HDPE土工格栅在有约束条件下的蠕变特性试验

丁金华，周武华

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2.浙江大学建筑工程学院，杭州 315800)

1 研究背景

土工合成材料在持续荷载作用下变形随时间不断增加的现象称为蠕变。蠕变是影响加筋土技术能否用于永久性工程的关键因素之一，它可能引起加筋土结构内部应力状态的改变，导致结构物丧失稳定或发生过度的变形。因此预测土工合成材料筋材的长期蠕变特性对于结构的安全性、经济性都很重要。有鉴于此，目前国内外关于土工合成材料蠕变特性的研究日益增多［1－2］，但基本上都是针对土工织物或者土工膜而开展的，并且多数国家的相关试验规范和标准(如ISO13431，ASTMD5262，BS6906－1991 及中国国标GB/T17637－1998)中都规定在无侧限条件下进行。这种试验方法得到的蠕变性质比实际工程中土工合成材料埋于土体内的要强得多，导致工程设计时采用过大的蠕变折减系数，对强度过多地折减，从而影响了这种材料在加筋土结构中的应用。因此，考虑侧限约束条件对蠕变的影响是非常必要的。

影响土工合成材料侧限蠕变特性的因素很多，除了加筋材料本身的性质之外，还必须考虑填料的性质(如砂性土或黏性土)、上覆荷载大小、试样尺寸、蠕变荷载水平等，试验难度较大，且蠕变试验的时间一般持续较长，因此相关的研究成果很少。L.D.B.Becker等(2002)［3］进行了大比尺试验以研究无纺土工织物埋于砂土内的长期拉伸蠕变性质。王协群(2004)［4］等通过2种典型土工织物在砂土中的侧限拉伸蠕变试验，分析了在不同的荷载水平和上覆土压力作用下土工织物蠕变性能的变化。高传明等(2005)［5］结合某黄土公路路堤工程，对加筋土工格栅进行了长达2年的应变观测，得到了格栅在路堤施工以及运行期间的变形发展规律。

本文利用土工合成材料直剪拉拔试验仪对2种形式的土工格栅进行了密实砂土中的有约束拉伸蠕变试验，并与无约束拉伸条件下的蠕变试验结果对比，得到了不同蠕变荷载水平下的蠕变变形发展规律。

2 试验概况

2.1 试验设备

侧限约束蠕变试验采用土工合成材料直剪拉拔试验仪进行(见图1)，仪器主要包括垂直和水平荷载加载系统、剪切盒、以及位移采集系统等。其中垂直荷载通过杠杆施加，水平荷载直接通过砝码施加，剪切盒(430mm×300mm)的上、下盒均固定。为保证格栅在拉伸过程中始终处于水平状态，下剪切盒内放置硬质木块，上盒填入标准砂，土工格栅位于木块和砂之间，以模拟土工格栅在土中工作时的侧限条件。

埋设于土中的格栅2条横肋上分别固定2根钢弦，引伸到剪切盒外，并与位移传感器连接，用来测量土工格栅的蠕变变形量。数据采集装置可以按设定采集的时间间隔进行自动采集，试验初始阶段采集间隔设定为每min测1次，以后逐渐延长到30～60 min测一次。

图1 土工合成材料直剪拉拔试验仪示意图Fig.1 The soil-geosynthetics direct shear and pull-out testing apparatus

无约束拉伸蠕变试验采用微机控制式电子蠕变仪进行(见图2)，该机包括一个环境箱，可以控制蠕变试验的温度和湿度，并可同时对3个试样进行不同荷载条件下的蠕变试验。

图2 电子式蠕变持久试验机Fig.2 The electronic apparatus of creep test on geosynthetics

2.2 填料和土工格栅

试验中采用了2种型号的高密度聚乙烯(HDPE)单向拉伸土工格栅，其基本力学性质见表1，典型的拉伸变形曲线见图3。

表1 2种土工格栅的基本力学性质Table 1 Mechanical parameters of two geogrids

以0.25～0.5mm标准砂为填料，在室温条件下(12～18℃)进行了3组标准砂与HDPE50土工格栅的蠕变试验，垂直荷载为15 kPa，蠕变荷载分别为无约束极限拉伸强度的40%，50%和58%。同时，进行了1组标准砂与HDPE80土工格栅的蠕变试验，垂直荷载为5 kPa，蠕变荷载为无约束拉伸强度的26%。此外，为了弄清侧限约束对蠕变的影响，还进行了常温条件下HDPE50型土工格栅的无约束拉伸蠕变试验，作为对比成果。

3 试验成果分析

3.1 无约束拉伸蠕变试验

无约束拉伸蠕变试验参照《塑料土工格栅蠕变试验和评价方法》QB/T2854—2007［6］执行。试验温度设置为20℃，蠕变荷载分别为极限拉伸强度的45%，50%和55%。图4为各种荷载条件下的变形时程曲线。可见在加载初期，变形发展很快;随着荷载水平的增大，格栅的变形模式也有明显不同。当荷载水平为55%时，加载约0.1 h后变形即进入持续发展阶段;在这里，把这种持续的变形理解为试样已进入了蠕变变形阶段;并且这种蠕变变形在3 h后进入加速发展阶段，总应变已超过了10%的失效应变，达到蠕变破坏的程度了。而在荷载水平为45%时，应变发展较为缓慢，直到600 h后才达到失效应变10%，可见加载水平对蠕变特性的影响很大。

图4 土工格栅HDPE50的无约束蠕变曲线Fig.4 Curves of unconfined creep test on geogrid HDPE50

3.2 侧限约束蠕变试验

图5所示为HDPE50型土工格栅在不同蠕变荷载条件下的应变时程线。由图可知，在有侧向约束作用下，格栅的蠕变变形较之无约束条件下降低很多，在试验时间内变形基本稳定，且从变形发展曲线可以推断，蠕变不会发展到失效应变10%的程度。例如，当荷载水平高达58%时，120 h后的应变仅约为3.8%，且其中主要的变形发生在加载后约1 h内，约占总变形量的80%以上。并且，随着蠕变荷载水平的增大，应变也呈增大的趋势，但其增幅并不很大。当蠕变荷载水平从40%提高到50%时，应变从约2.7%提高到3.5%;而当蠕变荷载水平从50%提高到58%时，应变仅提高了0.3%，而且在不同荷载水平下，0.1 h以后发展的持续变形几乎近乎平行(图5)，说明它们之间蠕变变形的差别并不很大。

图5 HDPE50型土工格栅-砂在不同载荷水平下的蠕变曲线(σV=15 k Pa)Fig.5 Curves of the creep of geogrid HDPE50 confined in sand under different stress levels(σV=15 kPa)

针对HDPE80型土工格栅进行了较小垂直荷载下(5 kPa)，蠕变荷载水平为26%的蠕变试验，图6为相应的变形时程曲线。可见，减小垂直荷载对蠕变的影响非常明显，即便在较小的蠕变荷载水平下也会产生较大的蠕变变形。在本次试验中，虽然蠕变荷载水平仅为26%，但HDPE80型格栅在100 h时的应变已达到约3.7%，与HDPE50型格栅在荷载水平58%时的应变基本相当。

图6 HDPE80型土工格栅-砂的侧限约束蠕变曲线Fig.6 Curves of the creep of geogrid HDPE80 confined in sand

4 讨论及结论

(1)室内试验表明，侧限约束条件对土工格栅蠕变特性的影响是非常显著的。在砂土的约束条件下，格栅的蠕变较之常规无约束条件下的成果将大幅度地降低。因此，采用无约束条件下的蠕变数据作为工程设计参数将导致过于保守的结果。

(2)蠕变荷载水平越大，其产生的蠕变变形也越大，但当荷载水平大于50%后，对蠕变变形量的影响幅度趋于减缓。

(3)上覆荷载对蠕变的影响也是不容忽视的，上覆荷载越小，在拉力作用下格栅的蠕变变形越大。

(4)由于试验仪器的限制，本次试验未能得到格栅在砂土侧限条件下的极限拉伸强度，因此目前蠕变试验采取的荷载水平只能按无约束拉伸强度的百分比进行控制，这可能使获得的侧限约束下的蠕变变形量偏小。

［1］FINDLEY W N.26-Year Creep and Recovery of Poly(Vinyl Chloride)and Polyethylene［J］.Polymer Engineering and Science，1987，27(8):582－585.

［2］王 钊.土工合成材料的蠕变试验［J］.岩土工程学报，1994，16(6):96－102.(WANG Zhao.The Creep Tests of Geosynthetics［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1994，16(6):96－102.(in Chinese))

［3］BECKER L D，NUNESA L L S.Confined Creep of Geotextile in a Compacted Sand Fill［C］∥The 7th International Conference on Geosynthetics，Nice，France，September，2002.

［4］王协群，朱瑞赓，土工织物的蠕变性能和侧限蠕变试验研究［J］.武汉理工大学学报，2004，26(5):45－47.(WANG Xie-qun，ZHU Rui-geng.Tests under Conditions and Creep Properties of Geotextiles［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2004，26(5):45－47.(in Chinese))

［5］高传明，苗英豪，赵卫东.对土工格栅长期变形特性及其影响因素的试验研究［J］.内蒙古公路与运输，2005，(1):7－9.(GAO Chuan-ming，MIAO Ying-hao，ZHAO Wei-dong.Test Study on the Long-Deformation Property and Influence Factor of Geogrid［J］.Highways＆ Transportation in Inner Mongolia，2005，(1):7－9.(in Chinese))

［6］QB/T2854—2007，塑料土工格栅蠕变试验和评价方法［S］.(QB/T2854—2007，Test and Evaluating Method of the Creep of Plastic Geogrid［S］.(in Chinese))