低温环境下短纤针刺土工布顶破性能与机理研究

2020-06-05郑晓国陈隆杰

中外公路 2020年2期

郑晓国，陈隆杰

(1.浙江交通职业技术学院路桥学院，浙江杭州 311112；2.浙江省交通运输科学研究院)

由于短纤针刺土工布具有重量轻、渗透性好、抗拉强度高、耐高温、耐腐蚀、抗冷冻、耐候性等特点；具有加筋、排水、过滤、隔离、封闭、防护作用，被广泛应用于路基加筋、边坡防护、公路养护、运动馆、围垦、隧洞、码头等工程领域。但是,短纤针刺土工布应用于工程建设时，常埋置于岩、土体中，当岩、土体发生位移，尤其碰到石块、坚硬土块时土工布受力超过其顶破强度，土工织物极易在此处产生应力集中，发生断裂破坏，对岩、土体整体的隔离、加筋、防护等造成较大影响，给工程建设埋下一定的隐患，并且深埋或者表面覆盖的土工织物受自然条件影响，处于不同含水率状态，负温环境会对其顶破特性同样产生较大影响，因此，对于公路边坡防护、路基加筋等工程而言，短纤针刺土工布顶破性能的研究非常重要。

顶破特性是土工织物重要的力学特征之一，目前成为路基的加筋、边坡防护、软基与路基隔离、碎石排水暗沟滤层、水工建筑的隔离等工程重要检测指标之一。之前不少学者在土工织物的顶拉伸性能方面进行了一定的研究，但是都未考虑温度因素对土工织物的影响。刘路路等将负温因素考虑在内，研究了不同含水量下短纤针刺土工布在负温环境下的抗拉性能，但未涉及顶破特性。还有一些学者对土工织物的顶破性能进行了一定的研究，但是都未考虑负温的影响。例如，储才元等基于拉伸应力与主模量夹角函数、最小断裂伸长率和试样尺寸等参数，推导得出了土工织物顶破强力计算公式；张天阳等借助Abaqus对土工织物的顶破过程进行了数值模拟，从宏观与微观角度深入分析了顶破土工织物的应力应变分布、能量吸收机制以及摩擦作用的影响；朱静等分析了顶破钢球直径、顶破速度和夹环半径对织物顶破强力的影响；焦亚楠等通过试样研究得到，当模压温度为170 ℃、保温时间为40 min时，亚麻/聚丙烯复合材料的顶破性能达到最优。

基于以上对土工织物的研究总结，低温环境下短纤针刺土工织物顶破性能的研究少之又少，并且短纤针刺土工布顶破性能对实际工程的应用研究具有重要作用，所以该文分别在含水率为0%、5%、15%、30%、50%、80%，试验温度为20(常温)、0、-3、-6、-9、-12 ℃条件下进行顶破强力试验，得到不同含水率条件下顶破强力与温度预测方程，同时分析顶破强力增量随着温度的变化趋势，阐述负温环境下短纤针刺土工织物顶破的变形机理与双峰值机理。

1 试验内容

1.1 顶破仪器

顶破仪器采用YG031P型土工织物试验机，强力测试范围为0～6 000 N，测力精度<±0.2%，冲破下降速度为100 mm/min，冲破最大下降动程为120 mm，有效最大顶破动程为90 mm，传动方式为单独双速电动机传动。

1.2 试样制备与方法

图1为短纤针刺土工布顶破破坏试样及YG031P

图1 短纤针刺土工布试样及试验机

型土工织物顶破试验机。

2 顶破强力试验结果分析

2.1 顶破强力分析

按照1.2节的试验步骤，将含水率为0%、5%、15%、30%、50%、80%的短纤针刺土工布试样分别在试验温度20、0、-3、-6、-9、-12 ℃的条件下进行顶破强力试验，得出不同含水率与试验温度条件下顶破强力平均值如表1所示。

表1 顶破强力试验数据结果

注：括号中数据为不同温度和含水率下试样试验结果的标准差。

由表1可知：当温度为室温，土工布含水率从干燥状态增加到80%，顶破强力仅减少0.09 kN，说明常温环境下含水率对其顶破强力程度影响较小，主要原因在于含水率增加，土工布内部聚合物分子之间的摩擦牵引作用降低，但是从试验结果看来，降低程度较小，对其聚合物分子之间的牵拉作用影响甚微。然而，当试验温度从20 ℃降低到-12 ℃，6种含水率工况下，土工布顶破强力分别增加0.88、0.91、0.94、1.07、1.16 kN。当温度处于0 ℃以下，土工布顶破强力随温度的降低反而增加。当温度一定时，随着含水率的增加，顶破强力逐渐增加。当温度位于0～-3 ℃范围波动时，增长趋势不明显；当温度达到-9 ℃，增长趋势显著，尤其当温度达到-12 ℃，相比于干燥状态的短纤针刺土工布，顶破强力增加6.8%。分析其主要原因是，负温下的短纤针刺土工布要克服外力达到顶破破裂，首先要打破聚合物分子之间的冰体连接强度，然后再克服聚合物分子之间的连接强度，冰体强度随着温度降低，越来越“硬”(但是当温度低于某个值时，冰体强度不再增加)，而且聚合物颗粒之间的连接力同样增加，活动性降低，需要更大的外界做功才能打破颗粒之间的连接作用达到顶破土工布的效果，所以土工布对外表现出顶破强度提高，这与刘路路的负温环境土工布的拉伸强度试验结果类似。

对试验数据进行非线性回归分析，当函数类型为抛物线时，回归分析效果最好，得到短纤针刺土工布在不同含水率条件下顶破强力与负温的拟合方程为：

F=aT2+bT+c

(1)

式中：F为顶破强力(kN)；T为温度(℃)；a、b、c为拟合系数。

利用式(1)对表1数据进行拟合，拟合曲线见图2，拟合方程与参数见表2。

图2 不同含水率下顶破强力与温度关系曲线

表2 顶破强力与温度试验数据拟合

由表2可以看出：拟合方程相关系数较高，可以对相关工程及土工布再加工提供一定的参考，土工布的加工过程，要考虑低温的影响。

2.2 顶破强力损失量分析

以室温(20 ℃)下短纤针刺土工布的顶破强力为基准，为了更加全面地描述不同含水率下低温环境对短纤针刺土工布顶破强力的影响，提出短纤针刺土工布顶破强力增量(DI)概念：

DI=(F-F20 ℃)/F20 ℃

(2)

式中：F20 ℃为室温20 ℃下对应的顶破强力(kN)。

分别对不同含水率与试验温度下的顶破强力数据进行计算，得到不同含水率下顶破强力增量与温度的关系曲线，如图3所示。

由图3可知：① 与室温条件下短纤针刺土工布顶破强力相比较而言，从整体上可以看出在不同含水率条件下，土工布顶破强力增量随着温度降低呈现出逐渐增长的趋势，温度越低，顶破强力增量越大；② 当温度处于负温环境下，土工布含水率越高，顶破强力增量越大。

图3 顶破强力增量与温度关系曲线

3 短纤针刺土工布顶破机理分析

短纤针刺土工布主要由涤纶、丙纶与维纶组成，多孔隙，从微观角度来看，通过聚合物分子链之间的连接，该文建立了如图4、5所示在负温和常温下短纤针刺土工布顶破破坏过程内部机理变化图，破坏变形主要分为3个阶段:弹性变形、塑性变形、破坏阶段。

图4 负温下短纤针刺土工布变形机理图

图5 常温下短纤针刺土工布变形机理图

图4、5中，eef为负温下土工布弹性变形量；epf为负温下土工布塑性变形量；eeu为常温下土工布弹性变形量，epu为常温下土工布塑性变形量。

当顶破试验时间相同，eef

从顶破试验结果可以看出：当含水率增加时，应力应变曲线会出现两个峰值强度，并且含水率越高第一个峰值强度越明显，原因在于不仅仅要克服土工布聚合物分子链之间的连接强度，还要克服冰体分子之间的连接强度，由于冰体分子之间接触更加紧密，所以首先打破冰体分子之间的连接，出现第一个峰值强度，此时聚合物分子链还未启动，虽然应变增加，但应力随之下降，之后土工布开始承担外力，总顶破强力又逐渐上升，达到聚合物分子链的峰值强度直至破坏。