郭洪春

Experimental Study on Creep Characteristics of Geogrid

摘要：土工格柵的蠕變影響其在工程中的應(yīng)用。針對(duì)此問(wèn)題，本文進(jìn)行了土工格柵的蠕變?cè)囼?yàn)，并得到不同設(shè)計(jì)年限下的蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低應(yīng)力比條件下，土工格柵應(yīng)變隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定；在高應(yīng)力比條件下，土工格柵的應(yīng)變隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，直至斷裂；試樣所受到的應(yīng)力比越大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)酱螅贿_(dá)到同樣大小的應(yīng)變值，較低的應(yīng)變比條件下所需時(shí)間長(zhǎng)，較高的應(yīng)變比所需的時(shí)間少；土工格柵在應(yīng)力松弛狀態(tài)中，保持應(yīng)變不變時(shí)，荷載隨著時(shí)間的增加而逐漸減小。

Abstract： The creep of geogrid will affect its application in engineering. To solve this problem， the creep tests of geogrid are carried out， and the creep strength reduction coefficients under different design years are obtained. The test results show that： under the condition of low stress ratio， the strain of geogrid increases with time， gradually slows down and eventually stabilizes. Under the condition of high stress ratio， the strain of geogrid increases with time， until it breaks. The greater the stress ratio is， the greater the strain produced in the same time. To achieve the same size strain value， the time required for the lower strain ratio is longer， and the higher strain ratio needs less time. In the stress relaxation state of the geogrid， when the strain is kept constant， the load gradually decreases with the increase of time.

關(guān)鍵詞：蠕變特性；試驗(yàn)研究；土工格柵

Key words： creep characteristics；experimental study；geogrid

中圖分類號(hào)：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0168-04

0 引言

土工格柵在鐵路工程的使用過(guò)程中，在土體內(nèi)或土體表面長(zhǎng)時(shí)間受到不變的力的作用[1]，也就說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的蠕變過(guò)程[2]。土工格柵能否長(zhǎng)期發(fā)揮作用與其蠕變特性有很大關(guān)系，尤其是將土工格柵應(yīng)用于鐵路工程的加固時(shí)，其蠕變性能的好壞最為關(guān)鍵[3]。

影響土工格柵蠕變性的因素可分為外因和內(nèi)因。內(nèi)因主要是指材料的聚合物種類。外因主要包括：試樣尺寸、濕度、荷載水平、溫度、加載速率及側(cè)限約束條件等，其中溫度與荷載水平對(duì)其蠕變性能的影響最為明顯[4-7]。

本文在不同溫度和不同應(yīng)變比下對(duì)土工格柵進(jìn)行室內(nèi)長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)。綜合比較分析了土工格柵的蠕變曲線、載荷、應(yīng)變等時(shí)曲線變化特征，并得到強(qiáng)度-時(shí)間方程，由此計(jì)算出一定設(shè)計(jì)年限下試樣的允許設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料

選取EG90R型單向拉伸塑料土工格柵進(jìn)行室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)，從全寬的單向格柵樣片上剪取5根肋條寬，1.5m長(zhǎng)的格柵作為蠕變?cè)囼?yàn)的試樣。試樣兩邊的縱向肋條用剪刀剪斷，試樣有三個(gè)完整的肋，試樣如圖1所示。格柵試樣的基本力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2 試驗(yàn)方法

本節(jié)選用EG90R型單向拉伸塑料土工格柵為研究對(duì)象，在不同溫度和不同應(yīng)變比下對(duì)土工格柵進(jìn)行室內(nèi)長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)。試樣試驗(yàn)溫度、應(yīng)力比、蠕變荷載強(qiáng)度見(jiàn)表2。在規(guī)定的溫度環(huán)境下，將載荷加到試樣上，連續(xù)記錄試樣的伸長(zhǎng)率，直至試樣的伸長(zhǎng)率超過(guò)10%或試樣斷裂，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)如圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 前1000h土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

針對(duì)土工格柵EG90R在20℃溫度和不同的拉力條件下，通過(guò)試驗(yàn)所得到的土工格柵應(yīng)變?cè)谇?000h內(nèi)隨時(shí)間變化，并繪制了曲線如圖3所示。

從圖3可知，20℃溫度下，格柵試樣在應(yīng)力比小于60%時(shí)，表現(xiàn)出的蠕變規(guī)律大致相同。在低應(yīng)力比條件下，土工格柵的蠕變初期，應(yīng)變隨時(shí)間的增加迅速增長(zhǎng)，應(yīng)變與時(shí)間基本呈線性關(guān)系；隨后，應(yīng)變的增加速率隨時(shí)間增加逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。在高應(yīng)力比條件下，土工格柵的應(yīng)變隨時(shí)間的增加迅速增長(zhǎng)，由于材料內(nèi)部部分分子鏈被拉斷，試樣的應(yīng)變一直增加，直至土工格柵斷裂。

在相同溫度下，試樣所受到的應(yīng)力比越大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)酱?，但兩者不呈正比關(guān)系。在20℃條件下，加載到1000h時(shí)，在應(yīng)力比40%、45%、50%下格柵試樣產(chǎn)生的應(yīng)變分別是7.41%、8.90%、10.90%。在應(yīng)變比60%時(shí)，試樣加載到229h就被拉斷。

3.2 土工格柵的等時(shí)蠕變

由土工格柵蠕變過(guò)程中某一時(shí)刻的應(yīng)變與應(yīng)變比一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系繪制的曲線叫等時(shí)蠕變曲線，土工格柵的等時(shí)蠕變曲線記錄了試樣在加載到一定時(shí)刻產(chǎn)生的應(yīng)變、時(shí)間以及應(yīng)力比這三者之間的關(guān)系。表3記錄了20℃下不同應(yīng)變比所對(duì)應(yīng)的具有代表性的時(shí)刻下土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了等時(shí)蠕變曲線如圖4。

由圖4可知，達(dá)到同一應(yīng)變值，荷載水平較高的格柵試樣需要的時(shí)間較短，而荷載水平低的則需要的時(shí)間較長(zhǎng)。圖中曲線自上向下，所代表的時(shí)間分別為1000h、800h、600h、400h、200h、100h、50h、10h、1h、30min。各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的應(yīng)變比-應(yīng)變曲線都是應(yīng)變隨應(yīng)變比的增加而逐漸增長(zhǎng)。但是不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲線的斜率并不相同，隨著蠕變時(shí)間的增加，等時(shí)蠕變曲線的斜率越大，隨著蠕變時(shí)間的增加，應(yīng)變比對(duì)土工格柵應(yīng)變的影響越來(lái)越大。如要達(dá)到同樣大小的應(yīng)變值，較低的應(yīng)變比條件下所需時(shí)間長(zhǎng)，較高的應(yīng)變比所需的時(shí)間少。

3.3 土工格柵的應(yīng)力松弛

在土工格柵受力過(guò)程中，當(dāng)試樣的應(yīng)變值保持不變的情況時(shí)，而試樣內(nèi)部的應(yīng)力隨著時(shí)間的增加而逐漸變小，通常把這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力松弛。由于室內(nèi)松弛試驗(yàn)很難操作，不容易得到滿意的試驗(yàn)結(jié)果，因此采用應(yīng)力比-時(shí)間的關(guān)系來(lái)間接反映格柵試驗(yàn)的應(yīng)力松弛特性。選取20℃溫度條件下土工格柵的應(yīng)變值達(dá)到6%、7%、8%、9%、10%這5個(gè)比較典型的應(yīng)變值，得到格柵式樣的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)如表4所示。

以應(yīng)變比作為縱坐標(biāo)，時(shí)間作為橫坐標(biāo)，繪制土工格柵試樣在不同應(yīng)變比下產(chǎn)生一定應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的蠕變時(shí)間關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖5可知，土工格柵在達(dá)到不同應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變比都隨時(shí)間的增加而逐漸減小。土工格柵在應(yīng)力松弛狀態(tài)中時(shí)，當(dāng)保持應(yīng)變不變時(shí)，荷載力隨著時(shí)間的增加而逐漸減小，應(yīng)變比-時(shí)間關(guān)系曲線的斜率逐漸減小。

3.4 土工格柵長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度和折減系數(shù)

當(dāng)土工格柵在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)，要求其在長(zhǎng)期的受力條件下具有足夠的強(qiáng)度，且必須考慮土工格柵的流變性，以保證工程的安全。因此在設(shè)定土工格柵的設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，需對(duì)其極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行折減。

在工程設(shè)計(jì)中一般將土工格柵的失效應(yīng)變定義為10%，因此可以通過(guò)對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用土工格柵達(dá)到10%應(yīng)變時(shí)的載荷-時(shí)間關(guān)系曲線，得到荷載時(shí)間關(guān)系式，計(jì)算出土工格柵的長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度，土工格柵的蠕變折減系數(shù)，推測(cè)出土工格柵的長(zhǎng)期蠕變規(guī)律。

將30℃、40℃、50℃不同環(huán)境溫度、不同應(yīng)變比下土工格柵，按照20℃時(shí)的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。將不同試驗(yàn)條件下，蠕變到達(dá)10%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間列于表5，并將表5中的數(shù)據(jù)分別取以十為底的對(duì)數(shù)列于表6。對(duì)不同應(yīng)變比取以十為底的對(duì)數(shù)列于表7。

以Log10（應(yīng)變比）為y軸，Log10（伸長(zhǎng)率達(dá)到10%所需的時(shí)間）為x軸，根據(jù)表5～表6繪制土工格柵不同溫度下達(dá)到10%應(yīng)變時(shí)荷載與時(shí)間關(guān)系圖，見(jiàn)圖6～圖9。

從圖6～圖9直線的趨勢(shì)可以看出，土工格柵的長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。溫度越高，試樣強(qiáng)度下降越快。試驗(yàn)溫度在20℃、30℃、40℃、50℃下擬合的曲線相關(guān)性系數(shù)分為0.9998、0.9885、0.9990、0.9977。

將x=6.02（即120年）與x=5.72（即60年）分別代入各回歸方程，得到：溫度為20℃時(shí)，土工格柵伸長(zhǎng)率不超過(guò)10%的蠕變極限強(qiáng)度分別35.80kN/m、36.63kN/m，應(yīng)力比分別為38.92%、39.82%，蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為2.57、2.51。溫度為30℃時(shí)，土工格柵伸長(zhǎng)率不超過(guò)10%的蠕變極限強(qiáng)度分別為28.85kN/m、29.53kN/m，應(yīng)力比分別為31.36%、32.10%，蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為3.19、3.11。溫度為40℃時(shí)，土工格柵伸長(zhǎng)率不超過(guò)10%的蠕變極限強(qiáng)度分別為28.59kN/m、29.29kN/m，應(yīng)力比分別為31.08%、31.84%，蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為3.22、3.14。

溫度為50℃時(shí)，土工格柵伸長(zhǎng)率不超過(guò)10%的蠕變極限強(qiáng)度分別為26.96kN/m、27.63kN/m，應(yīng)力比分別為29.30%、30.03%，蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為3.41、3.33。

4 小結(jié)

通過(guò)土工格柵的蠕變?cè)囼?yàn)，得到如下結(jié)論：

①在低應(yīng)力比條件下，土工格柵應(yīng)變隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，之后增加速率隨時(shí)間逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。在高應(yīng)力比條件下，土工格柵的應(yīng)變隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，直至土工格柵斷裂。

②在相同溫度下，試樣所受到的應(yīng)力比越大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

③如要達(dá)到同樣大小的應(yīng)變值，較低的應(yīng)變比條件下所需時(shí)間長(zhǎng)，較高的應(yīng)變比所需的時(shí)間少。

④土工格柵在應(yīng)力松弛狀態(tài)中時(shí)，當(dāng)保持應(yīng)變不變時(shí)，荷載隨著時(shí)間的增加而逐漸減小。

⑤溫度為20℃時(shí)，土工格柵120年和60年的蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為2.57、2.51；溫度為30℃時(shí)，土工格柵120年和60年的蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為3.19、3.11。溫度為40℃時(shí)，土工格柵120年和60年的蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為3.22、3.14。溫度為50℃時(shí)，土工格柵120年和60年的蠕變強(qiáng)度折減系數(shù)為3.41、3.33。

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