雙向土工格柵的蠕變與收縮特性研究

薛 超,袁 慧,2,劉雙英,白曉紅,4

(1.太原理工大學 建筑與土木工程學院,太原 030024;2.太原城市職業技術學院,太原 030027;3.山西建筑職業技術學院,太原 030006;4.黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室,太原 030006)

雙向土工格柵的蠕變與收縮特性研究

薛 超1,袁 慧1,2,劉雙英3,白曉紅1,4

(1.太原理工大學 建筑與土木工程學院,太原 030024;2.太原城市職業技術學院,太原 030027;3.山西建筑職業技術學院,太原 030006;4.黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室,太原 030006)

對兩種型號的聚丙烯(PP)雙向土工格柵進行相同應力水平條件下的蠕變試驗,試驗結束后完全卸載并對其收縮情況進行觀測。試驗結果表明,在蠕變過程中,雙向土工格柵試樣各部分蠕變發展并不均勻,最終的應變值為4%～5%,與單向土工格柵相比雙向土工格柵蠕變速率發展較慢。采用開爾文串聯模型對格柵收縮試驗過程進行模擬,建立了描述土工格柵粘彈塑性收縮變形的數學方程，并對試驗結果進行了擬合,擬合效果良好。

雙向土工格柵;蠕變;收縮;模型;擬合

加筋土技術是根據土中加筋可以有效提高土的強度和穩定性的原理而提出的一種土工增強技術。法國工程師Herri Vidal 1963年根據三軸試驗結果提出了加筋土設計理論。目前土工加筋技術在水利、公路、港口和建筑工程中已得到廣泛應用。

聚丙烯(PP)土工格柵作為一種高分子聚合物,在工作狀態中長期處于受拉條件下,會表現出蠕變特性。拉筋的蠕變會導致加筋土結構內部應力狀態的重分布,以致產生整體失穩或過大水平變形[1]。所以,研究土工格柵在長期荷載作用下的蠕變特性是非常有必要的。

早在20世紀中葉年代國外就對土工合成材料的蠕變特性進行了研究。其中,Finnigan(1977)[2]等通過對不同結構類型的土工合成材料進行了大量有側限和無側限條件下的蠕變試驗,提出了各種不同類型的蠕變模型。國內對土工合成材料蠕變特性的研究相對起步較晚?，F有資料[3-4]表明,土工格柵的蠕變不僅與外在應力水平有關,還受到時間、溫度、濕度、加荷速率等因素的影響。雖然國內外對于單向土工格柵蠕變特性研究[5-9]較多,但對于雙向土工格柵的蠕變試驗以及對于蠕變后土工格柵發生的收縮現象的研究卻不常見。

目前,雙向土工格柵加筋土技術已在工程建設中得到廣泛應用。因此在本次試驗中,擬采用兩種型號的雙向土工格柵在相同應力水平作用下進行蠕變試驗,探討其在相同應力水平長期作用下的蠕變規律。在此基礎上對土工格柵蠕變后的收縮情況進行觀測,并對測量結果進行綜合分析,總結發生蠕變后土工格柵的收縮規律。采用開爾文串聯模型研究土工格柵粘彈塑性收縮情況,并利用數學方法進行分析擬合。

1 土工格柵蠕變試驗

本試驗以工程中常用的聚丙烯雙向土工格柵為研究對象,試驗方法參照《土工合成材料 塑料土工格柵》[10]、《土工合成材料測試規程》[11]執行。本試驗環境溫度為(20±3)℃、濕度為20% ～ 40%。試驗中所選的兩種土工格柵性能參數列于表1。

表1 土工格柵基本性能參數

1.1 試驗過程

用記號筆在格柵上做出標記，標記位置如圖1所示,并用游標卡尺分別測量上下對應的標記位置間的距離:l1，l2，l3,取其平均值作為收縮試驗測量段的初始距離L0;把上下夾具之間的凈距離(從上側夾具的下邊緣至下側夾具的上邊緣)作為土工格柵的有效長度,初始為400 mm。考慮到土工格柵特有的網狀結構,在土工格柵試樣的裁剪過程中需保證每片試樣的尺寸統一。在格柵材料兩端各用帶有內襯橡膠墊片的鋼板進行夾持,再用螺絲擰緊,并要求鋼板夾持均衡以保證加載后試樣受力均勻，如圖2所示。

圖1 土工格柵試樣示意圖

圖2 土工格柵蠕變試驗夾具與夾持方法示意圖

安裝好格柵后,將夾具懸掛于試驗架上靜置24 h(未加載),以使土工格柵試樣在正式加載前處于平整狀態。將百分表固定,測量下側夾具下邊緣的位移,精確到0.001 mm。試樣尺寸及應力水平列于表2。

試驗加載系統采用一定質量的砝碼進行加載,應力水平與加載質量的轉換公式如式(1):

(1)

式中:P為應力水平，%;m為所需要的砝碼質量，kg;R為土工格柵標稱抗拉強度，kN/m;W為土工格柵試樣的寬度，m,此處取0.2。

表2 土工格柵蠕變試驗加載參數

參照相關試驗研究,制定讀數時間間隔為:1，2，4，8，12，30 min；1，2，4，8，10，50，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1 000 h。應變計算公式如式(2):

(2)

式中:ε為土工格柵應變值，%;Δl為百分表測得的土工格柵蠕變伸長量,mm;l為試驗開始時上下夾具間的凈距離,mm。

1.2 試驗結果與分析

試驗1 000 h后,由記錄的試驗數據所繪制出的土工格柵應變隨時間變化曲線如圖3，圖4所示。

圖3 各型土工格柵的應變-時間曲線

圖4 0～40 h應變-時間曲線局部放大圖

從圖3，圖4中可以看出:

1) 對于試驗選用的土工格柵,其應變-時間曲線可分為三個階段:在加載初期應變隨時間發展很快,曲線表現為直線上升,應變與時間近似為線性關系,在此階段土工格柵表現為線彈性伸長;在第二階段內,應變-時間曲線從直線逐漸過渡到曲線,應變增長速率逐漸減小,土工格柵表現為粘彈性特性;隨后進入第三階段,應變-時間曲線進一步趨緩,應變增長速率趨于定值。

2) 在整個蠕變試驗過程中各試樣除去開始時的彈性變形,最終的應變均較小:應力水平為40%的條件下TGSG1515格柵試樣最終應變為4.27%;TGSG2525格柵試樣最終應變為4.65%,皆未達到5%。與對單向土工格柵的相關研究[12-14]比較可以發現:單向土工格柵在蠕變過程中的應變在前期增長很快,并且在應力水平等條件相同情況下應變很快即達到10%,而本試驗中的雙向土工格柵蠕變過程發展得更為緩慢,可以認為土工格柵的材質、形式或加工工藝也是土工格柵蠕變特性的主要影響因素之一。

3) 在本試驗時間內,兩種土工格柵試樣均未發生斷裂,表明應力水平為40%的條件下,聚丙烯雙向土工格柵表現相對穩定?；旧袭斎渥儠r間達到400 h后,應變增長速率趨于定值,但是從圖3中可見,TGSG2525的應變增長速率略大于TGSG1515。

2 土工格柵蠕變后的收縮試驗

2.1 試驗過程

在收縮試驗開始前,首先應對未卸載時試樣的收縮試驗測量段進行測量,初值記為L1。此時的應變值記為ε1’,即收縮量為零時試樣的收縮試驗測量段的應變值。卸載后,應將格柵試樣平鋪在一個平整的臺面上,保持四邊自由,現場溫度和濕度恒定。隔一定時間用游標卡尺分別對試樣的測量段進行長度測量,記為Ln,精確到0.01 mm;測量時間間隔為:10，30 min；1，2，10，20，50，80，100 h。以后每100 h記錄一次,共持續1 000 h。試驗溫度為(22±3) ℃,殘余應變計算公式如式(3)：

(3)

式中:εn’為第n次測量得到的殘余應變(%);Ln為收縮試驗測量段在收縮開始后第n次測得的長度，mm;L0為蠕變試驗開始前收縮試驗測量段的初始長度，mm。

2.2 試驗結果

在收縮過程中,土工格柵殘余應變隨時間變化曲線如圖5，圖6所示。從圖5，圖6可以看出：

圖5 TGSG1515殘余應變-時間曲線

圖6 TGSG2525殘余應變-時間曲線

1) 總體上,卸載后的土工格柵殘余應變隨時間的增加逐漸減小。試驗中的土工格柵試樣收縮過程大致都表現為三個階段:第一階段為彈性收縮階段,卸載后土工格柵彈性變形恢復,持續時間較短;之后進入第二階段,約持續400 h。在此階段殘余應變的減小速率開始隨時間增長而變小,收縮變形速度減緩,表現為典型粘彈性收縮;約400 h后進入第三階段,在此階段內各殘余應變值變化不明顯,并未收縮至原長。表明此時格柵試樣收縮已完成,且在蠕變過程中發生了塑性變形。

2) 試驗結果表明:蠕變試驗結束后,格柵收縮測量段達到的應變與格柵整體達到的應變值不同,即試樣中部蠕變發展較快,兩端靠近夾具夾持部位的蠕變發展較慢,具有明顯的邊界效應。雖然土工格柵試樣最終未能收縮至原長,但收縮變形較大,均可恢復總變形量的50%以上。

2.3 計算模型選用

從圖5，圖6中可以發現:土工格柵試樣在收縮瞬間會發生彈性收縮,殘余應變-時間曲線反映了卸載后應變隨時間增加而減小的規律,具有粘彈性特征;另外,在收縮試驗結束時,試樣未收縮至原長,存在塑性變形。結合已有研究[15-16],本文采用兩個開爾文模型串聯加彈塑性模型來模擬其殘余應變隨時間改變的規律,模型如圖7所示。

圖7 粘彈塑性收縮模型

由于上述模型中,左側彈性元件具有瞬時彈性變形性質,當σ為零(卸載)時,彈性元件的應變ε0也為零,即與時間無關，則對應上述模型卸載的本構方程為:

(4)

式中:ε為收縮測量段應變值,%;ε1，ε2分別為模型中第一個與第二個開爾文模型在蠕變試驗后達到的應變值,%;k1，k2，η1，η2為兩個開爾模型的參數;εs為格柵試樣收縮后剩余的塑性應變,%;t為收縮測量時間,h。擬合過程中式(4)可以轉化為公式:

ε=ε1e-A1t+ε2e-A2t+εs.

(5)

2.4 模型擬合

模型確定后,利用彈性模量計算出彈性收縮應變。根據最小二乘原理,運用origin軟件對除去彈性收縮應變的殘余應變-時間曲線進行計算機非線性擬合,擬合結果如圖8，9及表3所示。

圖8 TGSG1515殘余應變-時間擬合曲線

圖9 TGSG2525殘余應變-時間擬合曲線

表3 土工格柵收縮試驗擬合結果

格柵型號擬合公式ε1值A1值ε2值A2值εs值R2TGSG1515TGSG2525式(5)1.600.91.100.013.910.991.590.011.109.102.080.98

2.5 擬合結果分析

通過對以上試驗結果的分析可以得出:

1) 用上述方程對土工格柵的粘彈塑性收縮過程擬合情況較為理想,進一步說明該模型建立的合理性;

2) 在相同的應力水平等蠕變試驗條件下,兩個格柵試樣發生的粘彈性應變值(ε1+ε2)均近似為2.7%;

3) 雖可知A1、A2與模型參數、材料等有關,但需進一步研究。

3 結論

1) 通過雙向土工格柵蠕變試驗,發現雙向土工格柵自身的強度與土工格柵自身的加工工藝是影響其蠕變特性的重要因素。雙向土工格柵的蠕變特性基本上與單向土工格柵保持一致,只是雙向土工格柵與單向土工格柵相比蠕變發展更為緩慢,且蠕變變形更小。

2) 試驗中的土工格柵收縮過程大致都表現為三個階段:第一階段內土工格柵試樣為彈性收縮階段,用時較短;第二階段內土工格柵試樣應變的減小速率隨時間增長而變小;第三階段內土工格柵試樣應變減小速率隨時間增加進一步減小,應變值最終逐漸趨于穩定。

3) 根據對土工格柵收縮結果分析,利用開爾文模型等組成的六單元模型可以用于模擬試驗中土工格柵的粘彈塑性收縮行為,從中可以得到一個用來模擬此過程的方程。結果顯示,使用這一方程來預測格柵后期的收縮情況,所得到的結果較為理想,但方程中各參數還有待進一步研究。這一模型的提出有助于更準確地了解土工格柵的變形特性,可以為進一步研究土工格柵的加筋特性提供科學依據。

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(編輯：賈麗紅)

Study on the Creep and Shrinkage Properties of Bidirectional Geogrid

XUE Chao1,YUAN Hui1,2,LIU Shuangying3,BAI Xiaohong1,4

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China;2.TaiyuanCityVocationalCollege,Taiyuan030027，China;3.ShanxiArchitecturalCollege,Taiyuan030006，China;4.KeyLaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceTechnologyinLoessRegion,Taiyuan030006,China)

In this paper,the 1000h creep tests were conducted on two kinds of polypropylene bidirectional geogrid under a same stress level.The shrinkage measure ment was done after the creep tests and complete unloading.The test results show that,in the process of the creep,the development of is creep for the geogrid specimens is nonuniform,and the final strain of bidirectional geogrid is about 4%～5%,which is less than that of uniaxial geogrid.On the other hand,by using the Kelvin model and other models to simulate the process of the shrinkage tests,an equation was established to describe the shrinkage of the geogrid.The experimental data were fitted with the equation and the result is good.

bidirectional geogrid;creep;shrinkage;model;fitting

1007-9432(2015)06-0697-05

2015-05-07

國家自然科學基金資助項目：壓實黃土的工程力學特性及微觀結構研究(51178287)；黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室開放課題基金資助(KLTLR-Y12-1)

薛超(1991-)，男，山西大同人，碩士生，主要從事土工格柵加筋性能試驗的研究，(E-mail)591658725@qq.com, (Tel)15234150100

白曉紅，教授，博士生導師，(E-mail)bxhong@tyut.edu.cn

TU532

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.012