格賓網筋材的絞邊強度特性試驗研究

楊果林　段君義　張雨

摘要：為研究不同絞邊方式及不同網孔尺寸下格賓網的絞邊拉伸特性，參考歐洲標準（ENl0223-3：1997），采用自行設計的絞邊試驗裝置，對網孔型號為60 mm×80 mm和80mm×100 mm的A與B兩類絞邊方式的格賓網片進行絞邊拉伸試驗，分析比較各自的力學特性，并討論絞邊拉伸破壞的典型破壞模式。研究結果表明：與B類絞邊方式相比，A類絞邊方式的格賓網片絞邊拉伸強度較大；根據格賓網的破壞形態，絞邊拉伸破壞可分為3種典型破壞模式，即絞邊鋼絲被拉出破壞、網絲的拉斷破壞以及絞邊鋼絲部分被拉出后網絲被拉斷破壞；絞邊質量與絞合在端絲上的鋼絲纏繞圈數、緊密程度有關；網孔尺寸、鋼絲直徑及絞邊質量均是影響格賓網的絞邊拉伸力學特性的重要因素。研究結果可為加筋格賓結構物的設計、施工提供參考。

關鍵詞：雙絞合六邊形鋼絲網；筋材；強度特性；拉伸試驗；絞邊質量；破壞模式

中圖分類號：TV41 文獻標識碼：A

巖土體材料具有較強的抗壓和抗剪強度，但其抗拉強度較小，在巖土體中鋪設抗拉材料，可有效改善巖土體的抗拉特性，這就是“加筋”的概念，而起抗拉作用的材料就是筋材。加筋土筋材以其優良的適用性和顯著的經濟性得到了世界各國工程及學術界的重視，現已廣泛應用于鐵路、公路、市政以及水利等工程領域。加筋材料也從天然植物發展為高模量的鋼條、鋼絲網以及各類土工合成材料等。加筋土筋材的拉伸力學特性是工程設計中最基本的力學指標，國內外的一些學者和單位針對加筋土筋材的拉伸力學特性展開了大量研究，如：Perkins對各類土工合成材料進行了一系列的拉伸試驗研究，得出了土工合成材料的拉伸應力應變關系具有熱、黏、彈塑性等特性；Parsons等認為土工合成材料在拉伸過程中具有應變率相關性；李作攀等研究了試樣的寬度與長度對拉伸斷裂強度的影響，認為試樣尺寸改變會引起拉伸過程中頸縮率的變化，試樣的長寬比越小，頸縮率越小，斷裂拉伸強度越高；李俊偉等對土工格室HDPE片材的拉伸力學特性進行了試驗研究，試驗結果表明拉伸速率對其應力應變關系有著較大影響，并提出了一種描述較小應變下的應力應變數學模型；楊廣慶等選取3種不同類型的HDPE土工格柵，對其在不同拉伸速率下的拉伸性能進行了研究；楊果林等對在循環荷載作用下的土工合成材料應力應變特性進行了研究，并推導了約束條件下的變形方程。此外，很多學者對土工合成材料的蠕變特性也進行了研究。以上主要是關于土工合成材料等方面的研究。格賓網筋材作為一種新型的加筋材料，具有良好的工程特性和價格優勢。目前關于格賓網的研究主要集中在拉伸特性、拉拔特性方面，均未涉及到格賓網的絞邊強度特性。歐洲標準（ENl0223-3：1997）指出格賓網必須采用比網面鋼絲直徑稍大的鋼絲作為邊端鋼絲進行絞邊，但歐洲標準中并沒有對絞邊的具體制作要求和絞邊強度的測試方法進行說明。格賓網在制作過程中是裁剪成片的，在施工現場鋪設時需要將格賓網片拼接起來，而格賓網片邊緣的鋼絲絞合纏繞在邊端鋼絲上，這就使得網片末端與邊端鋼絲（即端絲）的連接位置成了整個格賓網的薄弱部位。可見，格賓網的絞邊強度特性尚需進行系統性研究。為此，本文以湖南省安化至邵陽高速公路加筋格賓路堤為背景，選取不同絞邊方式、不同網孔型號的格賓網片進行絞邊拉伸試驗，研究格賓網的絞邊拉伸特性及破壞形式。研究成果對于加筋格賓路堤工程的修建具有重要的指導作用，也對加筋格賓結構的深入研究具有參考意義。

1試驗概況

1.1試驗裝置

絞邊強度是格賓網片絞合段的末端鋼絲纏繞在端絲上的抗拔強度值（圖1所示為格賓網片的絞邊示意圖）。格賓網片的絞邊拉伸試驗裝置不同于格賓網片的拉伸試驗裝置。格賓網片拉仲試驗是通過螺栓將網片節點與夾具連接起來，而絞邊強度試驗是為了測量網片的絞邊強度，應充分考慮網片絞邊部分與夾具連接的特殊性。為此，參考歐洲標準（ENl0223-3：1997）中格賓網制作要求，考慮到避免格賓網拉伸過程中的頸縮現象（橫向變形），保證拉伸過程中絞邊部位與拉伸方向垂直和試驗可操作性，采用光滑扣環扣住絞邊部位的端絲進行絞邊拉仲。并考慮到對格賓網不同網孔單元試件的可測試性，合理布置夾具上孔槽，研制了專門的絞邊強度拉仲裝置。該絞邊測試方法合理，具有簡便、可操作性強的特點，在未來實際應用中具有可行性。（對應的試驗裝置專利號：201420386094.6）

試驗在常溫下進行，所采用的拉伸機為SHT4106-G微機控制電液伺服萬能試驗機，拉伸速率控制為5 mm/min（即格賓網片拉伸方向的長度的20%）。如圖2所示。

1.2試驗材料及試驗過程

為了得到不同網孔單元尺寸和不同絞邊質量對絞邊強度特性的影響，特選取了某公司生產的2種不同絞邊質量的格賓網（雙絞合六邊形鋼絲網）片進行絞邊試驗，其中，每種絞邊方式的鋼絲網又分2種網孔型號，分別為60 mm× 80 mm（對應網面鋼絲直徑為2.0 mm，端絲直徑為2.7 mm）和80 mm×100mm（對應網面鋼絲直徑為2.7 mm，端絲直徑為3.4mm）的2種網孔，共4種組合類型網片。為方便區分，本文規定絞邊質量較好的為A類絞邊方式（如圖3（a），由專業的翻邊機器將網面鋼絲纏繞在邊端鋼絲上），絞邊質量較差的為B類絞邊方式（如圖3（b），采用手工絞邊，纏繞圈數為2圈）。可以很明顯地發現兩者的絞合段纏繞在端絲上的纏繞圈數有較大差異，A類絞邊方式的纏繞圈數明顯多于B類。

為了保證試驗數據的可統計性，對上述每種組合類型的網片均取6片進行平行試驗。網孔型號為60 mm× 80 mm的網片長度和寬度分別裁取4個單元尺寸長度和10個單元尺寸寬度；網孔型號為80mm×100 mm的網片長度和寬度分別裁取4個單元尺寸長度和8個單元尺寸寬度，同時保證網片的一端必須為纏繞有網面鋼絲的端絲。

2試驗結果與分析

對不同類型格賓網片試驗結果進行統計分析，每類格賓網試驗結果的平均值見表1。

2.1不同絞邊方式對格賓網片絞邊拉伸特性的影響

為了探討不同絞邊方式對格賓網片絞邊強度特性的影響，對于不同絞邊方式的格賓網片，均選取2組典型絞邊拉伸破壞試驗數據，試驗結果如圖4所示。其中，曲線1和曲線2分別對應平行試驗中A類絞邊方式的格賓網片絞邊拉伸的2種典型破壞形態；曲線3和曲線4分別對應平行試驗中B類絞邊方式的格賓網片絞邊拉伸的2組典型曲線。

圖4（a）所示為不同絞邊方式的格賓網片（網孔型號60 mm×80mm）的典型絞邊拉仲曲線。由圖可知：

1）對于A類絞邊方式的網片絞邊拉伸曲線，在兩者達到最大拉伸應力前的絞邊拉伸曲線變化規律相差不大。在初始階段，拉力隨格賓網應變增長較為緩慢，格賓網尚處于調整過程；隨著應變的繼續增加，拉力增長速度加快且呈線彈性；在達到最大拉伸應力前，拉伸曲線多處出現鋸齒形，說明在拉伸過程中格賓網片內鋼絲在不斷地進行應力調整；兩者的最大負荷下伸長率相差不大，約為16%，曲線1對應的最大拉伸應力小于曲線2的最大拉伸應力，原因是曲線1對應的格賓網片發生了絞邊破壞，纏繞在端絲上的鋼絲被拉出，而曲線2對應的格賓網片為網片內的斜向鋼絲被拉斷破壞。此外，曲線2對應的拉伸應力達到最大值之后并沒有迅速減小，反而能夠繼續保持較大的拉伸應力，這是因為網片內鋼絲發生斷裂后，網片內發生了拉力重分配，且網片內存在應力集中現象，部分鋼絲沒有達到最大拉伸強度，能夠繼續承受一定的拉力，故網片能夠在伸長率增加的情況下繼續維持較高的拉伸應力。

2）對于B類絞邊方式的網片絞邊拉伸曲線，兩者的絞邊拉伸曲線差異較大。由于B類絞邊質量較差，纏繞不夠緊密，均發生了絞邊破壞，即絞邊鋼絲被拉出，而絞邊質量存在隨機性，導致拉伸曲線存在差異性，進而導致最大拉伸力不同。

3）A類絞邊方式的格賓網片絞邊拉伸強度大于B類絞邊方式的格賓網片絞邊拉仲強度，這是由于A類絞邊方式的格賓網片鋼絲在端絲上的纏繞圈數和緊密程度都高于B類絞邊方式的格賓網。與B類絞邊方式相比，A類絞邊方式的最大負荷下伸長率較大。說明絞邊質量較好的格賓網用于加筋構筑物中，在維持荷載的同時，具有承受較大變形的能力。

4）為保證格賓網片的平整性及網片與夾具緊密接觸，對格賓網片施加了一定的預拉力，故伸長率為0時，格賓網拉力并不為0；在應變較小的范圍內，2種絞邊方式的格賓網拉伸曲線的斜率大致相等，即割線模量在拉伸的初始階段可認為相同；但當應變進一步增大時，不同絞邊方式的格賓網片拉伸曲線差異較大。可見，格賓網的拉伸力學性能與絞邊質量關系密切。

圖4（b）所示為不同絞邊方式的格賓網片（網孔型號80 mm×100 mm）的典型絞邊拉仲曲線。由圖可知：

1）對于A類絞邊方式的網片絞邊拉伸曲線，在兩者達到最大拉伸應力前的絞邊拉伸曲線變化規律也具有一致性。在初始階段，拉伸曲線變化與網孔型號60 mm× 80 mm的格賓網片拉伸曲線變化情況相同，在伸長率達到7%之后呈線彈性；曲線1的最大拉伸應力是曲線2的最大拉仲應力的1.3倍，曲線1對應的格賓網片表現為很明顯的網片內多根斜向鋼絲連續拉斷破壞，曲線2對應的格賓網片發生的是纏繞在端絲上的絞邊鋼絲逐根被拉出破壞，表現出位移破壞特征。

2）對于B類絞邊方式的網片絞邊拉伸曲線，格賓網片均表現為絞邊鋼絲的拉出破壞，但由于絞邊質量的隨機性，兩者的絞邊拉伸曲線差異也較大，曲線3對應的最大拉伸應力約為曲線4對應的最大拉伸應力的2倍，進一步說明絞邊強度與絞合在端絲部分的網絲纏繞圈數、緊密程度相關。并且隨著絞邊質量的提高，格賓網片絞邊拉伸過程中的絞邊拉伸曲線會逐漸向網片的拉伸曲線轉變。

3）與B類絞邊方式相比，A類絞邊方式的格賓網片絞邊拉伸強度較大；兩者的最大負荷下伸長率均較大，約為15%。

2.2絞邊拉伸的3種典型破壞模式

通過對試驗中得到的24片格賓網絞邊拉伸破壞結果進行歸納發現，B類絞邊方式的格賓網片均出現絞邊鋼絲被拉出破壞，但A類絞邊方式的格賓網片出現了不同的破壞形態，其不同網孔型號的格賓網片破壞形態均可歸納為以下3種典型破壞模式。可見，機械絞邊存在加工差異，為了改進優化、合理設計絞邊方式，并為合理制定格賓網絞邊強度設計值提供依據，以網孔型號為60 mm×80 mm的格賓網片絞邊拉伸結果為例，圖5所示為A類絞邊方式的格賓網片（網孔型號為60 mm×80 mm）的3種典型破壞模式曲線，各破壞模式對應的網片破壞形態如圖6所示。

1）第一種破壞模式：纏繞在端絲上的鋼絲陸續被拉出破壞，而網片內的網絲沒有出現斷裂。對應的拉伸曲線見圖5中曲線1，網片破壞形態見圖6（a）。由曲線1可知，最大拉伸力為20.63 kN/m，對應的最大負荷下伸長率為16.75%，此時纏繞在端絲上的部分鋼絲被拉出，網片內的拉力重新分配到其余纏繞在端絲上的絞邊鋼絲上，故在達到最大拉伸力之后還能繼續維持較高拉力，直到大部分絞邊鋼絲被拉出而不能繼續承受荷載為止。

2）第二種破壞模式：格賓網片端部的某根或幾根絞邊鋼絲被拉出，接著在其他位置發生網片內網絲被拉斷而破壞。對應的拉伸曲線見圖5中曲線2，網片破壞形態見圖6（b）。由曲線2可知，在伸長率達到11.95%時，拉伸力出現突然下降，原因是網片端部絞邊質量較差的鋼絲被拔出，導致拉伸力下降，但其他位置的絞邊質量較好，網片能及時進行拉力重分配，使得網片強度迅速恢復增長；最大拉伸力為21.59 kN/m，對應的最大負荷下伸長率為20.05 %，此時網片內斜向鋼絲發生斷裂，隨后網片能夠承受的荷載隨斷裂鋼絲的增加而逐漸降低。

3）第三種破壞模式：網片內網絲被拉斷而發生破壞，纏繞在端絲上的鋼絲沒被拉出。對應的拉伸曲線見圖5中曲線3，網片破壞形態見圖6（c）。由曲線3可知，最大拉伸力為23.44 kN/m，對應的最大負荷下伸長率為14.57%，此時網片內的斜向鋼絲被拉斷，絞邊鋼絲始終沒有被拉出。在拉伸荷載下網片內重復拉力重分配及鋼絲斷裂的過程直到網片失去承載能力。此外，由曲線3的拉伸力的3次明顯落差可知網片內鋼絲發生了3次斷裂，這與對應的網片破壞形態是一致的（如圖6（c）所示）。

比較3種破壞模式的網片絞邊拉伸曲線可知：第三種破壞模式的最大拉伸力最大，第二種破壞模式次之，第一種破壞模式最小；第二種破壞模式的最大負荷下伸長率最大，第一種破壞模式次之，第三種破壞模式最小。

由此可見，絞邊質量對絞邊拉伸特性影響較大，當絞合在端絲上的鋼絲圈數夠多、纏繞夠緊密時，在拉伸荷載作用下不會發生第一、二種破壞模式，而是表現出第三種破壞模式，即格賓網內鋼絲拉斷破壞，也可有效地避免在較小拉伸荷載作用下由于絞邊破壞而使得網片強度不能充分發揮的情況。

2.3不同網孔單元對格賓網片絞邊拉伸特性的影響

為了比較不同網孔單元對格賓網片的絞邊強度特性的影響，現將網孔型號為60 mm×80 mm和80mm×100 mm的格賓網片發生相同破壞模式的絞邊拉伸曲線進行對比，以第一、三種破壞模式為例，結果如圖7所示。

根據圖7，經換算成單位寬度內拉伸應力可知，2種破壞模式下網孔型號80 mm×100 mm的網片最大拉伸應力與網孔型號60 mm×80 mm的網片差別不大（分別為0.991倍和1.049倍）。但由于換算所得單位寬度內受拉面積不同（網孔型號80 mm×100 mm的網片單位寬度內受拉面積較大），故不論是第一種破壞模式還是第三種破壞模式，網孔型號80 mm×100 mm的網片最大拉伸力均明顯大于網孔型號60 mm×80 mm的網片（分別為1.44倍和1.53倍），由于2種網片的絞邊質量相同，因此，相同破壞模式下2種網片絞邊拉伸特性存在差異性是網片鋼絲直徑和網孔尺寸不同的共同作用結果。而B類絞邊方式的網片由于絞邊質量較差，2種網孔的網片均表現出第一種破壞模式，且最大絞邊拉仲力均明顯小于A類絞邊方式網片的最大絞邊拉伸力。可見，網片鋼絲直徑、網孔尺寸及絞邊質量均是影響格賓網絞邊拉伸力學特性的重要因素。

3結論

1）自行設計的絞邊拉伸裝置合理，具有簡便性、可行性及實用性，能夠用于加筋格賓網的絞邊拉伸試驗，測試格賓網的絞邊強度特性。

2）絞邊質量主要與絞合在端絲上的網絲纏繞圈數、緊密程度有關，隨著絞邊質量的提高，格賓網的絞邊拉仲特性會向網片拉伸特性轉變，有利于格賓網強度的充分發揮。

3）與A類絞邊方式相比，B類絞邊方式的格賓網片絞邊拉伸強度明顯偏小。A類絞邊方式的格賓網絞邊拉伸表現出3種典型破壞模式，B類絞邊方式的格賓網絞邊拉伸均表現出第一種破壞模式。

4）格賓網具有拉力重分配特點，能夠在較大伸長率情況下保持較高強度；絞邊質量較好的格賓網用于加筋構筑物中，對變形具有良好的適應能力。

5）鋼絲直徑、網孔尺寸及絞邊質量均是影響格賓網絞邊拉伸力學特性的重要因素。