土工合成材料拉伸特性試驗研究

蔡曉光，劉巍巍，李思漢，黃 鑫,5，張 黎

(1.防災科技學院 地質工程學院，河北 三河 065201； 2.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201； 3.河北省地震災害防御與風險評價重點實驗室，河北 三河 065201； 4.奧來國信(北京)檢測技術有限責任公司，北京 101318； 5.中國地震局工程力學研究所,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

土工合成材料用作加筋土結構的加筋材料時，從土層中傳遞過來的荷載可通過材料自身的抗拉強度來承擔，從而實現其加筋作用[1-2]。土工合成材料抗拉強度和變形特征是其性能的重要評價指標[3]。土工合成材料拉伸試驗一般在無側限壓力的空氣中完成，測得的材料拉伸強度與實際其在土中側限壓力下的強度有所不同[4]。上覆荷載大小和拉伸速度是影響材料在土介質中拉伸性能的主要要素[5]。

許多學者關于此問題開展相關研究。周萍等[6]研究了拉伸速率、上覆荷載對筋材力學特性的影響，得出土的側限作用會使材料的割線模量明顯提高的結論。王家全等[7]對土工合成材料拉伸強度進行了一些研究，通過室內試驗研究了上覆壓力、拉伸速率對其的影響，結果表明：增加拉伸速率及上部荷載可顯著提高土工格柵的極限拉伸強度。丁金華[8]開展側限約束條件下單向土工格柵拉伸試驗，試驗結果表明：材料延伸率相較于不受約束時明顯減小，脆性更加顯著。楊廣慶[9-10]研究了土工格柵的拉伸強度受拉伸速度、上覆荷載及填料類型的影響。從眾多學者研究成果可知：側限約束對筋材的拉伸強度存在影響，但在空氣中測得的筋材拉伸強度是否能應用到土體介質中還沒有統一的解答。故筋材處于側限約束下的力學性能還需進一步研究。

本研究采用自制多功能土工合成材料拉伸試驗儀進行3種土工合成材料拉伸試驗，主要研究上覆加載和拉伸速度對其拉伸特性的影響。試驗結果對筋材參數設計取值有借鑒意義。

1 試驗設備及試驗材料

1.1 試驗設備

試驗采用的自制多功能拉伸試驗儀如圖1所示，由模型箱、豎向加載裝置、水平拉力加載裝置及數據采集系統4部分組成。模型箱符合ASTM D6706規范[11]，三側箱壁均采用鋼板，一側箱壁采用鋼化玻璃。豎向加載通過自平衡反力架及油壓千斤頂來完成。水平拉力加載裝置主要由伺服電動機、減速機、螺旋絲桿、轉換接頭及夾具組成，加載方式為應變控制，可精準控制拉伸速率。數據收集使用江蘇東華測試技術股份有限公司制造的DH3820采集儀。試驗設備的相關參數如表1所示。該套設備可通過控制拉伸速率、夾持方式和加載方式開展不同介質下土工合成材料的拉伸、拉拔和蠕變等試驗。

圖1 模型試驗設備Fig.1 Model test equipment

表1 試驗設備主要參數

1.2 試驗材料

本試驗采用福建標準砂作為回填料，其顆粒級配曲線和相關力學參數見圖2和表2。試驗筋材采用塑料土工格柵、雙向經編土工格柵及格賓網3種不同類型的土工合成材料，依次標號為G1、G2、G3，3種土工合成材料基本尺寸參數見表3。

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve

表2 標準砂物理力學指標

表3 三種土工合成材料的力學參數

1.3 試驗方案

本次試驗主要研究周圍介質條件及拉伸速率對土工合成材料力學性的影響情況。根據《公路工程土工合成材料試驗》等規范規定[12-14]，取名義夾持長度的(20%±1%)mm/min作為拉伸速度。試驗工況見表4。

表4 試驗工況

2 試驗結果分析

2.1 上覆荷載對筋材力學特性的影響

圖3 各垂直應力下土工合成材料拉伸強度曲線 (拉伸速率247 mm/min)Fig.3 Tensile strength curves of geosynthetics under different vertical stresses (247 mm/min tensile speed)

圖4 各垂直應力下土工合成材料割線模量隨伸長率的 變化曲線(拉伸速率247 mm/min)Fig.4 Curves of secant modulus of geosynthetics varying with elongation rate under different vertical stresses (247 mm/min extension rate)

3種筋材拉伸強度-伸長率和割線模量-伸長率的變化曲線見圖3和圖4。由上述兩幅圖可知，與在空氣中拉伸相比，不同豎向荷載約束條件對筋材力學特性具有明顯影響。以伸長率2%為例，上覆荷載為5，20，40 kPa及60 kPa時，單位寬度下拉伸強度與在空氣中相比，G1型筋材分別增長了8.5%，36.1%，39.5%及37.9%，G2型筋材分別增長了25.3%，56%，55.1%及50.6%，G3型筋材分別增長了87%，96%，97%及96%。土工合成材料的應力應變關系在砂土約束的情況下，其彈塑性特征得以清晰展現出來，通過與不受約束下的材料對比發現，土工合成材料在側限約束下的應力應變曲線大部分均處在無約束情況時的上端，不受約束時的割線模量值小于側限約束下的值，故土工合成材料受到側限約束時，較小的應變也會表現出更高的拉伸強度；土工合成材料受到側向約束時，隨著所施加上部荷載的增加，格柵的割線模量也隨之增加，其產生的應變反而減小。

為了定量分析土工合成材料在側限約束條件下力學性質的變動情況，將筋材在側限約束條件下的力學參數和在不受約束時測的試驗值進行比較，引入無量綱因子ξ表示兩者之間的差異，并且定義強度相對變化率ξT式(1)為：

(1)

式中，Fc為側限拉伸強度；Fun-c為無側限拉伸強度。

圖5 各垂直壓力下土工合成材料力學參數相對變化率 (拉伸速度247 mm/min)Fig.5 Relative change rates of mechanical parameters of geosynthetics under different vertical pressures (247 mm/min tensile speed)

得出土工合成材料在各垂直壓力下的拉伸強度后，繪制出豎向加載-相對變化率曲線如圖5所示。在砂土約束條件下，單向塑料土工格柵和雙向經編土工格柵在拉伸速率為247 mm/min時的拉伸強度比無約束情況時大，雙向經編土工格柵在一定條件下的強度相對變化率高達76%；格賓網的拉伸強度在受側限約束時略有降低。另一方面，與無側限約束情況時的相比，土工合成材料伸長率在受側限約束時相對較小，隨著荷載的增加，降低程度也較大[15]；格賓網降低更大，最大達到84%。土工合成材料在側限約束條件下的割線模量隨上部加載的增加而增加。60 kPa時，雙向經編土工格柵的割線模量相對變化率是138%；40 kPa時，格賓網卻為467%。由于不同筋材網格尺寸、材料性質等會影響筋材和土的交互作用，故不同土工合成材料的拉伸特性受側限約束條件的影響程度并非一樣[16-17]。

在指定上覆荷載下，為探究土工合成材料拉伸強度變化情況，將以上3種材料的拉伸強度與上覆荷載的關系進行回歸，得出線性回歸方程如表5所示。在已知上部荷載的情況下，土工格柵的拉伸強度可由此回歸方程獲得。

表5 拉伸強度與上覆荷載的回歸方程

2.2 拉伸速率對筋材力學特性的影響

圖6 不同拉伸速率下拉伸強度曲線(上覆荷載40 kPa)Fig.6 Tensile strength curves under different tensile rates (40 kPa overburden load)

圖6分別為不同拉伸速率作用下，上覆荷載為40 kPa時，3種筋材土中拉伸強度隨伸長率的變化曲線圖。由圖可知：拉伸強度隨著拉伸速率的增加而增加。通常土中拉伸的屈服段在不同拉伸速度下會有明顯的區別，即屈服過程會隨著拉伸速度的減小而變長，與最大單寬負荷對應的應變也將隨之增大。

圖7 各拉伸速度下的筋材峰值應變Fig.7 Peak strain of geosynthetics under different tensile rates

豎向荷載40 kPa時、不同拉伸速度下的G1型、G2型及G3型筋材峰值應變與拉伸速度的關系曲線如圖7所示，由圖可得，增大拉伸速率，峰值應呈減小的趨勢[18]。圖8和圖9分別為豎向荷載為40 kPa 時，G1型筋材在不同拉伸速度條件下，2%應變、5%應變及峰值應變對應拉伸強度和割線模量同拉伸速度的關系曲線，由圖可知，拉伸強度及割線模量隨著拉伸速度的增加呈遞增趨勢。

圖8 單向塑料土工格柵拉伸強度與拉伸速度的關系曲線Fig.8 Relationship between tensile strength and tensile rate of unidirectional plastic geogrid

圖9 單向塑料土工格柵割線模量與拉伸速度的關系Fig.9 Relationship between secant modulus and tensile rate of unidirectional plastic geogrid

通過不同拉伸速度前提下得出的土工合成材料拉伸強度，拉伸速度-相對變化率變化曲線由公式(1)整理得出，如圖10所示。在上覆荷載為40 kPa時，單向塑料土工格柵和雙向經編土工格柵在不同拉伸速率下的拉伸強度比無約束時高。雙向經編土工格柵在拉伸速率為200 mm/min的強度相對變化率為56%。拉伸速率不同時，格賓網在側限約束下的拉伸強度略有減小。此外，無論拉伸速率多大，土工合成材料的伸長率在豎向荷載40 kPa時均降低，但降低幅度不大。由割線模量的相對變化率曲線可知，割線模量在40 kPa荷載約束條件下的值比在不受約束時的值大。拉伸速率為200 mm/min時，雙向經編土工格柵的強度相對變化率為121%。

圖10 土工合成材料在各拉伸速度下的拉伸應力 應變關系(上覆荷載40 kPa)Fig.10 Tensile stress-strain relationship of geosynthetics at different tensile speeds (40 kPa overburden load)

3 結論

本研究基于自主研發多功能拉伸試驗儀，開展土工合成材料在側限條件下的拉伸試驗，歸納總結其破壞模式，探討筋材力學特性受上覆荷載、拉伸速率的影響情況，歸納總結如下：

(1)側限約束條件下，筋材的力學性能會有明顯改變。筋材網格尺寸、材料性質等會影響筋材與土的相互作用，故不同土工合成材料的拉伸特性受側限約束條件的影響程度并不完全趨于一致。

(2)有側限約束時，各拉伸速率下單向塑料土工格柵和雙向經編土工格柵拉伸強度比無約束時高；格賓網的拉伸強度稍有降低。側限約束時，各拉伸速率下的土工合成材料伸長率均比不受約束時的小，割線模量卻比不受約束時的大。