HDPE焊接型土工格室結(jié)點(diǎn)拉伸力學(xué)特性試驗(yàn)研究

蒲昌瑜，劉欣超，蘇鵬輝，楊廣慶

（1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省高速公路京雄籌建處，河北 保定 071799；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

0 引言

由于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土工格室具有良好的固土效果，在路基邊坡防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。邊坡上鋪設(shè)土工格室后，在格室內(nèi)土體的作用下結(jié)點(diǎn)受力較為復(fù)雜，可能會(huì)受到剪切力、對(duì)拉力、剝離力作用。一些學(xué)者通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)調(diào)了結(jié)點(diǎn)對(duì)土工格室性能發(fā)揮的重要性。結(jié)點(diǎn)在土工格室單元內(nèi)發(fā)揮著承受并傳遞荷載的作用。結(jié)合結(jié)點(diǎn)所發(fā)揮的作用及其多種模式的受力狀態(tài)可知結(jié)點(diǎn)易失效。若結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)失效，首先會(huì)降低土工格室對(duì)單元內(nèi)土體的側(cè)向約束，其次土體的漸進(jìn)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致不平衡的荷載傳遞，進(jìn)而可能會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生進(jìn)一步的失效破壞。

本文結(jié)合京雄（北京-雄安新區(qū)）高速公路河北段HDPE焊接型土工格室路基邊坡生態(tài)防護(hù)工程，對(duì)土工格室結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了四種類型的室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，包括結(jié)點(diǎn)焊縫拉伸、結(jié)點(diǎn)剪切、結(jié)點(diǎn)剝離、結(jié)點(diǎn)對(duì)拉試驗(yàn)。通過試驗(yàn)記錄拉伸數(shù)據(jù)及強(qiáng)度-位移關(guān)系曲線，并觀察相應(yīng)的破壞方式，分析總結(jié)了HDPE焊接型土工格室結(jié)點(diǎn)在不同受力下的失效機(jī)制。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)拉伸試驗(yàn)設(shè)備采用DW1210土工合成材料電子強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)，可以通過調(diào)整材料參數(shù)，在測(cè)試過程中實(shí)時(shí)記錄被測(cè)試材料的應(yīng)力和變形情況，最終繪制出力-時(shí)間、力-變形等的拉伸曲線。

1.2 土工格室

試驗(yàn)試樣選用京雄（北京-雄安新區(qū)）高速公路河北段路基邊坡防護(hù)使用的高密度聚乙烯（HDPE）焊接土工格室。圖1為邊坡防護(hù)鋪設(shè)土工格室工程現(xiàn)場(chǎng)，土工格室結(jié)點(diǎn)的具體形式如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

土工格室結(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)參照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程土工合成材料土工格室》（JT/T 516—2004）和《鐵路工程土工合成材料土工格室》（Q/CR 549.1—2016）。土工格室結(jié)點(diǎn)不同類型拉伸試驗(yàn)的試樣尺寸和試驗(yàn)方式如表1和圖3所示，試驗(yàn)拉伸速率為50mm/min。

表1 結(jié)點(diǎn)試樣尺寸

通過結(jié)點(diǎn)拉伸來模擬土工格室結(jié)點(diǎn)在邊坡中可能存在的受力狀況，探究土工格室結(jié)點(diǎn)的失效機(jī)制，同時(shí)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)土工格室的材料特性，使我們進(jìn)一步了解土工格室的相關(guān)性能。此外，為方便分析，均按照規(guī)范要求，試驗(yàn)拉伸強(qiáng)度以N/cm表示。

2 不同拉伸力作用下結(jié)點(diǎn)的失效機(jī)制研究

2.1 焊縫拉伸試驗(yàn)

取五組土工格室試樣進(jìn)行焊縫拉伸試驗(yàn)。受軸向拉伸力作用時(shí)，焊縫拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)位移的關(guān)系如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示所有的試樣焊縫拉伸試驗(yàn)曲線表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)，峰前區(qū)域線性增長(zhǎng)位移約14mm左右時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度，而峰后區(qū)域強(qiáng)度消減更快速。試樣的焊縫抗拉強(qiáng)度范圍為321.00～345.00N/cm，整體上相差不大。

圖5為焊縫在軸向拉伸力作用下的拉伸斷裂圖示。所有五組試樣的拉伸破壞均表現(xiàn)為焊接點(diǎn)焊縫處的延伸破壞。破壞的方式有兩種，一種是從中間開始出現(xiàn)斷裂直到完全分開，另一種是到達(dá)斷裂強(qiáng)度時(shí)破壞從一側(cè)向另一側(cè)不斷延伸。焊縫拉伸試驗(yàn)全過程，條帶無明顯變化，反映出帶焊縫接頭位置屬于強(qiáng)度薄弱帶。

2.2 剪切試驗(yàn)

五組土工格室試樣結(jié)點(diǎn)剪切試驗(yàn)過程中剪切強(qiáng)度與位移的關(guān)系曲線如圖6所示。

所有的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出相似的性質(zhì)，峰前區(qū)域呈類似的線性增加且相互之間抗剪強(qiáng)度差異不大，最大抗剪強(qiáng)度為177.00N/cm，最小為172.00N/cm。隨著拉伸位移的增加，曲線行為更加接近于HDPE土工格室條帶的標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線。剪切應(yīng)力達(dá)到峰值之前呈線性增加，達(dá)到峰值屈服強(qiáng)度后開始出現(xiàn)應(yīng)變軟化（應(yīng)力減?。S后進(jìn)入大變形階段（應(yīng)力基本保持不變），最后進(jìn)入應(yīng)變硬化階段（應(yīng)力增大），直至試樣破壞。

結(jié)合結(jié)點(diǎn)剪切試驗(yàn)拉伸過程中試樣的破壞模式（圖7），可以看出試驗(yàn)過程均表現(xiàn)為與結(jié)點(diǎn)連接的條帶出現(xiàn)明顯的伸長(zhǎng)變形及細(xì)頸現(xiàn)象，最后在焊接結(jié)點(diǎn)與條帶的連接處發(fā)生破壞，并沒有發(fā)生兩條條帶在焊接處的分離。這表明，焊接結(jié)點(diǎn)不可能在剪切力作用下發(fā)生破壞，結(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度應(yīng)高于試驗(yàn)中得到的剪切屈服應(yīng)力。結(jié)點(diǎn)剪切試驗(yàn)拉伸斷裂發(fā)生的原因很大程度上是由于焊接結(jié)點(diǎn)的特性引起的，焊接結(jié)點(diǎn)由兩條帶超聲波焊接形成，導(dǎo)致在結(jié)點(diǎn)附近產(chǎn)生薄弱區(qū)域且容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2.3 剝離試驗(yàn)

五組土工格室試樣結(jié)點(diǎn)剝離試驗(yàn)過程中剝離強(qiáng)度與位移的關(guān)系曲線如圖8所示?？梢钥闯鰟冸x強(qiáng)度在105.00～115.00N/cm之間，試樣的拉伸曲線類似，峰前區(qū)域的強(qiáng)度上升速度與峰后區(qū)域強(qiáng)度下降速度基本接近。

圖9為典型試樣的剝離試驗(yàn)拉伸斷裂圖。所有試樣的剝離破壞方式均發(fā)生在焊接結(jié)點(diǎn)與條帶的連接處，同樣表明焊接結(jié)點(diǎn)在焊接過程中易損害材料且易形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致了該破壞方式的發(fā)生。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊結(jié)點(diǎn)兩側(cè)小范圍內(nèi)存在直接分開的現(xiàn)象，這可能是土工格室生產(chǎn)制造過程質(zhì)量控制不嚴(yán)，焊接結(jié)點(diǎn)不合格導(dǎo)致。

2.4 對(duì)拉試驗(yàn)

五組土工格室試樣結(jié)點(diǎn)對(duì)拉試驗(yàn)過程中對(duì)拉強(qiáng)度與位移的關(guān)系曲線如圖10所示。所有的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出相似的性質(zhì)，且峰前區(qū)域與剝離試驗(yàn)類似，但峰后區(qū)域強(qiáng)度快速降低。最大對(duì)拉強(qiáng)度為225.00N/cm，最小對(duì)拉強(qiáng)度為193.00N/cm。典型的破壞方式表現(xiàn)為圖11中所展示的斷裂過程，焊接在一起的條帶完全分離。

3 結(jié)論

本文針對(duì)京雄（北京-雄安新區(qū)）高速公路河北段路基邊坡防護(hù)用HDPE土工格室進(jìn)行了一系列結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，模擬土工格室結(jié)點(diǎn)在邊坡上可能會(huì)受到的拉伸力、剝離力、剪切力、對(duì)拉力。對(duì)比和分析了不同作用模式下的結(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度及曲線行為等，觀察其破壞模式。主要結(jié)論如下：

（1）焊縫拉伸試驗(yàn)的焊縫抗拉強(qiáng)度最高，焊縫拉伸破壞表現(xiàn)為焊點(diǎn)處的破壞。

（2）剪切試驗(yàn)表明，剪切力作用下結(jié)點(diǎn)不易發(fā)生破壞，而結(jié)點(diǎn)和條帶連接處會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中而發(fā)生斷裂。

（3）剝離試驗(yàn)的抗剝離強(qiáng)度在所有結(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出的強(qiáng)度最低，表明實(shí)際應(yīng)用中土工格室結(jié)點(diǎn)更容易發(fā)生剝離破壞。剝離拉伸破壞發(fā)生在結(jié)點(diǎn)和條帶連接處。

（4）結(jié)點(diǎn)對(duì)拉試驗(yàn)的破壞表現(xiàn)為兩個(gè)焊接條帶的直接分離。