土工合成材料土中与空气中抗拉强度对比

吴 迪，罗 琛，李 丹,，徐 超

(1.桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004； 2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

1 研究背景

近年来，土工合成材料在国内外的工程应用上十分广泛，在水利、公路、铁路、港口、建筑等工程中均有应用[1-5]。土工合成材料与土界面作用特性是其工程应用的重要理论基础[6-9]。长期以来，国内外针对筋材抗拉强度的相关标准(如SL 235—2012、GB/T 17689—2008、ASTM D4595—2011、ASTM D6637—2015等)中试验条件多为空气中拉伸[10-13]。然而，在实际工程使用中，土工合成材料上下均与填土接触，即具有法向荷载条件作用，与常规的空气中受力条件有较大差别。王钊[14]讨论了土工织物的土中拉伸试验，认为现有的对于土工织物的拉伸试验仅处于探讨阶段，常规测试方法与土中织物受拉的边界条件仍相差甚远，织物的拉伸模量随法向应力的增加而快速增加。吴迪等[15]通过土中及空气中拉伸试验，发现土工合成材料的土中割线模量由于法向荷载得到较大的增长，认为在实际工程中可考虑使用较为经济的无纺土工织物作为小型加筋结构的加筋材料，以降低建设成本。丁金华等[16]认为在加筋土结构设计中，筋材的抗拉强度宜采用符合工程实际受力状态的侧限约束拉伸试验强度值。周萍等[17]进行了空气中拉伸、土中拉伸和侧限拉伸的对比试验，发现法向应力的侧限作用对土工合成材料的拉伸性能存在明显影响。丁金华等[18]通过新型多功能试验机，对不同土工格栅与风化砂的相互作用特性进行了试验研究，发现筋材在砂土作用与无约束状态下的特性区别很大，建议实际工程应用和设计中重视筋材在真实受力条件下的试验研究并采用合理的试验方法，以保障工程安全性和经济性。王家全等[19]以室内无约束拉伸试验为基础，建立了侧限约束下格栅的土中拉伸数值模型，发现上覆荷载的侧限约束作用对格栅拉伸强度的充分发挥起着积极作用。Mendes等[20]通过土中拉伸试验发现土壤约束可以使土工合成材料的抗拉刚度显著增加，因此一些中小尺寸的加筋土结构可以用更为经济的刚度较低的材料进行加筋。Balakrishnan和Viswanadham[21]通过试验发现土工格栅在土体约束下的割线抗拉刚度比在空气中有所提高，认为有必要通过土中拉伸试验来模拟土工格栅加筋土墙现场的围压条件，而根据现有标准ASTM D6637—2015进行的宽带拉伸试验并不能代表现场情况。

虽然土工合成材料在各领域工程中的应用有较大突破，但在测试方法及评价标准等方面的研究相对落后于工程实践，工程设计依然以传统的空气中拉伸试验结果为依据。因此，为揭示土工合成材料在真实工作状态下的受力及变形特性，准确预测应力应变行为，需对最接近其真实工作状态的土中拉伸力学特性进行深入的研究。

2 仪器研制背景

加筋土结构中筋土相互作用机理的研究内容包括筋土界面以及加筋本身的性质。对于各类加筋土土体工程中筋土相互作用机理的特定问题，采用试验方法[22-23]是研究筋土界面强度以及土工合成材料土中拉伸性能的重要手段。通过相关参数的测定，可以更好地了解加筋是如何被拉断的以及筋土界面性质对加筋土土体稳定性的影响。

近些年来，针对土工合成材料与土相互作用的研究已开发出了几款新型设备。吴海民等[24]研制了一款土工合成材料双向拉伸试验机，利用步进电机能够对土工合成材料进行瞬时拉伸，采用加载砝码实现长期蠕变拉伸；王家全等[25]研制的新型可视土工拉拔试验仪，改进了反力系统和加载系统，通过在模型箱设钢化玻璃实现了拉拔界面的可视；丁金华等[18]在原土-土工合成材料界面直剪仪的基础上研制了土-土工合成材料试验机，并对筋土界面相互作用特性进行了探讨；Balakrishnan和Viswanadham[21]通过自主设计的土内拉伸试验装置，研究了填土性质和上部荷载对土工格栅割线模量的影响。然而，对于土工合成材料在土中的拉伸试验，现有的土中拉伸仪器类型较少，且存在着拉伸位移量测、法向荷载施加、夹具受力对结果的影响、试验可操作性不强、测试系统不够精确和无法进行拉拔试验等不足，现有的测试方法与土工合成材料真实工作的受力条件仍存在差别。

为真实反映土工合成材料在实际工况下的拉伸性能表现，更好地了解土工合成材料在土中的受力机理，笔者研制了一台多功能土工合成材料土中拉伸试验机。该设备可进行土工合成材料在土中的拉伸试验，还可以实现空气中拉伸和侧限拉伸，以及土中拉拔、蠕变试验等功能。其中，空气中拉伸试验，即目前常用于测试土工合成材料拉伸性能的试验条件，如图1(a)所示；土中拉伸试验及侧限拉伸试验分别如图1中的(b)和(c)所示，二者的区别在于是否通过铺设特氟龙膜消除筋土界面的摩擦作用以及土颗粒嵌入的作用：若筋材的表面与土体直接接触进行拉伸试验，则为土中拉伸试验；若在筋材上下表面各铺设2层特氟龙膜进行拉伸试验，则为侧限拉伸试验，是一种特殊的土中拉伸试验。该试验机可以保证受测试样在整个试验过程中始终处于土体之中，且法向荷载由上下气袋装置施加，使表面受均匀的法向荷载，同时精确地量测受测试样指定受拉长度的伸长率及所对应的拉力值，自动采集数据，整个试验过程应便于操作。该设备设计先进，实用性强，在边界条件、测量手段、荷载方式、数据处理等方面进行了探索和改进，能够较好地满足加筋材料与土相互作用机理研究和界面拉伸力学特性试验的要求，为土工合成材料土中拉伸力学特性的研究提供了一种科学可靠的手段。

图1 空气中、土中拉伸试验及侧限拉伸试验Fig.1 In-air and in-soil tensile test and confined tensile test

3 试验装置

试验机真实照片如图2所示，主要由主体框架、夹具套筒及相应移动支撑架、试验箱及气压控制系统、位移控制系统、数据采集及处理系统5个部分所构成。试验机的主要性能指标如表1所示，图3展示了试验机主要核心部分原理。

图2 土工合成材料土中拉伸试验机Fig.2 In-soil tensile testing machine for geosynthetics

表1 试验机主要性能指标Table 1 Main performance indices of testing machine

图3 试验机主要核心部分原理示意图Fig.3 Schematic diagram of the main core part of testing machine

3.1 主体框架

框架是试验机的主要结构元件，各部分的设备都与框架相连接或者放置在框架内。因此必须保证框架刚度足够大，才能保证试验机在试验过程中保持稳定，并在最大荷载作用下变形不超过0.1%。在试验过程中，拉伸力产生的附加荷载由左、右横梁所承受，两者均固定于下部框架之上，横梁采用合金钢板材料，刚度指标为2×1012N/m，确保其本身的刚度性及试验过程中不会发生倾斜，因此可以保证整个系统稳定运行。

3.2 夹具、套筒及移动支撑架

夹具可实现对土工合成材料的稳定夹持，由具有足够刚度的40 mm厚铸铁钢板经机床切割加工而成，如图4所示。上下夹口之间采用细密的牙口结构，极大地增加了筋材受拉时的摩擦力，并保证拉拔力在受夹持土工合成材料上均匀分布。

图4 试验机夹具Fig.4 Fixture for the geosynthetics in tensile testing machine

为避免夹具受到土体的作用力而导致拉力传感器所测数据失准，需设置套筒部件来保护夹具，使夹具不与土体相接触。同时，夹具与套筒之间也要保持非接触关系，如图3所示，以此保证拉力传感器测得的数据不包括套筒对夹具的作用力，且套筒与机械带动端相连，保证套筒与夹具具有相同的位移。

夹具和套筒是具有一定重量的。为了避免夹具自重对拉力测量结果产生影响，特别设置了一套支撑系统来支撑夹具与套筒。移动支撑架的滑动摩擦系数较小，可忽略不计。

3.3 试验箱及气压控制系统

试验箱是试验进行的主要环境，其内部尺寸为400 mm×400 mm×400 mm。主要由箱体、试验箱开口等部分组成，试验箱开口是用来使夹具及套筒伸入的通道，在试验箱的左右两侧均有设置。

试验箱中的填土上下均设置有气压袋，保证法向荷载通过填土均匀作用在试样上，同时，在较大拉伸位移情况下，可使得填料受柔性荷载作用填充于夹具和套筒之间由于拉伸位移而产生的空间，保证筋材在整个试验过程中处于土中。上气压袋与试验箱上盖板连为一体，如图5所示。当向气压袋注入空气时，气压袋膨胀扩大，以对试验土体施加法向荷载。另外，由于气袋膨胀所产生的压力由土体及箱盖板承担，气袋本身在整个过程中并不受力。箱盖板与试验箱之间采用16枚Φ5 mm的内六角螺丝钉连接，保证连接的牢固性与紧密性，以及便于安装与拆卸。由于试验箱中上下部分均设置有气压袋，因此在箱盖板与箱底均布设有气压袋充气孔，通过气压控制系统注入空气，实现试验目的。

图5 气压袋与箱盖板Fig.5 Pneumatic bag and cover plate

气压控制系统主要由空气压缩机、缓冲减压阀、电磁阀(进气)、电磁阀(出气)、气压传感器、控制电路及气压显示控制单元组成。气压控制精度为0.01 kPa。气压控制系统的具体实现方法为：当上下气压袋内部需要加载至指定压强时，通过显示控制单元输入指定压强并开始测试，试验机则通过控制电路打开电磁阀(进气)，关闭电磁阀(出气)，从而使空气压缩机内的压缩气体经缓冲减压阀、电磁阀(进气)、气压传感器通过，并进入上下气压袋中。由于连通性，上下气压袋会保持相同压强，保证试样受力的平衡性。在此过程中气压传感器量测输气管中压强值，即气压袋中压强值，一旦达到预定值则通过控制电路自动关闭电磁阀(进气)，充气完毕。

3.4 位移控制系统

位移控制系统是一套可以使夹具和套筒以预设的速度移动、从而实现对土工合成材料进行拉伸的控制系统。位移控制系统包括伺服电动机、行星减速箱、齿轮、链条、2根通用螺纹丝杆、移动中梁以及2根光杆。位移控制系统为夹具和套筒移动提供驱动力的具体实现方法为：开动试验机，伺服电动机以预设的速度转动，经过行星减速箱的速度及转矩调节，通过齿轮带动链条控制2根螺纹丝杆旋转，从而使移动中梁以一定的速度移动。移动中梁直接与套筒及夹具相连，从而达到驱动、使受测土工合成材料的拉伸端以指定速度位移的目的。2根光杆的作用是使夹具及套筒的移动支撑梁架于其上，提供必要的滑动轨道，保证夹具套筒移动的方向性；更为重要的是，夹具和套筒可以以较低的摩阻力进行滑动。这样，一方面可以使夹具及套筒的重量得到稳定的支撑，并保证移动不发生偏移；另一方面可以使系统的摩擦力降到最低。经多次试验发现，光杆与移动支撑架之间由于存在摩阻力而带来试验误差，但摩阻力f≈5 N的数量级大大低于土工合成材料的拉伸力T=103 N的数量级。为消除这种系统误差，在试验数据处理中对摩阻力进行校正：首先不加装土工合成材料试样进行拉伸试验，通过拉力传感器得到系统误差拉力值，即摩阻力f；再进行正常的土工合成材料土中拉伸试验，得到拉力初始值T；将拉力初始值T减去系统误差拉力值f即为土工合成材料所受到的真实拉伸荷载。

3.5 数据采集及处理系统

试验装置采用双液晶屏显示及控制方式，液晶屏分辨率为320像素×240像素，位于试验机机箱表面。左边为气压测控及显示单元，右边为位移控制及力值显示单元。不仅如此，该设备还可以通过串行接口RS-232与电脑相连，可以做到对试验控制的无缝对接与试验数据的无疏漏采集。通过专用的试验控制软件对试验机进行快速精确的控制管理，并记录相关试验数据，绘制试验曲线，并显示在电脑显示器上。

数据采集及处理系统包括测试元件、信号处理设备和计算机处理软件等，其中计算机处理软件已经融合到试验控制软件中，实现了控制记录一体化。该软件采集精度为0.5%；采样频次传输到电脑是50次/s，主机采集是1 000次/s；还可以对数据采集密度进行控制，最小采样时间间隔可达0.001 s。拉伸速率范围是0.01～100 mm/min。由于本文试验采用拉伸速率较大，为40 mm/min，因此采用了0.001 s最小时间间隔作为采样频率，获得的大量数据点能够充分反映出试验中的力和位移的变化规律。数据采集系统预留了数据接口USB或RS232接口一个，可以方便地连接其他测量设备。

4 试验机的特征与优点

从以上介绍的内容可以看出，研制的多功能土工合成材料土中拉伸试验机在国内同类型设备中处于领先水平，能够较好地进行多种条件下土工合成材料拉伸/拉拔的试验，该试验机有以下主要特征与优点：

(1)开放性较好，能满足多种条件下拉伸试验的需要，可实现常规拉伸、土中拉伸、侧限拉伸、土中拉拔、蠕变试验等多种试验。

(2)可以精确地量测试样受拉部分的伸长量，且试验量程较大，为100 kN。

(3)拉力传感器测量的拉力值仅仅为试样的受拉力值，不包括土对夹具的摩擦以及土压力的作用。

(4)气压袋的设置实现了法向应力的均匀施加，并可方便地控制内部气压的大小。

(5)模型箱尺寸较大(400 mm×400 mm×400 mm)，边界效应相比于现有土工合成材料土中拉伸试验机可降至较低水平。

(6)仪器便于操作，可量产，便于推广与生产。

5 土工合成材料土中与空气中拉伸试验对比

试验机调试完成后，采用本机进行了土工合成材料空气中、土中、侧限3种工况下的拉伸试验，通过对3类拉伸试验结果进行拟合分析以对比土工合成材料土中与空气中抗拉强度。

5.1 试验方案及材料

试验材料采用3种无纺土工织物、1种有纺土工织物和1种玻纤格栅。拉伸试验采用的试样有效尺寸为200 mm×200 mm。各土工合成材料基本性质如表2所示。试验用土为石英砂，参数如表3所示。利用试验机进行土工合成材料在不同法向荷载作用下3种工况的拉伸试验，各种材料采用的试验方案相同，如表4所示。

表2 土工合成材料的基本性质Table 2 Basic performance of geosynthetics

表3 石英砂技术指标Table 3 Technical indices of quartz sand

表4 拉伸试验方案Table 4 Tensile test schemes

5.2 试验结果与分析

根据试验结果[15,17]分别得到空气中拉伸强度与土中拉伸强度、侧限拉伸强度关系的拟合方程(式(1)和式(2))，如表5所示。式(1)和式(2)分别为5种土工合成材料土中拉伸强度和侧限拉伸强度的计算公式。表5给出了不同种类土工合成材料的拟合系数取值及决定系数R2。式(1)和式(2)的决定系数R2的范围分别是0.81～0.90和0.85～0.97。公式的适用条件：①拉伸速率为40 mm/min；②法向荷载范围0～150 kPa。

表5 不同种类土工合成材料的拟合方程式及决定系数R2Table 5 Fitting equations and coefficient R2 of determination of different geosynthetic materials

由于土工合成材料在空气中的拉伸试验较土中拉伸更容易实现，因此建立公式的主要目的是由空气中拉伸强度直接求得土中及侧限拉伸强度，即已知空气中拉伸强度和法向荷载的大小，可推算土工合成材料的土中和侧限拉伸强度，便于工程上直接利用。

通过式(1)可由空气中拉伸强度直接求得土中拉伸强度，其中bwz是由于施加到筋材上的法向荷载以及筋土界面摩擦力、土颗粒嵌入而产生的相较于空气中拉伸荷载的增加值；通过式(2)可由空气中拉伸强度直接求得侧限拉伸强度，其中qwz只是由施加到筋材上的法向荷载而产生的相较于空气中拉伸荷载的增加值。

y=ax+bwz;

(1)

α=px+qwz。

(2)

式中：y为土中拉伸强度(kN/m)；α为侧限拉伸强度(kN/m)；x为空气中拉伸强度(kN/m)；z为法向荷载(kPa)；w为试样名义宽度(m)，根据规范一般取0.2 m；a、b、p、q均为与土工合成材料种类有关的拟合系数，无量纲。

式(1)和式(2)的部分拟合结果如图6所示。从图6可以直观地看出空气中拉伸强度、法向荷载与土中拉伸强度或侧限拉伸强度的拟合关系，并且在一定的空气中拉伸荷载下，法向荷载的施加对土中和侧限拉伸荷载的变化有直接影响。施加的法向荷载越大，土中和侧限拉伸荷载也随之增大。拟合图右侧的渐变颜色框表示由拟合公式得到的土中及侧限拉伸强度范围。由图6可知，图6中的(a)、(c)、(e)的土中拉伸强度明显不同于(b)、(d)、(f)的侧限拉伸强度，这是由于土中拉伸试验与侧限拉伸试验相比，筋土界面的摩擦力和土颗粒嵌入的嵌挤力对土工合成材料有约束作用，使得土中拉伸负荷不同于侧限拉伸强度。

图6 公式拟合效果Fig.6 Fitting results of equations

为验证式(1)的可靠性，将已有土中拉伸的试验结果[18]和数值模拟结果[19]代入式(1)进行拟合，拟合系数a、b的取值及决定系数R2如表6所示。丁金华等[18]进行了不同法向约束下(5、50、100、200 kPa)3种不同土工格栅的土中及空气中拉伸试验，拉伸速率为120 mm/min；王家全等[19]进行了不同侧限压力下(50、100、150 kPa)砂土格栅拉伸试验离散元模拟，拉伸速率设为5 mm/min。可以看出，试验研究和数值模拟土中拉伸试验得到的决定系数R2范围分别是0.85～0.98和0.88，说明用已有试验结果进行公式的验证效果良好。

表6 已有的土中拉伸结果验证Table 6 Verification of existing in-soil tensile results

研究结果表明，研制的土中拉伸试验机能够实现不同工况条件下的拉伸试验，将为土工织物等土工合成材料土中拉伸力学特性的研究提供一种科学有效的手段，进而为其真实工作状态下的抗拉强度设计提供依据。

6 结 论

本文介绍了可模拟土工合成材料土中真实受力情况的土工合成材料土中拉伸试验机，并采用该装置进行了5种不同土工合成材料的空气中、土中拉伸试验及侧限拉伸试验，得到以下结论。

(1)自主研发的土工合成材料土中拉伸试验机可实现筋材的土中拉伸试验，通过更改组件能实现空气中拉伸和侧限拉伸，以及土中拉拔、蠕变试验。相比传统试验机，该试验机具有以下优点及特征：①能精确地量测试样受拉部分的伸长量；②解决了土对夹具的摩擦以及土压力对结果影响的问题；③采用气压袋实现了垂直荷载的均匀施加；④弱化了边界效应的影响；⑤操作方便，便于推广与生产。

(2)由试验结果得到空气中拉伸强度、法向荷载与土中拉伸强度的关系式为y=ax+bwz。由于土工合成材料的空气中拉伸试验较土中拉伸容易实现，通过公式可由空气中拉伸强度直接求得土中拉伸强度，便于工程利用时参考。

(3)由试验结果得到空气中拉伸强度、法向荷载与侧限拉伸强度的关系式为α=px+qwz。空气中拉伸强度与土中拉伸强度、侧限拉伸强度的关系式一致，仅系数不同。这说明土体对于本文所提到的几种土工合成材料摩擦的影响较小，而侧限约束是造成土中拉伸与空气中拉伸巨大差异的主要原因。