環(huán)境因素對土工格柵蠕變特性的影響

丁金華，童 軍,，張 靜，周武華

（1.浙江大學 建筑工程學院，杭州 310027；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；3.九州大學 工學部地盤工學研究室，日本 福岡 8190395）

1 引 言

土工格柵由于其獨特的網(wǎng)孔構(gòu)造、高強度、施工方便、耐腐蝕等特點，目前已成為加筋土結(jié)構(gòu)中應用最為廣泛的加筋材料之一。作為高分子聚合物產(chǎn)品，蠕變是其黏彈特性的一種突出表現(xiàn)形式，尤其是格柵在實際工程中長期處于拉伸狀態(tài)，有可能出現(xiàn)下列情況：①土工格柵應變超過規(guī)定值而不能發(fā)揮其應有的加筋增強作用，使土工結(jié)構(gòu)變形過大；②隨蠕變的進行，土工格柵因其拉伸屈服強度下降而斷裂，引起土工結(jié)構(gòu)的破壞。我國一些土工合成材料加筋土擋墻出現(xiàn)墻面板鼓肚現(xiàn)象，有的建成幾年便倒塌，分析原因均與材料的蠕變現(xiàn)象有關(guān)。因此，格柵的蠕變強度成為決定加筋土結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵指標[1]，我國“塑料土工格柵蠕變試驗和評價方法”[2]中規(guī)定以設(shè)計年限106h時失效應變10%來確定長期蠕變強度。設(shè)計中為了避免出現(xiàn)因長期強度不足而導致的安全隱患，往往采取兩種方法：①對塑料拉伸型土工格柵一般取其應力-應變曲線上對應于 5%延伸率時的拉力作為設(shè)計值；②將蠕變折減系數(shù)取大值。這兩種強度取值方法都具有很大的隨意性和不合理性，但由于目前缺乏對加筋材料蠕變的基礎(chǔ)研究資料，對筋材長期蠕變特性缺乏全面地了解和掌握，因此，工程界也只能沿用至今。鑒于此，研究土工格柵的蠕變特性并預測其長期蠕變對于結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性至關(guān)重要，對工程設(shè)計、施工和應用都具有非常重要的指導作用。

近年來，國內(nèi)外越來越多機構(gòu)和研究人員開始對土工合成材料蠕變特性的研究給予更多關(guān)注和重視，相繼開展了有關(guān)的室內(nèi)試驗和理論研究，取得了一定成果[3－10]。多數(shù)研究成果都是在室內(nèi)標準溫、濕度條件下進行的，這也是目前國內(nèi)外蠕變測試規(guī)程規(guī)范（土工布及相關(guān)產(chǎn)品拉伸蠕變和蠕變斷裂的測定[11]、土工合成材料無約束拉伸蠕變特性測試及評價標準[12]、土工布及其有關(guān)產(chǎn)品拉伸蠕變和拉伸蠕變斷裂性能的測定[13]等）所建議的研究方法。但實際上，格柵作為加筋材料應用于實際工程時，其蠕變特性會受到應力水平、溫度、側(cè)限約束、施工損傷、化學作用等不同環(huán)境因素的影響，導致其蠕變強度指標與室內(nèi)標準條件下得到的結(jié)果有較大差異，特別是當其埋置于土中時不可避免地要受到周圍土體的側(cè)限約束作用，會更明顯地改變材料的蠕變特性[14－15]。但受限于相關(guān)試驗設(shè)備和研究手段的欠缺，有關(guān)各種環(huán)境因素對土工格柵蠕變影響的綜合性研究還非常少。

本文通過對不同應力水平、溫度、化學作用、施工損傷以及砂土側(cè)限約束等條件的模擬，對高密度聚乙烯（HDPE）單向拉伸土工格柵的蠕變性能進行了室內(nèi)試驗，獲得了各種環(huán)境因素變化下格柵的蠕變特性。

2 HDPE土工格柵的蠕變試驗

本文的蠕變試驗從約束條件可以劃分為兩類：空氣中進行的常規(guī)無約束蠕變試驗以及有砂土側(cè)限約束的蠕變試驗。前者包括各種溫度、應力水平、化學作用和施工損傷條件下的試驗，利用微機控制電子式蠕變持久試驗機進行；后者是指將土工合成材料埋設(shè)于土體中，在填料約束和一定上覆荷載作用下，對格柵施加一恒定水平拉力而進行的蠕變試驗，所需試驗儀器可利用常規(guī)的土-土工合成材料直剪拉拔試驗儀經(jīng)適當改造而成。

2.1 蠕變試驗方法

無約束蠕變試驗參照水利部行業(yè)標準土工合成材料測試規(guī)程[16]以及輕工行業(yè)標準塑料土工格柵蠕變試驗和評價方法[2]進行。首先將蠕變試驗機環(huán)境箱的溫度調(diào)整到指定值（20 ℃、40 ℃或60 ℃），將樣品放置其中24 h后再進行對中夾持，施加預拉荷載使試樣伸直，以此時試樣長度作為初始長度l0，以此時刻作為記錄伸長量的起始時刻 t0。蠕變試驗以50 N/s的加載速率將荷載快速施加到指定值后穩(wěn)壓，加載期以及蠕變試驗進行期每隔一定時間間隔自動記錄試樣伸長量Δl。以下式計算蠕變應變：

式中：εt為t時刻格柵蠕變應變（%）；Δl為t時刻格柵試樣的伸長量（mm）；l0為格柵試樣施加預荷載后的初始長度（mm）。

目前國內(nèi)外側(cè)限約束蠕變試驗均無規(guī)程、規(guī)范可循，從原理上來說，該試驗與土-土工合成材料界面直剪或拉拔試驗有相近之處，試驗流程可參照拉拔試驗來進行。先將格柵鋪設(shè)于上、下剪切盒之間，兩端均通過特制夾具進行夾持固定，待上盒土樣制備好后，即施加一定的垂直壓力，然后在拉伸端施加水平荷載，達到指定值后穩(wěn)壓，記錄格柵伸長量，并計算相應的蠕變應變。

2.2 蠕變試驗設(shè)備

無約束蠕變試驗在長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室的 RDW20030型微機控制電子式蠕變持久試驗機上進行。該機由3個獨立的加載機構(gòu)、測量控制系統(tǒng)以及1個共用的環(huán)境箱附件組成（見圖1）。環(huán)境箱長×高×寬尺寸為1.0 m×0.8 m×0.32 m，溫度調(diào)節(jié)范圍-30～100 ℃（±1 ℃），濕度調(diào)節(jié)范圍40%～80%（±10%）。

圖1 微機控制電子式蠕變持久試驗機Fig.1 Electronic creep testing machine

側(cè)限約束蠕變試驗采用長江科學院自行研制加工的土-土工合成材料直剪儀進行，主要包括垂直和水平荷載加載系統(tǒng)、剪切盒、以及位移采集系統(tǒng)等。其中垂直荷載通過杠桿施加，水平荷載直接通過砝碼施加；剪切盒長×寬為430 mm×300 mm。

2.3 土工格柵性質(zhì)及試樣制備

選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的兩種HDPE單向拉伸土工格柵，首先對其進行室內(nèi)無約束拉伸試驗，得到基本力學性質(zhì)如表1所示，典型應力-應變曲線如圖2所示。

表1 兩種土工格柵的基本力學性質(zhì)表Table1 Basic mechanical properties of two geogrids

圖2 土工格柵的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of geogrids

由于RDW2300型試驗機環(huán)境箱空間的限制，無約束蠕變試驗中格柵試樣在縱向上均取 3根筋條，橫向只取1個網(wǎng)格間距（見圖1(b)）。

側(cè)限約束蠕變試驗中，為保證格柵在拉伸過程中始終處于水平狀態(tài)，下剪切盒內(nèi)放置硬質(zhì)木塊，上盒填入標準砂，土工格柵位于上、下盒之間。格柵試樣包括2根縱向筋條及1根橫向筋條，在橫向筋條上固定2根不可伸長的鋼弦，分別引伸到剪切盒外連接位移傳感器，設(shè)定采集時間間隔對土工格柵的蠕變變形量進行自動采集。

3 土工格柵蠕變特性的影響因素

3.1 應力水平的影響

以格柵 B為例進行了 20 ℃時不同應力水平20%、40%、60%條件下的蠕變試驗，試驗持續(xù)近400 h，其蠕變應變的歷時曲線見圖3(a)，同時整理繪制了蠕變速率發(fā)展曲線見圖3(b)。應力水平20%表示蠕變試驗中所施加的拉伸荷載為無約束拉伸試驗得到的該型號格柵平均極限抗拉強度的20%。

當應力水平為20%時，格柵的蠕變量較小，變形速率緩慢且很快趨于穩(wěn)定，應變與時間基本呈對數(shù)關(guān)系，可擬合蠕變方程如下：

可以預測得到，當應力水平為20%時，格柵在106h的應變只有7.8%，未超過失效應變10%。如以106h為格柵的使用期限來計算，可知加載1 h內(nèi)格柵的變形即占總應變的52%，100 h時占67%，說明格柵的大部分蠕變量都發(fā)生在加載初期。

當應力水平為40%時，雖然蠕變曲線未表現(xiàn)出突然破壞的趨勢，仍可用對數(shù)曲線進行擬合，但蠕變應變速率較大，趨于穩(wěn)定所需的時間也比較長，從蠕變量來看，10 h時應變已超過了失效應變10%，同樣可以預測得到106h時應變將達到15%，其中總應變的60%都發(fā)生在加載后1 h內(nèi)。

當應力水平繼續(xù)增大到60%時，格柵的蠕變變形特性與低應力水平時完全不同，應變隨時間的發(fā)展很快，應變速率很大，加載結(jié)束應變即超過10%，蠕變方程已不能用對數(shù)關(guān)系來擬合。

整理繪制蠕變試驗的應力水平-應變等時曲線（見圖3(c)），當應力水平大于某一值時，該曲線發(fā)生拐點，表明在低于該荷載水平下，格柵的蠕變變形呈穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢，但大于該荷載值后，蠕變應變就急劇增大?？梢远x此拐點對應的應力水平為蠕變臨界應力水平。從圖 3(c)可初步確定，對于加筋土工程設(shè)計，格柵在常溫條件下的臨界應力水平不宜大于極限抗拉強度的40%。

3.2 溫度的影響

對格柵A進行了高溫（40、60 ℃）條件下的蠕變試驗，圖4(a)、4(b)分別繪出40 ℃和60 ℃時不同應力水平對應的應變-時間曲線。結(jié)合表2給出的加載穩(wěn)定后1 h和10 h對應的各種溫度下蠕變應變，可以看出，在低荷載水平時（20%），溫度的升高僅引起蠕變變形的增大，但對蠕變歷時曲線沒有太大影響，即蠕變方程仍可用對數(shù)形式來模擬。但當荷載水平升高至40%時，環(huán)境溫度升高不僅會導致格柵蠕變量急劇增大，且蠕變特性也發(fā)生明顯改變（見圖4(b)），60 ℃時的蠕變曲線呈現(xiàn)顯著的非線性變化。荷載水平繼續(xù)增大到50%時，溫度的影響愈加顯著，格柵蠕變量很大，很快達到破壞狀態(tài)。

繪制不同溫度下的應力水平-蠕變應變等時曲線（見圖 4(c)、4(d)）可以更清晰地看出溫度對格柵蠕變的影響。不同環(huán)境溫度對應的荷載臨界值不同，低于40 ℃時對應的臨界荷載應力水平可初步認為不大于40%，60 ℃時進一步降低至約30%。

圖3 應力水平對HDPE土工格柵蠕變性質(zhì)的影響（格柵B，溫度20℃）Fig.3 Influences of different stress levels on HDPE geogrid creep behavior (geogrid B,20℃)

表2 不同溫度不同應力水平條件下格柵蠕變應變(單位: %)Table2 Creep strains of geogrids under different stress levels and different temperatures (unit: %)

圖4 溫度對HDPE格柵蠕變特性的影響Fig.4 Effects of temperature on creep property of HDPE geogrid

3.3 化學作用的影響

以武漢二妃山垃圾填埋場滲濾液原樣模擬格柵受到的化學作用，經(jīng)水質(zhì)檢測（見表3），該滲濾液呈弱堿性。

表3 二妃山垃圾填埋場滲濾液化學成分表Table3 The leachate chemical ingredients of Erfei hill landfill

將格柵A浸泡其中1 a后取出進行拉伸試驗以及蠕變試驗。無約束拉伸試驗結(jié)果表明，經(jīng)過浸泡后格柵極限抗拉強度有所降低，延伸率略增大。由于人們已習慣使用由標準條件下進行無約束拉伸試驗得到的格柵極限抗拉強度作為表征材料特性的參數(shù)，因此，為了方便理解和對比，盡管材料在受到化學作用后的抗拉強度已發(fā)生變化，但蠕變試驗的應力水平仍以標準條件下的材料極限抗拉強度為基準進行計算。同樣地，后文中施工損傷條件及側(cè)限約束條件下的蠕變應力水平也如此計算。

化學作用后的格柵蠕變試驗溫度為40 ℃，應力水平分別為30%、40%和50%，得到的蠕變曲線見圖5(a)，同時，圖5(b)繪出40%應力水平條件下原狀土工格柵和滲濾液浸泡后格柵的蠕變對比曲線。可見，由于滲濾液浸泡的作用，格柵的蠕變變形比原狀時有所增大。

圖5 化學作用對HDPE格柵蠕變特性的影響Fig.5 Chemical effects on creep property of geogrid

定義浸泡后格柵蠕變延伸率εch與同樣應力水平下原狀格柵蠕變延伸率εp之比為蠕變化學影響因子Rch，即 Rch=εch/εp。計算得到在應力水平40%時，蠕變初期10 h內(nèi)蠕變化學影響因子達1.10，隨時間的延續(xù)該因子略有增大，50 h時為1.12，說明滲濾液的化學作用對格柵長期蠕變的影響程度隨時間發(fā)展會更為明顯。

3.4 施工損傷的影響

土工格柵在運輸、鋪設(shè)等過程中不可避免地會受到一定的人為或機械損傷，另外粗顆粒填料在壓實時也會對格柵造成擠壓、摩擦甚至刺穿等，引起格柵力學性能的下降，設(shè)計中需要考慮鋪設(shè)損傷對材料性質(zhì)的影響。英國加強/增強土壤和其他填充料的實用規(guī)程[17]中制定了現(xiàn)場破壞試驗方法草案，用拉伸土工格柵和真實的施工填料，使格柵樣本在不同填料中和一系列壓實條件下引起損傷，然后挖出格柵樣本做表觀損傷評價和強度測試，最后確定適用于不同系列拉伸土工格柵產(chǎn)品在不同填料下的鋪設(shè)損傷因子。

限于實施條件的限制，本文試驗未采用文獻[17]中的方法，而是將格柵A樣品人為彎折數(shù)次后進行拉伸試驗和蠕變試驗。蠕變試驗溫度為40 ℃，應力水平分別為20%、40%和50%，得到的蠕變歷時曲線見圖6(a)，圖6(b)繪出應力水平40%條件下原狀土工格柵和折損后格柵的蠕變對比曲線。

同樣地，定義折損后格柵蠕變延伸率εd與相同應力水平下原狀格柵蠕變應變εp之比為蠕變施工損傷影響因子Rd，即Rd=εd/εp。由試驗結(jié)果可知，隨應力水平的增大，損傷對格柵特性的影響越明顯。圖7以40%應力水平為例繪制出不同時間對應的蠕變施工損傷影響因子變化?？梢?，在蠕變試驗初期，蠕變施工損傷影響因子已近1.4，并且隨著時間的發(fā)展，影響因子迅速增大，說明施工損傷對格柵長期蠕變的影響程度越來越顯著，50 h時，受損后格柵的蠕變量已達原狀條件時的約2倍。與蠕變化學影響因子Rch比較，Rd遠遠大于Rch。

3.5 側(cè)限約束的影響

以 0.25～0.5 mm標準砂為填料，相對密度為0.65，干密度為 1.65 g/cm3，在室溫條件下（12～18 ℃）進行了4組格柵A的側(cè)限約束蠕變試驗。垂直荷載為15 kPa，應力水平分別為無約束極限抗拉強度的40%、50%、58%和66%。側(cè)限約束蠕變試驗采用應力式加載方法，蠕變荷載的實際加載時間為5 min。

圖6 施工損傷對格柵蠕變特性的影響Fig 6 Influences of installation damage on creep property of geogrid

圖7 蠕變施工影響因子變化曲線Fig 7 Curve of creep reduction factor for installation damage against time

圖8為不同應力水平條件下的蠕變應變歷時曲線。試驗結(jié)果表明，在有側(cè)向約束作用時，格柵的蠕變變形較之無約束條件下大大降低，與相近溫度和應力水平條件下的無約束蠕變試驗結(jié)果對比，側(cè)限約束下的蠕變量僅有后者的16%～22%，說明土體約束及圍壓作用對格柵蠕變的影響是非常顯著的。當垂直荷載為15kPa，應力水平40%時，100 h對應的側(cè)限約束蠕變量僅約為2.4%，隨著應力水平的增大；應變也隨之增大，應力水平提高到58%時，100 h時的應變增大到約3.8%，應變呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢。但在66%應力水平條件下，僅經(jīng)過約1.5 h，靠近夾具處的格柵即發(fā)生斷裂破壞。試驗結(jié)束后拆樣發(fā)現(xiàn)，埋設(shè)于砂土內(nèi)的格柵并未發(fā)生斷裂。

圖8 砂土側(cè)限約束對HDPE格柵蠕變特性的影響Fig.8 Creep property of geogrid in sand under confining

4 結(jié) 論

對HDPE土工格柵在不同溫度、不同應力水平、化學作用、施工損傷和側(cè)限約束等條件下進行了系統(tǒng)的室內(nèi)蠕變試驗，得到以下結(jié)論：

（1）高密度聚乙烯單向拉伸土工格柵的蠕變特性與所受荷載大小、環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)。溫度越高或應力水平越大，格柵蠕變量就越大，且蠕變速率越快。而且，溫度與荷載水平對格柵蠕變的影響是相互聯(lián)系的，溫度越高，格柵的臨界應力水平越低，20～40 ℃時臨界應力水平不大于40%，但溫度升高到60 ℃后，臨界值會進一步降低，可能不大于30%。因此，在實際工程應用中，應注意根據(jù)當?shù)氐膶嶋H氣候條件確定格柵的蠕變強度。比如在垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)中，滲濾液溫度可能會達60 ℃以上，對材料的長期蠕變性質(zhì)和參數(shù)的影響就不能忽略。

（2）如以10%作為蠕變失效應變，則常規(guī)條件下臨界應力水平不宜大于40%，否則格柵在加載初期即會發(fā)生較大變形，很快達到蠕變破壞階段，因此，對于永久性加筋土工程，應參考蠕變臨界應力水平確定合理的格柵允許設(shè)計強度。

（3）滲濾液浸泡作用1 a后，與原狀格柵相比，無約束極限抗拉強度有所降低，蠕變變形量有所增大，其蠕變化學影響因子可達1.1。

（4）施工損傷對格柵蠕變性的影響比化學作用更明顯，施工損傷影響因子一般達1.2～1.4左右，且應力水平越大，影響越顯著，甚至可達原狀時的2倍。因此，在格柵運輸施工過程中必須注意對格柵的保護，避免其受到磨損或發(fā)生斷裂。

（5）側(cè)限約束條件可以大大減小格柵的蠕變量，在相同的應力水平條件下，無約束蠕變變形量和砂土中的約束蠕變量可相差70%以上，因此，采用無約束蠕變試驗確定格柵蠕變性質(zhì)的合理性還有待商榷。應加深對側(cè)限約束條件下格柵蠕變性質(zhì)的研究，才能為工程設(shè)計提供更為合理經(jīng)濟有效的依據(jù)。

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