新型土工格栅耐久性研究及工程应用

郭 明

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南 郑州 450001)

0 前 言

土工格栅作为土工合成材料的一种，由于其良好的工程特性已经广泛应用于加筋结构工程中[1-4]。众多国内外学者[5-12]通过拉拔摩擦试验和直剪摩擦试验研究了涤纶纤维经编土工格栅、塑料土工格栅等多种类型的土工格栅与不同的回填材料之间的界面摩擦特性。分析了土工格栅的受力特性，剪应力随位移的变化规律，试验过程中力学效应规律的转移变化以及拉拔直剪摩擦试验结果的影响因素等。但对土工格栅耐高温、抗冻融特性的研究较少。

深部煤矿的开采建设会遇到高温问题、在高海拔严寒地区修建铁路桩基等会遇到低温问题。随着我国基础设施建设的发展，土工格栅的应用越来越广泛，在高温条件下使用土工格栅时必须考虑其耐高温的能力，在严寒条件下，必须考虑其抗冻融的能力。若温度条件对土工格栅强度蠕变特性等造成了重要的影响，则同样会产生严重的工程事故，所以进行耐高温和抗冻融试验同样具有重要的实践意义。

1 实验设备及材料

1)试验设备。试验采用MDM-5型土工合成材料综合测定仪。垂直荷载采用高精度调压阀和滚动隔膜汽缸组成的闭环反馈稳压系统施加，由精密压力表测度；水平荷载采用应变控制加荷方式，由电机驱动变速箱均匀施加，最大拉力10 kN，由拉压力传感器测度；数据采集由单片微机控制，采样速度10次/s，自动判断峰值。

2)试验材料。试验用超强柔性土工格栅采用高强度、高模量、低蠕变的聚合长丝纤维经纬向整体编织而成，选用高强树脂合成纤维为原料，采用经编定向结构，织物中的经纬向相互间无弯曲状态，交叉点用高强纤维长丝针织捆绑结合起来，形成牢固的结合点，充分发挥其力学性能，在其表面涂覆一层可阻燃导静电的涂层。

该系列土工格栅的抗拉强度为100～1 000 kN/m，本试验选取抗拉强度分别为200、400、600 kN/m三种规格的材料进行试验，分别命名为格栅1、格栅2以及格栅3。三种型号的土工格栅的性能指标如表1所示。

表1 土工格栅性能指标

2 抗高温试验

2.1 试验内容

沿着400 kN土工格栅的纵向取一根材料，并将其平均劈裂成五根，分别编号为A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2。将每根试样平均分成3段，分别进行不做任何处理条件下的抗拉试验，(110±2)℃烘箱烘烤14 d条件下的抗拉实验，(110±2)℃烘箱烘烤28 d条件下的抗拉实验，分别记录其断裂伸长和断裂强力，然后计算其断裂伸长率保持率及断裂强力保持率，以研究高温条件下400 kN高强度聚酯纤维网抗高温性能。

2.2 试验步骤

从样品上剪取三组试样，一组试样用(110±2)℃烘箱烘烤14 d，一组烘烤28 d，一组用作对照样。每组包括5组试样。分别用贴纸标记之后用托盘盛装，放入ZhB101-2电热鼓风干燥箱中，设置烤箱温度为110℃，烘烤14 d之后取出第一组试样，在室温中冷却后用MDM-5电子万能试验机测定拉伸性能，采用100 mm/min的拉伸速率。烘烤28 d后取出第二组试样，最后在室温下干燥冷却。采用100 mm/min的拉伸速率，记录其断裂伸长和断裂强力，并与未处理试样进行对比，计算其断裂伸长率保持率和断裂强力保持率。

2.3 实验结果

实验结果见表2。

表2 耐高温分析结果

由表2可知：①该材料在高温处理后，断裂伸长率均会增大，即材料的伸缩性能均会增强，但断裂伸长率在高温处理14 d后增加程度，比高温处理28 d的增长程度大。即材料延展性在高温处理后会有些许增加。然而在处理28 d后强度会降低，但整体延展性能会增加。②该材料在高温处理14 d后断裂强力有个增长过程，但是到高温处理28 d时，断裂强力又下降了，说明该材料在高温处理后断裂强力有个增长而后下降的过程，在这之间会产生一个峰值，是材料强度最大的时刻。③该材料在高温作用下，具有良好的延展性和耐高温性，非常适合在煤矿等高地热环境中使用。

3 冻融循环试验

3.1 实验内容

沿着400 kN土工格栅的纵向取一根材料，并将其平均劈裂成6根，分别编号为A1、B1、C1、D1、E1、F1；A2、B2、C2、D2、E2、F2。将每一根试样平均分成三段，分别进行不做任何处理条件下的抗拉试验、-30℃冷柜中冻融循环50次的抗拉实验、冻融循环100次的抗拉实验，分别记录其断裂伸长和断裂强力，然后计算其断裂伸长率保持率及断裂强力保持率，以研究冻融循环下高强度聚酯纤维网抗冻性能。

3.2 实验步骤

从样品上剪取三组试样，一组试样在-30℃条件下冻融循环50次，一组试样100次，一组用作对照。每组包括6组试样。分别放入澳柯玛无氟宽带变温冷柜中，设置冷柜温度为-30℃，在托盘中放入200 mL纯净水，使试样完全浸没在水中，冷冻4 h后，取出试样，在室温中融化4 h，完全融化后记作一个循环。然后放入冷柜中冷藏，以此往复50个循环，待试样干燥后，进行拉伸试验。另一组做100次冻融循环，在室温中干燥后用MDM-5电子万能试验机测定拉伸性能，采用100 mm/min的拉伸速率，记录其断裂伸长和断裂强力，并与未处理试样的断裂伸长率和断裂强力进行对比，计算其断裂伸长率保持率和断裂强力保持率。

3.3 冻融循环试验结果

实验结果见表3。

表3 耐冻融分析结果

由表3可知：①该材料在低温状态下经过冻融循环处理后，断裂伸长率均会增大，即材料的延展性能均会增强，且断裂伸长率随着循环次数的增加而增加；②该材料在低温状态下经过冻融循环处理后，断裂强力均会产生相应减小，且随着冻融循环次数的增加，断裂强力逐渐下降，但是下降的幅度很小，几乎保持不变。说明该材料在低温状态下冻融循环处理后对材料本身的强度影响不大；③该材料在低温作用下，具有良好的延展性和耐低温性，非常适合在低温环境中使用。

4 工程应用

兴隆庄煤矿7304综放工作面位于七采区中部，东北部为7305综放工作面(已回采)，西南部为7303设计工作面，切眼至井田边界与东滩矿相邻，停采线至五采采空区55 m。工作面走向长度1 317～1407 m，倾斜长度234.8 m。煤层平均厚度8.50 m。煤层倾角2°～12°。采高为3.5 m，放煤高度5.0 m。工作面回撤方式采用煤机刷帮扩出通道回撤，支架撤除采用整架撤出。

7304综放工作面停采造条件时使用本次试验用高强度土工格栅所制柔性网(见图1)，产品尺寸:80 m×17.5 m，型号：JD PET 400×400RS、单块重量4 t，考虑到运输条件，使用3块在井下搭接，该规格网片经纬向拉伸强度为400KN/m，网孔大小为2.0×3.0 cm。

图1 7304工作面柔性网展开现场图

柔性网的特点为：①整体铺设效果好，没有二次联网，铺设平整，回撤支架时扇形带基本上没有漏渣，掉包现象；②柔性网纵横向条带宽，护表面积大，对顶板浮煤的兜护能力强，避免了撤架时架前浮煤清理任务重的缺点；③柔性网延伸率小，抽架后，能够有效地整体维护采空区侧浮矸，抽架时控制了浮矸随架迁移现象。

在综采面末采铺网阶段使用柔性网可实现安全、高效、快速回撤。

5 结 论

1)该种规格的土工格栅随着荷载的增加试样的伸长值有所提高，但伸长量均非常小。该材料具有低蠕变特性，耐久性良好。

2)该材料在高温及低温作用下，具有良好的延展性和耐高温耐低温性，非常适合在高地热或低温环境中使用。

3)该系列的土工格栅已成功在兖州兴隆庄煤矿推广使用，取得了较好的工程应用效果。

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