向前勇，劉華北，汪 磊，張 埡

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

低荷載水平下土工格柵加速蠕變試驗

向前勇，劉華北，汪 磊，張 埡

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

由于常規(guī)蠕變試驗持續(xù)時間長，且對試驗環(huán)境的溫度、濕度等條件具有嚴(yán)格要求，因此常規(guī)蠕變試驗方法耗時長、費(fèi)用高；同時常規(guī)蠕變試驗不能預(yù)測設(shè)計使用年限內(nèi)的蠕變特性，為此提出了加速蠕變試驗的短期時溫疊加法。運(yùn)用短期時溫疊加法原理，通過利用室內(nèi)三頭電子蠕變試驗機(jī)，對高密度聚乙烯(HDPE)土工格柵進(jìn)行了10%，20%，30%荷載水平下3組短期蠕變試驗，預(yù)測了該土工格柵在低荷載水平下的長期蠕變特性。結(jié)果表明：土工格柵在10%，20%，30%低載荷水平下的長期蠕變應(yīng)變值較低，其中在10%載荷水平下的長期(106h)應(yīng)變值維持在2%以內(nèi)；短期時溫疊加法可以用相對更短的時間來預(yù)測土工格柵的長期蠕變應(yīng)變及剛度值。該研究可為工程實際應(yīng)用提供依據(jù)。

土工格柵；加速蠕變；低荷載水平；時溫疊加法；長期蠕變特性

1 研究背景

蠕變是指在應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時間不斷增長的現(xiàn)象，它是高分子聚合物的典型性質(zhì)之一。土工合成材料作為典型的高分子聚合物材料，被應(yīng)用于加筋土工程時，其蠕變特性對加筋土工程的長期性狀有重大影響，蠕變或應(yīng)力釋放可能會引起加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的改變，導(dǎo)致加筋土工程喪失穩(wěn)定或產(chǎn)生過大的變形[1-3]。所以準(zhǔn)確研究土工合成材料蠕變性質(zhì)，對結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性都具有十分重要的意義。常規(guī)室內(nèi)蠕變試驗作為檢驗材料蠕變指標(biāo)的重要手段之一，已經(jīng)在各國形成各自的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。就蠕變試驗時間而言，各國標(biāo)準(zhǔn)雖然要求的時間長短不一樣，但都≥1 000 h，且都對環(huán)境的溫度、濕度等條件有嚴(yán)格要求，因此常規(guī)蠕變試驗方法耗時長、費(fèi)用高。同時實際的加筋土工程使用年限在幾十年甚至100 a以上，常規(guī)蠕變試驗只能預(yù)測材料在試驗時間內(nèi)的蠕變性質(zhì)，不能預(yù)測材料在設(shè)計使用年限內(nèi)的蠕變性質(zhì)。時溫疊加法只需對材料做相對短時期的蠕變試驗，就可以預(yù)測材料的長期蠕變性質(zhì)，較大程度地節(jié)約了試驗時間和費(fèi)用，已被廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。

實際的土工格柵加筋擋土墻中，工作應(yīng)力狀態(tài)下格柵的應(yīng)變量很小，峰值應(yīng)變通常在2%以下，Allen和Bathurst[4]一共測量了20例加筋擋土墻在不同加筋材料及不同外加荷載情況下的格柵應(yīng)變值，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，格柵的實測峰值應(yīng)變在0.1%～4%之間，22種情況下僅有5種情況下的峰值應(yīng)變超過2%。因此，對土工格柵小應(yīng)變的研究尤為重要。

2 時溫疊加法原理

時溫疊加法最基本的概念是升高溫度加速反應(yīng)特性，高分子聚合物的同一力學(xué)松弛現(xiàn)象能夠在同一荷載下較短的時間、較高的溫度(或較高的作用頻率)下觀察到，也可以在較長的時間、較低的溫度下觀察到[5]。因此，升高溫度與延長觀察時間對分子運(yùn)動是可以等效的，對高聚物的黏彈行為也是等效的。

時溫疊加法的基本步驟是：用多種試樣在相同恒定的拉伸荷載下，進(jìn)行不同溫度下的短期蠕變試驗，然后選取任意一種參考溫度(一般選取試驗最低溫度)，將非參考溫度下的曲線沿水平軸移動，直至與參考溫度下的曲線連成一光滑的整體，前段圖的末端與后段圖的前端保持重合，最終形成一條主曲線。利用該曲線可以預(yù)測更長歷時的蠕變，一般至少可預(yù)測到106h即114 a后材料的蠕變特性。移動的水平距離即為該溫度下的轉(zhuǎn)換因子，記為aT，試驗表明，主曲線的轉(zhuǎn)換因子與溫度有關(guān)。

目前關(guān)于主曲線的轉(zhuǎn)換因子和參考溫度之間的關(guān)系公式有很多，得到大家一致認(rèn)可的是Williams，Landel和Ferry在1995年提出的公式，即WLF方程。為了不改變材料的物理特性，試驗的溫度須超過其玻璃化溫度，而低于熔點(diǎn)溫度，因此，大家普遍接受WLF方程[6]，即

(1)

式中：C1，C2為常量，不同類別的聚合物之間有輕微差別；T為變化的溫度;T0為參考溫度。若將玻璃化溫度Tg作為T0，則對于從T0～T0+100 ℃，C1，C2的取值分別為17.4，51.6。Takaku在1980年指出，若Tg≠T0，可以通過式(2)計算[7]。

(2)

在低于玻璃化溫度的范圍用Arrhenius方程來描述主曲線轉(zhuǎn)化因子和參考溫度的關(guān)系，即

(3)

式中：Ea為聚合物的黏彈性模量；R為摩爾氣體常數(shù)。利用式(1)—式(3)即可求得aT與(T-T0)的關(guān)系。

時溫疊加法可分為長期時溫疊加法和短期時溫疊加法[8]：長期時溫疊加法試驗時間一般為1 000 h，短期時溫疊加法試驗時間一般為10 000 s。Y.Sang-Sik[8]利用長期時溫疊加法和短期時溫疊加法對土工合成材料進(jìn)行了大量的室內(nèi)蠕變試驗，得到許多寶貴的試驗數(shù)據(jù)。本文的加速試驗全部采用短期時溫疊加法，即蠕變試驗時間統(tǒng)一設(shè)定為10 000 s。

圖1 三頭電子蠕變試驗機(jī)Fig.1 Three-axis electronic machine for creep test

3 短期時溫疊加法試驗設(shè)計

3.1 試驗裝置

蠕變試驗在華中科技大學(xué)土木工程實驗室的三頭電子蠕變試驗機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)由3個獨(dú)立加載機(jī)構(gòu)、3個獨(dú)立測量控制系統(tǒng)及1個配套的共用環(huán)境箱組成,如圖1所示。格柵應(yīng)變量測裝置如圖2，該量測裝置能夠測量格柵有效長度內(nèi)的真實應(yīng)變。

圖2 應(yīng)變量測裝置Fig.2 Strain measurement device

3.2 試驗材料制備

選用青島旭域公司生產(chǎn)的HDPE雙向土工格柵，采用ASTM D4595標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行室內(nèi)無約束拉伸試驗，得到的基本力學(xué)性質(zhì)如表1所示。制備12個相同的土工格柵試樣，編號①—○12，試樣尺寸如圖2中夾具所夾持試樣所示，縱向取13根筋條，橫向取5個網(wǎng)格間距。

表1 HDPE土工格柵基本力學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic mechanical properties of HDPE geogrid

3.3 試驗方案設(shè)計

將編號①—○12的格柵試驗分為3組，每組在恒定的拉伸荷載作用下進(jìn)行不同溫度的蠕變試驗，蠕變試驗時間均保持10 000 s。具體試驗方案見表2。

表2 具體試驗設(shè)計方案Table 2 Test design schemes

4 試驗結(jié)果分析

按照第3.3節(jié)的試驗設(shè)計方案，一共進(jìn)行12組室內(nèi)短期蠕變試驗，將獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行整理得到各載荷水平在不同溫度條件下的應(yīng)變-時間對數(shù)曲線,如圖3所示。

圖3 不同載荷水平下的應(yīng)變-時間對數(shù)曲線Fig.3 Strain vs. logarithmic time curves at different load levels

從圖3中可以看到，溫度越高，應(yīng)變-時間對數(shù)曲線的上下間距逐漸增大，表明溫度對土工格柵應(yīng)變影響越大。通過不同荷載水平下的應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)，格柵的應(yīng)變隨荷載水平的增大而增大。

依據(jù)時溫疊加法原理，選定20 ℃作為參考溫度，將非參考溫度40,60,80 ℃條件下的應(yīng)變時間對數(shù)曲線進(jìn)行水平移動，得到各荷載水平下的應(yīng)變-時間對數(shù)主曲線如圖4所示。

圖4 不同載荷水平下應(yīng)變-時間對數(shù)主曲線Fig.4 Principal creep curves(strain vs. logarithmic time) at different load levels

各載荷水平下的主曲線分別由4段組成，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，20,40,60 ℃各段的曲線擬合效果優(yōu)于80 ℃段。這是由于在試驗過程中我們控制的是荷載不變，除以試樣寬度來等效應(yīng)力不變，而蠕變的定義是應(yīng)力不變應(yīng)變隨時間不斷增長。荷載越大或者溫度越高,導(dǎo)致格柵的蠕變量越大，蠕變量越大格柵的橫截面尺寸變化越明顯，從而導(dǎo)致等效應(yīng)力和真實應(yīng)力之間差距擴(kuò)大。所以，80 ℃段曲線的擬合效果較差，更進(jìn)一步說明了蠕變受溫度的影響較大。

從上述各載荷水平下的應(yīng)變-時間對數(shù)主曲線可以預(yù)測該土工格柵在20 ℃下不同載荷水平的長期應(yīng)變值。在106h(114 a)時，各載荷水平下的應(yīng)變值分別為1.963%,5.924%,12.097%，應(yīng)變值均較小。

通過應(yīng)變-時間對數(shù)曲線，可以獲得格柵對應(yīng)時刻的應(yīng)變值，進(jìn)而可以求得土工格柵在該荷載水平下相應(yīng)時刻的剛度值。得到的蠕變剛度-時間對數(shù)曲線如圖5所示。在實際的加筋工程中不能直接考慮筋材的蠕變或松弛對加筋結(jié)構(gòu)的影響，一般通過筋材的長期剛度來表征筋材的長期特性影響，所以合理估算或者預(yù)測格柵的長期剛度值顯得尤為重要。由圖5可預(yù)測到該土工格柵在接近106h(114 a)時的剛度值，可為工程實際應(yīng)用提供參考。

圖5 不同載荷水平下蠕變剛度-時間對數(shù)曲線Fig.5 Creep stiffness vs. logarithmic time curves at different load levels

5 轉(zhuǎn)換因子的計算

時溫疊加法中轉(zhuǎn)換因子必須滿足下列規(guī)則[10]：

(1) 不同溫度下相鄰曲線圖的形狀必須精確匹配。

(2) 轉(zhuǎn)換因子aT的值必須與所有黏彈性效應(yīng)一致。

(3) 由曲線平移得到的aT值應(yīng)與經(jīng)驗公式計算得到的理論值一致。

圖6 轉(zhuǎn)換因子理論計算值與試驗獲得值Fig.6 Analyticalandtestvaluesoftemperatureshiftfactors

6 結(jié) 論

(1) 土工格柵在10%，20%，30%低載荷水平下的長期蠕變應(yīng)變值較低，其中在10%載荷水平下的長期(106h)應(yīng)變值維持在2%以內(nèi)。

(2) 筋材的長期剛度可以用來解釋加筋擋土墻在工作應(yīng)力狀態(tài)下的加筋荷載和擋墻面板側(cè)向位移的變化規(guī)律，對土工格柵長期剛度值的合理估算顯得尤為重要。本文通過加速蠕變試驗預(yù)測土工格柵的長期剛度值，為工程實際提供參考。

(3) 時溫疊加法溫度轉(zhuǎn)換因子跟溫度相關(guān)，不同載荷水平相同溫度下的轉(zhuǎn)換因子有細(xì)微差別，且試驗獲得的值與經(jīng)驗公式求得的值也有一定偏差。同時時溫疊加法溫度轉(zhuǎn)換因子需要較多試樣反復(fù)試驗獲得。

(4) 時溫疊加法的優(yōu)勢雖很明顯，越來越廣泛地被應(yīng)用于研究領(lǐng)域，但時溫疊加法不同試樣之間的差別會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響(本文的各溫度段曲線均經(jīng)過多次試驗比對得到)，會掩飾溫度對試驗結(jié)果的影響。

(5) 短期時溫疊加法相對長期時溫疊加法試驗時間更短，但目前關(guān)于短期時溫疊加法的研究還比較匱乏，需要更多的學(xué)者進(jìn)行更廣泛的研究。

[1] 王 釗，李麗華，王協(xié)群.土工合成材料的蠕變特性和試驗方法[J]. 巖土力學(xué)， 2004， 25(5): 723-727.

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[3] 丁金華，童 軍，張 靜，等. 環(huán)境因素對土工格柵蠕變特性的影響[J]. 巖土力學(xué)，2012，33(7):2048-2054.

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(編輯：黃 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

國家自然科學(xué)基金項目(51379082)

向前勇(1991-)，男，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事土工合成材料長期特性方面的研究工作，(電話)13125182485(電子信箱)xiang_qy@hust.edu.cn。

劉華北(1973-)，男，廣東普寧人，教授，博士生導(dǎo)師，博士,主要從事加筋土工程與地下結(jié)構(gòu)工程方面的教學(xué)與科研工作，(電話)027-87557960(電子信箱)hbliu@hust.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20161064

TU411

A

1001-5485(2017)02-0001-04

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