土工合成材料土中拉伸試驗研究

吳 迪, 徐 超,, 李 丹, 祁昌偉

（1.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092 ）

0 引言

大量的工程實踐表明，土工合成材料加筋工程具有良好的工程效益、經濟效益和環境效益，在全球范圍內得到了廣泛的運用。目前土工合成材料已較多地用于建筑擋墻、陡坡、路堤和淺基礎地基的處理工程中[1]。加筋結構由加筋土工合成材料、填土和其他一些附屬成分組成。其中土工合成材料的物理性質、力學性質、結構形式、填土的工程性質以及筋土界面力學特性等因素都對加筋結構的力學行為和穩定性帶來重要影響。

土工合成材料用于實際加筋工程中時，對穩定性影響最為突出的因素之一就是筋材與土體之間相互作用時發揮的力學特性。Palmeira以加筋擋土結構為例[2]，分析了4種潛在的筋土界面破壞機制，如圖1所示。圖中顯示了加筋土擋墻的幾種潛在破壞或變形模式，具體會發生哪種破壞形式根據荷載條件、地基條件及施工條件而定。比如在區域A，可能發生填土沿筋材表面滑動，可以用直剪試驗來模擬這類破壞形式；在區域B，土和筋材發生側向變形，可以用土中拉伸試驗來模擬；區域C表示土和土工合成材料發生剪切，可以用筋材傾斜的直剪試驗來模擬；在區域D，筋材錨固端被拔出，可以采用拉拔試驗來模擬。需要指出的是，任何一種試驗都不能完全真實的模擬現場加筋結構物的狀況，都是存在一些試驗假設的。

從圖1中的區域B可知，土工合成材料在土中的拉伸性能會直接影響到加筋結構的穩定性，具有較為重要的研究價值。王釗討論了土工織物的土中拉伸試驗，認為現有的對于土工織物的拉伸試驗僅處于探討階段，常規測試方法與土中織物受拉的邊界條件仍相差甚遠，隨著土工織物法向壓力的增加，織物的拉伸模量增加很快，特別是無紡織物更為顯著[3]。然而實際的生產實踐中，對土工合成材料拉伸性能的測試往往是在空氣中進行。沒有了填土的約束及摩擦力作用，筋材所體現出的力學性能會有較大的不同，不利于對筋土相互作用的認知。另外，通過試驗探討在土中拉拔模式下的筋土相互作用，還有助于在數值模型中模擬筋材與土之間的界面作用問題。

圖1 加筋土擋墻中破壞機制Fig.1 The failure mechanism of reinforced soil wall.

加筋結構計算所采用的強度參數大多依靠簡單試驗甚至工程經驗確定，導致參數取值單一，不符合實際情況。產生此類問題的重要原因便是現有工程實踐過于強調土工合成材料拉伸強度，而忽視了筋材的割線模量。根據現有規范[4]，割線模量是指土工合成材料單位寬度的負荷值與特定伸長率值之比。土工合成材料在使用中往往并非處于極限狀態，因此拉伸強度僅僅在工程建設中對于考慮加筋結構的極限破壞狀態有一定設計方面的意義，但對于土工合成材料實際是如何起作用的卻參考價值較低。土工合成材料的割線模量在一定條件下可理解為材料的拉伸模量，反映了筋材受到拉力隨變形增大而變化的過程。因此拉伸模量對于加筋土結構的作用機理以及設計施工具有重要的研究意義。對于一些變形要求較高的工程，如大型加筋土擋墻，應使用拉伸模量較大的土工合成材料，以減少整體變形。

由于土工合成材料的土中拉伸與空氣中拉伸（常規拉伸）具有較大的差別，進一步造成了對與土工合成材料拉伸模量的認識不足。McGown首先研究了土工織物土中拉伸的荷載變形曲線，發現由于土的側限作用織物的拉伸模量得到了較大的提高[5]。Siel等人陸續進行了一些土工織物土中拉伸試驗[6]，但仍遠遠不足。國內對于土工合成材料土中拉伸試驗處于起步階段，王釗認為需亟待開展這方面的試驗及研究工作[3]。

本文通過新研制的土工合成材料土中拉伸試驗機，對五種不同土工合成材料的土中拉伸性能進行研究，測試其在不同法向荷載下的表現，探討割線模量即拉伸模量的變化。

1 試驗設備及材料

1.1 土中拉伸試驗機簡介

本次試驗研究中，采用自行研制的多功能土工合成材料土中拉伸試驗機（簡稱為MGT1000），如圖2所示。MGT1000的設計采用了面向對象的功能模塊設計理念，可擴展性強，目前主要進行土工合成材料土中拉伸試驗研究。還可以根據不同的試驗要求，通過采用不同的夾持方式、不同的控制方法或者增加相應的輔助模塊等方法來進行拉拔、蠕變、撕裂、無摩擦土中拉伸等試驗研究。MGT1000主要由主體框架、試驗箱及氣壓袋、夾具套筒及相應移動支撐梁、氣壓控制系統、驅動位移系統、試驗控制系統、數據采集系統、顯示系統所構成。試驗機的主要性能指標列入表 1。本文研制的多功能土工合成材料土中拉伸試驗機由上海旭賽試驗機有限公司協助制造。

圖2 多功能土工合成材料土中拉伸試驗機MGT1000Fig.2 Multifunctional Geosynthetic in-soil Tensile apparatus 1000 (MGT1000).

表1 MGT1000主要性能指標

MGT1000具有試驗過程方便、操作簡單的特點，本項研究中進行了5種不同材料、5種不同側限條件下（包括4種法向應力下的土中拉伸及空氣中拉伸），共25組土工合成材料拉伸試驗，每組均包括兩次平行試驗，若兩者試驗結果相近則取其平均值，如相差較大則重新試驗，保證結果的準確性。

1.2 土工合成材料

本次試驗采用5種不同的土工合成材料，其中3種為無紡土工織物，分別記為GT1、GT2、GT3；1種為有紡土工織物，記為 GT4；1種為玻纖土工格柵，記為GG5。其中，GT1和GT2、GT3為杰斯曼無紡布（洛陽）有限公司生產的產品，具有延展性好、抗拉強度高，等優點；機織土工布GT4為江蘇鼎泰工程材料有限公司生產的產品；玻纖土工格柵GT5為山東肥城聯誼工程塑料有限公司生產。5種土工合成材料在實際工程中均應用廣泛。具體土工合成材料的技術指標見表4所示。試樣尺寸為200 mm×200 mm，其余均按照規范[4]規定進行選樣及制樣。

表2 土工合成材料的技術指標

1.3 石英砂

試驗采用石英砂，由 10目～20目及20目～40目的石英砂按照質量比例3:1進行混合，充分攪拌，使其混合均勻，試驗時的控制標準采用1.6 g/cm3。對石英砂進行顆粒分析試驗，獲得的技術參數如表3所示。對石英砂進行直剪試驗，計算得到內摩擦角為38.17°。

表3 石英砂技術指標

2 試驗結果

圖3所示為GT3的空氣中與土中拉伸荷載與伸長率的關系曲線。從圖中可以看出無紡土工織物的土中拉伸曲線與空氣中拉伸（常規拉伸）曲線差別較大，這點與文獻[1]所得到的結果一致。空氣中拉伸為一條較為平穩上升的曲線，而土中拉伸曲線可分為兩個階段，分界點在 4%伸長率附近，小于此分界點則荷載隨伸長率增長較快，大于此分界點則上升平穩。從圖3中還可以看出，在同一伸長率下，隨著法向荷載的增加，筋材所受到的負荷會逐漸增加。具體地講，當伸長率為10%時，150 kPa較100 kPa大3.11 kN/m，與100 kPa較50 kPa大4 kN/m較為接近，遠大于50 kPa較25 kPa所增加的0.86 kN/m。這說明隨著法向荷載水平高，筋材受到負荷增加越大，但50 kPa至150 kPa之間可認為是線性增加。另外，50 kPa法向荷載下筋材的土中拉伸較空氣中拉伸其單位寬度負荷大4倍有余，反映出無紡土工織物拉伸性能受側限影響較大。

事實上，GT1、GT2與GT3的負荷―伸長率曲線趨勢相近，只不過在相同伸長率下，GT3的單位寬度負荷更大，這里不再贅述。這說明土工合成材料若原材料相同，其土中拉伸性能一致，但同時會受其他材料性質影響。

圖3 GT3土中與空氣中拉伸試驗結果Fig.3 Results of in-air and in-soil tensile test of GT3.

圖4 GT3割線模量與伸長率關系曲線Fig.4 Curves of relationship between secant modulus and elongation of GT3.

圖4所示為GT3空氣中與土中拉伸試驗的割線模量與伸長率的關系曲線。從圖中可以看出，無紡土工織物土中拉伸的割線模量比空氣中有較大增加，且隨著法向荷載的增加而增加。這說明常規的空氣中拉伸試驗并不能完全反映筋材的拉伸性能，無紡織物的割線模量在填土的側限條件下會發生較大的改變，通過本次試驗可以發現，隨著法向荷載的不同，割線模量會增加4～20倍不等。由此可知在一些小型或臨時性加筋土工程中，可以考慮通過采用較為便宜的無紡織物作為加筋材料，在安全性滿足的條件下可有效的減少工程預算。

圖5所示為有紡土工織物GT4的空氣中與土中拉伸荷載與伸長率的關系曲線，從圖中可以看出空氣中拉伸與土中拉伸有一定差別，尤其對于伸長率在0%～4%的區間內，土中拉伸明顯較常規拉伸要大。另外還可以看出，隨著法向荷載增大，筋材受到的負荷有一定增加，但并不顯著，這可能是由于有紡織物的延伸率較低，填土的荷載作用并不會嚴重的影響到筋材的拉伸性能，但在筋材受拉的初始階段（0%～4%），側限作用會限制測試材料的頸縮現象，導致測得的割線模量較空氣中有一定的增長。

圖5 GT4土中與空氣中拉伸試驗結果Fig.5 Results of in-air and in-soil tensile test of GT4.

圖6 GG5土中與空氣中拉伸試驗結果Fig.6 Results of in-air and in-soil tensile test of GT5.

圖6所示為玻纖土工格柵GG5的空氣中與土中拉伸荷載與伸長率的關系曲線，從圖中可以看出空氣中拉伸與土中拉伸有較為明顯的差別，說明填土的側限作用使得格柵在受拉條件下與土作用明顯，研究土工格柵的拉伸性能不能僅僅研究其本身，需要將筋材與填土作為整體進行研究。同時發現，4種不同法向荷載對于土中拉伸試驗結果影響不大，4條曲線近于重合，這可能是由于土工格柵的延伸率較低，受到拉伸負荷增長較快造成的。

3 結論

本文通過對五種不同土工合成材料的土中拉伸試驗，結合試驗結果，分析了土中拉伸與空氣中拉伸的不同，得到了以下結論：

（1）土工合成材料與土體之間相互作用明顯，在土中拉伸會得到與常規拉伸不同的試驗結果，最為明顯的割線模量有著較大不同，拉伸強度也會得到一定的提高；

（2）通過對無紡織物、有紡織物、土工格柵的土中拉伸試驗發現，伸長率越長的材料受土體的側限作用越明顯，其土中拉伸與空氣中拉伸曲線差別越大；

（3）在實際工程中，可考慮使用較為經濟的無紡土工織物作為小型或臨時性加筋結構的加筋材料，其土中割線模量會由于土體的荷載得到較大的增加，降低建設成本。

[1]]徐超, 邢皓楓. 土工合成材料[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[2]Palmeira E M. Soil-geosynthetic interaction: Modeling and analysis[J].Geotextiles and Geomembranes, 2009, 27: 368-390.

[3]王釗. 土工合成材料[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 15788-2005土工布及其有關產品寬條拉伸試驗[S].北京：中國標準出版社, 2005.

[5]McGown A, Andrawes K Z, Kabir M H. Load-extension testing of geotextiles confined in soil[C]//Proceedings of the 2ndInternational conference on Geotextiles. Las Vegas, USA, 1982, (3).

[6]Siel B D, Tzong W H, Chou, N N S. In-soil stress-strain behavior of geotextile[C]//Proceedings of Geosynthetices 87. USA, 1987, (1):260-265.

[7]Mendes M J A, Palmeira E M, Matheus E. Some factors affecting the in-soil load-strain behavior of virgin and damaged nonwoven geotextiles[J]. Geosynthetics International, 2007, 14(1): 39-50.