土工合成材料拉伸特性試驗研究

蔡曉光，劉巍巍，李思漢，黃 鑫,5，張 黎

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 地質(zhì)工程學(xué)院，河北 三河 065201； 2.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201； 3.河北省地震災(zāi)害防御與風(fēng)險評價重點實驗室，河北 三河 065201； 4.奧來國信(北京)檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 101318； 5.中國地震局工程力學(xué)研究所,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

土工合成材料用作加筋土結(jié)構(gòu)的加筋材料時，從土層中傳遞過來的荷載可通過材料自身的抗拉強度來承擔(dān)，從而實現(xiàn)其加筋作用[1-2]。土工合成材料抗拉強度和變形特征是其性能的重要評價指標(biāo)[3]。土工合成材料拉伸試驗一般在無側(cè)限壓力的空氣中完成，測得的材料拉伸強度與實際其在土中側(cè)限壓力下的強度有所不同[4]。上覆荷載大小和拉伸速度是影響材料在土介質(zhì)中拉伸性能的主要要素[5]。

許多學(xué)者關(guān)于此問題開展相關(guān)研究。周萍等[6]研究了拉伸速率、上覆荷載對筋材力學(xué)特性的影響，得出土的側(cè)限作用會使材料的割線模量明顯提高的結(jié)論。王家全等[7]對土工合成材料拉伸強度進(jìn)行了一些研究，通過室內(nèi)試驗研究了上覆壓力、拉伸速率對其的影響，結(jié)果表明：增加拉伸速率及上部荷載可顯著提高土工格柵的極限拉伸強度。丁金華[8]開展側(cè)限約束條件下單向土工格柵拉伸試驗，試驗結(jié)果表明：材料延伸率相較于不受約束時明顯減小，脆性更加顯著。楊廣慶[9-10]研究了土工格柵的拉伸強度受拉伸速度、上覆荷載及填料類型的影響。從眾多學(xué)者研究成果可知：側(cè)限約束對筋材的拉伸強度存在影響，但在空氣中測得的筋材拉伸強度是否能應(yīng)用到土體介質(zhì)中還沒有統(tǒng)一的解答。故筋材處于側(cè)限約束下的力學(xué)性能還需進(jìn)一步研究。

本研究采用自制多功能土工合成材料拉伸試驗儀進(jìn)行3種土工合成材料拉伸試驗，主要研究上覆加載和拉伸速度對其拉伸特性的影響。試驗結(jié)果對筋材參數(shù)設(shè)計取值有借鑒意義。

1 試驗設(shè)備及試驗材料

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用的自制多功能拉伸試驗儀如圖1所示，由模型箱、豎向加載裝置、水平拉力加載裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成。模型箱符合ASTM D6706規(guī)范[11]，三側(cè)箱壁均采用鋼板，一側(cè)箱壁采用鋼化玻璃。豎向加載通過自平衡反力架及油壓千斤頂來完成。水平拉力加載裝置主要由伺服電動機、減速機、螺旋絲桿、轉(zhuǎn)換接頭及夾具組成，加載方式為應(yīng)變控制，可精準(zhǔn)控制拉伸速率。數(shù)據(jù)收集使用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司制造的DH3820采集儀。試驗設(shè)備的相關(guān)參數(shù)如表1所示。該套設(shè)備可通過控制拉伸速率、夾持方式和加載方式開展不同介質(zhì)下土工合成材料的拉伸、拉拔和蠕變等試驗。

圖1 模型試驗設(shè)備Fig.1 Model test equipment

表1 試驗設(shè)備主要參數(shù)

1.2 試驗材料

本試驗采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為回填料，其顆粒級配曲線和相關(guān)力學(xué)參數(shù)見圖2和表2。試驗筋材采用塑料土工格柵、雙向經(jīng)編土工格柵及格賓網(wǎng)3種不同類型的土工合成材料，依次標(biāo)號為G1、G2、G3，3種土工合成材料基本尺寸參數(shù)見表3。

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve

表2 標(biāo)準(zhǔn)砂物理力學(xué)指標(biāo)

表3 三種土工合成材料的力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗方案

本次試驗主要研究周圍介質(zhì)條件及拉伸速率對土工合成材料力學(xué)性的影響情況。根據(jù)《公路工程土工合成材料試驗》等規(guī)范規(guī)定[12-14]，取名義夾持長度的(20%±1%)mm/min作為拉伸速度。試驗工況見表4。

表4 試驗工況

2 試驗結(jié)果分析

2.1 上覆荷載對筋材力學(xué)特性的影響

圖3 各垂直應(yīng)力下土工合成材料拉伸強度曲線 (拉伸速率247 mm/min)Fig.3 Tensile strength curves of geosynthetics under different vertical stresses (247 mm/min tensile speed)

圖4 各垂直應(yīng)力下土工合成材料割線模量隨伸長率的 變化曲線(拉伸速率247 mm/min)Fig.4 Curves of secant modulus of geosynthetics varying with elongation rate under different vertical stresses (247 mm/min extension rate)

3種筋材拉伸強度-伸長率和割線模量-伸長率的變化曲線見圖3和圖4。由上述兩幅圖可知，與在空氣中拉伸相比，不同豎向荷載約束條件對筋材力學(xué)特性具有明顯影響。以伸長率2%為例，上覆荷載為5，20，40 kPa及60 kPa時，單位寬度下拉伸強度與在空氣中相比，G1型筋材分別增長了8.5%，36.1%，39.5%及37.9%，G2型筋材分別增長了25.3%，56%，55.1%及50.6%，G3型筋材分別增長了87%，96%，97%及96%。土工合成材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在砂土約束的情況下，其彈塑性特征得以清晰展現(xiàn)出來，通過與不受約束下的材料對比發(fā)現(xiàn)，土工合成材料在側(cè)限約束下的應(yīng)力應(yīng)變曲線大部分均處在無約束情況時的上端，不受約束時的割線模量值小于側(cè)限約束下的值，故土工合成材料受到側(cè)限約束時，較小的應(yīng)變也會表現(xiàn)出更高的拉伸強度；土工合成材料受到側(cè)向約束時，隨著所施加上部荷載的增加，格柵的割線模量也隨之增加，其產(chǎn)生的應(yīng)變反而減小。

為了定量分析土工合成材料在側(cè)限約束條件下力學(xué)性質(zhì)的變動情況，將筋材在側(cè)限約束條件下的力學(xué)參數(shù)和在不受約束時測的試驗值進(jìn)行比較，引入無量綱因子ξ表示兩者之間的差異，并且定義強度相對變化率ξT式(1)為：

(1)

式中，F(xiàn)c為側(cè)限拉伸強度；Fun-c為無側(cè)限拉伸強度。

圖5 各垂直壓力下土工合成材料力學(xué)參數(shù)相對變化率 (拉伸速度247 mm/min)Fig.5 Relative change rates of mechanical parameters of geosynthetics under different vertical pressures (247 mm/min tensile speed)

得出土工合成材料在各垂直壓力下的拉伸強度后，繪制出豎向加載-相對變化率曲線如圖5所示。在砂土約束條件下，單向塑料土工格柵和雙向經(jīng)編土工格柵在拉伸速率為247 mm/min時的拉伸強度比無約束情況時大，雙向經(jīng)編土工格柵在一定條件下的強度相對變化率高達(dá)76%；格賓網(wǎng)的拉伸強度在受側(cè)限約束時略有降低。另一方面，與無側(cè)限約束情況時的相比，土工合成材料伸長率在受側(cè)限約束時相對較小，隨著荷載的增加，降低程度也較大[15]；格賓網(wǎng)降低更大，最大達(dá)到84%。土工合成材料在側(cè)限約束條件下的割線模量隨上部加載的增加而增加。60 kPa時，雙向經(jīng)編土工格柵的割線模量相對變化率是138%；40 kPa時，格賓網(wǎng)卻為467%。由于不同筋材網(wǎng)格尺寸、材料性質(zhì)等會影響筋材和土的交互作用，故不同土工合成材料的拉伸特性受側(cè)限約束條件的影響程度并非一樣[16-17]。

在指定上覆荷載下，為探究土工合成材料拉伸強度變化情況，將以上3種材料的拉伸強度與上覆荷載的關(guān)系進(jìn)行回歸，得出線性回歸方程如表5所示。在已知上部荷載的情況下，土工格柵的拉伸強度可由此回歸方程獲得。

表5 拉伸強度與上覆荷載的回歸方程

2.2 拉伸速率對筋材力學(xué)特性的影響

圖6 不同拉伸速率下拉伸強度曲線(上覆荷載40 kPa)Fig.6 Tensile strength curves under different tensile rates (40 kPa overburden load)

圖6分別為不同拉伸速率作用下，上覆荷載為40 kPa時，3種筋材土中拉伸強度隨伸長率的變化曲線圖。由圖可知：拉伸強度隨著拉伸速率的增加而增加。通常土中拉伸的屈服段在不同拉伸速度下會有明顯的區(qū)別，即屈服過程會隨著拉伸速度的減小而變長，與最大單寬負(fù)荷對應(yīng)的應(yīng)變也將隨之增大。

圖7 各拉伸速度下的筋材峰值應(yīng)變Fig.7 Peak strain of geosynthetics under different tensile rates

豎向荷載40 kPa時、不同拉伸速度下的G1型、G2型及G3型筋材峰值應(yīng)變與拉伸速度的關(guān)系曲線如圖7所示，由圖可得，增大拉伸速率，峰值應(yīng)呈減小的趨勢[18]。圖8和圖9分別為豎向荷載為40 kPa 時，G1型筋材在不同拉伸速度條件下，2%應(yīng)變、5%應(yīng)變及峰值應(yīng)變對應(yīng)拉伸強度和割線模量同拉伸速度的關(guān)系曲線，由圖可知，拉伸強度及割線模量隨著拉伸速度的增加呈遞增趨勢。

圖8 單向塑料土工格柵拉伸強度與拉伸速度的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between tensile strength and tensile rate of unidirectional plastic geogrid

圖9 單向塑料土工格柵割線模量與拉伸速度的關(guān)系Fig.9 Relationship between secant modulus and tensile rate of unidirectional plastic geogrid

通過不同拉伸速度前提下得出的土工合成材料拉伸強度，拉伸速度-相對變化率變化曲線由公式(1)整理得出，如圖10所示。在上覆荷載為40 kPa時，單向塑料土工格柵和雙向經(jīng)編土工格柵在不同拉伸速率下的拉伸強度比無約束時高。雙向經(jīng)編土工格柵在拉伸速率為200 mm/min的強度相對變化率為56%。拉伸速率不同時，格賓網(wǎng)在側(cè)限約束下的拉伸強度略有減小。此外，無論拉伸速率多大，土工合成材料的伸長率在豎向荷載40 kPa時均降低，但降低幅度不大。由割線模量的相對變化率曲線可知，割線模量在40 kPa荷載約束條件下的值比在不受約束時的值大。拉伸速率為200 mm/min時，雙向經(jīng)編土工格柵的強度相對變化率為121%。

圖10 土工合成材料在各拉伸速度下的拉伸應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系(上覆荷載40 kPa)Fig.10 Tensile stress-strain relationship of geosynthetics at different tensile speeds (40 kPa overburden load)

3 結(jié)論

本研究基于自主研發(fā)多功能拉伸試驗儀，開展土工合成材料在側(cè)限條件下的拉伸試驗，歸納總結(jié)其破壞模式，探討筋材力學(xué)特性受上覆荷載、拉伸速率的影響情況，歸納總結(jié)如下：

(1)側(cè)限約束條件下，筋材的力學(xué)性能會有明顯改變。筋材網(wǎng)格尺寸、材料性質(zhì)等會影響筋材與土的相互作用，故不同土工合成材料的拉伸特性受側(cè)限約束條件的影響程度并不完全趨于一致。

(2)有側(cè)限約束時，各拉伸速率下單向塑料土工格柵和雙向經(jīng)編土工格柵拉伸強度比無約束時高；格賓網(wǎng)的拉伸強度稍有降低。側(cè)限約束時，各拉伸速率下的土工合成材料伸長率均比不受約束時的小，割線模量卻比不受約束時的大。