵整體達(dá)到的應(yīng)變值不同,即試樣中部蠕變發(fā)展較快,兩端靠近夾具夾持部位的蠕變發(fā)展較慢,具有明顯的邊界效應(yīng)。雖然土工格柵試樣最終未能收縮至原長(zhǎng),但收縮變形較大,均可恢復(fù)總變形量的50%以上。

2.3 計(jì)算模型選用

從圖5，圖6中可以發(fā)現(xiàn):土工格柵試樣在收縮瞬間會(huì)發(fā)生彈性收縮,殘余應(yīng)變-時(shí)間曲線反映了卸載后應(yīng)變隨時(shí)間增加而減小的規(guī)律,具有粘彈性特征;另外,在收縮試驗(yàn)結(jié)束時(shí),試樣未收縮至原長(zhǎng),存在塑性變形。結(jié)合已有研究[15-16],本文采用兩個(gè)開(kāi)爾文模型串聯(lián)加彈塑性模型來(lái)模擬其殘余應(yīng)變隨時(shí)間改變的規(guī)律,模型如圖7所示。

圖7 粘彈塑性收縮模型

由于上述模型中,左側(cè)彈性元件具有瞬時(shí)彈性變形性質(zhì),當(dāng)σ為零(卸載)時(shí),彈性元件的應(yīng)變?chǔ)?也為零,即與時(shí)間無(wú)關(guān)，則對(duì)應(yīng)上述模型卸載的本構(gòu)方程為:

(4)

式中:ε為收縮測(cè)量段應(yīng)變值,%;ε1，ε2分別為模型中第一個(gè)與第二個(gè)開(kāi)爾文模型在蠕變?cè)囼?yàn)后達(dá)到的應(yīng)變值,%;k1，k2，η1，η2為兩個(gè)開(kāi)爾模型的參數(shù);εs為格柵試樣收縮后剩余的塑性應(yīng)變,%;t為收縮測(cè)量時(shí)間,h。擬合過(guò)程中式(4)可以轉(zhuǎn)化為公式:

ε=ε1e-A1t+ε2e-A2t+εs.

(5)

2.4 模型擬合

模型確定后,利用彈性模量計(jì)算出彈性收縮應(yīng)變。根據(jù)最小二乘原理,運(yùn)用origin軟件對(duì)除去彈性收縮應(yīng)變的殘余應(yīng)變-時(shí)間曲線進(jìn)行計(jì)算機(jī)非線性擬合,擬合結(jié)果如圖8，9及表3所示。

圖8 TGSG1515殘余應(yīng)變-時(shí)間擬合曲線

圖9 TGSG2525殘余應(yīng)變-時(shí)間擬合曲線

表3 土工格柵收縮試驗(yàn)擬合結(jié)果

格柵型號(hào)擬合公式ε1值A(chǔ)1值ε2值A(chǔ)2值εs值R2TGSG1515TGSG2525式(5)1.600.91.100.013.910.991.590.011.109.102.080.98

2.5 擬合結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出:

1) 用上述方程對(duì)土工格柵的粘彈塑性收縮過(guò)程擬合情況較為理想,進(jìn)一步說(shuō)明該模型建立的合理性;

2) 在相同的應(yīng)力水平等蠕變?cè)囼?yàn)條件下,兩個(gè)格柵試樣發(fā)生的粘彈性應(yīng)變值(ε1+ε2)均近似為2.7%;

3) 雖可知A1、A2與模型參數(shù)、材料等有關(guān),但需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)雙向土工格柵蠕變?cè)囼?yàn),發(fā)現(xiàn)雙向土工格柵自身的強(qiáng)度與土工格柵自身的加工工藝是影響其蠕變特性的重要因素。雙向土工格柵的蠕變特性基本上與單向土工格柵保持一致,只是雙向土工格柵與單向土工格柵相比蠕變發(fā)展更為緩慢,且蠕變變形更小。

2) 試驗(yàn)中的土工格柵收縮過(guò)程大致都表現(xiàn)為三個(gè)階段:第一階段內(nèi)土工格柵試樣為彈性收縮階段,用時(shí)較短;第二階段內(nèi)土工格柵試樣應(yīng)變的減小速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而變小;第三階段內(nèi)土工格柵試樣應(yīng)變減小速率隨時(shí)間增加進(jìn)一步減小,應(yīng)變值最終逐漸趨于穩(wěn)定。

3) 根據(jù)對(duì)土工格柵收縮結(jié)果分析,利用開(kāi)爾文模型等組成的六單元模型可以用于模擬試驗(yàn)中土工格柵的粘彈塑性收縮行為,從中可以得到一個(gè)用來(lái)模擬此過(guò)程的方程。結(jié)果顯示,使用這一方程來(lái)預(yù)測(cè)格柵后期的收縮情況,所得到的結(jié)果較為理想,但方程中各參數(shù)還有待進(jìn)一步研究。這一模型的提出有助于更準(zhǔn)確地了解土工格柵的變形特性,可以為進(jìn)一步研究土工格柵的加筋特性提供科學(xué)依據(jù)。

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(編輯：賈麗紅)

Study on the Creep and Shrinkage Properties of Bidirectional Geogrid

XUE Chao1,YUAN Hui1,2,LIU Shuangying3,BAI Xiaohong1,4

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China;2.TaiyuanCityVocationalCollege,Taiyuan030027，China;3.ShanxiArchitecturalCollege,Taiyuan030006，China;4.KeyLaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceTechnologyinLoessRegion,Taiyuan030006,China)

In this paper,the 1000h creep tests were conducted on two kinds of polypropylene bidirectional geogrid under a same stress level.The shrinkage measure ment was done after the creep tests and complete unloading.The test results show that,in the process of the creep,the development of is creep for the geogrid specimens is nonuniform,and the final strain of bidirectional geogrid is about 4%～5%,which is less than that of uniaxial geogrid.On the other hand,by using the Kelvin model and other models to simulate the process of the shrinkage tests,an equation was established to describe the shrinkage of the geogrid.The experimental data were fitted with the equation and the result is good.

bidirectional geogrid;creep;shrinkage;model;fitting

1007-9432(2015)06-0697-05

2015-05-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：壓實(shí)黃土的工程力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)研究(51178287)；黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助(KLTLR-Y12-1)

薛超(1991-)，男，山西大同人，碩士生，主要從事土工格柵加筋性能試驗(yàn)的研究，(E-mail)591658725@qq.com, (Tel)15234150100

白曉紅，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)bxhong@tyut.edu.cn

TU532

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.012