长期荷载作用下土工格栅蠕变特性的试验研究_栾茂田

根据时间间隔 １ ｍｉｎ、２ ｍｉｎ、４ ｍｉｎ、８ ｍｉｎ、１２ ｍｉｎ、
３０ ｍｉｎ、 ６０ ｍｉｎ、 ２ ｈ、 ４ ｈ、 ８ ｈ、 ２４ ｈ、 ３ ｄ、 ７ ｄ、
１４ ｄ、２１ ｄ、４２ ｄ……来测量样片长度的变化。根据样
片伸长的快慢随时予以调整时间间隔， 并确保尽可能准
确地得到伸长率为 １０％时所需要的时间， 历时 １ 年以
（１． 大连理工大学， 辽宁大连 １１６０２４； ２． 青岛颐中格栅股份有限公司， 山东青岛 ２６６１１１； ３．中国矿业大学， 北京 １０００８３ ）
摘要： 为探讨长期荷载作用下土工格栅的蠕变特性， 在不同的外加荷载和环境温度的各种组合条件下， 进行土工
格栅的室内蠕变试验， 以此获得格栅的蠕变关系曲线、载荷－ 应变等时曲线及拉伸模量的变化特征， 并进行综合
上。
２ 实验结果与分析
在环境温度 ２０℃的条件下进行格栅长期强度特性 的试验研究， 同时还对环境温度为 ４０℃、５０℃的条件 进行了对比性试验， 借此针对不同的环境温度条件下 将试验结果换算得到关于温度归一化的蠕变特性。 ２．１ 土工格栅的蠕变特性分析
以表 １ 中 ＥＧ６５Ｒ 和 ＥＧ９０Ｒ 两种规格的土工格栅 为例， 对在不同温度下所得到的蠕变试验数据进行对 比分析， 图 １ ￣６ 给出了在半对数坐标系相应环境温 度为 ２０℃、４０℃、５０℃条 件 下 两 种 规 格 土 工 格 栅 的 应变随时间变化的蠕变特性曲线。在长期荷载作用 下， 有些试样的伸长量较大， 历经一年后仍没有破 坏， 表明 ＨＤＰＥ 格栅具有良好的延性。由图可见：
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土木工程学报
２００６ 年
１ 土工格栅蠕变试验
１．１ 一般土工合成材料的蠕变试验
土工合成材料在长期荷载作用下的蠕变特性是土
工合成材料加筋结构设计与施工中必须考虑的主要问
题之一。现有的研究表明： 土工合成材料的长期变形
特性不仅与原材质有关， 而且与产品结构形式、荷载
大小、试样尺寸、加荷速率、试验时间、温度、约束
对比分析。根据试验与分析发现： 荷载水平、环境温度和材料生产工艺是影响土工格栅长期蠕变特性的重要因
素。进而， 采用时温叠加原理， 对于某一给定环境温度下确定土工格栅长期强度的经验估算模式和蠕变强度折减
系数。试验结果与理论分析为土工格栅加筋结构长期工作性能的分析与评价提供参考依据。
关键词： 土工格栅； 加筋结构； 蠕变试验； 时温叠加法； 蠕变折减系数
Ｆｉｇ．１ Ｃｒ ｅｅｐ ｓｔｒ ａｉｎ ｃｕｒ ｖｅｓ ｏｆ ＥＧ６５Ｒ ａｎｄ ＥＧ９０Ｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｌｏａｄｓ ａｔ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｏｆ ４０℃
前言
与传统支挡结构相比， 土工合成材料加筋结构以 其施工简单、速度快及造价低的特点， 在路堤、边坡 及挡土墙等岩土工程中得到日益广泛的应用。在土工
基金项目： 国家自然科学基金 （１０１７２０２２）、教育部跨世纪 优 秀 人 才 培 养计划研究基金 （ 教科函 ［ １９９８］ ２ 号）
作者简介： 栾茂田， 博士， 教授 收稿日期： ２００４－１０－０９
条件等密切相关 ［２－５］。但是最初由于缺乏蠕变试验的
统一标准， 大量的试验结果离散性较大， 而无法直接
将蠕变试验所得到的结果用于工程设计与施工。
英国 ＩＳＯ１３４３１ 试验标准 ［６］ 在土工合成材料试验
中得到了广泛应用。因此本文在试验中严格执行该标
准。以青岛颐中格栅公司所生产的若干不同规格的高
密 度 聚 乙 烯（ＨＤＰＥ）单 向 土 工 格 栅 作 为 研 究 对 象 ， 针
１．５ 试验环境
将 若 干 种 规 格 的 格 栅 分 别 置 于 ２０℃ 、 ４０℃ 、
５０℃等不同环境温度下进行加载蠕变试验， 为了避免
湿度、室外阳光等外界环境对试件的影响， 将格栅试
样放置于颐中格栅股份有限公司的格栅蠕变专门实验
室内完成， 控制室内温度为试验所要求的温度。
１．６ 试验观测时间间隔
DOI:10.15951/j.tmgcxb.2006.04.018
第 ３９ 卷第 ４ 期 ２００６年４月
土木工程学报 ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖｏｌ ． ３９ Ｎｏ． ４ Ａｐｒ ． ２ ０ ０ ６
长期荷载作用下土工格栅蠕变特性的试验研究
栾茂田 １ 肖成志 １ 杨 庆 １ 裴建军 ２ 李业学 ３
中图分类号： ＴＵ４３２
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－１３１Ｘ （ ２００６） ０４－００８７－０５
Ａｎ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒ ｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｇｅｏｇｒ ｉｄｓ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇ－ｔｅｒ ｍ ｅｘｔｅｒ ｎａｌ ｌｏａｄｉｎｇ
Ｌｕａｎ Ｍａｏｔｉａｎ１ Ｘｉａｏ Ｃｈｅｎｇｚｈｉ１ Ｙａｎｇ Ｑｉｎｇ１ Ｐｅｉ Ｊｉａｎｊｕｎ２ Ｌｉ Ｙｅｘｕｅ３ （１． Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｄａｌｉａｎ １１６０２４， Ｃｈｉｎａ；
对不同的荷载与温度及其组合进行了一系列的室内蠕
变试验， 在此基础上通过对比分析考察了不同荷载和
温度条件下土工格栅的流变性能， 探讨了土工格栅在
不同条件下的长期蠕变性能和强度变化特性， 为土工
格栅加筋与加固设计与施工提供了基础数据。试验荷
载 取 为 格 栅 的 质 控 抗 拉 强 度 （ｋＮ·ｍ－ １）。 试 验 中 所 采 用
２％源自文库
５％
土工格栅 原材料
ＥＧ１３０Ｒ ０．９４
１３６．０
３８．０
７５．５
ＨＤＰＥ
ＥＧ９０Ｒ ０．６０
８８．０
２３．７
４５．２
ＨＤＰＥ
ＥＧ６５Ｒ ０．４０
６４．５
１６．１
３０．９
ＨＤＰＥ
１．２ 试样尺寸及应变计算
根据 ＩＳＯ１３４３１ 标准， 同时考虑到土工格 栅的特
殊网状结构， 为保证试验中试样不少于 ３ 根肋条， 试
为了保证试验数据的准确性， 试样的夹持方法是
非常重要的环节， 而由于颐中格栅的横向肋条厚度为
３．８ ｍｍ 左右， 比较容 易夹住， 因此在格 栅 材 料 两 端
各用带有内衬的钢板进行夹持， 用螺丝拧紧， 并要求
钢板夹持均衡以保证加载后试样受力均匀。
１．４ 试样加载及格栅单宽拉力计算
在进行格栅蠕变试验时， 均采用恒定重量的砝码
（２） 对与相同规格的 ＥＧ６５Ｒ 格栅， 在相同的拉力 ３５．５ ｋＮ·ｍ－１ 作用下， 在环境温度为 ２０℃的条件下达
第 ３９ 卷 第 ４ 期
栾 茂 田 等·长 期 荷 载 作 用 下 土 工 格 栅 蠕 变 特 性 的 试 验 研 究
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图 １ 温度为 ４０℃时土工格栅 ＥＧ６５Ｒ 和 ＥＧ９０Ｒ 在相同等级荷载作用下的蠕变曲线
（１） 在环境温度为 ４０℃的条件下， 当格栅所承受 的荷载相同时， ＥＧ６５Ｒ 和 ＥＧ９０Ｒ 两种格栅具有不同 的抗拉强度， 其蠕变特性相差显著。在相同温度和荷 载 条 件 下 ， 达 到 １０％的 应 变 所 需 要 的 时 间 ， 强 度 高 的 ＥＧ９０Ｒ 型 格 栅 远 远 比 强 度 低 的 ＥＧ６５Ｒ 型 格 栅 的 长， 说明格栅本身强度是影响格栅长期蠕变强度的主 要因素， 而土工格栅强度与其加工工艺有密切关系， 可 以认为加工工艺是格栅长期强度的主要影响因素之一。
进行加载， 因而需将砝码重量转换为格栅单位宽度上
的受力。如果所选试验试样的单位宽度上肋条数为
Ｄｒ， 当载荷 Ｐ 作用在 Ｎｒ 根（ｒｉｂ）肋条上时， 则此时试样 单位宽度上的拉力 Ｒ 为
Ｒ＝ＰＤｒ／Ｎｒ
（１）
本文在试验中 Ｄｒ＝４９．８４ｒ／ｍ， Ｎｒ＝３ ｒ， Ｐ 为 试 验 中
土工格栅的实际承载力（ｋＮ）。
样 尺 寸 的 宽 度 不 得 大 于 ２００ ｍｍ， 试 样 的 长 度 取 为
１．５ ｍ。 格 栅 的 有 效 长 度 为 上 下 夹 具 之 间 的 净 距 离 ，
在计算蠕变伸长量即指安装测量位移表计的两根平行
横杆间位移差值时， 所测得的样片长度变化量除以试
样长度作为试样的应变。
１．３ 试样夹持方法
结构中， 将土工格栅埋入填土中， 依靠格栅与填土间 的相互嵌固和摩擦抵抗土压力， 约束限制土的侧向变 形， 并 可 降 低 不 均 匀 沉 降 ［１］ 。 格 栅 加 筋 土 工 结 构 或 加固软土地基时， 主要是通过埋入土中的格栅承受水 平土压力或限制地基侧向变形。一般地， 土工格栅在 填土中长期处于受拉状态。而格栅作为一种热黏弹性 材料， 在一定温度和长期载荷作用下必将表现出其特 有的蠕变特性。因此， 通过土工格栅的蠕变试验， 探 讨格栅在各种环境温度和长期荷载不同组合条件下的 蠕变性质和强度变化特性具有重要的实际意义。
２． Ｑｉｎｇｄａｏ Ｅｔｓｏｎｇ Ｇｅｏｇｒｉｄｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６１１１， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄｓ ｉｓ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄ－ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅａｒｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄｉｎｇ． Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄｓ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ． Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｃｕｒｖｅ， ｔｈｅ ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ ｌｏａｄ－ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｉｓ ａｌｓｏ ｍａｄｅ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｅｓ， ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄｓ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｌｏａｄ ｌｅｖｅｌ， ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｗｏｒｋｍａｎｓｈｉｐ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｉｍｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａｅ ｆｏｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄｓ． Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｂｅ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅａｒｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄｓ ｉｓ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｇｅｏｇｒｉｄ； ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅａｒｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｃｒｅｅｐ ｔｅｓｔ； ｔｉｍｅ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｅ－ｍａｉｌ： ｍｔｌｕａｎ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
的土工格栅的力学性能列于表 １。
表 １ 土工格栅试件的工程力学性能 Ｔａｂｌｅ １ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｇｅｏｇｒ ｉｄｓ
产品 单位面积质 质控抗拉强 规格 量（ ｋｇ·ｍ－２） 度（ ｋＮ·ｍ－１）
不同应变条件下抗
拉强度（ ｋＮ·ｍ－１）