土工布应变的测量方法研究

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(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510030；2.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640；3.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

近年来，土工布加筋结构以其良好的工程特性被广泛地用于公路、堤防、铁路等工程建设中，带来了良好的经济和环保效益。然而相关理论研究仍远落后于其实践应用，限制了此项技术的进一步发展[1]。为深入了解土工布的工作性能，研究其加筋机理，完善其设计理论，有必要对结构中土工布的变形进行监测。

在土工合成材料的应变测量中，电阻应变片测量法最为常用。这种方法[2]是将电阻应变片粘贴在被测物的表面，利用应变片的电阻随着被测物机械变形而变化的原理，记录被测点的应变变化过程。其测量结果是否可靠主要取决于2个方面：①粘贴应变片的胶体能否保证应变片与被测物协同变形，即胶体材料的刚度应小于被测物本身的刚度；②胶体材料能否确保应变片与被测物连接的耐久性[3]。目前常用的环氧树脂胶和502胶普遍存在粘结强度大、延展性能差等缺点，显然不适用于土工布这种低弹模、低强度的柔性材料。这说明电阻应变片测量法在用于土工布变形测量时，需要进行改进或完善。

基于上述考虑，本文对土工布应变的测量方法做了进一步的研究。通过一系列的拉伸试验，寻求适用于土工布的低弹性模量应变胶体，探讨其合理的粘贴方法；完成土工布应力应变的标定，使应变片测值可直接转换为土工布的受力大小，并将上述成果应用于离心模型试验当中。

2 应变片粘合剂的选取

为寻求适宜的应变片粘合剂，首先需掌握被测物土工布及备选胶的基本力学性能，故开展了一系列的土工合成材料拉伸试验。试验仪器采用长江科学院CSS-3900系列电子蠕变试验机，该仪器由3台独立的加载及测量系统组成，自动化程度高，直接读数，精度及稳定性好。被测物选用医用纱布作为研究对象，其刚度低、强度小，具有较强的代表性，常用于离心试验中作为土工布的模型材料；备选胶则有传统的环氧树脂胶及柔性的703胶。根据规范[4]要求，试验时将纱布裁剪成宽度200 mm、长度≥200 mm的宽条试样；胶体制作成宽度为50 mm、长度≥200 mm的窄条试样；设定夹具的拉伸速率为20 mm/min，持续运转直至试样被拉坏。

图1为被测物纱布与备选胶的拉伸试验曲线。从图1可以看出，两端夹具的拉力随着3种材料的伸长量不断增长而增长。其中纱布试样在拉力增大至约250 N、伸长率约为13%时，被逐渐拉断；而703胶条的变形则持续于整个试验过程中，就像橡皮筋一样，只是纯粹地被拉长，直至两端夹具达到最大开合度时，仍未出现拉断破坏的现象，表现出了优异的延展性能；相反，环氧树脂胶则在拉力增长至300 N、伸长率不到5%时，即被完全拉断，曲线陡降，为典型的脆性破坏。

图1 纱布及备选胶拉伸试验曲线Fig.1 Curves of tensile test for geotextile and glue

将图1中的成果整理，分别得到了3种材料的基本力学参数，如表1所示。由表1可知，常用的环氧树脂胶的强度和刚度均远大于被测物纱布，若采用此类胶水粘贴应变片，结果可想而知，土工布即便发生较大变形甚至被拉断，应变片测值也将十分微弱，显然不适用于土工布的应变测量。而柔性的703胶则完全满足要求，其拉伸模量仅为被测物纱布的40%，远低于被测物的刚度，可保证电阻应变片与土工布协同变形。

表1 纱布与备选胶基本力学参数Table 1 Basic mechanical parameters of geotextile and glue

3 应变片的粘贴方法

通过上述拉伸试验，得到了被测物纱布及备选胶的基本力学参数，综合选定柔性的703胶作为土工布上应变片的粘合剂。在此基础上，开展对黏合剂粘贴方法的拉伸试验研究，通过对黏合剂的粘贴形状、大小、胶层厚度、相邻测点间距等的精细控制，保证测量结果真实、可靠。

试验时分别在裁好的宽条纱布试样的中心处，涂抹1个圆形胶点，以及其两侧涂抹间距为150 mm的2个圆形胶点，如图2所示。对比分析在胶层形状为圆形，测点间距为150 mm的前提下，不同胶层厚度及大小对被测物纱布基本力学性质的影响，探讨适宜的粘贴方法。

图2 土工布拉伸试验照片Fig.2 Tensile test of geotextile with glue

经过大量试验发现，当土工布与粘合剂间的接触面为圆形，胶层直径D为35 mm，厚度H为3 mm，相邻测点间距L≥150 mm时，可满足土工布上应变片的粘贴要求，使得两者协同变形。

图3为上述情况下土工布的拉伸试验曲线。由图3可知，试样所受拉力随纱布伸长量的增长而增长，其变形趋势与图1(a)基本一致。无论是土工布上有1个还是2个胶点，其最大拉力也基本在200～250 N之间，破坏时的应变大小也基本一致。

图3 不同粘贴方法的拉伸试验曲线Fig.3 Curves of tensile test on geotextiles pasted with different methods

将图3中的成果整理，分别得到了3种试样的基本力学参数，如表2所示。从表2可知，采用上述粘贴方法，无论土工布上有1个还是2个胶点，土工布本身的抗拉强度几乎没有受到影响；拉伸模量则略有提高，但增长幅度也基本控制在10%以内，可忽略不计。

表2 不同粘贴方法的拉伸试验结果Table 2 Results of tensile test on geotextiles pasted with different methods

综上所述，笔者建议的柔性应变胶及粘贴方法既不影响土工布本身强度水平的发挥，又可保证应变片与被测物土工布协同变形，同时胶体本身又具有良好的粘结强度和耐久性，可用于土工布上电阻应变片的粘贴，测量其变形大小。

4 应力、应变的标定

4.1 试验设备及方法

为得到结构中土工布真实的受力大小，首先需完成对土工布电阻应变片测量法的应力应变标定，即找到电阻应变片测得的应变与土工布自身应变之间的关系。其中如何准确测得ε1与εp(ε1为应变片所测得的应变，εp为激光位移传感器测得的应变)，是要解决的关键技术问题。

图4 激光位移传感器测量原理示意图Fig.4 Principle diagram of laser displacement sensor

基于上述研究成果，采用柔性胶粘贴应变片对土工布变形进行测量，可得到ε1；εp则是通过自行加工的试验设备，利用激光位移传感器进行测量。测量原理如图4所示，即利用激光位移传感器分别得到测点1和测点2的位移变化量ΔL1和ΔL2，继而可以计算得到土工布的真实应变εp=(ΔL2-ΔL1)/L0，其中L0为测点1和测点2之间的原始距离。这种测量方法属于无接触式测量，不会影响被测物土工布自身的受力状态。此外，传感器采集密度高(1 s)，能精确到1 nm，稳定可靠。

试验采用分级加载的模式，每级施加拉力6.25 N(即一个砝码的重力)，共8级50 N，每级的加载间隔为60 s，试验时利用激光位移传感器与应变片对土工布的变形进行全过程监测。

4.2 设备的可行性验证

利用自行加工的试验设备和设计的试验方法，对纱布进行分级加载的拉伸试验，使用激光位移传感器测定试验过程中纱布的变形大小。将试验所得结果与第2节中使用电子蠕变仪测得的力学指标参数进行对比，验证试验设备和试验方法是否可行。

试验对象同样是纱布宽条试样，试验时全过程记录两测点的伸长量ΔL1和ΔL2，再利用公式εp=(ΔL2-ΔL1)/L0计算每一级加载所对应的应变大小，绘制成被测物纱布的拉力-应变曲线，如图5所示。从图5中可看出，纱布应变随拉力变大而稳定增长，应变与拉力呈线性变化，整个过程纱布均处于弹性拉伸阶段。每一试样所对应的曲线斜率基本一致，说明试验加载过程稳定，设备可靠。

图5 激光位移传感器测得的土工布拉伸试验曲线Fig.5 Curves of tensile test of geotextile measured by laser displacement sensor

通过计算得到6组试样的拉伸模量，分别为8.41，7.40，8.43，8.39，7.41，8.67 kN/m，取其平均值为8.12 kN/m。在第2节中，通过拉力机测得拉伸模量为8.65 kN/m。对比可知，2种试验设备及方法所测得的土工布拉伸模量基本一致。由此可证，自行加工的试验设备可靠，方法可行，试验结果准确。

4.3 成果标定

标定的对象仍为宽条试样，粘贴应变片时，保证土工布与703胶间的接触面为圆形，胶层直径D为35 mm，厚度H为3 mm。试验时通过电阻应变片和激光位移传感器对土工布的变形全过程进行监测，标定设备如图6所示。

图6 标定设备示意图Fig.6 Photos of calibration test equipment

图7为电阻应变片与激光位移传感器的测量结果。从图7可以看出：纱布应变随着加载强度的上升而增长，2种测量方式尤其是应变片读值呈典型阶梯式的增长，增长幅度也较为均匀，土工布始终处于弹性变形状态。

图7 土工布应变随时间变化过程曲线Fig.7 Variation of strain of geotextile against time

将图7(b)中每一加载阶段激光位移传感器的测量结果转化为土工布的应变εp，并绘制其与图7(a)中电阻应变片所测应变ε1的关系曲线，如图8所示。综合3组试样趋势线方程式，则可得到ε1与εp的关系表达式，如式1所示。

εp=105ε1-1 900×10-6。

(1)

图8 ε1与εp关系曲线Fig.8 Relation between ε1 and εp

至此通过自行加工的试验设备和设计的试验方法，完成了土工布应力应变的标定，从而可将电阻应变片读数，通过式(1)直接将其转化为土工布实际的应变，再乘以其拉伸模量，即为被测物的受力大小。

5 离心模型试验

笔者针对天津某围海造陆工程围堰施工的具体情况，进行了软基上模袋砂围堰充填的离心模型试验[5]。试验时采用上述应变测量方法，对土工布的受力进行了全过程监测。结果表明此方法可行，成功测得不同层土工布的应力应变分布，为下一步研究土工布的加筋机理及其对模袋砂围堰稳定性的影响提供了技术保障。

图9为模型试验中电阻应变片的布置分布图，共对不同高度的2层土工布进行了变形监测。试验的具体情况可见文献[5]。

图9 离心试验测量布置图Fig.9 Arrangement of instruments for centrifugal test

图10 土工布受力随时间变化的过程曲线Fig.10 Variation of forces on geotextile against time

基于应力应变标定公式(1)，即可得到这两层土工布受力随时间变化过程曲线，如图10所示。由图10可知，随着离心加速度逐级增大，模型中土工布受力均也增大，主要集中于低平台的土工布上，其中位于两平台交界面的第3层土工布受力最大。

6 结 论

针对土工布变形监测难度大、精度低的问题，选取电阻应变片作为测量手段，开展了一系列拉伸试验，提出采用柔性胶粘贴应变片，通过对粘合剂粘贴形状与厚度等的精细控制，使得应变片能够与土工布协同变形，从而实现了土工布应变的较准确测量。取得以下结论：

(1)传统的环氧聚酯胶是一种典型的脆性胶，其强度高、刚度大，并不适合作为土工布上应变片的粘合剂。703胶是一种柔性胶，其延展性好，刚度远低于土工布，可与被测物协同变形；粘贴应变片时，保证其与被测物接触面为圆形，胶层直径为35 mm，厚度为3 mm。

(2)研制了一套用于土工布应力应变标定的装置，利用激光位移传感器成功测得了纱布的变形，并与电阻应变片所测得的微应变进行对比，得到了土工布的实际应变εp与应变片所测值ε1的关系表达式。

[1] 李广信.关于土工合成材料加筋设计的若干问题[J].岩土工程学报，2013，35(4)：605-610.

[2] 季严荣.应变片在垃圾填埋场土工膜变形测量中的应用[D].上海：东华大学，2012.

[3] 杨广庆，徐 超，张梦喜，等.土工合成材料加筋土结构应用技术指南[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4] SL 235—2012，土工合成材料测试规程[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

[5] 陈凌伟，周小文，龚壁卫，等.沿海软基大砂袋围堰的离心模型试验[J].岩石力学与工程学报，2016，35(增2)：4235-4240.