PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的拉伸性能

劉錄良，喬建剛，竇遠(yuǎn)明

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401）

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)，土工合成材料在巖土工程和土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，有時(shí)候極端天氣也會(huì)導(dǎo)致一些巖土工程問(wèn)題的出現(xiàn)。例如大量降雨引起了部分公路邊坡的損毀。在土工合成材料中，由于具有價(jià)格低、強(qiáng)度高、韌性好、耐化學(xué)及微生物性好等優(yōu)點(diǎn)，高密度聚乙烯(PE–HD)植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。PE–HD的硬度、拉伸強(qiáng)度和蠕變性均較強(qiáng)。近年來(lái)，以PE–HD的高分子聚合物片材為主要材料的纖維土工網(wǎng)成為一種新興的有效加固措施。PE–HD 料經(jīng)過(guò)機(jī)械設(shè)備的特定生產(chǎn)方法加工，即可得到PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)。PE–HD 單層土工網(wǎng)具有防滲與隔離性能良好、結(jié)晶度高、樹(shù)脂密度大、化學(xué)物理穩(wěn)定性?xún)?yōu)、抗拉性能較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為邊坡防護(hù)的重要材料[1]。根據(jù)構(gòu)成材料形式的不同，PE–HD 纖維單層土工網(wǎng)的分類(lèi)越來(lái)越多，能夠廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，特別是對(duì)生態(tài)環(huán)境要求比較高的區(qū)域，可以將單層土工網(wǎng)材料和其它景觀花草樹(shù)木進(jìn)行結(jié)合，防止暴雨沖刷等惡劣天氣帶來(lái)的水土流失，達(dá)到土壤固結(jié)和防護(hù)邊坡的效果。

A.Vega 等[2]在進(jìn)行的單層土工網(wǎng)蠕變實(shí)驗(yàn)中研究出不同單層土工網(wǎng)的平面內(nèi)變形特性與單層土工網(wǎng)的尺寸有一定的關(guān)聯(lián)。王曉春等[3]在對(duì)三維加筋生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)研究中指出PE–HD 纖維單層土工網(wǎng)可以幫助植被根系在岸坡表層形成良好的加筋層，通過(guò)與邊坡土體更緊密地結(jié)合可以減少水土的流失。F.Vahedifard 等[4]評(píng)估了單層土工網(wǎng)對(duì)含水量非常高的輕微粘固土壤的試驗(yàn)，研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，單層土工網(wǎng)能夠加強(qiáng)不同含水量的軟粘土體的承載能力。K.Dek 等[5]通過(guò)單層土工網(wǎng)與粉土直剪實(shí)驗(yàn)與固結(jié)實(shí)驗(yàn)得出單層土工網(wǎng)能夠減少基礎(chǔ)的不均勻沉降。王廣月等[6]進(jìn)行了三維單層土工網(wǎng)防護(hù)邊坡的整體穩(wěn)定性分析，指出單層土工網(wǎng)可以提高邊坡的整體穩(wěn)定性。肖成志等[7]基于水力學(xué)和河流動(dòng)力學(xué)的基本原理，指出了三維單層土工網(wǎng)可以有效降低坡腳雨水的流速。

雖然以上的研究都指出了PE–HD 纖維單層土工網(wǎng)在應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是并未全面在材料受力的視角下研究PE–HD 纖維植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的拉伸特性，需要更深入地研究PE–HD 土工材料的拉伸性能。筆者對(duì)PE–HD 單層土工網(wǎng)與植被網(wǎng)的拉伸性能進(jìn)行研究。通過(guò)采用拉伸試驗(yàn)裝置，對(duì)單層土工網(wǎng)與植被網(wǎng)的拉伸指標(biāo)特性開(kāi)展試驗(yàn)，采集相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)研究，為單層土工網(wǎng)與植被網(wǎng)的工程應(yīng)用提供一定的經(jīng)驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 主要材料

PE–HD 纖維植被網(wǎng)：PE–HD 纖維植被網(wǎng)大多由最下面一層平網(wǎng)、中間一層拉伸網(wǎng)、上面一層起泡網(wǎng)組成，山東宏祥材料公司；

單層土工網(wǎng)：擠塑編織而成，型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1,山東宏祥材料公司。

表1 單層土工網(wǎng)型號(hào)及各參數(shù)

1.2 設(shè)備

拉伸試驗(yàn)裝置：MTS–CMT型，該試驗(yàn)裝置的測(cè)量范圍為20 N～5 000 kN，該試驗(yàn)儀器的加載速率能夠控制，示值精度不大于0.5 N，天津北洋研究院。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

試樣制備前，在溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±5)%條件下靜置不少于24 h。試樣的數(shù)量為縱向和橫向各采取至少5 個(gè)試樣，試樣的縱向取長(zhǎng)度和取寬度均為(200±1) mm。試樣的橫向取長(zhǎng)度和寬度均為(200±1) mm。PE–HD 纖維植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的寬條拉伸試驗(yàn)所使用的方法是松式夾持試樣法。依據(jù)《公路工程土工合成材料單層土工網(wǎng)》、《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)單層土工網(wǎng)和植被網(wǎng)的拉伸速率要求[8]，試驗(yàn)的等速拉伸速率[9]是200 mm／min。試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中要確保試樣的長(zhǎng)度方向同加載設(shè)備的外加載荷方向平行。試樣夾持的長(zhǎng)度是100 mm。兩種試樣縱向進(jìn)行5組平行試驗(yàn)，橫向進(jìn)行5 組平行試驗(yàn)，測(cè)出試樣的拉伸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀察試樣的破壞特征?；谠嚇拥牟煌扉L(zhǎng)率的條件下，所對(duì)應(yīng)拉伸力的數(shù)值采取平均值，獲得相關(guān)條件下的曲線(xiàn)。拉伸性能是土工合成材料使用過(guò)程中的不可或缺的參數(shù)，可以理解成土工合成材料對(duì)抗拉伸外力過(guò)程中的防止斷裂能力。當(dāng)試樣斷裂面的中間部位存在一條寬大的縫隙，其方向垂直于施加荷載的平面，可以停止試驗(yàn)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。若在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中試樣的兩端提前脫出，則需要重新進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果和討論

2.1 PE–HD 纖維植被網(wǎng)拉伸試驗(yàn)

植被網(wǎng)縱向和橫向試樣在拉伸開(kāi)始時(shí)從整個(gè)拉伸變形到逐漸變細(xì)，材料表面的凹凸層可看到逐漸的屈服，可聽(tīng)出斷裂發(fā)出的聲響。PE–HD 植被網(wǎng)可觀測(cè)到位于中部的兩個(gè)方向拉伸試樣逐漸沿著試樣的水平方向網(wǎng)格破壞，只有夾具邊緣的植被網(wǎng)隨著受力的增加而伸長(zhǎng)。當(dāng)植被網(wǎng)進(jìn)行縱向拉伸試驗(yàn)時(shí)，可以觀測(cè)到整個(gè)植被網(wǎng)是隨著網(wǎng)孔的斜向受拉。試樣開(kāi)始破裂后，大部分在網(wǎng)孔焊接點(diǎn)的部位慢慢破裂。個(gè)別試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，如果植被網(wǎng)試樣初始應(yīng)力載荷稍有不均勻，則植被的斷裂位置會(huì)和受力的方向稍有偏斜。PE–HD 植被網(wǎng)的單次縱向、橫向拉伸破壞照片如圖1～圖2 所示。

圖1 PE–HD 植被網(wǎng)的單次試驗(yàn)縱向拉伸

圖2 PE–HD 植被網(wǎng)的單次試驗(yàn)橫向拉伸

當(dāng)植被網(wǎng)進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)時(shí)，可以觀測(cè)到整個(gè)植被網(wǎng)是隨著單層土工網(wǎng)孔洞的逐漸增大，植被網(wǎng)逐步發(fā)生破裂。試驗(yàn)夾具邊緣的植被網(wǎng)隨著受力的增加而伸長(zhǎng)。

圖3 是PE–HD 植被網(wǎng)的縱向、橫向拉伸曲線(xiàn)。根據(jù)圖3 對(duì)PE–HD 纖維植被網(wǎng)的縱向與橫向的伸長(zhǎng)率–拉伸力趨勢(shì)改變進(jìn)行分析，其破壞的形式呈現(xiàn)了駝峰形狀的軟化特性。拉伸數(shù)值存在一次方函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)之后上下震蕩期間減少。分析其中的影響因素是由于植被網(wǎng)的組成材料是高分子聚合物，高分子聚合物在被拉伸的過(guò)程中，可以發(fā)揮部分抵抗能力，能夠限制植被網(wǎng)被拉斷。同時(shí)，PE–HD 植被網(wǎng)是復(fù)合材料，初始時(shí)期呈現(xiàn)為植被網(wǎng)整體拉伸應(yīng)力，后半段時(shí)間只呈現(xiàn)還沒(méi)有破裂的材料拉伸力。因此，隨著殘存材料的層數(shù)與網(wǎng)格孔數(shù)量的縮小，植被網(wǎng)抗衡受拉力大小同樣會(huì)減少。

圖3 PE–HD 植被網(wǎng)的拉伸曲線(xiàn)

圖4 是PE–HD 植被網(wǎng)伸長(zhǎng)率–平均拉伸力曲線(xiàn)。

圖4 PE–HD 植被網(wǎng)伸長(zhǎng)率–平均拉伸力曲線(xiàn)

由圖4 可見(jiàn)，縱向斷裂平均拉伸力是476.98 N，對(duì)應(yīng)斷裂伸長(zhǎng)率為37.73%，橫向斷裂平均拉伸力是416.32 N，對(duì)應(yīng)斷裂伸長(zhǎng)率為36.94%。斷裂伸長(zhǎng)率的數(shù)值相差60.66 N 差異較小，表明樣品縱向和橫向的受力均衡。能夠判斷出高斷裂伸長(zhǎng)率下的植被網(wǎng)的縱向比植被網(wǎng)的橫向承受的平均拉伸力高約100 N，這主要是因?yàn)橹脖痪W(wǎng)的縱向網(wǎng)孔焊接點(diǎn)較密實(shí)，縱向能夠承受更大的拉力。

2.2 PE–HD 纖維單層土工網(wǎng)拉伸試驗(yàn)

在縱向，橫向的拉伸作用初期，PE–HD 單層土工網(wǎng)試樣伴隨著材料的伸長(zhǎng)，其孔洞纖維部分逐步發(fā)生拉伸斷裂。能夠清楚的看到單層土工網(wǎng)孔洞處的纖維隨著受力的增加逐步拉伸拉長(zhǎng)。當(dāng)由塊狀逐步被拉伸成長(zhǎng)絲狀的時(shí)候，單層土工網(wǎng)被拉斷。PE–HD 單層土工網(wǎng)的邊緣首先被拉斷，然后延伸到試樣的中間部位。有時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中夾緊樣品的中間部分會(huì)先斷裂，這可能是因?yàn)闃悠返膴A緊力不均勻或者夾緊力不夠，所以在試驗(yàn)的過(guò)程中夾緊樣品時(shí)要注意平整和均勻。圖5 為PE–HD 單層土工網(wǎng)的兩個(gè)方向受力曲線(xiàn)。由圖5 可以看出，在第一個(gè)峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)以前PE–HD 單層土工網(wǎng)的拉伸力與伸長(zhǎng)率基本上是線(xiàn)性關(guān)系。在第一個(gè)峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)以后，當(dāng)單層土工網(wǎng)受到的拉伸力增加的時(shí)候，伸長(zhǎng)率也在穩(wěn)步的增加，拉伸力與伸長(zhǎng)率也呈現(xiàn)一定的線(xiàn)性關(guān)系，但是線(xiàn)性關(guān)系的斜率較第一個(gè)峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)以前有較大幅度的下降。出現(xiàn)這些的現(xiàn)象的影響因素是隨著拉伸力的增加，單層土工網(wǎng)的孔洞破裂數(shù)量逐步增加。在拉伸的后期，隨著單層土工網(wǎng)橫向伸長(zhǎng)率的增加，拉伸力增長(zhǎng)率會(huì)迅速減少。單層土工網(wǎng)的縱向相較于單層土工網(wǎng)的橫向能夠承擔(dān)更多的拉伸力，且縱向的延伸性比橫向要好。

圖5 單層土工網(wǎng)的受力曲線(xiàn)

圖6 為PE–HD 單層土工網(wǎng)兩個(gè)方向平均受力曲線(xiàn)。由圖6 可以看出，在第一個(gè)平均拉伸力轉(zhuǎn)折點(diǎn)以前PE–HD 單層土工網(wǎng)在兩個(gè)方向的平均拉伸力與伸長(zhǎng)率基本上都是線(xiàn)性關(guān)系。在第一個(gè)平均拉伸力轉(zhuǎn)折點(diǎn)以后，伸長(zhǎng)率也在穩(wěn)步的增加，平均拉伸力與伸長(zhǎng)率同樣呈線(xiàn)性關(guān)系，但是線(xiàn)性關(guān)系的斜率較第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)以前有較大幅度的下降。單層土工網(wǎng)的縱向平均拉伸力與單層土工網(wǎng)的橫向平均拉伸力差異較大。單層土工網(wǎng)縱向的拉伸力平均值是436.29 N，橫向斷裂拉力的平均值為175.67 N，兩者相互差了260.62 N。對(duì)PE–HD 單層土工網(wǎng)來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)這些的現(xiàn)象的影響因素是隨著拉伸力的增加，單層土工網(wǎng)的孔洞破裂數(shù)量逐步增加。在拉伸的后期，隨著伸長(zhǎng)率的增加單層土工網(wǎng)的橫向拉伸力增長(zhǎng)率會(huì)迅速減少，單層土工網(wǎng)橫向的伸長(zhǎng)率是423.53%。單層土工網(wǎng)的縱向相較于單層土工網(wǎng)的橫向能夠承擔(dān)更多的拉伸力，縱向的伸長(zhǎng)率是442.10%，說(shuō)明縱向的延伸性比橫向要好。另外，PE–HD 單層土工網(wǎng)在橫向的孔洞數(shù)量少，孔洞之間的距離尺寸比較大；單層土工網(wǎng)在縱向的孔洞數(shù)量多，孔洞之間的距離尺寸比較小。由于PE–HD 單層土工網(wǎng)同一拉伸長(zhǎng)度中縱向拉出的網(wǎng)孔數(shù)量多，垂直肋之間的距離小，因此整體增加的阻力很大。

圖6 單層土工網(wǎng)兩個(gè)方向平均受力曲線(xiàn)

2.3 PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的縱向和橫向拉伸比較

圖7、圖8 分別為PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)縱向、橫向伸長(zhǎng)率–平均拉伸力曲線(xiàn)。從圖7，圖8 看出，隨著伸長(zhǎng)率增加，PE–HD 纖維植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的縱向、橫向拉力都先增加后減少。其中縱向、橫向斷裂拉伸力的平均值單層土工網(wǎng)小、PE–HD 纖維植被網(wǎng)大。主要因?yàn)闃?gòu)成單層土工網(wǎng)材料的疊加層不同，PE–HD 纖維植被網(wǎng)的層數(shù)比單層土工網(wǎng)的要多，故拉伸力要大于單層土工網(wǎng)。PE–HD 纖維植被網(wǎng)由于凹凸和底部是粘合焊接，所以植被網(wǎng)的平均拉伸力的峰值較大，但隨著拉伸率的增長(zhǎng)，平均拉伸力的波動(dòng)也較大。單層土工網(wǎng)的平均拉伸力隨著伸長(zhǎng)率的加大均勻地增長(zhǎng)。PE–HD纖維植被網(wǎng)的上下層雙向拉伸網(wǎng)雖然是先斷裂，但是中間的褶皺層后期抗拉伸能力更好[10–17]。

圖7 PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)縱向伸長(zhǎng)率–平均拉伸力曲線(xiàn)

圖8 PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)橫向伸長(zhǎng)率–平均拉伸力曲線(xiàn)

2.4 試驗(yàn)的斷裂時(shí)間

表2 是PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的縱向、橫向斷裂平均所用的時(shí)間。PE–HD 植被網(wǎng)比單層土工網(wǎng)縱向和橫向拉伸斷裂平均所用時(shí)少。PE–HD植被網(wǎng)比單層土工網(wǎng)的斷裂平均用時(shí)小，主要是因?yàn)镻E–HD 植被網(wǎng)是由PE–HD 材料粘合焊接而成，單層土工網(wǎng)是由高分子聚合物材料擠塑而成。以后在PE–HD 植被網(wǎng)的生產(chǎn)制造過(guò)程中，應(yīng)該更加注重植被網(wǎng)材料粘合焊接位置的檢測(cè)與加強(qiáng)。

表2 PE–HD 植被網(wǎng)與單層土工網(wǎng)的縱、橫向斷裂平均時(shí)間 s

3 結(jié)論

(1) PE–HD 纖維植被網(wǎng)材料的縱向拉力和橫向拉力差異較小，但縱向大于橫向，這種材料要均勻受拉。在實(shí)際使用的過(guò)程中要盡可能將PE–HD 纖維植被網(wǎng)進(jìn)行規(guī)范合理的使用，防止植被網(wǎng)材料發(fā)生不均勻受力現(xiàn)象。

(2) PE–HD 纖維植被網(wǎng)層間的粘合作用會(huì)在拉伸過(guò)程中脫落，從而降低了材料的整體抗拉力學(xué)特性。在以后的設(shè)計(jì)使用過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)PE–HD 纖維植被網(wǎng)材料粘合焊點(diǎn)的檢測(cè)。

(3) PE–HD 纖維植被網(wǎng)同PE–HD 纖維單層土工網(wǎng)相比具有很好的抗拉優(yōu)勢(shì)，可以充分發(fā)揮材料的整體作用。