土工布力学性能试验研究

高庆华，陈隆杰，刘 科，徐 建，刘 亮，傅俊俊，鲍 意，金宇騑，王 聪，谢 斌

(浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

土工合成材料在工程中大量应用[1]，对路基路面起到防渗、过滤及稳定等作用[2]，对结构性能具有重要影响，因此工程上必须采用品质优良的材料[3，4]。任何不符合要求的材料不得用于工程建设，因此每批采购的原材料在使用之前必须进行试验检测，符合技术要求方可使用，这给检测提出了很高的要求，必须采用正确的检测方法才能得出可靠的检测结果。检测方法不当，检测结果就不准确，这将给委托方造成严重影响。若将不合格的材料检测为合格，给工程使用带来安全隐患，若将合格检测为不合格，材料不能及时应用导致工程延期，另外将不合格材料退回厂家，重新再生产而导致供应商人力物力浪费。土工布拉伸试验和CBR顶破试验有效反应土工布力学性能，因此，对常见的几种土工布拉伸试验和CBR顶破试验方法进行分析，对相关试验操作进行改进，从而保证检测数据的准确性和可靠性，为工程建设提供正确的检测报告[5-7]。

通过对长丝纺粘针刺土工布、路基稳定滤网、防渗土工布等几种常见土工布进行拉伸试验和CBR顶破试验，对比不同试验方法对检测结果产生的影响，通过对几种不同土工合成材料在温湿度条件下进行拉伸试验，研究试验温湿度对检测结果的影响。

1 试验材料

土工合成材料采用有长丝纺粘针刺土工布、路基稳定滤网、防渗土工布样品规格如表1所示。

表1 试验材料

2 试验仪器及设备

土工合成材料拉伸试验和CBR顶破试验采用的仪器如表2所示。

表2 试验仪器设备

3 试样制备

根据现行规范要求，土工布拉伸试验采用的试样为在样品同一方向裁取的试样，试样数量取5块，长丝无纺针刺土工布试样宽度为200 mm，试样长度220 mm，既能满足夹具间距离为100，又能保持两端有足够长度加持。CBR顶破强度试验采用直径为300 mm的圆形试样，样品数量为5块，每块试样离外圈50 mm处均匀开6条8 mm宽的槽。

4 试验检测

4.1 不同土工合成材料拉伸试验

拉伸试验采用夹具处夹衬土工布和未加衬土工布两种方法进行试验，采用的土工布为无纺土工布，其他表面光滑、韧性较大、厚度较薄的材料不适合采用，进而比较两种试验方法对结果产生的影响。试验采用波浪型夹具、位移控制系统，位移速率20 mm/min，试样在20 ℃、65%湿度条件下调节24 h。

通过对长丝无纺针刺土工布在标准环境下调节24 h后进行拉伸试验，5块试样在两种加持条件下的试验结果如图1所示。

图1 两种加持方式下长丝无纺针刺土工布拉伸试验结果

通过对路基稳定滤网在标准环境下调节24 h后进行拉伸试验，5块试样在两种加持条件下的试验结果如图2所示。

图2 两种加持方式下路基稳定滤网试验结果

通过对防渗土工布在标准环境下调节24 h后进行拉伸试验，5块试样在两种加持条件下的试验结果如图3所示。

图3 两种加持方式下防渗土工布拉伸试验结果

4.2 不同土工合成材料拉伸试验在两种加持条件下试验结果分析

通过图1中5块试样试验数据可以看出，两种加持方式对长丝无纺针刺土工布的拉伸试验结果无明显影响。未加衬土工布条件下，长丝无纺针刺土工布拉伸强度平均值为36.9 kN/m，夹衬土工布条件下，长丝无纺针刺土工布拉伸强度平均值为37.1 kN/m，两种方式拉伸强度几乎误差别，说明长丝无纺土工布拉伸试验结果不受加衬方式的影响，试验时可直接对试样进行加持，不需要在夹具中夹衬垫材。

从图2中5块路基稳定滤网试样试验数据可以看出，夹持方式对路基稳定滤网拉伸试验结果影响较大，夹衬土工布下的试验结果显著大于未夹衬土工布时的试验结果，5块试样试验结果相差均在20 kN/m左右，其中最大相差25 kN/m。未加衬土工布条件下路基稳定滤网拉伸强度平均值为43.9 kN/m，夹衬土工布条件下，其拉伸强度平均值为65.6 kN/m，表明夹衬土工布可将试验结果提高49%。说明在进行路基稳定滤网拉伸试验时，夹持方式对其结果具有极大影响，因此在进行拉伸试验时须在夹具内夹衬辅助材料，才能得到准确的试验数据。

从图3中5块防渗土工布试样试验数据可以看出，两种加持条件下防渗土工布拉伸试验结果几乎无差别，5块试样试验结果相差基本在2 kN/m上下。未加衬土工布条件下防渗土工布拉伸强度平均值为54.8 kN/m，夹衬土工布条件下防渗土工布拉伸强度平均值为55.5 kN/m，两种夹衬方式下的试验结果几乎相同，表明防渗土工布试验结果也不受加衬方式的影响，拉伸试验时可直接对试样进行加持，不需要在夹具中夹衬垫材。

通过三种土工合成材料拉伸试验可以看出，材料性质不同，试验时对夹具的加持要求不同。长丝无纺针刺土工布和防渗土工布对加持方式无要求，无论在夹具中夹衬材料与否均不影响拉伸强度试验结果，而路基稳定滤网拉伸强度试验受夹衬方式影响较大，在夹具中夹衬材料，则能显著提高试验结果。这种现象受材料组成、厚度、材料表面性能等因素影响，长丝无纺针刺土工布以聚合物纺丝为原料、经纺丝、铺网、针刺加固而成的，材料柔软、较厚，表面平整、摩擦大，因此在夹具中较易加持而不滑移。防渗土工布由两布一膜组成，其中一布为无纺土工布，具有无纺土工布的性能，因此也能在夹具中加持牢固，拉伸结果能准确反应材料性能。选取的路基稳定滤网是改性聚丙烯材质，材料较薄，表面较为光滑，不易加持牢固，拉伸时容易产生滑移。而试样在加持牢固的情况下，材料主要受试验机法向拉伸力，克服试验机拉伸作用而发生塑性变形，直至破裂；相反材料未加持牢固，材料不仅受试验机法向力作用，还受夹具摩擦力作用，而计算机采集的是材料最大拉伸强度时试验机的拉力，由于摩擦力作出贡献从而采集的拉伸试验结果数据较小。

4.3 不同土工合成材料CBR顶破试验

三种材料在标准环境下调节24 h，设置万能试验机速率为60 mm/min，每种材料分两组分别在夹衬材料和不加衬材料的方式下进行CBR顶破试验，三种材料在两种加持条件下的试验结果如图4～图6所示：其中路基稳定滤网试验后试样状态如图7所示。

图4 两种加持条件下长丝无纺针刺土工布试验分析

图5 两种加持条件下路基稳定滤网试验结果

图6 两种加持条件下防渗土工布CBR顶破试验结果

图7 两种加持方式下CBR顶破试验后的试样

从图4和图5的CBR顶破试验数据可以看出，，长丝无纺针刺土工布和防渗土工布试验结果和他们拉伸试验结果规律相同，其检测结果几乎不受加持方式的影响。长丝无纺针刺土工布在两种加持方式下CBR顶破强度均值仅相差25 N，防渗土工布在两种加持方式下CBR顶破强度均值仅相差2 N。从图5可看出路基稳定滤网受夹具夹衬方式影响较大，夹衬土工布的5块试样试验结果均显著大于未夹衬土工布的试样试验结果，两种方式试验结果相差均在1 200 N以上，其中最大相差2 381 N。夹具未加衬土工布的路基稳定滤网CBR顶破强度试验平均值为4 969 N，夹衬土工布的路基稳定滤网CBR顶破强度试验平均值为6 754 N，夹具夹衬土工布可将CBR顶破试验结果提高36%。表明在夹具中夹衬材料能有效提高CBR顶破试验检测数据，因此在进行路基稳定滤网CBR顶破试验时，须在夹具内夹衬辅助材料，才能得到准确的试验数据，否则因试样打滑、磨损等因素导致试验数据变小，不能真实反应材料性能。

图7是两种加持方式下CBR顶破试验的试样形貌特征，其中左侧是未在夹具夹衬材料的试验形貌，右侧是在夹具中夹衬材料的试验形貌，从图5中明显看出，未夹衬材料的试样经顶破试验后槽口处有明显的撕扯脱须现象，这是因为路基稳定滤网厚度较薄，表面光滑，不易加持牢固，槽口在试验过程中由于圆柱形顶压杆的顶力作用而受到拉扯，因此产生顶破区域内的材料脱须，脱须导致材料受损，从而使得检测结果偏小。

4.4 不同温度下土工合成材料试验性能

本部分选取路基稳定滤网作为研究对象，选用拉伸试验进行分析，对路基稳定滤网分别在10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃等5个不同温度下、65%湿度下进行24 h调节后试验，从而得出不同温度下试验结果变化规律，试验结果如表3所示。

表3 不同温度路基稳定滤网拉伸强度试验结果

对每个温度下的拉伸强度计算平均值，对其变化规律作如图8所示。

图8 不同温度下路基稳定滤网拉伸试验结果

从表3可以看出，温度对路基稳定滤网拉伸强度影响不大，5个温度下路基稳定滤网拉伸强度试验结果比较接近。从图8也可以看出，5组试样拉伸强度平均值相差不大，最大值与最小值相差仅3.3 kN/m，说明路基稳定滤网拉伸强度对温度敏感性不大，这可能与材料本身性质有关。现行规范要求试样在温度20±2 ℃，相对湿度65±5%的环境下调节24 h，如果试样不受环境影响，可不必对试验进行状态调节，但在试验记录中需对当时的环境记录即可。因此，路基稳定滤网在进行拉伸强度、CBR顶破试验时可作适当参考。

5 总 结

通过设置材料变量、夹具加持条件、温度变量研究工程常用的三种土工布拉伸强度试验和CBR顶破强度试验方法，从试验结果可以发现，对两种试验方法而言，需要针对材料性质采取相应措施。通过三种材料的拉伸强度试验和CBR顶破强度试验结果对比发现，长丝无纺针刺土工布和防渗土工布不受加持方式影响，试验时可直接用夹具加持，只要确保夹具拧紧即可。相反，进行路基稳定滤网两种试验时，需要加衬材料，否则检测结果不准确。另外对路基稳定滤网在5种试验温度下进行拉伸试验研究，发现，温度对其试验结果影响几乎为零，现行规范并非要求所有土工合成材料必须进行标准调温调湿，试样不受环境影响时试验时在原始记录详细记录实际温湿度即可，因此对于路基稳定滤网拉伸试验，可作一定参考。