HDPE土工格栅加筋土结构的筋材长期强度研究_杨广庆

第４０卷第２期２０１４年４月东华大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＯＮＧＨＵＡ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１４ 文章编号：１６７１－０４４４（２０１４）０２－０１６７－０４收稿日期：２０１３－０５－３０项目基金：国家自然科学基金资助项目（５１１７８２８０，５１３７８３２２）；河北省高等学校创新团队领军人才培育计划资助项目（ＬＪＲＣ０２３）；中国铁路总公司科技计划资助项目（２０１３Ｇ０１０－Ｃ）作者简介：杨广庆（１９７１—），男，河北沧州人，教授，博士，研究方向为岩土工程．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｇｑ＠ｓｔｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎＨＤＰＥ土工格栅加筋土结构的筋材长期强度研究杨广庆１，王　贺１，２，刘华北３，戴征杰４，郑　鸿４（１．石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄０５００４３；２．北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４；３．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉４３００７４；４．青岛旭域土工材料股份有限公司，山东青岛２６６１１１）摘要：土工格栅筋材长期强度是加筋土结构设计中的重要参数，其受土工格栅在施工及其使用过程中的施工损伤、蠕变和生物化学侵蚀等因素的影响．为了确定高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）土工格栅筋材在加筋土结构使用过程中的长期强度，进行了相关室内外试验研究，分析了土工格栅在土体介质和空气介质中的拉伸强度及拉伸速率对其强度特性的影响，计算了５种不同级配填料介质中土工格栅施工损伤折减系数，确定了典型土工格栅的蠕变试验方法及蠕变折减系数，探讨了土工格栅的老化折减系数．关键词：土工格栅；拉筋；长期强度；施工损伤；蠕变中图分类号：ＴＶ　１４８ 文献标志码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｌｏｎｇ－Ｔｅｒｍ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆＨＤＰＥ　Ｇｅｏｇｒｉｄｓ　ｉｎ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｓｏｉｌ　ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＹＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ－ｑｉｎｇ１，ＷＡＮＧ　Ｈｅ１，２，ＬＩＵ　Ｈｕａ－ｂｅｉ　３，ＤＡＩ　Ｚｈｅｎｇ－ｊｉｅ４，ＺＨＥＮＧ　Ｈｏｎｇ４（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｔｉｅｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｈｅｂｅｉ　０５００４３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；４．ＢＯＳＴＤ　Ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓ　Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６６１１１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｅｏｇｒｉｄｓ　ｉｎ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｓｏｉｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｇｅｏｇｒｉｄｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ，ｃｒｅｅｐ，ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ－ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｏ　ｄｅｃｉｄｅ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ａｎｄ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｔｅｓｔｓ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｇｅｏｇｒｉｄｓ　ｉｎ　ｓｏｉｌ－ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ａｎｄｉｎ　ａｉｒ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＨＤＰＥ）ｇｅｏｇｒｉｄｓ　ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒａｉｎ　ｒａｔｅｓ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｎ　ｆｉｖｅ　ｐｏｏｒｌｙ－ｇｒａｄｅｄ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｆｉｌｌ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｒｅｅｐ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｃｒｅｅｐ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　ａｒｅ　ｒａｉｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｙｐｉｃａｌｇｅｏｇｒｉｄｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｇｒｉｄｓ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ；ｃｒｅｅｐ 在土体中铺设具有网状结构的土工格栅筋材，通过筋土之间的摩擦力将格栅的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，可以限制土体的侧向变形，提高加筋土结构的强度和整体稳定性［１］．土工格栅筋材东华大学学报（自然科学版）第４０卷　与土体之间产生的摩擦力包括土工格栅与土体之间的表面摩擦力、土体颗粒与土工格栅横肋之间的端承力以及土工格栅网孔内土体与网孔外土体之间的表面摩擦力，如图１所示．图１　土工格栅与土体的相互作用Ｆｉｇ．１　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｇｅｏｇｒｉｄｓ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｍａｓｓ土工格栅加筋土结构一般承受长期荷载作用，因此，土工格栅筋材的长期强度是一个极为重要的工程设计指标．确定土工格栅拉筋的长期强度涉及材料的拉伸强度以及其在工程应用过程中的各项折减系数的合理取值．目前国内外相关规范［２－５］均对土工合成材料加筋材料的长期强度（Ｔａ）的取值方法进行了规定，一般采用土工格栅的极限抗拉强度（Ｔｕｌｔ）除以考虑施工损伤、蠕变和老化的折减系数，如式（１）所示．Ｔａ＝ＴｕｌｔＲＦ＝ＴｕｌｔＦｉＤＦＣＲＦＤ（１）式中：ＲＦ为强度折减系数；ＦｉＤ为施工损伤折减系数；ＦＣＲ为蠕变折减系数；ＦＤ为考虑微生物、化学、热氧化等影响的老化折减系数．虽然国外对各项折减系数均进行了相关研究并提出不同推荐值，但由于较大范围的数值区间给设计带来了不便．本文结合笔者进行的多个相关试验研究，就目前加筋土结构工程中应用广泛的高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）单向拉伸塑料土工格栅的长期强度取值进行系统研究．１　土工格栅极限抗拉强度的确定土工格栅的抗拉强度与测定时试样的宽度、形状、约束条件等有关，必须在标准规定条件下进行测定．目前，文献［６］主要以单肋条强度测试或宽幅强度测试为依据．文献［７］规定采用单肋条方法，每组样品不少于５个，拉伸速率设定为２０ｍｍ／ｍｉｎ．文献［８］规定拉伸试验既可采用单肋条方法也可采用多肋条方法，拉伸速率设定为２０ｍｍ／ｍｉｎ．１．１　不同介质中土工格栅拉伸特性分析当土工格栅筋材埋置于压实的土体中，由于其与土体的相互作用，在土体介质中的拉伸特性与在空气介质中的工程性质会有所不同．而影响土工格栅在土体介质中拉伸特性的因素主要包括拉伸速率和围压大小［９］．文献［１０］通过对埋置于风化砂中的单向土工格栅进行不同垂直荷载和不同速率下的拉伸试验，说明受侧向约束时，上覆荷载越大，土工格栅的割线模量越高；在一定拉伸速率下的土工格栅表现出较在空气介质中更高的抗拉强度，但增加值随着拉伸速率的降低而逐渐减小．当拉伸速率为３ｍｍ／ｍｉｎ时，两种介质中筋材的割线模量大致相等．由此可见，在工作应力状态下，土工格栅在土体介质中的割线模量较在空气介质中的割线模量增大幅度一般在５％以内．对于岩土工程而言，这个误差是可以接受的，可以将空气介质中土工格栅的拉伸试验结果应用到土体介质环境中．１．２　不同拉伸速率时土工格栅的拉伸特性分析由高分子聚合物组成的塑料拉伸土工格栅具有阻尼黏滞性，拉伸速率的变化会影响其拉伸模量的大小．在低拉伸速率时，结构中分子位置有足够时间进行调整，能量一部分转化为热能，另一部分被阻尼结构吸收，导致材料的抗拉强度降低．因此，不同的拉伸速率会导致土工格栅具有不同的拉伸特征．为了分析拉伸速率对土工格栅拉伸性能的影响，笔者进行了不同拉伸速率（５０，１０，１，０．１和０．０５ｍｍ／ｍｉｎ）条件下的ＥＧ９０Ｒ型ＨＤＰＥ塑料土工格栅拉伸试验．试验采用单肋条试验方法，在（２０±２）℃恒温条件下进行．试验结果表明，土工格栅的拉伸强度和割线模量随拉伸速率的降低而减小，峰值应变随拉伸速率的降低而增大，因此，拉伸速率大小对土工格栅的拉伸性能具有一定的影响．当拉伸速率固定时，２％，５％和１０％应变、峰值应变对应的拉伸强度依次增大，而拉伸模量却依次减小［９］．２　土工格栅施工损伤折减系数加筋土结构中土工格栅在铺设以及其上填料的摊铺碾压过程中会产生一定的损伤破坏，造成土工格栅的强度降低．土工格栅的施工损伤一般分为４种类型：由于与筋材表面接触的小颗粒填料摩擦而造成的一般磨损，由于填料中大颗粒导致的筋材肋条发生磨损，纵肋局部开裂形成小裂缝，以及纵肋产生尖锐锯齿导致整个肋条发生剪断破坏．为了探讨ＨＤＰＥ单向塑料土工格栅在不同级配填料介质中的施工损伤，界定施工损伤强度折减系数，本文进行了土工格栅施工损伤现场试验．２．１　试验方法考虑到加筋土结构工程现场填料的不均匀性，配置了不同粒径大小、级配不良的５种填料，最大粒８６１　第２期杨广庆，等：ＨＤＰＥ土工格栅加筋土结构的筋材长期强度研究径分别为１０，２０，５０，７５和１２５ｍｍ，填料选用青岛采石场破碎的花岗岩，级配曲线如图２所示．图２　填料的级配曲线Ｆｉｇ．２　Ｇｒａｄｉｎｇ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｆｉｌｌ在平整好的场地上分５个区域分别摊铺碾压以上５种填料，碾压完成后，在各区域内分别铺设土工格栅，然后在其上摊铺碾压与格栅下层对应的填料．填料虚铺厚度为１８７．５ｍｍ，压实厚度约为１７５ｍｍ．采用ＹＺ－１２型振动压路机，以２ｋｍ／ｈ的速度进行振动碾压．共进行了３种工况的压实：标准压实－振动碾压４遍，过量压实－振动碾压８遍，厚层压实－虚铺３７．５ｃｍ、振动压实４遍．碾压完成后挖出土工格栅样片，进行表观现象分析和拉伸试验．２．２　试验结果分析挖出后的土工格栅样片均呈现出不同程度的磨损，大部分有擦伤，肋条开裂很少，没有肋条断裂．试验结果显示同一型号土工格栅的施工损伤程度随填料粒径的增大而增加．通过对挖出的土工格栅样片和对应的同批次未试验的土工格栅进行室内标准拉伸，试验结果表明：填料粒径越大，对土工格栅的施工损伤越严重；施工损伤引起的强度降低量较小，施工损伤后样片的延伸率比标准样片低，且随着损伤程度的增加而降低．按照文献［１１］的计算方法，ＨＤＰＥ单向塑料土工格栅施工损伤折减系数如表１所示．表１　土工格栅施工损伤折减系数试验结果Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｇｅｏｇｒｉｄｓ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ粒径／ｍｍＤｍａｘ≤１０Ｄ５０≈１．２Ｄｍａｘ≤２０Ｄ５０≈６．０Ｄｍａｘ≤５０Ｄ５０≈７．０Ｄｍａｘ≤７５Ｄ５０≈８．５Ｄｍａｘ≤１２５Ｄ５０≈１０．０折减系数１．０５　１．０９　１．０９　１．１３　１．１３　注：Ｄ５０为含量占５０％的颗粒粒径．３　土工格栅蠕变折减系数由聚合物组成的塑料土工格栅具有蠕变性能且将影响加筋土结构的长期强度．拉筋的蠕变会导致加筋土结构内部应力的改变，以致可能会产生整体失稳或过大水平变形．蠕变过程３个应力－应变阶段的过渡点临界温度为玻璃化温度Ｔｇ（弹性阶段与黏弹性阶段过渡点）和熔点温度Ｔｍ（黏弹性阶段与流动阶段过渡点）［１］．当周围介质温度Ｔ＜Ｔｇ时，土工格栅表现为弹性特性；当Ｔｍ＞Ｔ＞Ｔｇ时，土工格栅表现为黏弹性（蠕变）特性．对ＨＤＰＥ土工格栅而言，当周围土体介质温度为１０～３０℃时会表现为蠕变特性．为了研究ＨＤＰＥ单向拉伸土工格栅的蠕变特性，分析其蠕变折减系数，本文参照文献［１２］对典型ＨＤＰＥ塑料土工格栅进行室内蠕变试验研究．土工格栅蠕变试验是根据不同温度、不同荷载下土工格栅应变与时间的关系，结合时间漂移因子及外推法计算土工格栅的长期强度．当工程设计中采用１００年变形量１０％作为设计寿命时，为了增加试验数据外推的可靠性，试验中应去除１ｈ以内达到１０％应变的数据，同时必须具有１　０００ｈ以上达到１０％应变的数据，以保证结果可信性．图３为典型土工格栅的蠕变试验结果．（ａ）２０℃（ｂ）４０℃（ｃ）５０℃图３　不同温度下ＥＧ５０Ｒ型ＨＤＰＥ土工格栅的变形曲线Ｆｉｇ．３　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ＥＧ５０ＲＨＤＰＥ　ｇｅｏｇｒｉｄｓｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ９６１东华大学学报（自然科学版）第４０卷　根据时温等效原理，得到２０℃下ＥＧ５０Ｒ型ＨＤＰＥ土工格栅外推时间－载荷曲线及方程如图４所示．以土工格栅６０年和１２０年的长期强度计算为例，ＥＧ５０Ｒ型ＨＤＰＥ土工格栅的蠕变折减系数分别为２．３２和２．３７．图４　ＥＧ５０Ｒ型ＨＤＰＥ土工格栅外推曲线及方程Ｆｉｇ．４　Ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＧ５０ＲＨＤＰＥ　ｇｅｏｇｒｉｄｓ４　土工格栅老化折减系数具有链节结构的高分子聚合物组成的土工格栅在加筋土结构中会长期经受微生物、化学（酸、碱）以及热氧化的作用，易发生降解反应和交换反应，导致材料强度降低．为此，土工格栅的抗老化折减是其长期设计强度的重要组成部分．高分子聚合物中分子的排列方式对土工格栅的耐久性有一定影响．表２为４种典型原材料的耐久性能对比．表２　土工合成材料常用高分子聚合物性能对比Ｔａｂｌｅ　２　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｐｏｌｙｍｅｒｏｆ　ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓ光降解热氧化水解酸降解碱降解微生物降解聚丙烯（ＰＰ）中差良良良优聚酰胺（ＰＡ）良良中中良良聚酯（ＰＥＴ）优优差良中中聚乙烯（ＰＥ）中中良优优优 文献［５］建议加筋土结构拉筋考虑化学、生物损伤的强度折减系数为１．０～１．５．文献［２］建议用于加筋土挡墙的土工格栅强度折减系数中化学破坏影响系数取１．０～１．５，生物破坏影响系数取１．０～１．３．这些系数指标大多是参考国外的一些技术标 准得出的．按照欧洲标准对典型的ＨＤＰＥ土工格栅进行相关老化试验，包括１００℃条件下持续５６ｄ的氧化试验、持续１６星期的微生物降解试验和酸、碱环境下的化学降解试验，试验结果显示材料强度几乎没有衰减，老化折减系数为１．０．５　结　语本文通过对大量室内外试验结果进行分析，系统研究了土工格栅加筋土结构的筋材长期强度，得出结论如下所述．（１）工作应力状态下，加筋土结构中ＨＤＰＥ土工格栅在土体介质和空气介质中的模量相差在５％以内．设计时可以将空气介质中ＨＤＰＥ土工格栅的拉伸试验结果应用到土体介质环境中．（２）拉伸速率大小影响土工格栅的拉伸强度、延伸率和割线模量．（３）单向拉伸ＨＤＰＥ土工格栅的施工损伤强度折减系数为１．０５～１．１３．（４）单向拉伸ＨＤＰＥ土工格栅的蠕变折减系数为２．３～２．４．（５）单向拉伸ＨＤＰＥ土工格栅的老化折减系数约为１．０．参　考　文　献［１］杨广庆．土工格栅加筋土结构理论及工程应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１１：１－２０．［２］ＧＢ　５０２９０—１９９８土工合成材料应用技术规范［Ｓ］．［３］ＪＴＧ／Ｔ　Ｄ３２—２０１２公路土工合成材料应用技术规范［Ｓ］．［４］ＪＴＪ　２３９—２００５水运工程土工合成材料应用技术规范［Ｓ］．［５］ＴＢ　１０１１８—２００６铁路路基土工合成材料应用设计规范［Ｓ］．［６］ＧＢ　１７６８９—２００８土工合成材料塑料土工格栅［Ｓ］．［７］ＳＬ　２３５—２０１２土工合成材料测试规程［Ｓ］．［８］ＪＴＧＥ　５０—２００６公路工程土工合成材料试验规程［Ｓ］．［９］杨广庆，庞巍，吕鹏，等．塑料土工格栅拉伸特性试验研究［Ｊ］．岩土力学，２００８，２９（９）：２３８７－２３９１．［１０］丁金华，包承纲，陈仁朋．加筋土结构中筋材抗拉强度的取值方法研究［Ｊ］．水利力学，２０１２，４３（１２）：１４６４－１４６９．［１１］郑鸿，刘伟，裴建军．塑料土工格栅的现场破坏实验［Ｊ］．工程塑料应用，２００５，３３（６）：４９－５１．［１２］ＱＢ／Ｔ　２８５４—２００７塑料土工格栅蠕变试验和评价方法［Ｓ］．０７１。