蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土界面特性影響的研究

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(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 山西太原030024； 2.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西太原030027；3.太原市龍城發(fā)展投資有限公司， 山西太原030002)

0 引言

土工格柵作為常用的加筋材料，由于其具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕、耐腐蝕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在公路、鐵路、水利、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工程中，塑料土工格柵受長期荷載作用下產(chǎn)生蠕變，強(qiáng)度、斷裂伸長率隨受力時(shí)間延長而降低。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)土工格柵的蠕變特性進(jìn)行了研究，通過對(duì)各種土工合成材料進(jìn)行有側(cè)限和無側(cè)限條件的蠕變?cè)囼?yàn)，提出蠕變方程推求土工合成材料長期的蠕變特性。經(jīng)典的蠕變系數(shù)法和Shrestha與Bell提出的三參數(shù)法經(jīng)驗(yàn)公式廣為使用；提出了一些加速土工合成材料蠕變?cè)囼?yàn)的方法，如時(shí)溫疊加法和分級(jí)等溫法等[1]。國內(nèi)土工合成材料蠕變特性的研究相對(duì)起步較晚，國內(nèi)最早的研究是王釗[2-3]在巖土工程學(xué)報(bào)上發(fā)表的《土工合成材料蠕變特性的試驗(yàn)研究》。郭軍輝等[4]通過開展室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)土工格柵在低溫條件下的蠕變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出土工格柵的蠕變性能受溫度影響很大，并且溫度越低蠕變值越小。近幾年，國外的學(xué)者對(duì)土工合成材料的蠕變性能也開展了大量研究工作[5-9]。

土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)中，筋土界面相互作用參數(shù)取值是否合理對(duì)加筋土工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[10-16]，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)或拉拔試驗(yàn)對(duì)土工格柵與不同土類的筋土界面參數(shù)的影響因素進(jìn)行了研究，探討了不同條件下筋土摩擦應(yīng)力的發(fā)展過程和規(guī)律。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工格柵加筋土筋土界面特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)和理論研究，試驗(yàn)手段主要以直剪和拉拔試驗(yàn)為主，研究的焦點(diǎn)多集中在剪切速率、邊界條件、填料特性及格柵的物理特性對(duì)筋土界面特性的影響。關(guān)于土工合成材料的蠕變研究則主要集中在土工合成材料的蠕變變形、材料強(qiáng)度影響及使用壽命方面的研究，而對(duì)于受蠕變和老化影響的加筋土筋土界面特性的研究以及對(duì)加筋土地基工作效應(yīng)影響的研究，還遠(yuǎn)未理解清楚。

本文選取強(qiáng)度不同的兩種聚丙烯雙向土工格柵，通過室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)及大型直剪試驗(yàn)，分析蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土的筋土界面工作性能的影響規(guī)律。

1 室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)

1.1 土工格柵

本文選用了兩種工程中常用的聚丙烯雙向土工格柵為BG1、BG2為研究對(duì)象，使用土工合成材料萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)土工格柵樣本進(jìn)行檢測，兩種格柵的基本力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 雙向土工格柵的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Mechanical property indexes of biaxial geogrids

1.2 蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)備

本文采用作者自行研制的蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)備(見圖1、圖2)開展室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)。蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)備主要由支承系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、加載系統(tǒng)四部分組成。其中支承系統(tǒng)由鋼結(jié)構(gòu)的工字鋼和角鋼通過螺栓連接而成。夾具系統(tǒng)主要由夾具鋼板內(nèi)側(cè)設(shè)置橡膠墊片防止加載過程中土工格柵在長期荷載作用下發(fā)生滑動(dòng)，用螺栓為夾具系統(tǒng)提供夾持力。夾具一端固定在支承系統(tǒng)上，另一端與加載系統(tǒng)連接。采用百分表量測土工格柵試樣的變形。在加載系統(tǒng)中，砝碼用來為試樣施加荷載。

圖1蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)
Fig.1Creeptestsystem

圖2土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)夾具與加持方法
Fig.2Methodoffixingthegeogrid

1.3 室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)方案

室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)方案根據(jù)《土工合成材料測試規(guī)程》(SL235-2012)要求制定，保持環(huán)境溫度為20±3 ℃，相對(duì)濕度為20 %～30 %。蠕變加載等級(jí)為土工格柵極限抗拉強(qiáng)度的20 %、30 %、40 %、60 %。采用砝碼緩慢而平滑的進(jìn)行加載，每經(jīng)過一定時(shí)間間隔對(duì)土工格柵的變形值進(jìn)行量測。蠕變變形量測的時(shí)間間隔為：1 min、2 min、4 min、8 min、12 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、10 h、20 h、50 h、100 h、200 h、300 h、400 h、500 h、600 h、700 h、800 h、900 h、1 000 h。

土工格柵蠕變應(yīng)變?yōu)殚L期荷載作用下土工格柵的變形量與土工格柵初始長度之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即：

其中：ε為土工格柵的應(yīng)變值( %)；Δl為土工格柵變形量(mm)；l為土工格柵初始長度(mm)。

1.4 室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

經(jīng)過不少于1 000 h的室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)，得到蠕變曲線見圖3、4。土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度(Ultimate Tensile Strength)用UTS表示。從圖中可以看出，BG1在荷載水平為20 %、30 %、40 %UTS條件下，荷載水平越高，蠕變應(yīng)變?cè)酱?；蠕變?yīng)變隨加載時(shí)間的延長逐漸趨于穩(wěn)定；荷載水平為40 %條件下，加載時(shí)長為1 000 h時(shí)，格柵的應(yīng)變?yōu)?.221 %；荷載水平為60 %UTS條件下，蠕變應(yīng)變隨時(shí)間延長突然增長，加載時(shí)長為600 h時(shí)，格柵發(fā)生突然斷裂，試驗(yàn)終止。BG2的蠕變曲線與BG1基本一致；荷載水平為40 %UTS時(shí)，加載時(shí)長為1 000 h時(shí)，蠕變應(yīng)變?yōu)?.940 %，略高于BG1；荷載水平為60 %UTS條件下，加載時(shí)長為70 h時(shí)，格柵發(fā)生突然斷裂。

荷載水平為20 %、30 %、40 %條件下，加載時(shí)長為1 000 h，兩種格柵BG1、BG2的應(yīng)變變化規(guī)律見圖5。

蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明：蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出非線性增長規(guī)律。在相同蠕變荷載水平下，與BG2土工格柵相比，BG1土工格柵達(dá)到的蠕變應(yīng)變更大一些。蠕變荷載水平、材料的拉伸強(qiáng)度等都是影響土工格柵蠕變特性的重要因素。

從安全的角度考慮，在工程應(yīng)用中土工格柵應(yīng)在荷載水平不高于40 %的條件下使用。

圖3土工格柵BG1應(yīng)變—時(shí)間曲線
Fig.3RelationshipbetweenthestrainandtimeforBG1

圖4土工格柵BG2應(yīng)變—時(shí)間曲線
Fig.4RelationshipbetweenthestrainandtimeforBG2

圖5 BG1、BG2在蠕變1 000 h時(shí)的等時(shí)蠕變曲線Fig.5 Isochronous creep curves at creep 1 000 h for BG1 and BG2

2 土工格柵加筋土界面特性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

本文中針對(duì)兩種聚丙烯雙向土工格柵在不同加載等級(jí)下的蠕變1 000 h后的試樣及未蠕變的試樣進(jìn)行對(duì)比，通過直剪試驗(yàn)研究其蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土界面特性的影響規(guī)律。由于蠕變加載等級(jí)為60 %的兩種格柵均在不足1 000 h時(shí)發(fā)生斷裂，故選取蠕變等級(jí)為20 %、30 %、40 %UTS及未蠕變土工格柵與未加筋土工格柵進(jìn)行對(duì)比。

考慮土工格柵的蠕變作用效應(yīng)對(duì)加筋土界面特性參數(shù)的影響，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，大型直剪試驗(yàn)中的填料選用標(biāo)準(zhǔn)干砂。其物理性質(zhì)指標(biāo)為：粒徑<0.1 mm的顆粒占總質(zhì)量的0.015 %；粒徑在0.1～0.25 mm之間的顆粒占0.5 %；粒徑在0.25～0.5 mm之間的顆粒占58 %；粒徑在0.5～1 mm的顆粒占41 %；粒徑在1～2 mm之間的顆粒占0.16 %；大于2 mm的顆粒占0.33 %。標(biāo)準(zhǔn)干砂抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力c=0，內(nèi)摩擦角φ=17.78°，試驗(yàn)時(shí)相對(duì)密實(shí)度為70 %。標(biāo)準(zhǔn)砂的物理指標(biāo)列于表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)用砂物理指標(biāo)Tab.2 Physical property indexes of testing sand

2.2 直剪試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)中所采用設(shè)備為美國Geocomp公司生產(chǎn)的ShearTracⅢ大型直剪儀，見圖6。該儀器可自動(dòng)完成土和土工格柵直剪試驗(yàn)，確定土和土工格柵的表面摩擦特性以及內(nèi)摩擦力。

2.3 直剪試驗(yàn)方案

開展剪切試驗(yàn)時(shí)，下剪切盒內(nèi)置入剛性墊塊，與下剪切盒高度一致，裁剪好的土工格柵試樣一端固定于下盒表面，平鋪在剛性墊塊上。采用落雨法將標(biāo)準(zhǔn)砂分層擊實(shí)置于上盒中，每層擊實(shí)后的高度控制在2 cm。試驗(yàn)中的豎向應(yīng)力采用3個(gè)豎向應(yīng)力分別為25 kPa、50 kPa、75 kPa。剪切速率為0.5 mm/min，剪切位移達(dá)到45 mm時(shí)試驗(yàn)終止。

2.4 直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖7、圖8分別為雙向土工格柵BG1、BG2在未蠕變、20 %UTS、30 %UTS、40 %UTS下每個(gè)法向應(yīng)力作用下剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。圖9為標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果。

(a) 未蠕變

(c) 30 %UTS

圖7BG1試樣τ-δ曲線
Fig.7CurveofτvsδforthesampleofBG1

(a) 未蠕變

(c) 30 %UTS

圖8BG2試樣τ-δ曲線
Fig.8CurveofτvsδforthesampleofBG2

圖9 標(biāo)準(zhǔn)砂試樣τ-δ曲線Fig.9 Curve of τ vs δ for the sample of pure sand

通過對(duì)各組試樣的大型直剪試驗(yàn)，得到土工格柵筋土界面的剪應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，取峰值剪應(yīng)力或穩(wěn)定值作為破壞點(diǎn)，繪制破壞點(diǎn)剪應(yīng)力與垂直壓應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，即通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸擬合得到直剪試樣的豎向壓應(yīng)力與剪應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(如圖10、11)，從中進(jìn)一步便可得到筋土界面的參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖10BG1土工格柵加筋土τ-σ曲線
Fig.10RelationshipbetweenτandσforBG1

圖11BG2土工格柵加筋土τ-σ曲線
Fig.11RelationshipbetweenτandσforBG2

土工格柵對(duì)加筋土筋土界面特性的影響主要體現(xiàn)在對(duì)黏聚力的提高上，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大。與未蠕變的土工格柵加筋土相比，不同加載等級(jí)下的蠕變作用對(duì)筋土界面特性的影響也主要體現(xiàn)在對(duì)黏聚力的降低上，見表3。

表3 蠕變加載等級(jí)對(duì)黏聚力的影響Tab.3 Influence of cohesion on creep loading grade

3 討 論

3.1 土工格柵蠕變特性

蠕變作用隨著加載等級(jí)的增加、時(shí)間的延長逐漸增加。兩種格柵在60 %加載等級(jí)下，加載過程中均發(fā)生了突然斷裂，這表明格柵在長期荷載作用下，在遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度的加載等級(jí)下不能承載而發(fā)生破壞，在工程中格柵實(shí)際受力不應(yīng)超過40 %。

與其他學(xué)者的研究成果對(duì)比，與本次試驗(yàn)有較好的一致性，即加載等級(jí)為20 %、30 %、40 %條件下加載1 000 h土工格柵的蠕變值逐漸趨于穩(wěn)定。與單向土工格柵相比，聚丙烯雙向土工格柵蠕變作用更小，在長期荷載作用下更穩(wěn)定。

3.2 蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土界面特性的影響

土工格柵在土中起到提高土體抗剪強(qiáng)度的作用，在工作過程中主要承受拉力作用。在長期荷載作用下，由高分子聚合物為主要材料的土工格柵將產(chǎn)生蠕變作用。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于聚丙烯雙向土工格柵，蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土筋土界面特性的影響主要體現(xiàn)為黏聚力的降低，與未蠕變的土工格柵加筋土的黏聚力相比，土工格柵BG1在加載等級(jí)為20 %、30 %、40 %UTS條件下，加載時(shí)長為1 000 h時(shí)，黏聚力的降低分別為12 %、17 %、28 %；土工格柵BG2在加載等級(jí)為20 %、30 %、40 %UTS條件下，加載時(shí)長為1 000 h時(shí)，黏聚力的降低分別為7 %、16 %、26 %；蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土的內(nèi)摩擦角影響不大。在加筋前后砂土試樣的內(nèi)摩擦角基本未發(fā)生改變；雙向土工格柵增加了土體的黏聚力，從而提高土體抗剪強(qiáng)度；筋材蠕變加載等級(jí)越高，黏聚力下降得越多。

土工格柵加筋土的筋土界面摩阻力主要由三部分組成:縱肋條與土的摩擦力、橫肋條與土的摩擦力、橫肋條及節(jié)點(diǎn)與土的咬合力，蠕變作用的產(chǎn)生使縱肋條變細(xì)、橫肋條之間的間距增大、節(jié)點(diǎn)變薄，使得筋土界面的黏聚力降低。

4 結(jié)論

本文通過開展土工格柵室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)及加筋土大型直剪試驗(yàn)，探討了蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土筋土界面特性的影響規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

① 在同樣的加載等級(jí)下，初始抗拉強(qiáng)度較低土工格柵的蠕變變形較初始抗拉強(qiáng)度較高的土工格柵蠕變應(yīng)變略小。

② 不同強(qiáng)度的雙向土工格柵受蠕變作用的影響產(chǎn)生的筋土界面特性的變化有差別，在相同的加載等級(jí)下，初始抗拉強(qiáng)度較高的土工格柵蠕變作用的影響略小于初始抗拉強(qiáng)度較低的土工格柵。

③ 蠕變作用對(duì)土工格柵加筋土的內(nèi)摩擦角影響不大，不超過3 %。

④ 土工格柵在長期荷載作用下，蠕變作用使肋條變細(xì)，肋條之間的間距增大，節(jié)點(diǎn)變薄，導(dǎo)致筋土界面的黏聚力產(chǎn)生下降。土工格柵蠕變加載等級(jí)越高，加筋土筋土界面黏聚力下降越多。加載等級(jí)為40 %UTS時(shí)，土工格柵加筋土筋土界面黏聚力的降低約為未蠕變格柵加筋土的30 %。