新型土工格柵耐久性研究及工程應用

郭 明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南 鄭州 450001)

0 前 言

土工格柵作為土工合成材料的一種，由于其良好的工程特性已經廣泛應用于加筋結構工程中[1-4]。眾多國內外學者[5-12]通過拉拔摩擦試驗和直剪摩擦試驗研究了滌綸纖維經編土工格柵、塑料土工格柵等多種類型的土工格柵與不同的回填材料之間的界面摩擦特性。分析了土工格柵的受力特性，剪應力隨位移的變化規律，試驗過程中力學效應規律的轉移變化以及拉拔直剪摩擦試驗結果的影響因素等。但對土工格柵耐高溫、抗凍融特性的研究較少。

深部煤礦的開采建設會遇到高溫問題、在高海拔嚴寒地區修建鐵路樁基等會遇到低溫問題。隨著我國基礎設施建設的發展，土工格柵的應用越來越廣泛，在高溫條件下使用土工格柵時必須考慮其耐高溫的能力，在嚴寒條件下，必須考慮其抗凍融的能力。若溫度條件對土工格柵強度蠕變特性等造成了重要的影響，則同樣會產生嚴重的工程事故，所以進行耐高溫和抗凍融試驗同樣具有重要的實踐意義。

1 實驗設備及材料

1)試驗設備。試驗采用MDM-5型土工合成材料綜合測定儀。垂直荷載采用高精度調壓閥和滾動隔膜汽缸組成的閉環反饋穩壓系統施加，由精密壓力表測度；水平荷載采用應變控制加荷方式，由電機驅動變速箱均勻施加，最大拉力10 kN，由拉壓力傳感器測度；數據采集由單片微機控制，采樣速度10次/s，自動判斷峰值。

2)試驗材料。試驗用超強柔性土工格柵采用高強度、高模量、低蠕變的聚合長絲纖維經緯向整體編織而成，選用高強樹脂合成纖維為原料，采用經編定向結構，織物中的經緯向相互間無彎曲狀態，交叉點用高強纖維長絲針織捆綁結合起來，形成牢固的結合點，充分發揮其力學性能，在其表面涂覆一層可阻燃導靜電的涂層。

該系列土工格柵的抗拉強度為100～1 000 kN/m，本試驗選取抗拉強度分別為200、400、600 kN/m三種規格的材料進行試驗，分別命名為格柵1、格柵2以及格柵3。三種型號的土工格柵的性能指標如表1所示。

表1 土工格柵性能指標

2 抗高溫試驗

2.1 試驗內容

沿著400 kN土工格柵的縱向取一根材料，并將其平均劈裂成五根，分別編號為A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2。將每根試樣平均分成3段，分別進行不做任何處理條件下的抗拉試驗，(110±2)℃烘箱烘烤14 d條件下的抗拉實驗，(110±2)℃烘箱烘烤28 d條件下的抗拉實驗，分別記錄其斷裂伸長和斷裂強力，然后計算其斷裂伸長率保持率及斷裂強力保持率，以研究高溫條件下400 kN高強度聚酯纖維網抗高溫性能。

2.2 試驗步驟

從樣品上剪取三組試樣，一組試樣用(110±2)℃烘箱烘烤14 d，一組烘烤28 d，一組用作對照樣。每組包括5組試樣。分別用貼紙標記之后用托盤盛裝，放入ZhB101-2電熱鼓風干燥箱中，設置烤箱溫度為110℃，烘烤14 d之后取出第一組試樣，在室溫中冷卻后用MDM-5電子萬能試驗機測定拉伸性能，采用100 mm/min的拉伸速率。烘烤28 d后取出第二組試樣，最后在室溫下干燥冷卻。采用100 mm/min的拉伸速率，記錄其斷裂伸長和斷裂強力，并與未處理試樣進行對比，計算其斷裂伸長率保持率和斷裂強力保持率。

2.3 實驗結果

實驗結果見表2。

表2 耐高溫分析結果

由表2可知：①該材料在高溫處理后，斷裂伸長率均會增大，即材料的伸縮性能均會增強，但斷裂伸長率在高溫處理14 d后增加程度，比高溫處理28 d的增長程度大。即材料延展性在高溫處理后會有些許增加。然而在處理28 d后強度會降低，但整體延展性能會增加。②該材料在高溫處理14 d后斷裂強力有個增長過程，但是到高溫處理28 d時，斷裂強力又下降了，說明該材料在高溫處理后斷裂強力有個增長而后下降的過程，在這之間會產生一個峰值，是材料強度最大的時刻。③該材料在高溫作用下，具有良好的延展性和耐高溫性，非常適合在煤礦等高地熱環境中使用。

3 凍融循環試驗

3.1 實驗內容

沿著400 kN土工格柵的縱向取一根材料，并將其平均劈裂成6根，分別編號為A1、B1、C1、D1、E1、F1；A2、B2、C2、D2、E2、F2。將每一根試樣平均分成三段，分別進行不做任何處理條件下的抗拉試驗、-30℃冷柜中凍融循環50次的抗拉實驗、凍融循環100次的抗拉實驗，分別記錄其斷裂伸長和斷裂強力，然后計算其斷裂伸長率保持率及斷裂強力保持率，以研究凍融循環下高強度聚酯纖維網抗凍性能。

3.2 實驗步驟

從樣品上剪取三組試樣，一組試樣在-30℃條件下凍融循環50次，一組試樣100次，一組用作對照。每組包括6組試樣。分別放入澳柯瑪無氟寬帶變溫冷柜中，設置冷柜溫度為-30℃，在托盤中放入200 mL純凈水，使試樣完全浸沒在水中，冷凍4 h后，取出試樣，在室溫中融化4 h，完全融化后記作一個循環。然后放入冷柜中冷藏，以此往復50個循環，待試樣干燥后，進行拉伸試驗。另一組做100次凍融循環，在室溫中干燥后用MDM-5電子萬能試驗機測定拉伸性能，采用100 mm/min的拉伸速率，記錄其斷裂伸長和斷裂強力，并與未處理試樣的斷裂伸長率和斷裂強力進行對比，計算其斷裂伸長率保持率和斷裂強力保持率。

3.3 凍融循環試驗結果

實驗結果見表3。

表3 耐凍融分析結果

由表3可知：①該材料在低溫狀態下經過凍融循環處理后，斷裂伸長率均會增大，即材料的延展性能均會增強，且斷裂伸長率隨著循環次數的增加而增加；②該材料在低溫狀態下經過凍融循環處理后，斷裂強力均會產生相應減小，且隨著凍融循環次數的增加，斷裂強力逐漸下降，但是下降的幅度很小，幾乎保持不變。說明該材料在低溫狀態下凍融循環處理后對材料本身的強度影響不大；③該材料在低溫作用下，具有良好的延展性和耐低溫性，非常適合在低溫環境中使用。

4 工程應用

興隆莊煤礦7304綜放工作面位于七采區中部，東北部為7305綜放工作面(已回采)，西南部為7303設計工作面，切眼至井田邊界與東灘礦相鄰，停采線至五采采空區55 m。工作面走向長度1 317～1407 m，傾斜長度234.8 m。煤層平均厚度8.50 m。煤層傾角2°～12°。采高為3.5 m，放煤高度5.0 m。工作面回撤方式采用煤機刷幫擴出通道回撤，支架撤除采用整架撤出。

7304綜放工作面停采造條件時使用本次試驗用高強度土工格柵所制柔性網(見圖1)，產品尺寸:80 m×17.5 m，型號：JD PET 400×400RS、單塊重量4 t，考慮到運輸條件，使用3塊在井下搭接，該規格網片經緯向拉伸強度為400KN/m，網孔大小為2.0×3.0 cm。

圖1 7304工作面柔性網展開現場圖

柔性網的特點為：①整體鋪設效果好，沒有二次聯網，鋪設平整，回撤支架時扇形帶基本上沒有漏渣，掉包現象；②柔性網縱橫向條帶寬，護表面積大，對頂板浮煤的兜護能力強，避免了撤架時架前浮煤清理任務重的缺點；③柔性網延伸率小，抽架后，能夠有效地整體維護采空區側浮矸，抽架時控制了浮矸隨架遷移現象。

在綜采面末采鋪網階段使用柔性網可實現安全、高效、快速回撤。

5 結 論

1)該種規格的土工格柵隨著荷載的增加試樣的伸長值有所提高，但伸長量均非常小。該材料具有低蠕變特性，耐久性良好。

2)該材料在高溫及低溫作用下，具有良好的延展性和耐高溫耐低溫性，非常適合在高地熱或低溫環境中使用。

3)該系列的土工格柵已成功在兗州興隆莊煤礦推廣使用，取得了較好的工程應用效果。

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