蠕变作用对土工格栅加筋土界面特性影响的研究

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(太原理工大学建筑与土木工程学院, 山西太原030024； 2.太原城市职业技术学院， 山西太原030027；3.太原市龙城发展投资有限公司， 山西太原030002)

0 引言

土工格栅作为常用的加筋材料，由于其具有强度高、韧性好、重量轻、耐腐蚀、造价低等优点，在公路、铁路、水利、建筑等领域得到广泛应用。在工程中，塑料土工格栅受长期荷载作用下产生蠕变，强度、断裂伸长率随受力时间延长而降低。国内外许多学者对土工格栅的蠕变特性进行了研究，通过对各种土工合成材料进行有侧限和无侧限条件的蠕变试验，提出蠕变方程推求土工合成材料长期的蠕变特性。经典的蠕变系数法和Shrestha与Bell提出的三参数法经验公式广为使用；提出了一些加速土工合成材料蠕变试验的方法，如时温叠加法和分级等温法等[1]。国内土工合成材料蠕变特性的研究相对起步较晚，国内最早的研究是王钊[2-3]在岩土工程学报上发表的《土工合成材料蠕变特性的试验研究》。郭军辉等[4]通过开展室内蠕变试验，对土工格栅在低温条件下的蠕变特性进行了试验研究，提出土工格栅的蠕变性能受温度影响很大，并且温度越低蠕变值越小。近几年，国外的学者对土工合成材料的蠕变性能也开展了大量研究工作[5-9]。

土工格栅加筋土结构中，筋土界面相互作用参数取值是否合理对加筋土工程的安全性和经济性至关重要，因此受到国内外学者的高度重视[10-16]，通过室内直剪试验或拉拔试验对土工格栅与不同土类的筋土界面参数的影响因素进行了研究，探讨了不同条件下筋土摩擦应力的发展过程和规律。近年来国内外学者对土工格栅加筋土筋土界面特性进行了大量试验和理论研究，试验手段主要以直剪和拉拔试验为主，研究的焦点多集中在剪切速率、边界条件、填料特性及格栅的物理特性对筋土界面特性的影响。关于土工合成材料的蠕变研究则主要集中在土工合成材料的蠕变变形、材料强度影响及使用寿命方面的研究，而对于受蠕变和老化影响的加筋土筋土界面特性的研究以及对加筋土地基工作效应影响的研究，还远未理解清楚。

本文选取强度不同的两种聚丙烯双向土工格栅，通过室内蠕变试验及大型直剪试验，分析蠕变作用对土工格栅加筋土的筋土界面工作性能的影响规律。

1 室内蠕变试验

1.1 土工格栅

本文选用了两种工程中常用的聚丙烯双向土工格栅为BG1、BG2为研究对象，使用土工合成材料万能试验机对土工格栅样本进行检测，两种格栅的基本力学性能指标如表1所示。

表1 双向土工格栅的力学性质指标Tab.1 Mechanical property indexes of biaxial geogrids

1.2 蠕变试验设备

本文采用作者自行研制的蠕变试验设备(见图1、图2)开展室内蠕变试验。蠕变试验设备主要由支承系统、夹具系统、量测系统、加载系统四部分组成。其中支承系统由钢结构的工字钢和角钢通过螺栓连接而成。夹具系统主要由夹具钢板内侧设置橡胶垫片防止加载过程中土工格栅在长期荷载作用下发生滑动，用螺栓为夹具系统提供夹持力。夹具一端固定在支承系统上，另一端与加载系统连接。采用百分表量测土工格栅试样的变形。在加载系统中，砝码用来为试样施加荷载。

图1蠕变试验系统
Fig.1Creeptestsystem

图2土工格栅蠕变试验夹具与加持方法
Fig.2Methodoffixingthegeogrid

1.3 室内蠕变试验方案

室内蠕变试验方案根据《土工合成材料测试规程》(SL235-2012)要求制定，保持环境温度为20±3 ℃，相对湿度为20 %～30 %。蠕变加载等级为土工格栅极限抗拉强度的20 %、30 %、40 %、60 %。采用砝码缓慢而平滑的进行加载，每经过一定时间间隔对土工格栅的变形值进行量测。蠕变变形量测的时间间隔为：1 min、2 min、4 min、8 min、12 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、10 h、20 h、50 h、100 h、200 h、300 h、400 h、500 h、600 h、700 h、800 h、900 h、1 000 h。

土工格栅蠕变应变为长期荷载作用下土工格栅的变形量与土工格栅初始长度之比，用百分数表示，即：

其中：ε为土工格栅的应变值( %)；Δl为土工格栅变形量(mm)；l为土工格栅初始长度(mm)。

1.4 室内蠕变试验结果

经过不少于1 000 h的室内蠕变试验，得到蠕变曲线见图3、4。土工格栅的极限抗拉强度(Ultimate Tensile Strength)用UTS表示。从图中可以看出，BG1在荷载水平为20 %、30 %、40 %UTS条件下，荷载水平越高，蠕变应变越大；蠕变应变随加载时间的延长逐渐趋于稳定；荷载水平为40 %条件下，加载时长为1 000 h时，格栅的应变为6.221 %；荷载水平为60 %UTS条件下，蠕变应变随时间延长突然增长，加载时长为600 h时，格栅发生突然断裂，试验终止。BG2的蠕变曲线与BG1基本一致；荷载水平为40 %UTS时，加载时长为1 000 h时，蠕变应变为6.940 %，略高于BG1；荷载水平为60 %UTS条件下，加载时长为70 h时，格栅发生突然断裂。

荷载水平为20 %、30 %、40 %条件下，加载时长为1 000 h，两种格栅BG1、BG2的应变变化规律见图5。

蠕变试验结果表明：蠕变应变随时间的变化呈现出非线性增长规律。在相同蠕变荷载水平下，与BG2土工格栅相比，BG1土工格栅达到的蠕变应变更大一些。蠕变荷载水平、材料的拉伸强度等都是影响土工格栅蠕变特性的重要因素。

从安全的角度考虑，在工程应用中土工格栅应在荷载水平不高于40 %的条件下使用。

图3土工格栅BG1应变—时间曲线
Fig.3RelationshipbetweenthestrainandtimeforBG1

图4土工格栅BG2应变—时间曲线
Fig.4RelationshipbetweenthestrainandtimeforBG2

图5 BG1、BG2在蠕变1 000 h时的等时蠕变曲线Fig.5 Isochronous creep curves at creep 1 000 h for BG1 and BG2

2 土工格栅加筋土界面特性试验研究

2.1 试验材料

本文中针对两种聚丙烯双向土工格栅在不同加载等级下的蠕变1 000 h后的试样及未蠕变的试样进行对比，通过直剪试验研究其蠕变作用对土工格栅加筋土界面特性的影响规律。由于蠕变加载等级为60 %的两种格栅均在不足1 000 h时发生断裂，故选取蠕变等级为20 %、30 %、40 %UTS及未蠕变土工格栅与未加筋土工格栅进行对比。

考虑土工格栅的蠕变作用效应对加筋土界面特性参数的影响，为保证试验数据的稳定性，大型直剪试验中的填料选用标准干砂。其物理性质指标为：粒径<0.1 mm的颗粒占总质量的0.015 %；粒径在0.1～0.25 mm之间的颗粒占0.5 %；粒径在0.25～0.5 mm之间的颗粒占58 %；粒径在0.5～1 mm的颗粒占41 %；粒径在1～2 mm之间的颗粒占0.16 %；大于2 mm的颗粒占0.33 %。标准干砂抗剪强度指标：黏聚力c=0，内摩擦角φ=17.78°，试验时相对密实度为70 %。标准砂的物理指标列于表2。

表2 标准用砂物理指标Tab.2 Physical property indexes of testing sand

2.2 直剪试验设备

本次试验中所采用设备为美国Geocomp公司生产的ShearTracⅢ大型直剪仪，见图6。该仪器可自动完成土和土工格栅直剪试验，确定土和土工格栅的表面摩擦特性以及内摩擦力。

2.3 直剪试验方案

开展剪切试验时，下剪切盒内置入刚性垫块，与下剪切盒高度一致，裁剪好的土工格栅试样一端固定于下盒表面，平铺在刚性垫块上。采用落雨法将标准砂分层击实置于上盒中，每层击实后的高度控制在2 cm。试验中的竖向应力采用3个竖向应力分别为25 kPa、50 kPa、75 kPa。剪切速率为0.5 mm/min，剪切位移达到45 mm时试验终止。

2.4 直剪试验结果

图7、图8分别为双向土工格栅BG1、BG2在未蠕变、20 %UTS、30 %UTS、40 %UTS下每个法向应力作用下剪应力与剪应变之间的关系曲线。图9为标准砂试样的直剪试验结果。

(a) 未蠕变

(c) 30 %UTS

图7BG1试样τ-δ曲线
Fig.7CurveofτvsδforthesampleofBG1

(a) 未蠕变

(c) 30 %UTS

图8BG2试样τ-δ曲线
Fig.8CurveofτvsδforthesampleofBG2

图9 标准砂试样τ-δ曲线Fig.9 Curve of τ vs δ for the sample of pure sand

通过对各组试样的大型直剪试验，得到土工格栅筋土界面的剪应力与应变关系曲线，取峰值剪应力或稳定值作为破坏点，绘制破坏点剪应力与垂直压应力之间的关系曲线，即通过对试验结果进行线性回归拟合得到直剪试样的竖向压应力与剪应力之间的关系曲线(如图10、11)，从中进一步便可得到筋土界面的参数黏聚力和内摩擦角。

图10BG1土工格栅加筋土τ-σ曲线
Fig.10RelationshipbetweenτandσforBG1

图11BG2土工格栅加筋土τ-σ曲线
Fig.11RelationshipbetweenτandσforBG2

土工格栅对加筋土筋土界面特性的影响主要体现在对黏聚力的提高上，对内摩擦角的影响不大。与未蠕变的土工格栅加筋土相比，不同加载等级下的蠕变作用对筋土界面特性的影响也主要体现在对黏聚力的降低上，见表3。

表3 蠕变加载等级对黏聚力的影响Tab.3 Influence of cohesion on creep loading grade

3 讨 论

3.1 土工格栅蠕变特性

蠕变作用随着加载等级的增加、时间的延长逐渐增加。两种格栅在60 %加载等级下，加载过程中均发生了突然断裂，这表明格栅在长期荷载作用下，在远小于极限强度的加载等级下不能承载而发生破坏，在工程中格栅实际受力不应超过40 %。

与其他学者的研究成果对比，与本次试验有较好的一致性，即加载等级为20 %、30 %、40 %条件下加载1 000 h土工格栅的蠕变值逐渐趋于稳定。与单向土工格栅相比，聚丙烯双向土工格栅蠕变作用更小，在长期荷载作用下更稳定。

3.2 蠕变作用对土工格栅加筋土界面特性的影响

土工格栅在土中起到提高土体抗剪强度的作用，在工作过程中主要承受拉力作用。在长期荷载作用下，由高分子聚合物为主要材料的土工格栅将产生蠕变作用。根据试验结果，对于聚丙烯双向土工格栅，蠕变作用对土工格栅加筋土筋土界面特性的影响主要体现为黏聚力的降低，与未蠕变的土工格栅加筋土的黏聚力相比，土工格栅BG1在加载等级为20 %、30 %、40 %UTS条件下，加载时长为1 000 h时，黏聚力的降低分别为12 %、17 %、28 %；土工格栅BG2在加载等级为20 %、30 %、40 %UTS条件下，加载时长为1 000 h时，黏聚力的降低分别为7 %、16 %、26 %；蠕变作用对土工格栅加筋土的内摩擦角影响不大。在加筋前后砂土试样的内摩擦角基本未发生改变；双向土工格栅增加了土体的黏聚力，从而提高土体抗剪强度；筋材蠕变加载等级越高，黏聚力下降得越多。

土工格栅加筋土的筋土界面摩阻力主要由三部分组成:纵肋条与土的摩擦力、横肋条与土的摩擦力、横肋条及节点与土的咬合力，蠕变作用的产生使纵肋条变细、横肋条之间的间距增大、节点变薄，使得筋土界面的黏聚力降低。

4 结论

本文通过开展土工格栅室内蠕变试验及加筋土大型直剪试验，探讨了蠕变作用对土工格栅加筋土筋土界面特性的影响规律，根据试验结果得出以下结论：

① 在同样的加载等级下，初始抗拉强度较低土工格栅的蠕变变形较初始抗拉强度较高的土工格栅蠕变应变略小。

② 不同强度的双向土工格栅受蠕变作用的影响产生的筋土界面特性的变化有差别，在相同的加载等级下，初始抗拉强度较高的土工格栅蠕变作用的影响略小于初始抗拉强度较低的土工格栅。

③ 蠕变作用对土工格栅加筋土的内摩擦角影响不大，不超过3 %。

④ 土工格栅在长期荷载作用下，蠕变作用使肋条变细，肋条之间的间距增大，节点变薄，导致筋土界面的黏聚力产生下降。土工格栅蠕变加载等级越高，加筋土筋土界面黏聚力下降越多。加载等级为40 %UTS时，土工格栅加筋土筋土界面黏聚力的降低约为未蠕变格栅加筋土的30 %。