低荷载水平下土工格栅加速蠕变试验

向前勇，刘华北，汪 磊，张 垭

(华中科技大学 土木工程与力学学院，武汉 430074)

低荷载水平下土工格栅加速蠕变试验

向前勇，刘华北，汪 磊，张 垭

(华中科技大学 土木工程与力学学院，武汉 430074)

由于常规蠕变试验持续时间长，且对试验环境的温度、湿度等条件具有严格要求，因此常规蠕变试验方法耗时长、费用高；同时常规蠕变试验不能预测设计使用年限内的蠕变特性，为此提出了加速蠕变试验的短期时温叠加法。运用短期时温叠加法原理，通过利用室内三头电子蠕变试验机，对高密度聚乙烯(HDPE)土工格栅进行了10%，20%，30%荷载水平下3组短期蠕变试验，预测了该土工格栅在低荷载水平下的长期蠕变特性。结果表明：土工格栅在10%，20%，30%低载荷水平下的长期蠕变应变值较低，其中在10%载荷水平下的长期(106h)应变值维持在2%以内；短期时温叠加法可以用相对更短的时间来预测土工格栅的长期蠕变应变及刚度值。该研究可为工程实际应用提供依据。

土工格栅；加速蠕变；低荷载水平；时温叠加法；长期蠕变特性

1 研究背景

蠕变是指在应力不变的条件下，应变随时间不断增长的现象，它是高分子聚合物的典型性质之一。土工合成材料作为典型的高分子聚合物材料，被应用于加筋土工程时，其蠕变特性对加筋土工程的长期性状有重大影响，蠕变或应力释放可能会引起加筋土结构内部应力状态的改变，导致加筋土工程丧失稳定或产生过大的变形[1-3]。所以准确研究土工合成材料蠕变性质，对结构的安全性、经济性都具有十分重要的意义。常规室内蠕变试验作为检验材料蠕变指标的重要手段之一，已经在各国形成各自的统一标准。就蠕变试验时间而言，各国标准虽然要求的时间长短不一样，但都≥1 000 h，且都对环境的温度、湿度等条件有严格要求，因此常规蠕变试验方法耗时长、费用高。同时实际的加筋土工程使用年限在几十年甚至100 a以上，常规蠕变试验只能预测材料在试验时间内的蠕变性质，不能预测材料在设计使用年限内的蠕变性质。时温叠加法只需对材料做相对短时期的蠕变试验，就可以预测材料的长期蠕变性质，较大程度地节约了试验时间和费用，已被广泛应用于各研究领域。

实际的土工格栅加筋挡土墙中，工作应力状态下格栅的应变量很小，峰值应变通常在2%以下，Allen和Bathurst[4]一共测量了20例加筋挡土墙在不同加筋材料及不同外加荷载情况下的格栅应变值，统计分析发现，格栅的实测峰值应变在0.1%～4%之间，22种情况下仅有5种情况下的峰值应变超过2%。因此，对土工格栅小应变的研究尤为重要。

2 时温叠加法原理

时温叠加法最基本的概念是升高温度加速反应特性，高分子聚合物的同一力学松弛现象能够在同一荷载下较短的时间、较高的温度(或较高的作用频率)下观察到，也可以在较长的时间、较低的温度下观察到[5]。因此，升高温度与延长观察时间对分子运动是可以等效的，对高聚物的黏弹行为也是等效的。

时温叠加法的基本步骤是：用多种试样在相同恒定的拉伸荷载下，进行不同温度下的短期蠕变试验，然后选取任意一种参考温度(一般选取试验最低温度)，将非参考温度下的曲线沿水平轴移动，直至与参考温度下的曲线连成一光滑的整体，前段图的末端与后段图的前端保持重合，最终形成一条主曲线。利用该曲线可以预测更长历时的蠕变，一般至少可预测到106h即114 a后材料的蠕变特性。移动的水平距离即为该温度下的转换因子，记为aT，试验表明，主曲线的转换因子与温度有关。

目前关于主曲线的转换因子和参考温度之间的关系公式有很多，得到大家一致认可的是Williams，Landel和Ferry在1995年提出的公式，即WLF方程。为了不改变材料的物理特性，试验的温度须超过其玻璃化温度，而低于熔点温度，因此，大家普遍接受WLF方程[6]，即

(1)

式中：C1，C2为常量，不同类别的聚合物之间有轻微差别；T为变化的温度;T0为参考温度。若将玻璃化温度Tg作为T0，则对于从T0～T0+100 ℃，C1，C2的取值分别为17.4，51.6。Takaku在1980年指出，若Tg≠T0，可以通过式(2)计算[7]。

(2)

在低于玻璃化温度的范围用Arrhenius方程来描述主曲线转化因子和参考温度的关系，即

(3)

式中：Ea为聚合物的黏弹性模量；R为摩尔气体常数。利用式(1)—式(3)即可求得aT与(T-T0)的关系。

时温叠加法可分为长期时温叠加法和短期时温叠加法[8]：长期时温叠加法试验时间一般为1 000 h，短期时温叠加法试验时间一般为10 000 s。Y.Sang-Sik[8]利用长期时温叠加法和短期时温叠加法对土工合成材料进行了大量的室内蠕变试验，得到许多宝贵的试验数据。本文的加速试验全部采用短期时温叠加法，即蠕变试验时间统一设定为10 000 s。

图1 三头电子蠕变试验机Fig.1 Three-axis electronic machine for creep test

3 短期时温叠加法试验设计

3.1 试验装置

蠕变试验在华中科技大学土木工程实验室的三头电子蠕变试验机上进行。该机由3个独立加载机构、3个独立测量控制系统及1个配套的共用环境箱组成,如图1所示。格栅应变量测装置如图2，该量测装置能够测量格栅有效长度内的真实应变。

图2 应变量测装置Fig.2 Strain measurement device

3.2 试验材料制备

选用青岛旭域公司生产的HDPE双向土工格栅，采用ASTM D4595标准[9]进行室内无约束拉伸试验，得到的基本力学性质如表1所示。制备12个相同的土工格栅试样，编号①—○12，试样尺寸如图2中夹具所夹持试样所示，纵向取13根筋条，横向取5个网格间距。

表1 HDPE土工格栅基本力学性质Table 1 Basic mechanical properties of HDPE geogrid

3.3 试验方案设计

将编号①—○12的格栅试验分为3组，每组在恒定的拉伸荷载作用下进行不同温度的蠕变试验，蠕变试验时间均保持10 000 s。具体试验方案见表2。

表2 具体试验设计方案Table 2 Test design schemes

4 试验结果分析

按照第3.3节的试验设计方案，一共进行12组室内短期蠕变试验，将获得的数据结果进行整理得到各载荷水平在不同温度条件下的应变-时间对数曲线,如图3所示。

图3 不同载荷水平下的应变-时间对数曲线Fig.3 Strain vs. logarithmic time curves at different load levels

从图3中可以看到，温度越高，应变-时间对数曲线的上下间距逐渐增大，表明温度对土工格栅应变影响越大。通过不同荷载水平下的应变曲线，可以发现，格栅的应变随荷载水平的增大而增大。

依据时温叠加法原理，选定20 ℃作为参考温度，将非参考温度40,60,80 ℃条件下的应变时间对数曲线进行水平移动，得到各荷载水平下的应变-时间对数主曲线如图4所示。

图4 不同载荷水平下应变-时间对数主曲线Fig.4 Principal creep curves(strain vs. logarithmic time) at different load levels

各载荷水平下的主曲线分别由4段组成，从图中可以发现，20,40,60 ℃各段的曲线拟合效果优于80 ℃段。这是由于在试验过程中我们控制的是荷载不变，除以试样宽度来等效应力不变，而蠕变的定义是应力不变应变随时间不断增长。荷载越大或者温度越高,导致格栅的蠕变量越大，蠕变量越大格栅的横截面尺寸变化越明显，从而导致等效应力和真实应力之间差距扩大。所以，80 ℃段曲线的拟合效果较差，更进一步说明了蠕变受温度的影响较大。

从上述各载荷水平下的应变-时间对数主曲线可以预测该土工格栅在20 ℃下不同载荷水平的长期应变值。在106h(114 a)时，各载荷水平下的应变值分别为1.963%,5.924%,12.097%，应变值均较小。

通过应变-时间对数曲线，可以获得格栅对应时刻的应变值，进而可以求得土工格栅在该荷载水平下相应时刻的刚度值。得到的蠕变刚度-时间对数曲线如图5所示。在实际的加筋工程中不能直接考虑筋材的蠕变或松弛对加筋结构的影响，一般通过筋材的长期刚度来表征筋材的长期特性影响，所以合理估算或者预测格栅的长期刚度值显得尤为重要。由图5可预测到该土工格栅在接近106h(114 a)时的刚度值，可为工程实际应用提供参考。

图5 不同载荷水平下蠕变刚度-时间对数曲线Fig.5 Creep stiffness vs. logarithmic time curves at different load levels

5 转换因子的计算

时温叠加法中转换因子必须满足下列规则[10]：

(1) 不同温度下相邻曲线图的形状必须精确匹配。

(2) 转换因子aT的值必须与所有黏弹性效应一致。

(3) 由曲线平移得到的aT值应与经验公式计算得到的理论值一致。

图6 转换因子理论计算值与试验获得值Fig.6 Analyticalandtestvaluesoftemperatureshiftfactors

6 结 论

(1) 土工格栅在10%，20%，30%低载荷水平下的长期蠕变应变值较低，其中在10%载荷水平下的长期(106h)应变值维持在2%以内。

(2) 筋材的长期刚度可以用来解释加筋挡土墙在工作应力状态下的加筋荷载和挡墙面板侧向位移的变化规律，对土工格栅长期刚度值的合理估算显得尤为重要。本文通过加速蠕变试验预测土工格栅的长期刚度值，为工程实际提供参考。

(3) 时温叠加法温度转换因子跟温度相关，不同载荷水平相同温度下的转换因子有细微差别，且试验获得的值与经验公式求得的值也有一定偏差。同时时温叠加法温度转换因子需要较多试样反复试验获得。

(4) 时温叠加法的优势虽很明显，越来越广泛地被应用于研究领域，但时温叠加法不同试样之间的差别会对试验结果产生较大影响(本文的各温度段曲线均经过多次试验比对得到)，会掩饰温度对试验结果的影响。

(5) 短期时温叠加法相对长期时温叠加法试验时间更短，但目前关于短期时温叠加法的研究还比较匮乏，需要更多的学者进行更广泛的研究。

[1] 王 钊，李丽华，王协群.土工合成材料的蠕变特性和试验方法[J]. 岩土力学， 2004， 25(5): 723-727.

[2] 丁金华，周武华. HDPE土工格栅在有约束条件下的蠕变特性试验[J].长江科学院院报， 2012， 29(4):49-53.

[3] 丁金华，童 军，张 静，等. 环境因素对土工格栅蠕变特性的影响[J]. 岩土力学，2012，33(7):2048-2054.

[4] ALLEN T M,BATHURST R J. Soil Reinforcement Loads in Geosynthetic Walls at Working Stress Conditions[J]. Geosynthetics International， 2002， 9(9):483-523.[5]JORGE G. ZORNBERG M. Creep of Geotextiles Using Time-temperature Superposition[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2004，130(11)：1158-1168.[6] 李丽华，王 钊. 加速土工合成材料蠕变试验的时温叠加法简介[J]. 长江科学院院报，2004，21(1):29-32.

[7] KHALLD F. Development of an Accelerated Creep Testing Procedure for Geosynthetics，Part 2: Analysis[J].Geotechnical Testing Journal，1998,(1):38-44.

[8] SANG-SIK Y. Evaluation of Creep Behavior of Geosynthetics Using Accelerated and Conventional Methods[D]. Pennsylvania: Drexel University，2007.

[9] ASTM D 4595,Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-width Strip Method[S].West Conshohocken，Pennsylvania，USA:American Society for Testing and Material，2015.

[10]李丽华，王 钊，唐建设. 时温叠加法确定土工合成材料蠕变折减系数[J]. 岩土力学，2005，26(1):113-116.

(编辑：黄 玲)

Accelerated Creep Tests of Geogrids under Small Load Level

XIANG Qian-yong，LIU Hua-bei，WANG Lei，ZHANG Ya

(School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Generally it takes a long period of time to complete conventional creep tests on geosynthetic materials. The test environment such as temperature and humidity should also be exactly controlled，which makes such tests very expensive and time consuming. Moreover, conventional creep test cannot predict the creep characteristics indesign life. In view of this, the accelerated creep test method of short-term time-temperature superposition has been proposed.In this article, according to the principle of short-term time-temperature superposition，three groups of short-term creep tests of high-density polyethylene(HDPE) geogrids at 10%，20% and 30% load levels were conducted by three-axis electronic creep testing machine. Through the indoor creep tests，the long-term creep characteristics of the HDPE geogrids at each small load level were predicted. Results show that the long-term creep strain of the geogrids at 10%，20% and 30% load levels were low and the values at 10% load level maintained within 2%；the short-term time-temperature superposition principle takes relatively short time to predict the long-term creep strain and stiffness values of HDPE geogrids. This study could be used as reference for engineering application.

geogrid；accelerated creep；small load level; time-temperature superposition；long-term creep property

2016-05-28;

2016-08-11

国家自然科学基金项目(51379082)

向前勇(1991-)，男，湖北黄石人，硕士研究生，主要从事土工合成材料长期特性方面的研究工作，(电话)13125182485(电子信箱)xiang_qy@hust.edu.cn。

刘华北(1973-)，男，广东普宁人，教授，博士生导师，博士,主要从事加筋土工程与地下结构工程方面的教学与科研工作，(电话)027-87557960(电子信箱)hbliu@hust.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20161064

TU411

A

1001-5485(2017)02-0001-04

2017,34(2):1-4,16