低溫環(huán)境下短纖針刺土工布頂破性能與機(jī)理研究

鄭曉國，陳隆杰

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋?qū)W院，浙江 杭州 311112；2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院)

由于短纖針刺土工布具有重量輕、滲透性好、抗拉強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、抗冷凍、耐候性等特點(diǎn)；具有加筋、排水、過濾、隔離、封閉、防護(hù)作用，被廣泛應(yīng)用于路基加筋、邊坡防護(hù)、公路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)動館、圍墾、隧洞、碼頭等工程領(lǐng)域。但是,短纖針刺土工布應(yīng)用于工程建設(shè)時(shí)，常埋置于巖、土體中，當(dāng)巖、土體發(fā)生位移，尤其碰到石塊、堅(jiān)硬土塊時(shí)土工布受力超過其頂破強(qiáng)度，土工織物極易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生斷裂破壞，對巖、土體整體的隔離、加筋、防護(hù)等造成較大影響，給工程建設(shè)埋下一定的隱患，并且深埋或者表面覆蓋的土工織物受自然條件影響，處于不同含水率狀態(tài)，負(fù)溫環(huán)境會對其頂破特性同樣產(chǎn)生較大影響，因此，對于公路邊坡防護(hù)、路基加筋等工程而言，短纖針刺土工布頂破性能的研究非常重要。

頂破特性是土工織物重要的力學(xué)特征之一，目前成為路基的加筋、邊坡防護(hù)、軟基與路基隔離、碎石排水暗溝濾層、水工建筑的隔離等工程重要檢測指標(biāo)之一。之前不少學(xué)者在土工織物的頂拉伸性能方面進(jìn)行了一定的研究，但是都未考慮溫度因素對土工織物的影響。劉路路等將負(fù)溫因素考慮在內(nèi)，研究了不同含水量下短纖針刺土工布在負(fù)溫環(huán)境下的抗拉性能，但未涉及頂破特性。還有一些學(xué)者對土工織物的頂破性能進(jìn)行了一定的研究，但是都未考慮負(fù)溫的影響。例如，儲才元等基于拉伸應(yīng)力與主模量夾角函數(shù)、最小斷裂伸長率和試樣尺寸等參數(shù)，推導(dǎo)得出了土工織物頂破強(qiáng)力計(jì)算公式；張?zhí)礻柕冉柚鶤baqus對土工織物的頂破過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，從宏觀與微觀角度深入分析了頂破土工織物的應(yīng)力應(yīng)變分布、能量吸收機(jī)制以及摩擦作用的影響；朱靜等分析了頂破鋼球直徑、頂破速度和夾環(huán)半徑對織物頂破強(qiáng)力的影響；焦亞楠等通過試樣研究得到，當(dāng)模壓溫度為170 ℃、保溫時(shí)間為40 min時(shí)，亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的頂破性能達(dá)到最優(yōu)。

基于以上對土工織物的研究總結(jié)，低溫環(huán)境下短纖針刺土工織物頂破性能的研究少之又少，并且短纖針刺土工布頂破性能對實(shí)際工程的應(yīng)用研究具有重要作用，所以該文分別在含水率為0%、5%、15%、30%、50%、80%，試驗(yàn)溫度為20(常溫)、0、-3、-6、-9、-12 ℃條件下進(jìn)行頂破強(qiáng)力試驗(yàn)，得到不同含水率條件下頂破強(qiáng)力與溫度預(yù)測方程，同時(shí)分析頂破強(qiáng)力增量隨著溫度的變化趨勢，闡述負(fù)溫環(huán)境下短纖針刺土工織物頂破的變形機(jī)理與雙峰值機(jī)理。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 頂破儀器

頂破儀器采用YG031P型土工織物試驗(yàn)機(jī)，強(qiáng)力測試范圍為0～6 000 N，測力精度<±0.2%，沖破下降速度為100 mm/min，沖破最大下降動程為120 mm，有效最大頂破動程為90 mm，傳動方式為單獨(dú)雙速電動機(jī)傳動。

1.2 試樣制備與方法

圖1為短纖針刺土工布頂破破壞試樣及YG031P

圖1 短纖針刺土工布試樣及試驗(yàn)機(jī)

型土工織物頂破試驗(yàn)機(jī)。

2 頂破強(qiáng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 頂破強(qiáng)力分析

按照1.2節(jié)的試驗(yàn)步驟，將含水率為0%、5%、15%、30%、50%、80%的短纖針刺土工布試樣分別在試驗(yàn)溫度20、0、-3、-6、-9、-12 ℃的條件下進(jìn)行頂破強(qiáng)力試驗(yàn)，得出不同含水率與試驗(yàn)溫度條件下頂破強(qiáng)力平均值如表1所示。

表1 頂破強(qiáng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

注：括號中數(shù)據(jù)為不同溫度和含水率下試樣試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。

由表1可知：當(dāng)溫度為室溫，土工布含水率從干燥狀態(tài)增加到80%，頂破強(qiáng)力僅減少0.09 kN，說明常溫環(huán)境下含水率對其頂破強(qiáng)力程度影響較小，主要原因在于含水率增加，土工布內(nèi)部聚合物分子之間的摩擦牽引作用降低，但是從試驗(yàn)結(jié)果看來，降低程度較小，對其聚合物分子之間的牽拉作用影響甚微。然而，當(dāng)試驗(yàn)溫度從20 ℃降低到-12 ℃，6種含水率工況下，土工布頂破強(qiáng)力分別增加0.88、0.91、0.94、1.07、1.16 kN。當(dāng)溫度處于0 ℃以下，土工布頂破強(qiáng)力隨溫度的降低反而增加。當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著含水率的增加，頂破強(qiáng)力逐漸增加。當(dāng)溫度位于0～-3 ℃范圍波動時(shí)，增長趨勢不明顯；當(dāng)溫度達(dá)到-9 ℃，增長趨勢顯著，尤其當(dāng)溫度達(dá)到-12 ℃，相比于干燥狀態(tài)的短纖針刺土工布，頂破強(qiáng)力增加6.8%。分析其主要原因是，負(fù)溫下的短纖針刺土工布要克服外力達(dá)到頂破破裂，首先要打破聚合物分子之間的冰體連接強(qiáng)度，然后再克服聚合物分子之間的連接強(qiáng)度，冰體強(qiáng)度隨著溫度降低，越來越“硬”(但是當(dāng)溫度低于某個值時(shí)，冰體強(qiáng)度不再增加)，而且聚合物顆粒之間的連接力同樣增加，活動性降低，需要更大的外界做功才能打破顆粒之間的連接作用達(dá)到頂破土工布的效果，所以土工布對外表現(xiàn)出頂破強(qiáng)度提高，這與劉路路的負(fù)溫環(huán)境土工布的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果類似。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，當(dāng)函數(shù)類型為拋物線時(shí)，回歸分析效果最好，得到短纖針刺土工布在不同含水率條件下頂破強(qiáng)力與負(fù)溫的擬合方程為：

F=aT2+bT+c

(1)

式中：F為頂破強(qiáng)力(kN)；T為溫度(℃)；a、b、c為擬合系數(shù)。

利用式(1)對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖2，擬合方程與參數(shù)見表2。

圖2 不同含水率下頂破強(qiáng)力與溫度關(guān)系曲線

表2 頂破強(qiáng)力與溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

由表2可以看出：擬合方程相關(guān)系數(shù)較高，可以對相關(guān)工程及土工布再加工提供一定的參考，土工布的加工過程，要考慮低溫的影響。

2.2 頂破強(qiáng)力損失量分析

以室溫(20 ℃)下短纖針刺土工布的頂破強(qiáng)力為基準(zhǔn)，為了更加全面地描述不同含水率下低溫環(huán)境對短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力的影響，提出短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力增量(DI)概念：

DI=(F-F20 ℃)/F20 ℃

(2)

式中：F20 ℃為室溫20 ℃下對應(yīng)的頂破強(qiáng)力(kN)。

分別對不同含水率與試驗(yàn)溫度下的頂破強(qiáng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同含水率下頂破強(qiáng)力增量與溫度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知：① 與室溫條件下短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力相比較而言，從整體上可以看出在不同含水率條件下，土工布頂破強(qiáng)力增量隨著溫度降低呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，溫度越低，頂破強(qiáng)力增量越大；② 當(dāng)溫度處于負(fù)溫環(huán)境下，土工布含水率越高，頂破強(qiáng)力增量越大。

圖3 頂破強(qiáng)力增量與溫度關(guān)系曲線

3 短纖針刺土工布頂破機(jī)理分析

短纖針刺土工布主要由滌綸、丙綸與維綸組成，多孔隙，從微觀角度來看，通過聚合物分子鏈之間的連接，該文建立了如圖4、5所示在負(fù)溫和常溫下短纖針刺土工布頂破破壞過程內(nèi)部機(jī)理變化圖，破壞變形主要分為3個階段:彈性變形、塑性變形、破壞階段。

圖4 負(fù)溫下短纖針刺土工布變形機(jī)理圖

圖5 常溫下短纖針刺土工布變形機(jī)理圖

圖4、5中，eef為負(fù)溫下土工布彈性變形量；epf為負(fù)溫下土工布塑性變形量；eeu為常溫下土工布彈性變形量，epu為常溫下土工布塑性變形量。

當(dāng)頂破試驗(yàn)時(shí)間相同，eef

從頂破試驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)含水率增加時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線會出現(xiàn)兩個峰值強(qiáng)度，并且含水率越高第一個峰值強(qiáng)度越明顯，原因在于不僅僅要克服土工布聚合物分子鏈之間的連接強(qiáng)度，還要克服冰體分子之間的連接強(qiáng)度，由于冰體分子之間接觸更加緊密，所以首先打破冰體分子之間的連接，出現(xiàn)第一個峰值強(qiáng)度，此時(shí)聚合物分子鏈還未啟動，雖然應(yīng)變增加，但應(yīng)力隨之下降，之后土工布開始承擔(dān)外力，總頂破強(qiáng)力又逐漸上升，達(dá)到聚合物分子鏈的峰值強(qiáng)度直至破壞。

4 結(jié)論

(1) 建立了不同含水率與溫度條件下的短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力預(yù)測方程，可以為實(shí)際工程提供參考。

(2) 短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力損失量隨著溫度降低呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，土工布含水率越高，頂破強(qiáng)力損失量越大，溫度越低，頂破強(qiáng)力增量越大。

(3) 短纖針刺土工布頂破變形主要分為3個階段：彈性變形、塑性變形、破壞階段。負(fù)溫環(huán)境下頂破試驗(yàn)雙峰強(qiáng)度的出現(xiàn)主要在于外力不僅要克服土工布聚合物分子鏈之間的連接強(qiáng)度，還要克服冰體分子之間的連接強(qiáng)度。