土工格栅蠕变特性试验研究

郭洪春

Experimental Study on Creep Characteristics of Geogrid

摘要：土工格栅的蠕变影响其在工程中的应用。针对此问题，本文进行了土工格栅的蠕变试验，并得到不同设计年限下的蠕变强度折减系数。试验结果表明：在低应力比条件下，土工格栅应变随时间的增加而增长，逐渐变缓，最后趋于稳定；在高应力比条件下，土工格栅的应变随时间的增加而增长，直至断裂；试样所受到的应力比越大，相同时间内产生的应变越大；达到同样大小的应变值，较低的应变比条件下所需时间长，较高的应变比所需的时间少；土工格栅在应力松弛状态中，保持应变不变时，荷载随着时间的增加而逐渐减小。

Abstract： The creep of geogrid will affect its application in engineering. To solve this problem， the creep tests of geogrid are carried out， and the creep strength reduction coefficients under different design years are obtained. The test results show that： under the condition of low stress ratio， the strain of geogrid increases with time， gradually slows down and eventually stabilizes. Under the condition of high stress ratio， the strain of geogrid increases with time， until it breaks. The greater the stress ratio is， the greater the strain produced in the same time. To achieve the same size strain value， the time required for the lower strain ratio is longer， and the higher strain ratio needs less time. In the stress relaxation state of the geogrid， when the strain is kept constant， the load gradually decreases with the increase of time.

關键词：蠕变特性；试验研究；土工格栅

Key words： creep characteristics；experimental study；geogrid

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0168-04

0 引言

土工格栅在铁路工程的使用过程中，在土体内或土体表面长时间受到不变的力的作用[1]，也就说明实际应用过程中是一个长时间的蠕变过程[2]。土工格栅能否长期发挥作用与其蠕变特性有很大关系，尤其是将土工格栅应用于铁路工程的加固时，其蠕变性能的好坏最为关键[3]。

影响土工格栅蠕变性的因素可分为外因和内因。内因主要是指材料的聚合物种类。外因主要包括：试样尺寸、湿度、荷载水平、温度、加载速率及侧限约束条件等，其中温度与荷载水平对其蠕变性能的影响最为明显[4-7]。

本文在不同温度和不同应变比下对土工格栅进行室内长期蠕变试验。综合比较分析了土工格栅的蠕变曲线、载荷、应变等时曲线变化特征，并得到强度-时间方程，由此计算出一定设计年限下试样的允许设计强度，为工程设计提供科学、准确的设计参数。

1 试验材料

选取EG90R型单向拉伸塑料土工格栅进行室内蠕变试验，从全宽的单向格栅样片上剪取5根肋条宽，1.5m长的格栅作为蠕变试验的试样。试样两边的纵向肋条用剪刀剪断，试样有三个完整的肋，试样如图1所示。格栅试样的基本力学性质如表1所示。

2 试验方法

本节选用EG90R型单向拉伸塑料土工格栅为研究对象，在不同温度和不同应变比下对土工格栅进行室内长期蠕变试验。试样试验温度、应力比、蠕变荷载强度见表2。在规定的温度环境下，将载荷加到试样上，连续记录试样的伸长率，直至试样的伸长率超过10%或试样断裂，试验结束。试验如图2。

3 试验结果与分析

3.1 前1000h土工格栅蠕变试验结果分析

针对土工格栅EG90R在20℃温度和不同的拉力条件下，通过试验所得到的土工格栅应变在前1000h内随时间变化，并绘制了曲线如图3所示。

从图3可知，20℃温度下，格栅试样在应力比小于60%时，表现出的蠕变规律大致相同。在低应力比条件下，土工格栅的蠕变初期，应变随时间的增加迅速增长，应变与时间基本呈线性关系；随后，应变的增加速率随时间增加逐渐变缓，最后趋于稳定。在高应力比条件下，土工格栅的应变随时间的增加迅速增长，由于材料内部部分分子链被拉断，试样的应变一直增加，直至土工格栅断裂。

在相同温度下，试样所受到的应力比越大，相同时间内产生的应变越大，但两者不呈正比关系。在20℃条件下，加载到1000h时，在应力比40%、45%、50%下格栅试样产生的应变分别是7.41%、8.90%、10.90%。在应变比60%时，试样加载到229h就被拉断。

3.2 土工格栅的等时蠕变

由土工格栅蠕变过程中某一时刻的应变与应变比一一对应的关系绘制的曲线叫等时蠕变曲线，土工格栅的等时蠕变曲线记录了试样在加载到一定时刻产生的应变、时间以及应力比这三者之间的关系。表3记录了20℃下不同应变比所对应的具有代表性的时刻下土工格栅蠕变试验数据，并根据这些实验数据绘制了等时蠕变曲线如图4。

由图4可知，达到同一应变值，荷载水平较高的格栅试样需要的时间较短，而荷载水平低的则需要的时间较长。图中曲线自上向下，所代表的时间分别为1000h、800h、600h、400h、200h、100h、50h、10h、1h、30min。各个时刻对应的应变比-应变曲线都是应变随应变比的增加而逐渐增长。但是不同时刻所对应的曲线的斜率并不相同，随着蠕变时间的增加，等时蠕变曲线的斜率越大，随着蠕变时间的增加，应变比对土工格栅应变的影响越来越大。如要达到同样大小的应变值，较低的应变比条件下所需时间长，较高的应变比所需的时间少。

3.3 土工格栅的应力松弛

在土工格栅受力过程中，当试样的应变值保持不变的情况时，而试样内部的应力随着时间的增加而逐渐变小，通常把这种现象叫做应力松弛。由于室内松弛试验很难操作，不容易得到满意的试验结果，因此采用应力比-时间的关系来间接反映格栅试验的应力松弛特性。选取20℃温度条件下土工格栅的应变值达到6%、7%、8%、9%、10%这5个比较典型的应变值，得到格栅式样的应力松弛数据如表4所示。

以应变比作为纵坐标，时间作为横坐标，绘制土工格栅试样在不同应变比下产生一定应变时对应的蠕变时间关系曲线，如图5所示。

从图5可知，土工格栅在达到不同应变时所对应的应变比都随时间的增加而逐渐减小。土工格栅在应力松弛状态中时，当保持应变不变时，荷载力随着时间的增加而逐渐减小，应变比-时间关系曲线的斜率逐渐减小。

3.4 土工格栅长期蠕变强度和折减系数

当土工格栅在实际工程中应用时，要求其在长期的受力条件下具有足够的强度，且必须考虑土工格栅的流变性，以保证工程的安全。因此在设定土工格栅的设计强度时，需对其极限抗拉强度进行折减。

在工程设计中一般将土工格栅的失效应变定义为10%，因此可以通过对蠕变试验得到的数据进行分析，利用土工格栅达到10%应变时的载荷-时间关系曲线，得到荷载时间关系式，计算出土工格栅的长期蠕变强度，土工格栅的蠕变折减系数，推测出土工格栅的长期蠕变规律。

将30℃、40℃、50℃不同环境温度、不同应变比下土工格栅，按照20℃時的试验条件进行试验。将不同试验条件下，蠕变到达10%所对应的时间列于表5，并将表5中的数据分别取以十为底的对数列于表6。对不同应变比取以十为底的对数列于表7。

以Log10（应变比）为y轴，Log10（伸长率达到10%所需的时间）为x轴，根据表5～表6绘制土工格栅不同温度下达到10%应变时荷载与时间关系图，见图6～图9。

从图6～图9直线的趋势可以看出，土工格栅的长期蠕变强度随着时间的推移呈现衰减趋势。温度越高，试样强度下降越快。试验温度在20℃、30℃、40℃、50℃下拟合的曲线相关性系数分为0.9998、0.9885、0.9990、0.9977。

将x=6.02（即120年）与x=5.72（即60年）分别代入各回归方程，得到：温度为20℃时，土工格栅伸长率不超过10%的蠕变极限强度分别35.80kN/m、36.63kN/m，应力比分别为38.92%、39.82%，蠕变强度折减系数为2.57、2.51。温度为30℃时，土工格栅伸长率不超过10%的蠕变极限强度分别为28.85kN/m、29.53kN/m，应力比分别为31.36%、32.10%，蠕变强度折减系数为3.19、3.11。温度为40℃时，土工格栅伸长率不超过10%的蠕变极限强度分别为28.59kN/m、29.29kN/m，应力比分别为31.08%、31.84%，蠕变强度折减系数为3.22、3.14。

温度为50℃时，土工格栅伸长率不超过10%的蠕变极限强度分别为26.96kN/m、27.63kN/m，应力比分别为29.30%、30.03%，蠕变强度折减系数为3.41、3.33。

4 小结

通过土工格栅的蠕变试验，得到如下结论：

①在低应力比条件下，土工格栅应变随时间的增加而增长，之后增加速率随时间逐渐变缓，最后趋于稳定。在高应力比条件下，土工格栅的应变随时间的增加而增长，直至土工格栅断裂。

②在相同温度下，试样所受到的应力比越大，相同时间内产生的应变越大。

③如要达到同样大小的应变值，较低的应变比条件下所需时间长，较高的应变比所需的时间少。

④土工格栅在应力松弛状态中时，当保持应变不变时，荷载随着时间的增加而逐渐减小。

⑤温度为20℃时，土工格栅120年和60年的蠕变强度折减系数为2.57、2.51；温度为30℃时，土工格栅120年和60年的蠕变强度折减系数为3.19、3.11。温度为40℃时，土工格栅120年和60年的蠕变强度折减系数为3.22、3.14。温度为50℃时，土工格栅120年和60年的蠕变强度折减系数为3.41、3.33。

参考文献：

[1]周宝良.土工合成材料在铁路路基工程中的应用[J].路基工程，2006（1）：15-17.

[2]梁波，蔡英，罗强，等.土工合成材料在高速铁路桥路过渡段中的应用[J].铁道学报，1999（4）：64-67.

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