土工合成材料拉伸特性试验研究

蔡晓光，刘巍巍，李思汉，黄 鑫,5，张 黎

(1.防灾科技学院 地质工程学院，河北 三河 065201； 2.中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201； 3.河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北 三河 065201； 4.奥来国信(北京)检测技术有限责任公司，北京 101318； 5.中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

土工合成材料用作加筋土结构的加筋材料时，从土层中传递过来的荷载可通过材料自身的抗拉强度来承担，从而实现其加筋作用[1-2]。土工合成材料抗拉强度和变形特征是其性能的重要评价指标[3]。土工合成材料拉伸试验一般在无侧限压力的空气中完成，测得的材料拉伸强度与实际其在土中侧限压力下的强度有所不同[4]。上覆荷载大小和拉伸速度是影响材料在土介质中拉伸性能的主要要素[5]。

许多学者关于此问题开展相关研究。周萍等[6]研究了拉伸速率、上覆荷载对筋材力学特性的影响，得出土的侧限作用会使材料的割线模量明显提高的结论。王家全等[7]对土工合成材料拉伸强度进行了一些研究，通过室内试验研究了上覆压力、拉伸速率对其的影响，结果表明：增加拉伸速率及上部荷载可显著提高土工格栅的极限拉伸强度。丁金华[8]开展侧限约束条件下单向土工格栅拉伸试验，试验结果表明：材料延伸率相较于不受约束时明显减小，脆性更加显著。杨广庆[9-10]研究了土工格栅的拉伸强度受拉伸速度、上覆荷载及填料类型的影响。从众多学者研究成果可知：侧限约束对筋材的拉伸强度存在影响，但在空气中测得的筋材拉伸强度是否能应用到土体介质中还没有统一的解答。故筋材处于侧限约束下的力学性能还需进一步研究。

本研究采用自制多功能土工合成材料拉伸试验仪进行3种土工合成材料拉伸试验，主要研究上覆加载和拉伸速度对其拉伸特性的影响。试验结果对筋材参数设计取值有借鉴意义。

1 试验设备及试验材料

1.1 试验设备

试验采用的自制多功能拉伸试验仪如图1所示，由模型箱、竖向加载装置、水平拉力加载装置及数据采集系统4部分组成。模型箱符合ASTM D6706规范[11]，三侧箱壁均采用钢板，一侧箱壁采用钢化玻璃。竖向加载通过自平衡反力架及油压千斤顶来完成。水平拉力加载装置主要由伺服电动机、减速机、螺旋丝杆、转换接头及夹具组成，加载方式为应变控制，可精准控制拉伸速率。数据收集使用江苏东华测试技术股份有限公司制造的DH3820采集仪。试验设备的相关参数如表1所示。该套设备可通过控制拉伸速率、夹持方式和加载方式开展不同介质下土工合成材料的拉伸、拉拔和蠕变等试验。

图1 模型试验设备Fig.1 Model test equipment

表1 试验设备主要参数

1.2 试验材料

本试验采用福建标准砂作为回填料，其颗粒级配曲线和相关力学参数见图2和表2。试验筋材采用塑料土工格栅、双向经编土工格栅及格宾网3种不同类型的土工合成材料，依次标号为G1、G2、G3，3种土工合成材料基本尺寸参数见表3。

图2 颗粒级配曲线Fig.2 Particle gradation curve

表2 标准砂物理力学指标

表3 三种土工合成材料的力学参数

1.3 试验方案

本次试验主要研究周围介质条件及拉伸速率对土工合成材料力学性的影响情况。根据《公路工程土工合成材料试验》等规范规定[12-14]，取名义夹持长度的(20%±1%)mm/min作为拉伸速度。试验工况见表4。

表4 试验工况

2 试验结果分析

2.1 上覆荷载对筋材力学特性的影响

图3 各垂直应力下土工合成材料拉伸强度曲线 (拉伸速率247 mm/min)Fig.3 Tensile strength curves of geosynthetics under different vertical stresses (247 mm/min tensile speed)

图4 各垂直应力下土工合成材料割线模量随伸长率的 变化曲线(拉伸速率247 mm/min)Fig.4 Curves of secant modulus of geosynthetics varying with elongation rate under different vertical stresses (247 mm/min extension rate)

3种筋材拉伸强度-伸长率和割线模量-伸长率的变化曲线见图3和图4。由上述两幅图可知，与在空气中拉伸相比，不同竖向荷载约束条件对筋材力学特性具有明显影响。以伸长率2%为例，上覆荷载为5，20，40 kPa及60 kPa时，单位宽度下拉伸强度与在空气中相比，G1型筋材分别增长了8.5%，36.1%，39.5%及37.9%，G2型筋材分别增长了25.3%，56%，55.1%及50.6%，G3型筋材分别增长了87%，96%，97%及96%。土工合成材料的应力应变关系在砂土约束的情况下，其弹塑性特征得以清晰展现出来，通过与不受约束下的材料对比发现，土工合成材料在侧限约束下的应力应变曲线大部分均处在无约束情况时的上端，不受约束时的割线模量值小于侧限约束下的值，故土工合成材料受到侧限约束时，较小的应变也会表现出更高的拉伸强度；土工合成材料受到侧向约束时，随着所施加上部荷载的增加，格栅的割线模量也随之增加，其产生的应变反而减小。

为了定量分析土工合成材料在侧限约束条件下力学性质的变动情况，将筋材在侧限约束条件下的力学参数和在不受约束时测的试验值进行比较，引入无量纲因子ξ表示两者之间的差异，并且定义强度相对变化率ξT式(1)为：

(1)

式中，Fc为侧限拉伸强度；Fun-c为无侧限拉伸强度。

图5 各垂直压力下土工合成材料力学参数相对变化率 (拉伸速度247 mm/min)Fig.5 Relative change rates of mechanical parameters of geosynthetics under different vertical pressures (247 mm/min tensile speed)

得出土工合成材料在各垂直压力下的拉伸强度后，绘制出竖向加载-相对变化率曲线如图5所示。在砂土约束条件下，单向塑料土工格栅和双向经编土工格栅在拉伸速率为247 mm/min时的拉伸强度比无约束情况时大，双向经编土工格栅在一定条件下的强度相对变化率高达76%；格宾网的拉伸强度在受侧限约束时略有降低。另一方面，与无侧限约束情况时的相比，土工合成材料伸长率在受侧限约束时相对较小，随着荷载的增加，降低程度也较大[15]；格宾网降低更大，最大达到84%。土工合成材料在侧限约束条件下的割线模量随上部加载的增加而增加。60 kPa时，双向经编土工格栅的割线模量相对变化率是138%；40 kPa时，格宾网却为467%。由于不同筋材网格尺寸、材料性质等会影响筋材和土的交互作用，故不同土工合成材料的拉伸特性受侧限约束条件的影响程度并非一样[16-17]。

在指定上覆荷载下，为探究土工合成材料拉伸强度变化情况，将以上3种材料的拉伸强度与上覆荷载的关系进行回归，得出线性回归方程如表5所示。在已知上部荷载的情况下，土工格栅的拉伸强度可由此回归方程获得。

表5 拉伸强度与上覆荷载的回归方程

2.2 拉伸速率对筋材力学特性的影响

图6 不同拉伸速率下拉伸强度曲线(上覆荷载40 kPa)Fig.6 Tensile strength curves under different tensile rates (40 kPa overburden load)

图6分别为不同拉伸速率作用下，上覆荷载为40 kPa时，3种筋材土中拉伸强度随伸长率的变化曲线图。由图可知：拉伸强度随着拉伸速率的增加而增加。通常土中拉伸的屈服段在不同拉伸速度下会有明显的区别，即屈服过程会随着拉伸速度的减小而变长，与最大单宽负荷对应的应变也将随之增大。

图7 各拉伸速度下的筋材峰值应变Fig.7 Peak strain of geosynthetics under different tensile rates

竖向荷载40 kPa时、不同拉伸速度下的G1型、G2型及G3型筋材峰值应变与拉伸速度的关系曲线如图7所示，由图可得，增大拉伸速率，峰值应呈减小的趋势[18]。图8和图9分别为竖向荷载为40 kPa 时，G1型筋材在不同拉伸速度条件下，2%应变、5%应变及峰值应变对应拉伸强度和割线模量同拉伸速度的关系曲线，由图可知，拉伸强度及割线模量随着拉伸速度的增加呈递增趋势。

图8 单向塑料土工格栅拉伸强度与拉伸速度的关系曲线Fig.8 Relationship between tensile strength and tensile rate of unidirectional plastic geogrid

图9 单向塑料土工格栅割线模量与拉伸速度的关系Fig.9 Relationship between secant modulus and tensile rate of unidirectional plastic geogrid

通过不同拉伸速度前提下得出的土工合成材料拉伸强度，拉伸速度-相对变化率变化曲线由公式(1)整理得出，如图10所示。在上覆荷载为40 kPa时，单向塑料土工格栅和双向经编土工格栅在不同拉伸速率下的拉伸强度比无约束时高。双向经编土工格栅在拉伸速率为200 mm/min的强度相对变化率为56%。拉伸速率不同时，格宾网在侧限约束下的拉伸强度略有减小。此外，无论拉伸速率多大，土工合成材料的伸长率在竖向荷载40 kPa时均降低，但降低幅度不大。由割线模量的相对变化率曲线可知，割线模量在40 kPa荷载约束条件下的值比在不受约束时的值大。拉伸速率为200 mm/min时，双向经编土工格栅的强度相对变化率为121%。

图10 土工合成材料在各拉伸速度下的拉伸应力 应变关系(上覆荷载40 kPa)Fig.10 Tensile stress-strain relationship of geosynthetics at different tensile speeds (40 kPa overburden load)

3 结论

本研究基于自主研发多功能拉伸试验仪，开展土工合成材料在侧限条件下的拉伸试验，归纳总结其破坏模式，探讨筋材力学特性受上覆荷载、拉伸速率的影响情况，归纳总结如下：

(1)侧限约束条件下，筋材的力学性能会有明显改变。筋材网格尺寸、材料性质等会影响筋材与土的相互作用，故不同土工合成材料的拉伸特性受侧限约束条件的影响程度并不完全趋于一致。

(2)有侧限约束时，各拉伸速率下单向塑料土工格栅和双向经编土工格栅拉伸强度比无约束时高；格宾网的拉伸强度稍有降低。侧限约束时，各拉伸速率下的土工合成材料伸长率均比不受约束时的小，割线模量却比不受约束时的大。