土工布力學性能試驗研究

高慶華，陳隆杰，劉 科，徐 建，劉 亮，傅俊俊，鮑 意，金宇騑，王 聰，謝 斌

(浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

土工合成材料在工程中大量應用[1]，對路基路面起到防滲、過濾及穩定等作用[2]，對結構性能具有重要影響，因此工程上必須采用品質優良的材料[3，4]。任何不符合要求的材料不得用于工程建設，因此每批采購的原材料在使用之前必須進行試驗檢測，符合技術要求方可使用，這給檢測提出了很高的要求，必須采用正確的檢測方法才能得出可靠的檢測結果。檢測方法不當，檢測結果就不準確，這將給委托方造成嚴重影響。若將不合格的材料檢測為合格，給工程使用帶來安全隱患，若將合格檢測為不合格，材料不能及時應用導致工程延期，另外將不合格材料退回廠家，重新再生產而導致供應商人力物力浪費。土工布拉伸試驗和CBR頂破試驗有效反應土工布力學性能，因此，對常見的幾種土工布拉伸試驗和CBR頂破試驗方法進行分析，對相關試驗操作進行改進，從而保證檢測數據的準確性和可靠性，為工程建設提供正確的檢測報告[5-7]。

通過對長絲紡粘針刺土工布、路基穩定濾網、防滲土工布等幾種常見土工布進行拉伸試驗和CBR頂破試驗，對比不同試驗方法對檢測結果產生的影響，通過對幾種不同土工合成材料在溫濕度條件下進行拉伸試驗，研究試驗溫濕度對檢測結果的影響。

1 試驗材料

土工合成材料采用有長絲紡粘針刺土工布、路基穩定濾網、防滲土工布樣品規格如表1所示。

表1 試驗材料

2 試驗儀器及設備

土工合成材料拉伸試驗和CBR頂破試驗采用的儀器如表2所示。

表2 試驗儀器設備

3 試樣制備

根據現行規范要求，土工布拉伸試驗采用的試樣為在樣品同一方向裁取的試樣，試樣數量取5塊，長絲無紡針刺土工布試樣寬度為200 mm，試樣長度220 mm，既能滿足夾具間距離為100，又能保持兩端有足夠長度加持。CBR頂破強度試驗采用直徑為300 mm的圓形試樣，樣品數量為5塊，每塊試樣離外圈50 mm處均勻開6條8 mm寬的槽。

4 試驗檢測

4.1 不同土工合成材料拉伸試驗

拉伸試驗采用夾具處夾襯土工布和未加襯土工布兩種方法進行試驗，采用的土工布為無紡土工布，其他表面光滑、韌性較大、厚度較薄的材料不適合采用，進而比較兩種試驗方法對結果產生的影響。試驗采用波浪型夾具、位移控制系統，位移速率20 mm/min，試樣在20 ℃、65%濕度條件下調節24 h。

通過對長絲無紡針刺土工布在標準環境下調節24 h后進行拉伸試驗，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗結果如圖1所示。

圖1 兩種加持方式下長絲無紡針刺土工布拉伸試驗結果

通過對路基穩定濾網在標準環境下調節24 h后進行拉伸試驗，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗結果如圖2所示。

圖2 兩種加持方式下路基穩定濾網試驗結果

通過對防滲土工布在標準環境下調節24 h后進行拉伸試驗，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗結果如圖3所示。

圖3 兩種加持方式下防滲土工布拉伸試驗結果

4.2 不同土工合成材料拉伸試驗在兩種加持條件下試驗結果分析

通過圖1中5塊試樣試驗數據可以看出，兩種加持方式對長絲無紡針刺土工布的拉伸試驗結果無明顯影響。未加襯土工布條件下，長絲無紡針刺土工布拉伸強度平均值為36.9 kN/m，夾襯土工布條件下，長絲無紡針刺土工布拉伸強度平均值為37.1 kN/m，兩種方式拉伸強度幾乎誤差別，說明長絲無紡土工布拉伸試驗結果不受加襯方式的影響，試驗時可直接對試樣進行加持，不需要在夾具中夾襯墊材。

從圖2中5塊路基穩定濾網試樣試驗數據可以看出，夾持方式對路基穩定濾網拉伸試驗結果影響較大，夾襯土工布下的試驗結果顯著大于未夾襯土工布時的試驗結果，5塊試樣試驗結果相差均在20 kN/m左右，其中最大相差25 kN/m。未加襯土工布條件下路基穩定濾網拉伸強度平均值為43.9 kN/m，夾襯土工布條件下，其拉伸強度平均值為65.6 kN/m，表明夾襯土工布可將試驗結果提高49%。說明在進行路基穩定濾網拉伸試驗時，夾持方式對其結果具有極大影響，因此在進行拉伸試驗時須在夾具內夾襯輔助材料，才能得到準確的試驗數據。

從圖3中5塊防滲土工布試樣試驗數據可以看出，兩種加持條件下防滲土工布拉伸試驗結果幾乎無差別，5塊試樣試驗結果相差基本在2 kN/m上下。未加襯土工布條件下防滲土工布拉伸強度平均值為54.8 kN/m，夾襯土工布條件下防滲土工布拉伸強度平均值為55.5 kN/m，兩種夾襯方式下的試驗結果幾乎相同，表明防滲土工布試驗結果也不受加襯方式的影響，拉伸試驗時可直接對試樣進行加持，不需要在夾具中夾襯墊材。

通過三種土工合成材料拉伸試驗可以看出，材料性質不同，試驗時對夾具的加持要求不同。長絲無紡針刺土工布和防滲土工布對加持方式無要求，無論在夾具中夾襯材料與否均不影響拉伸強度試驗結果，而路基穩定濾網拉伸強度試驗受夾襯方式影響較大，在夾具中夾襯材料，則能顯著提高試驗結果。這種現象受材料組成、厚度、材料表面性能等因素影響，長絲無紡針刺土工布以聚合物紡絲為原料、經紡絲、鋪網、針刺加固而成的，材料柔軟、較厚，表面平整、摩擦大，因此在夾具中較易加持而不滑移。防滲土工布由兩布一膜組成，其中一布為無紡土工布，具有無紡土工布的性能，因此也能在夾具中加持牢固，拉伸結果能準確反應材料性能。選取的路基穩定濾網是改性聚丙烯材質，材料較薄，表面較為光滑，不易加持牢固，拉伸時容易產生滑移。而試樣在加持牢固的情況下，材料主要受試驗機法向拉伸力，克服試驗機拉伸作用而發生塑性變形，直至破裂；相反材料未加持牢固，材料不僅受試驗機法向力作用，還受夾具摩擦力作用，而計算機采集的是材料最大拉伸強度時試驗機的拉力，由于摩擦力作出貢獻從而采集的拉伸試驗結果數據較小。

4.3 不同土工合成材料CBR頂破試驗

三種材料在標準環境下調節24 h，設置萬能試驗機速率為60 mm/min，每種材料分兩組分別在夾襯材料和不加襯材料的方式下進行CBR頂破試驗，三種材料在兩種加持條件下的試驗結果如圖4～圖6所示：其中路基穩定濾網試驗后試樣狀態如圖7所示。

圖4 兩種加持條件下長絲無紡針刺土工布試驗分析

圖5 兩種加持條件下路基穩定濾網試驗結果

圖6 兩種加持條件下防滲土工布CBR頂破試驗結果

圖7 兩種加持方式下CBR頂破試驗后的試樣

從圖4和圖5的CBR頂破試驗數據可以看出，，長絲無紡針刺土工布和防滲土工布試驗結果和他們拉伸試驗結果規律相同，其檢測結果幾乎不受加持方式的影響。長絲無紡針刺土工布在兩種加持方式下CBR頂破強度均值僅相差25 N，防滲土工布在兩種加持方式下CBR頂破強度均值僅相差2 N。從圖5可看出路基穩定濾網受夾具夾襯方式影響較大，夾襯土工布的5塊試樣試驗結果均顯著大于未夾襯土工布的試樣試驗結果，兩種方式試驗結果相差均在1 200 N以上，其中最大相差2 381 N。夾具未加襯土工布的路基穩定濾網CBR頂破強度試驗平均值為4 969 N，夾襯土工布的路基穩定濾網CBR頂破強度試驗平均值為6 754 N，夾具夾襯土工布可將CBR頂破試驗結果提高36%。表明在夾具中夾襯材料能有效提高CBR頂破試驗檢測數據，因此在進行路基穩定濾網CBR頂破試驗時，須在夾具內夾襯輔助材料，才能得到準確的試驗數據，否則因試樣打滑、磨損等因素導致試驗數據變小，不能真實反應材料性能。

圖7是兩種加持方式下CBR頂破試驗的試樣形貌特征，其中左側是未在夾具夾襯材料的試驗形貌，右側是在夾具中夾襯材料的試驗形貌，從圖5中明顯看出，未夾襯材料的試樣經頂破試驗后槽口處有明顯的撕扯脫須現象，這是因為路基穩定濾網厚度較薄，表面光滑，不易加持牢固，槽口在試驗過程中由于圓柱形頂壓桿的頂力作用而受到拉扯，因此產生頂破區域內的材料脫須，脫須導致材料受損，從而使得檢測結果偏小。

4.4 不同溫度下土工合成材料試驗性能

本部分選取路基穩定濾網作為研究對象，選用拉伸試驗進行分析，對路基穩定濾網分別在10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃等5個不同溫度下、65%濕度下進行24 h調節后試驗，從而得出不同溫度下試驗結果變化規律，試驗結果如表3所示。

表3 不同溫度路基穩定濾網拉伸強度試驗結果

對每個溫度下的拉伸強度計算平均值，對其變化規律作如圖8所示。

圖8 不同溫度下路基穩定濾網拉伸試驗結果

從表3可以看出，溫度對路基穩定濾網拉伸強度影響不大，5個溫度下路基穩定濾網拉伸強度試驗結果比較接近。從圖8也可以看出，5組試樣拉伸強度平均值相差不大，最大值與最小值相差僅3.3 kN/m，說明路基穩定濾網拉伸強度對溫度敏感性不大，這可能與材料本身性質有關。現行規范要求試樣在溫度20±2 ℃，相對濕度65±5%的環境下調節24 h，如果試樣不受環境影響，可不必對試驗進行狀態調節，但在試驗記錄中需對當時的環境記錄即可。因此，路基穩定濾網在進行拉伸強度、CBR頂破試驗時可作適當參考。

5 總 結

通過設置材料變量、夾具加持條件、溫度變量研究工程常用的三種土工布拉伸強度試驗和CBR頂破強度試驗方法，從試驗結果可以發現，對兩種試驗方法而言，需要針對材料性質采取相應措施。通過三種材料的拉伸強度試驗和CBR頂破強度試驗結果對比發現，長絲無紡針刺土工布和防滲土工布不受加持方式影響，試驗時可直接用夾具加持，只要確保夾具擰緊即可。相反，進行路基穩定濾網兩種試驗時，需要加襯材料，否則檢測結果不準確。另外對路基穩定濾網在5種試驗溫度下進行拉伸試驗研究，發現，溫度對其試驗結果影響幾乎為零，現行規范并非要求所有土工合成材料必須進行標準調溫調濕，試樣不受環境影響時試驗時在原始記錄詳細記錄實際溫濕度即可，因此對于路基穩定濾網拉伸試驗，可作一定參考。