土工合成材料土中拉伸试验研究

吴 迪, 徐 超,, 李 丹, 祁昌伟

（1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092 ）

0 引言

大量的工程实践表明，土工合成材料加筋工程具有良好的工程效益、经济效益和环境效益，在全球范围内得到了广泛的运用。目前土工合成材料已较多地用于建筑挡墙、陡坡、路堤和浅基础地基的处理工程中[1]。加筋结构由加筋土工合成材料、填土和其他一些附属成分组成。其中土工合成材料的物理性质、力学性质、结构形式、填土的工程性质以及筋土界面力学特性等因素都对加筋结构的力学行为和稳定性带来重要影响。

土工合成材料用于实际加筋工程中时，对稳定性影响最为突出的因素之一就是筋材与土体之间相互作用时发挥的力学特性。Palmeira以加筋挡土结构为例[2]，分析了4种潜在的筋土界面破坏机制，如图1所示。图中显示了加筋土挡墙的几种潜在破坏或变形模式，具体会发生哪种破坏形式根据荷载条件、地基条件及施工条件而定。比如在区域A，可能发生填土沿筋材表面滑动，可以用直剪试验来模拟这类破坏形式；在区域B，土和筋材发生侧向变形，可以用土中拉伸试验来模拟；区域C表示土和土工合成材料发生剪切，可以用筋材倾斜的直剪试验来模拟；在区域D，筋材锚固端被拔出，可以采用拉拔试验来模拟。需要指出的是，任何一种试验都不能完全真实的模拟现场加筋结构物的状况，都是存在一些试验假设的。

从图1中的区域B可知，土工合成材料在土中的拉伸性能会直接影响到加筋结构的稳定性，具有较为重要的研究价值。王钊讨论了土工织物的土中拉伸试验，认为现有的对于土工织物的拉伸试验仅处于探讨阶段，常规测试方法与土中织物受拉的边界条件仍相差甚远，随着土工织物法向压力的增加，织物的拉伸模量增加很快，特别是无纺织物更为显著[3]。然而实际的生产实践中，对土工合成材料拉伸性能的测试往往是在空气中进行。没有了填土的约束及摩擦力作用，筋材所体现出的力学性能会有较大的不同，不利于对筋土相互作用的认知。另外，通过试验探讨在土中拉拔模式下的筋土相互作用，还有助于在数值模型中模拟筋材与土之间的界面作用问题。

图1 加筋土挡墙中破坏机制Fig.1 The failure mechanism of reinforced soil wall.

加筋结构计算所采用的强度参数大多依靠简单试验甚至工程经验确定，导致参数取值单一，不符合实际情况。产生此类问题的重要原因便是现有工程实践过于强调土工合成材料拉伸强度，而忽视了筋材的割线模量。根据现有规范[4]，割线模量是指土工合成材料单位宽度的负荷值与特定伸长率值之比。土工合成材料在使用中往往并非处于极限状态，因此拉伸强度仅仅在工程建设中对于考虑加筋结构的极限破坏状态有一定设计方面的意义，但对于土工合成材料实际是如何起作用的却参考价值较低。土工合成材料的割线模量在一定条件下可理解为材料的拉伸模量，反映了筋材受到拉力随变形增大而变化的过程。因此拉伸模量对于加筋土结构的作用机理以及设计施工具有重要的研究意义。对于一些变形要求较高的工程，如大型加筋土挡墙，应使用拉伸模量较大的土工合成材料，以减少整体变形。

由于土工合成材料的土中拉伸与空气中拉伸（常规拉伸）具有较大的差别，进一步造成了对与土工合成材料拉伸模量的认识不足。McGown首先研究了土工织物土中拉伸的荷载变形曲线，发现由于土的侧限作用织物的拉伸模量得到了较大的提高[5]。Siel等人陆续进行了一些土工织物土中拉伸试验[6]，但仍远远不足。国内对于土工合成材料土中拉伸试验处于起步阶段，王钊认为需亟待开展这方面的试验及研究工作[3]。

本文通过新研制的土工合成材料土中拉伸试验机，对五种不同土工合成材料的土中拉伸性能进行研究，测试其在不同法向荷载下的表现，探讨割线模量即拉伸模量的变化。

1 试验设备及材料

1.1 土中拉伸试验机简介

本次试验研究中，采用自行研制的多功能土工合成材料土中拉伸试验机（简称为MGT1000），如图2所示。MGT1000的设计采用了面向对象的功能模块设计理念，可扩展性强，目前主要进行土工合成材料土中拉伸试验研究。还可以根据不同的试验要求，通过采用不同的夹持方式、不同的控制方法或者增加相应的辅助模块等方法来进行拉拔、蠕变、撕裂、无摩擦土中拉伸等试验研究。MGT1000主要由主体框架、试验箱及气压袋、夹具套筒及相应移动支撑梁、气压控制系统、驱动位移系统、试验控制系统、数据采集系统、显示系统所构成。试验机的主要性能指标列入表 1。本文研制的多功能土工合成材料土中拉伸试验机由上海旭赛试验机有限公司协助制造。

图2 多功能土工合成材料土中拉伸试验机MGT1000Fig.2 Multifunctional Geosynthetic in-soil Tensile apparatus 1000 (MGT1000).

表1 MGT1000主要性能指标

MGT1000具有试验过程方便、操作简单的特点，本项研究中进行了5种不同材料、5种不同侧限条件下（包括4种法向应力下的土中拉伸及空气中拉伸），共25组土工合成材料拉伸试验，每组均包括两次平行试验，若两者试验结果相近则取其平均值，如相差较大则重新试验，保证结果的准确性。

1.2 土工合成材料

本次试验采用5种不同的土工合成材料，其中3种为无纺土工织物，分别记为GT1、GT2、GT3；1种为有纺土工织物，记为 GT4；1种为玻纤土工格栅，记为GG5。其中，GT1和GT2、GT3为杰斯曼无纺布（洛阳）有限公司生产的产品，具有延展性好、抗拉强度高，等优点；机织土工布GT4为江苏鼎泰工程材料有限公司生产的产品；玻纤土工格栅GT5为山东肥城联谊工程塑料有限公司生产。5种土工合成材料在实际工程中均应用广泛。具体土工合成材料的技术指标见表4所示。试样尺寸为200 mm×200 mm，其余均按照规范[4]规定进行选样及制样。

表2 土工合成材料的技术指标

1.3 石英砂

试验采用石英砂，由 10目～20目及20目～40目的石英砂按照质量比例3:1进行混合，充分搅拌，使其混合均匀，试验时的控制标准采用1.6 g/cm3。对石英砂进行颗粒分析试验，获得的技术参数如表3所示。对石英砂进行直剪试验，计算得到内摩擦角为38.17°。

表3 石英砂技术指标

2 试验结果

图3所示为GT3的空气中与土中拉伸荷载与伸长率的关系曲线。从图中可以看出无纺土工织物的土中拉伸曲线与空气中拉伸（常规拉伸）曲线差别较大，这点与文献[1]所得到的结果一致。空气中拉伸为一条较为平稳上升的曲线，而土中拉伸曲线可分为两个阶段，分界点在 4%伸长率附近，小于此分界点则荷载随伸长率增长较快，大于此分界点则上升平稳。从图3中还可以看出，在同一伸长率下，随着法向荷载的增加，筋材所受到的负荷会逐渐增加。具体地讲，当伸长率为10%时，150 kPa较100 kPa大3.11 kN/m，与100 kPa较50 kPa大4 kN/m较为接近，远大于50 kPa较25 kPa所增加的0.86 kN/m。这说明随着法向荷载水平高，筋材受到负荷增加越大，但50 kPa至150 kPa之间可认为是线性增加。另外，50 kPa法向荷载下筋材的土中拉伸较空气中拉伸其单位宽度负荷大4倍有余，反映出无纺土工织物拉伸性能受侧限影响较大。

事实上，GT1、GT2与GT3的负荷―伸长率曲线趋势相近，只不过在相同伸长率下，GT3的单位宽度负荷更大，这里不再赘述。这说明土工合成材料若原材料相同，其土中拉伸性能一致，但同时会受其他材料性质影响。

图3 GT3土中与空气中拉伸试验结果Fig.3 Results of in-air and in-soil tensile test of GT3.

图4 GT3割线模量与伸长率关系曲线Fig.4 Curves of relationship between secant modulus and elongation of GT3.

图4所示为GT3空气中与土中拉伸试验的割线模量与伸长率的关系曲线。从图中可以看出，无纺土工织物土中拉伸的割线模量比空气中有较大增加，且随着法向荷载的增加而增加。这说明常规的空气中拉伸试验并不能完全反映筋材的拉伸性能，无纺织物的割线模量在填土的侧限条件下会发生较大的改变，通过本次试验可以发现，随着法向荷载的不同，割线模量会增加4～20倍不等。由此可知在一些小型或临时性加筋土工程中，可以考虑通过采用较为便宜的无纺织物作为加筋材料，在安全性满足的条件下可有效的减少工程预算。

图5所示为有纺土工织物GT4的空气中与土中拉伸荷载与伸长率的关系曲线，从图中可以看出空气中拉伸与土中拉伸有一定差别，尤其对于伸长率在0%～4%的区间内，土中拉伸明显较常规拉伸要大。另外还可以看出，随着法向荷载增大，筋材受到的负荷有一定增加，但并不显著，这可能是由于有纺织物的延伸率较低，填土的荷载作用并不会严重的影响到筋材的拉伸性能，但在筋材受拉的初始阶段（0%～4%），侧限作用会限制测试材料的颈缩现象，导致测得的割线模量较空气中有一定的增长。

图5 GT4土中与空气中拉伸试验结果Fig.5 Results of in-air and in-soil tensile test of GT4.

图6 GG5土中与空气中拉伸试验结果Fig.6 Results of in-air and in-soil tensile test of GT5.

图6所示为玻纤土工格栅GG5的空气中与土中拉伸荷载与伸长率的关系曲线，从图中可以看出空气中拉伸与土中拉伸有较为明显的差别，说明填土的侧限作用使得格栅在受拉条件下与土作用明显，研究土工格栅的拉伸性能不能仅仅研究其本身，需要将筋材与填土作为整体进行研究。同时发现，4种不同法向荷载对于土中拉伸试验结果影响不大，4条曲线近于重合，这可能是由于土工格栅的延伸率较低，受到拉伸负荷增长较快造成的。

3 结论

本文通过对五种不同土工合成材料的土中拉伸试验，结合试验结果，分析了土中拉伸与空气中拉伸的不同，得到了以下结论：

（1）土工合成材料与土体之间相互作用明显，在土中拉伸会得到与常规拉伸不同的试验结果，最为明显的割线模量有着较大不同，拉伸强度也会得到一定的提高；

（2）通过对无纺织物、有纺织物、土工格栅的土中拉伸试验发现，伸长率越长的材料受土体的侧限作用越明显，其土中拉伸与空气中拉伸曲线差别越大；

（3）在实际工程中，可考虑使用较为经济的无纺土工织物作为小型或临时性加筋结构的加筋材料，其土中割线模量会由于土体的荷载得到较大的增加，降低建设成本。

[1]]徐超, 邢皓枫. 土工合成材料[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[2]Palmeira E M. Soil-geosynthetic interaction: Modeling and analysis[J].Geotextiles and Geomembranes, 2009, 27: 368-390.

[3]王钊. 土工合成材料[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 15788-2005土工布及其有关产品宽条拉伸试验[S].北京：中国标准出版社, 2005.

[5]McGown A, Andrawes K Z, Kabir M H. Load-extension testing of geotextiles confined in soil[C]//Proceedings of the 2ndInternational conference on Geotextiles. Las Vegas, USA, 1982, (3).

[6]Siel B D, Tzong W H, Chou, N N S. In-soil stress-strain behavior of geotextile[C]//Proceedings of Geosynthetices 87. USA, 1987, (1):260-265.

[7]Mendes M J A, Palmeira E M, Matheus E. Some factors affecting the in-soil load-strain behavior of virgin and damaged nonwoven geotextiles[J]. Geosynthetics International, 2007, 14(1): 39-50.