土工格柵蠕變特性試驗研究

郭洪春

Experimental Study on Creep Characteristics of Geogrid

摘要：土工格柵的蠕變影響其在工程中的應(yīng)用。針對此問題，本文進行了土工格柵的蠕變試驗，并得到不同設(shè)計年限下的蠕變強度折減系數(shù)。試驗結(jié)果表明：在低應(yīng)力比條件下，土工格柵應(yīng)變隨時間的增加而增長，逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定；在高應(yīng)力比條件下，土工格柵的應(yīng)變隨時間的增加而增長，直至斷裂；試樣所受到的應(yīng)力比越大，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變越大；達到同樣大小的應(yīng)變值，較低的應(yīng)變比條件下所需時間長，較高的應(yīng)變比所需的時間少；土工格柵在應(yīng)力松弛狀態(tài)中，保持應(yīng)變不變時，荷載隨著時間的增加而逐漸減小。

Abstract： The creep of geogrid will affect its application in engineering. To solve this problem， the creep tests of geogrid are carried out， and the creep strength reduction coefficients under different design years are obtained. The test results show that： under the condition of low stress ratio， the strain of geogrid increases with time， gradually slows down and eventually stabilizes. Under the condition of high stress ratio， the strain of geogrid increases with time， until it breaks. The greater the stress ratio is， the greater the strain produced in the same time. To achieve the same size strain value， the time required for the lower strain ratio is longer， and the higher strain ratio needs less time. In the stress relaxation state of the geogrid， when the strain is kept constant， the load gradually decreases with the increase of time.

關(guān)鍵詞：蠕變特性；試驗研究；土工格柵

Key words： creep characteristics；experimental study；geogrid

中圖分類號：TU472 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0168-04

0 引言

土工格柵在鐵路工程的使用過程中，在土體內(nèi)或土體表面長時間受到不變的力的作用[1]，也就說明實際應(yīng)用過程中是一個長時間的蠕變過程[2]。土工格柵能否長期發(fā)揮作用與其蠕變特性有很大關(guān)系，尤其是將土工格柵應(yīng)用于鐵路工程的加固時，其蠕變性能的好壞最為關(guān)鍵[3]。

影響土工格柵蠕變性的因素可分為外因和內(nèi)因。內(nèi)因主要是指材料的聚合物種類。外因主要包括：試樣尺寸、濕度、荷載水平、溫度、加載速率及側(cè)限約束條件等，其中溫度與荷載水平對其蠕變性能的影響最為明顯[4-7]。

本文在不同溫度和不同應(yīng)變比下對土工格柵進行室內(nèi)長期蠕變試驗。綜合比較分析了土工格柵的蠕變曲線、載荷、應(yīng)變等時曲線變化特征，并得到強度-時間方程，由此計算出一定設(shè)計年限下試樣的允許設(shè)計強度，為工程設(shè)計提供科學(xué)、準確的設(shè)計參數(shù)。

1 試驗材料

選取EG90R型單向拉伸塑料土工格柵進行室內(nèi)蠕變試驗，從全寬的單向格柵樣片上剪取5根肋條寬，1.5m長的格柵作為蠕變試驗的試樣。試樣兩邊的縱向肋條用剪刀剪斷，試樣有三個完整的肋，試樣如圖1所示。格柵試樣的基本力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2 試驗方法

本節(jié)選用EG90R型單向拉伸塑料土工格柵為研究對象，在不同溫度和不同應(yīng)變比下對土工格柵進行室內(nèi)長期蠕變試驗。試樣試驗溫度、應(yīng)力比、蠕變荷載強度見表2。在規(guī)定的溫度環(huán)境下，將載荷加到試樣上，連續(xù)記錄試樣的伸長率，直至試樣的伸長率超過10%或試樣斷裂，試驗結(jié)束。試驗如圖2。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 前1000h土工格柵蠕變試驗結(jié)果分析

針對土工格柵EG90R在20℃溫度和不同的拉力條件下，通過試驗所得到的土工格柵應(yīng)變在前1000h內(nèi)隨時間變化，并繪制了曲線如圖3所示。

從圖3可知，20℃溫度下，格柵試樣在應(yīng)力比小于60%時，表現(xiàn)出的蠕變規(guī)律大致相同。在低應(yīng)力比條件下，土工格柵的蠕變初期，應(yīng)變隨時間的增加迅速增長，應(yīng)變與時間基本呈線性關(guān)系；隨后，應(yīng)變的增加速率隨時間增加逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。在高應(yīng)力比條件下，土工格柵的應(yīng)變隨時間的增加迅速增長，由于材料內(nèi)部部分分子鏈被拉斷，試樣的應(yīng)變一直增加，直至土工格柵斷裂。

在相同溫度下，試樣所受到的應(yīng)力比越大，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變越大，但兩者不呈正比關(guān)系。在20℃條件下，加載到1000h時，在應(yīng)力比40%、45%、50%下格柵試樣產(chǎn)生的應(yīng)變分別是7.41%、8.90%、10.90%。在應(yīng)變比60%時，試樣加載到229h就被拉斷。

3.2 土工格柵的等時蠕變

由土工格柵蠕變過程中某一時刻的應(yīng)變與應(yīng)變比一一對應(yīng)的關(guān)系繪制的曲線叫等時蠕變曲線，土工格柵的等時蠕變曲線記錄了試樣在加載到一定時刻產(chǎn)生的應(yīng)變、時間以及應(yīng)力比這三者之間的關(guān)系。表3記錄了20℃下不同應(yīng)變比所對應(yīng)的具有代表性的時刻下土工格柵蠕變試驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些實驗數(shù)據(jù)繪制了等時蠕變曲線如圖4。

由圖4可知，達到同一應(yīng)變值，荷載水平較高的格柵試樣需要的時間較短，而荷載水平低的則需要的時間較長。圖中曲線自上向下，所代表的時間分別為1000h、800h、600h、400h、200h、100h、50h、10h、1h、30min。各個時刻對應(yīng)的應(yīng)變比-應(yīng)變曲線都是應(yīng)變隨應(yīng)變比的增加而逐漸增長。但是不同時刻所對應(yīng)的曲線的斜率并不相同，隨著蠕變時間的增加，等時蠕變曲線的斜率越大，隨著蠕變時間的增加，應(yīng)變比對土工格柵應(yīng)變的影響越來越大。如要達到同樣大小的應(yīng)變值，較低的應(yīng)變比條件下所需時間長，較高的應(yīng)變比所需的時間少。

3.3 土工格柵的應(yīng)力松弛

在土工格柵受力過程中，當試樣的應(yīng)變值保持不變的情況時，而試樣內(nèi)部的應(yīng)力隨著時間的增加而逐漸變小，通常把這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力松弛。由于室內(nèi)松弛試驗很難操作，不容易得到滿意的試驗結(jié)果，因此采用應(yīng)力比-時間的關(guān)系來間接反映格柵試驗的應(yīng)力松弛特性。選取20℃溫度條件下土工格柵的應(yīng)變值達到6%、7%、8%、9%、10%這5個比較典型的應(yīng)變值，得到格柵式樣的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)如表4所示。

以應(yīng)變比作為縱坐標，時間作為橫坐標，繪制土工格柵試樣在不同應(yīng)變比下產(chǎn)生一定應(yīng)變時對應(yīng)的蠕變時間關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖5可知，土工格柵在達到不同應(yīng)變時所對應(yīng)的應(yīng)變比都隨時間的增加而逐漸減小。土工格柵在應(yīng)力松弛狀態(tài)中時，當保持應(yīng)變不變時，荷載力隨著時間的增加而逐漸減小，應(yīng)變比-時間關(guān)系曲線的斜率逐漸減小。

3.4 土工格柵長期蠕變強度和折減系數(shù)

當土工格柵在實際工程中應(yīng)用時，要求其在長期的受力條件下具有足夠的強度，且必須考慮土工格柵的流變性，以保證工程的安全。因此在設(shè)定土工格柵的設(shè)計強度時，需對其極限抗拉強度進行折減。

在工程設(shè)計中一般將土工格柵的失效應(yīng)變定義為10%，因此可以通過對蠕變試驗得到的數(shù)據(jù)進行分析，利用土工格柵達到10%應(yīng)變時的載荷-時間關(guān)系曲線，得到荷載時間關(guān)系式，計算出土工格柵的長期蠕變強度，土工格柵的蠕變折減系數(shù)，推測出土工格柵的長期蠕變規(guī)律。

將30℃、40℃、50℃不同環(huán)境溫度、不同應(yīng)變比下土工格柵，按照20℃時的試驗條件進行試驗。將不同試驗條件下，蠕變到達10%所對應(yīng)的時間列于表5，并將表5中的數(shù)據(jù)分別取以十為底的對數(shù)列于表6。對不同應(yīng)變比取以十為底的對數(shù)列于表7。

以Log10（應(yīng)變比）為y軸，Log10（伸長率達到10%所需的時間）為x軸，根據(jù)表5～表6繪制土工格柵不同溫度下達到10%應(yīng)變時荷載與時間關(guān)系圖，見圖6～圖9。

從圖6～圖9直線的趨勢可以看出，土工格柵的長期蠕變強度隨著時間的推移呈現(xiàn)衰減趨勢。溫度越高，試樣強度下降越快。試驗溫度在20℃、30℃、40℃、50℃下擬合的曲線相關(guān)性系數(shù)分為0.9998、0.9885、0.9990、0.9977。

將x=6.02（即120年）與x=5.72（即60年）分別代入各回歸方程，得到：溫度為20℃時，土工格柵伸長率不超過10%的蠕變極限強度分別35.80kN/m、36.63kN/m，應(yīng)力比分別為38.92%、39.82%，蠕變強度折減系數(shù)為2.57、2.51。溫度為30℃時，土工格柵伸長率不超過10%的蠕變極限強度分別為28.85kN/m、29.53kN/m，應(yīng)力比分別為31.36%、32.10%，蠕變強度折減系數(shù)為3.19、3.11。溫度為40℃時，土工格柵伸長率不超過10%的蠕變極限強度分別為28.59kN/m、29.29kN/m，應(yīng)力比分別為31.08%、31.84%，蠕變強度折減系數(shù)為3.22、3.14。

溫度為50℃時，土工格柵伸長率不超過10%的蠕變極限強度分別為26.96kN/m、27.63kN/m，應(yīng)力比分別為29.30%、30.03%，蠕變強度折減系數(shù)為3.41、3.33。

4 小結(jié)

通過土工格柵的蠕變試驗，得到如下結(jié)論：

①在低應(yīng)力比條件下，土工格柵應(yīng)變隨時間的增加而增長，之后增加速率隨時間逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。在高應(yīng)力比條件下，土工格柵的應(yīng)變隨時間的增加而增長，直至土工格柵斷裂。

②在相同溫度下，試樣所受到的應(yīng)力比越大，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變越大。

③如要達到同樣大小的應(yīng)變值，較低的應(yīng)變比條件下所需時間長，較高的應(yīng)變比所需的時間少。

④土工格柵在應(yīng)力松弛狀態(tài)中時，當保持應(yīng)變不變時，荷載隨著時間的增加而逐漸減小。

⑤溫度為20℃時，土工格柵120年和60年的蠕變強度折減系數(shù)為2.57、2.51；溫度為30℃時，土工格柵120年和60年的蠕變強度折減系數(shù)為3.19、3.11。溫度為40℃時，土工格柵120年和60年的蠕變強度折減系數(shù)為3.22、3.14。溫度為50℃時，土工格柵120年和60年的蠕變強度折減系數(shù)為3.41、3.33。

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