丁金華,童 軍,,張 靜,周武華
(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,杭州 310027;2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010;3.九州大學(xué) 工學(xué)部地盤工學(xué)研究室,日本 福岡 8190395)
土工格柵由于其獨(dú)特的網(wǎng)孔構(gòu)造、高強(qiáng)度、施工方便、耐腐蝕等特點(diǎn),目前已成為加筋土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的加筋材料之一。作為高分子聚合物產(chǎn)品,蠕變是其黏彈特性的一種突出表現(xiàn)形式,尤其是格柵在實(shí)際工程中長期處于拉伸狀態(tài),有可能出現(xiàn)下列情況:①土工格柵應(yīng)變超過規(guī)定值而不能發(fā)揮其應(yīng)有的加筋增強(qiáng)作用,使土工結(jié)構(gòu)變形過大;②隨蠕變的進(jìn)行,土工格柵因其拉伸屈服強(qiáng)度下降而斷裂,引起土工結(jié)構(gòu)的破壞。我國一些土工合成材料加筋土擋墻出現(xiàn)墻面板鼓肚現(xiàn)象,有的建成幾年便倒塌,分析原因均與材料的蠕變現(xiàn)象有關(guān)。因此,格柵的蠕變強(qiáng)度成為決定加筋土結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[1],我國“塑料土工格柵蠕變試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法”[2]中規(guī)定以設(shè)計(jì)年限106h時(shí)失效應(yīng)變10%來確定長期蠕變強(qiáng)度。設(shè)計(jì)中為了避免出現(xiàn)因長期強(qiáng)度不足而導(dǎo)致的安全隱患,往往采取兩種方法:①對塑料拉伸型土工格柵一般取其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上對應(yīng)于 5%延伸率時(shí)的拉力作為設(shè)計(jì)值;②將蠕變折減系數(shù)取大值。這兩種強(qiáng)度取值方法都具有很大的隨意性和不合理性,但由于目前缺乏對加筋材料蠕變的基礎(chǔ)研究資料,對筋材長期蠕變特性缺乏全面地了解和掌握,因此,工程界也只能沿用至今。鑒于此,研究土工格柵的蠕變特性并預(yù)測其長期蠕變對于結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要,對工程設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用都具有非常重要的指導(dǎo)作用。
近年來,國內(nèi)外越來越多機(jī)構(gòu)和研究人員開始對土工合成材料蠕變特性的研究給予更多關(guān)注和重視,相繼開展了有關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)和理論研究,取得了一定成果[3-10]。多數(shù)研究成果都是在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫、濕度條件下進(jìn)行的,這也是目前國內(nèi)外蠕變測試規(guī)程規(guī)范(土工布及相關(guān)產(chǎn)品拉伸蠕變和蠕變斷裂的測定[11]、土工合成材料無約束拉伸蠕變特性測試及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]、土工布及其有關(guān)產(chǎn)品拉伸蠕變和拉伸蠕變斷裂性能的測定[13]等)所建議的研究方法。但實(shí)際上,格柵作為加筋材料應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí),其蠕變特性會(huì)受到應(yīng)力水平、溫度、側(cè)限約束、施工損傷、化學(xué)作用等不同環(huán)境因素的影響,導(dǎo)致其蠕變強(qiáng)度指標(biāo)與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)條件下得到的結(jié)果有較大差異,特別是當(dāng)其埋置于土中時(shí)不可避免地要受到周圍土體的側(cè)限約束作用,會(huì)更明顯地改變材料的蠕變特性[14-15]。但受限于相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備和研究手段的欠缺,有關(guān)各種環(huán)境因素對土工格柵蠕變影響的綜合性研究還非常少。
本文通過對不同應(yīng)力水平、溫度、化學(xué)作用、施工損傷以及砂土側(cè)限約束等條件的模擬,對高密度聚乙烯(HDPE)單向拉伸土工格柵的蠕變性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn),獲得了各種環(huán)境因素變化下格柵的蠕變特性。
本文的蠕變試驗(yàn)從約束條件可以劃分為兩類:空氣中進(jìn)行的常規(guī)無約束蠕變試驗(yàn)以及有砂土側(cè)限約束的蠕變試驗(yàn)。前者包括各種溫度、應(yīng)力水平、化學(xué)作用和施工損傷條件下的試驗(yàn),利用微機(jī)控制電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行;后者是指將土工合成材料埋設(shè)于土體中,在填料約束和一定上覆荷載作用下,對格柵施加一恒定水平拉力而進(jìn)行的蠕變試驗(yàn),所需試驗(yàn)儀器可利用常規(guī)的土-土工合成材料直剪拉拔試驗(yàn)儀經(jīng)適當(dāng)改造而成。
無約束蠕變試驗(yàn)參照水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)土工合成材料測試規(guī)程[16]以及輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)塑料土工格柵蠕變試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法[2]進(jìn)行。首先將蠕變試驗(yàn)機(jī)環(huán)境箱的溫度調(diào)整到指定值(20 ℃、40 ℃或60 ℃),將樣品放置其中24 h后再進(jìn)行對中夾持,施加預(yù)拉荷載使試樣伸直,以此時(shí)試樣長度作為初始長度l0,以此時(shí)刻作為記錄伸長量的起始時(shí)刻 t0。蠕變試驗(yàn)以50 N/s的加載速率將荷載快速施加到指定值后穩(wěn)壓,加載期以及蠕變試驗(yàn)進(jìn)行期每隔一定時(shí)間間隔自動(dòng)記錄試樣伸長量Δl。以下式計(jì)算蠕變應(yīng)變:
式中:εt為t時(shí)刻格柵蠕變應(yīng)變(%);Δl為t時(shí)刻格柵試樣的伸長量(mm);l0為格柵試樣施加預(yù)荷載后的初始長度(mm)。
目前國內(nèi)外側(cè)限約束蠕變試驗(yàn)均無規(guī)程、規(guī)范可循,從原理上來說,該試驗(yàn)與土-土工合成材料界面直剪或拉拔試驗(yàn)有相近之處,試驗(yàn)流程可參照拉拔試驗(yàn)來進(jìn)行。先將格柵鋪設(shè)于上、下剪切盒之間,兩端均通過特制夾具進(jìn)行夾持固定,待上盒土樣制備好后,即施加一定的垂直壓力,然后在拉伸端施加水平荷載,達(dá)到指定值后穩(wěn)壓,記錄格柵伸長量,并計(jì)算相應(yīng)的蠕變應(yīng)變。
無約束蠕變試驗(yàn)在長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的 RDW20030型微機(jī)控制電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)由3個(gè)獨(dú)立的加載機(jī)構(gòu)、測量控制系統(tǒng)以及1個(gè)共用的環(huán)境箱附件組成(見圖1)。環(huán)境箱長×高×寬尺寸為1.0 m×0.8 m×0.32 m,溫度調(diào)節(jié)范圍-30~100 ℃(±1 ℃),濕度調(diào)節(jié)范圍40%~80%(±10%)。
圖1 微機(jī)控制電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Electronic creep testing machine
側(cè)限約束蠕變試驗(yàn)采用長江科學(xué)院自行研制加工的土-土工合成材料直剪儀進(jìn)行,主要包括垂直和水平荷載加載系統(tǒng)、剪切盒、以及位移采集系統(tǒng)等。其中垂直荷載通過杠桿施加,水平荷載直接通過砝碼施加;剪切盒長×寬為430 mm×300 mm。
選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的兩種HDPE單向拉伸土工格柵,首先對其進(jìn)行室內(nèi)無約束拉伸試驗(yàn),得到基本力學(xué)性質(zhì)如表1所示,典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。
表1 兩種土工格柵的基本力學(xué)性質(zhì)表Table1 Basic mechanical properties of two geogrids
圖2 土工格柵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of geogrids
由于RDW2300型試驗(yàn)機(jī)環(huán)境箱空間的限制,無約束蠕變試驗(yàn)中格柵試樣在縱向上均取 3根筋條,橫向只取1個(gè)網(wǎng)格間距(見圖1(b))。
側(cè)限約束蠕變試驗(yàn)中,為保證格柵在拉伸過程中始終處于水平狀態(tài),下剪切盒內(nèi)放置硬質(zhì)木塊,上盒填入標(biāo)準(zhǔn)砂,土工格柵位于上、下盒之間。格柵試樣包括2根縱向筋條及1根橫向筋條,在橫向筋條上固定2根不可伸長的鋼弦,分別引伸到剪切盒外連接位移傳感器,設(shè)定采集時(shí)間間隔對土工格柵的蠕變變形量進(jìn)行自動(dòng)采集。
以格柵 B為例進(jìn)行了 20 ℃時(shí)不同應(yīng)力水平20%、40%、60%條件下的蠕變試驗(yàn),試驗(yàn)持續(xù)近400 h,其蠕變應(yīng)變的歷時(shí)曲線見圖3(a),同時(shí)整理繪制了蠕變速率發(fā)展曲線見圖3(b)。應(yīng)力水平20%表示蠕變試驗(yàn)中所施加的拉伸荷載為無約束拉伸試驗(yàn)得到的該型號(hào)格柵平均極限抗拉強(qiáng)度的20%。
當(dāng)應(yīng)力水平為20%時(shí),格柵的蠕變量較小,變形速率緩慢且很快趨于穩(wěn)定,應(yīng)變與時(shí)間基本呈對數(shù)關(guān)系,可擬合蠕變方程如下:
可以預(yù)測得到,當(dāng)應(yīng)力水平為20%時(shí),格柵在106h的應(yīng)變只有7.8%,未超過失效應(yīng)變10%。如以106h為格柵的使用期限來計(jì)算,可知加載1 h內(nèi)格柵的變形即占總應(yīng)變的52%,100 h時(shí)占67%,說明格柵的大部分蠕變量都發(fā)生在加載初期。
當(dāng)應(yīng)力水平為40%時(shí),雖然蠕變曲線未表現(xiàn)出突然破壞的趨勢,仍可用對數(shù)曲線進(jìn)行擬合,但蠕變應(yīng)變速率較大,趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間也比較長,從蠕變量來看,10 h時(shí)應(yīng)變已超過了失效應(yīng)變10%,同樣可以預(yù)測得到106h時(shí)應(yīng)變將達(dá)到15%,其中總應(yīng)變的60%都發(fā)生在加載后1 h內(nèi)。
當(dāng)應(yīng)力水平繼續(xù)增大到60%時(shí),格柵的蠕變變形特性與低應(yīng)力水平時(shí)完全不同,應(yīng)變隨時(shí)間的發(fā)展很快,應(yīng)變速率很大,加載結(jié)束應(yīng)變即超過10%,蠕變方程已不能用對數(shù)關(guān)系來擬合。
整理繪制蠕變試驗(yàn)的應(yīng)力水平-應(yīng)變等時(shí)曲線(見圖3(c)),當(dāng)應(yīng)力水平大于某一值時(shí),該曲線發(fā)生拐點(diǎn),表明在低于該荷載水平下,格柵的蠕變變形呈穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢,但大于該荷載值后,蠕變應(yīng)變就急劇增大??梢远x此拐點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力水平為蠕變臨界應(yīng)力水平。從圖 3(c)可初步確定,對于加筋土工程設(shè)計(jì),格柵在常溫條件下的臨界應(yīng)力水平不宜大于極限抗拉強(qiáng)度的40%。
對格柵A進(jìn)行了高溫(40、60 ℃)條件下的蠕變試驗(yàn),圖4(a)、4(b)分別繪出40 ℃和60 ℃時(shí)不同應(yīng)力水平對應(yīng)的應(yīng)變-時(shí)間曲線。結(jié)合表2給出的加載穩(wěn)定后1 h和10 h對應(yīng)的各種溫度下蠕變應(yīng)變,可以看出,在低荷載水平時(shí)(20%),溫度的升高僅引起蠕變變形的增大,但對蠕變歷時(shí)曲線沒有太大影響,即蠕變方程仍可用對數(shù)形式來模擬。但當(dāng)荷載水平升高至40%時(shí),環(huán)境溫度升高不僅會(huì)導(dǎo)致格柵蠕變量急劇增大,且蠕變特性也發(fā)生明顯改變(見圖4(b)),60 ℃時(shí)的蠕變曲線呈現(xiàn)顯著的非線性變化。荷載水平繼續(xù)增大到50%時(shí),溫度的影響愈加顯著,格柵蠕變量很大,很快達(dá)到破壞狀態(tài)。
繪制不同溫度下的應(yīng)力水平-蠕變應(yīng)變等時(shí)曲線(見圖 4(c)、4(d))可以更清晰地看出溫度對格柵蠕變的影響。不同環(huán)境溫度對應(yīng)的荷載臨界值不同,低于40 ℃時(shí)對應(yīng)的臨界荷載應(yīng)力水平可初步認(rèn)為不大于40%,60 ℃時(shí)進(jìn)一步降低至約30%。
圖3 應(yīng)力水平對HDPE土工格柵蠕變性質(zhì)的影響(格柵B,溫度20℃)Fig.3 Influences of different stress levels on HDPE geogrid creep behavior (geogrid B,20℃)
表2 不同溫度不同應(yīng)力水平條件下格柵蠕變應(yīng)變(單位: %)Table2 Creep strains of geogrids under different stress levels and different temperatures (unit: %)
圖4 溫度對HDPE格柵蠕變特性的影響Fig.4 Effects of temperature on creep property of HDPE geogrid
以武漢二妃山垃圾填埋場滲濾液原樣模擬格柵受到的化學(xué)作用,經(jīng)水質(zhì)檢測(見表3),該滲濾液呈弱堿性。
表3 二妃山垃圾填埋場滲濾液化學(xué)成分表Table3 The leachate chemical ingredients of Erfei hill landfill
將格柵A浸泡其中1 a后取出進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以及蠕變試驗(yàn)。無約束拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過浸泡后格柵極限抗拉強(qiáng)度有所降低,延伸率略增大。由于人們已習(xí)慣使用由標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行無約束拉伸試驗(yàn)得到的格柵極限抗拉強(qiáng)度作為表征材料特性的參數(shù),因此,為了方便理解和對比,盡管材料在受到化學(xué)作用后的抗拉強(qiáng)度已發(fā)生變化,但蠕變試驗(yàn)的應(yīng)力水平仍以標(biāo)準(zhǔn)條件下的材料極限抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。同樣地,后文中施工損傷條件及側(cè)限約束條件下的蠕變應(yīng)力水平也如此計(jì)算。
化學(xué)作用后的格柵蠕變試驗(yàn)溫度為40 ℃,應(yīng)力水平分別為30%、40%和50%,得到的蠕變曲線見圖5(a),同時(shí),圖5(b)繪出40%應(yīng)力水平條件下原狀土工格柵和滲濾液浸泡后格柵的蠕變對比曲線。可見,由于滲濾液浸泡的作用,格柵的蠕變變形比原狀時(shí)有所增大。
圖5 化學(xué)作用對HDPE格柵蠕變特性的影響Fig.5 Chemical effects on creep property of geogrid
定義浸泡后格柵蠕變延伸率εch與同樣應(yīng)力水平下原狀格柵蠕變延伸率εp之比為蠕變化學(xué)影響因子Rch,即 Rch=εch/εp。計(jì)算得到在應(yīng)力水平40%時(shí),蠕變初期10 h內(nèi)蠕變化學(xué)影響因子達(dá)1.10,隨時(shí)間的延續(xù)該因子略有增大,50 h時(shí)為1.12,說明滲濾液的化學(xué)作用對格柵長期蠕變的影響程度隨時(shí)間發(fā)展會(huì)更為明顯。
土工格柵在運(yùn)輸、鋪設(shè)等過程中不可避免地會(huì)受到一定的人為或機(jī)械損傷,另外粗顆粒填料在壓實(shí)時(shí)也會(huì)對格柵造成擠壓、摩擦甚至刺穿等,引起格柵力學(xué)性能的下降,設(shè)計(jì)中需要考慮鋪設(shè)損傷對材料性質(zhì)的影響。英國加強(qiáng)/增強(qiáng)土壤和其他填充料的實(shí)用規(guī)程[17]中制定了現(xiàn)場破壞試驗(yàn)方法草案,用拉伸土工格柵和真實(shí)的施工填料,使格柵樣本在不同填料中和一系列壓實(shí)條件下引起損傷,然后挖出格柵樣本做表觀損傷評(píng)價(jià)和強(qiáng)度測試,最后確定適用于不同系列拉伸土工格柵產(chǎn)品在不同填料下的鋪設(shè)損傷因子。
限于實(shí)施條件的限制,本文試驗(yàn)未采用文獻(xiàn)[17]中的方法,而是將格柵A樣品人為彎折數(shù)次后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和蠕變試驗(yàn)。蠕變試驗(yàn)溫度為40 ℃,應(yīng)力水平分別為20%、40%和50%,得到的蠕變歷時(shí)曲線見圖6(a),圖6(b)繪出應(yīng)力水平40%條件下原狀土工格柵和折損后格柵的蠕變對比曲線。
同樣地,定義折損后格柵蠕變延伸率εd與相同應(yīng)力水平下原狀格柵蠕變應(yīng)變?chǔ)舙之比為蠕變施工損傷影響因子Rd,即Rd=εd/εp。由試驗(yàn)結(jié)果可知,隨應(yīng)力水平的增大,損傷對格柵特性的影響越明顯。圖7以40%應(yīng)力水平為例繪制出不同時(shí)間對應(yīng)的蠕變施工損傷影響因子變化??梢?,在蠕變試驗(yàn)初期,蠕變施工損傷影響因子已近1.4,并且隨著時(shí)間的發(fā)展,影響因子迅速增大,說明施工損傷對格柵長期蠕變的影響程度越來越顯著,50 h時(shí),受損后格柵的蠕變量已達(dá)原狀條件時(shí)的約2倍。與蠕變化學(xué)影響因子Rch比較,Rd遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rch。
以 0.25~0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)砂為填料,相對密度為0.65,干密度為 1.65 g/cm3,在室溫條件下(12~18 ℃)進(jìn)行了4組格柵A的側(cè)限約束蠕變試驗(yàn)。垂直荷載為15 kPa,應(yīng)力水平分別為無約束極限抗拉強(qiáng)度的40%、50%、58%和66%。側(cè)限約束蠕變試驗(yàn)采用應(yīng)力式加載方法,蠕變荷載的實(shí)際加載時(shí)間為5 min。
圖6 施工損傷對格柵蠕變特性的影響Fig 6 Influences of installation damage on creep property of geogrid
圖7 蠕變施工影響因子變化曲線Fig 7 Curve of creep reduction factor for installation damage against time
圖8為不同應(yīng)力水平條件下的蠕變應(yīng)變歷時(shí)曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明,在有側(cè)向約束作用時(shí),格柵的蠕變變形較之無約束條件下大大降低,與相近溫度和應(yīng)力水平條件下的無約束蠕變試驗(yàn)結(jié)果對比,側(cè)限約束下的蠕變量僅有后者的16%~22%,說明土體約束及圍壓作用對格柵蠕變的影響是非常顯著的。當(dāng)垂直荷載為15kPa,應(yīng)力水平40%時(shí),100 h對應(yīng)的側(cè)限約束蠕變量僅約為2.4%,隨著應(yīng)力水平的增大;應(yīng)變也隨之增大,應(yīng)力水平提高到58%時(shí),100 h時(shí)的應(yīng)變增大到約3.8%,應(yīng)變呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢。但在66%應(yīng)力水平條件下,僅經(jīng)過約1.5 h,靠近夾具處的格柵即發(fā)生斷裂破壞。試驗(yàn)結(jié)束后拆樣發(fā)現(xiàn),埋設(shè)于砂土內(nèi)的格柵并未發(fā)生斷裂。
圖8 砂土側(cè)限約束對HDPE格柵蠕變特性的影響Fig.8 Creep property of geogrid in sand under confining
對HDPE土工格柵在不同溫度、不同應(yīng)力水平、化學(xué)作用、施工損傷和側(cè)限約束等條件下進(jìn)行了系統(tǒng)的室內(nèi)蠕變試驗(yàn),得到以下結(jié)論:
(1)高密度聚乙烯單向拉伸土工格柵的蠕變特性與所受荷載大小、環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)。溫度越高或應(yīng)力水平越大,格柵蠕變量就越大,且蠕變速率越快。而且,溫度與荷載水平對格柵蠕變的影響是相互聯(lián)系的,溫度越高,格柵的臨界應(yīng)力水平越低,20~40 ℃時(shí)臨界應(yīng)力水平不大于40%,但溫度升高到60 ℃后,臨界值會(huì)進(jìn)一步降低,可能不大于30%。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)注意根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣候條件確定格柵的蠕變強(qiáng)度。比如在垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)中,滲濾液溫度可能會(huì)達(dá)60 ℃以上,對材料的長期蠕變性質(zhì)和參數(shù)的影響就不能忽略。
(2)如以10%作為蠕變失效應(yīng)變,則常規(guī)條件下臨界應(yīng)力水平不宜大于40%,否則格柵在加載初期即會(huì)發(fā)生較大變形,很快達(dá)到蠕變破壞階段,因此,對于永久性加筋土工程,應(yīng)參考蠕變臨界應(yīng)力水平確定合理的格柵允許設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
(3)滲濾液浸泡作用1 a后,與原狀格柵相比,無約束極限抗拉強(qiáng)度有所降低,蠕變變形量有所增大,其蠕變化學(xué)影響因子可達(dá)1.1。
(4)施工損傷對格柵蠕變性的影響比化學(xué)作用更明顯,施工損傷影響因子一般達(dá)1.2~1.4左右,且應(yīng)力水平越大,影響越顯著,甚至可達(dá)原狀時(shí)的2倍。因此,在格柵運(yùn)輸施工過程中必須注意對格柵的保護(hù),避免其受到磨損或發(fā)生斷裂。
(5)側(cè)限約束條件可以大大減小格柵的蠕變量,在相同的應(yīng)力水平條件下,無約束蠕變變形量和砂土中的約束蠕變量可相差70%以上,因此,采用無約束蠕變試驗(yàn)確定格柵蠕變性質(zhì)的合理性還有待商榷。應(yīng)加深對側(cè)限約束條件下格柵蠕變性質(zhì)的研究,才能為工程設(shè)計(jì)提供更為合理經(jīng)濟(jì)有效的依據(jù)。
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