机织土工布结构与力学性能的关系

尉　霞　罗梁飞

土工布力学性能主要指土工布的强力和伸长特性，它是衡量质量的重要指标。在实际应用中，会有大量土工材料堆积在土工布上，因此要求土工布有一定的强度。此外，还有抗集中载荷的能力，如顶破、撕裂等。土工布的强伸性能直接影响到产品的质量用途，也影响到纺织加工工艺和生产效率。在开发土工布品种时，强伸指标就显得尤为重要，如土工布的强力过大或过小，都会对纺织加工的生产效率造成困难。本文的研究内容可以认识不同因素（水平）在相同水平（因素）条件下对机织土工布力学性能的影响，为改善机织土工布的力学性能提供更科学更合理的方法；最终测试结果的分析研究为机织土工布在公路、河堤、水坝、海港等产业领域的开发和应用提供有价值的参考依据。

1原料及测试仪器

原料：经纬纱均为66.67tex丙纶长丝。仪器：YG（B）026D型电子织物强力机。

2正交试验设计

选取2因素3水平，各因素及水平见表1。

由于正交表选择要求列数m要大于或等于因子的个数，即m≥2，且所选试验次数n尽可能地小。综合考虑，最后选定正交表L9（34）。

3测试结果及正交试验结果

拉伸、撕裂、顶破测试结果见表2。

从表2可以看出，在相同紧度条件下，3种织物的断裂强力大小为：平纹>斜纹>方平。这是由于平纹织物内纱线的交织点最多，浮长最短，拉伸时，织物中受拉伸系统纱线被非拉伸系统纱线挤压力大，经纬纱间切向滑动阻力大，故有助于织物强力的增大。在相同组织条件下，随经向紧度（即经密）的增加，纬向紧度（即纬密）的减小，经向断裂强力增大，而纬向断裂强力减小，这是由于经密的增大使得经纱间的摩擦增大，而纬纱间的摩擦减小。

在相同紧度条件下，3种织物的撕裂强力大小为：平纹>斜纹>方平。这是由于方平织物的经纬纱交织点数少，纱线在撕裂过程中能做相对移动的程度大，使受力三角区增大，受力纱线根数增多，故撕裂强力大。在相同组织条件下，随经向紧度（即经密）的增加，纬向紧度（即纬密）的减小，经向撕裂强力增大，而纬向撕裂强力减小，这是由于经密的增大使得经向受力三角区增大，有利于提高经向撕裂强力。

对于同一种组织，当经、纬纱织缩率和经、纬密度相近时，顶破强力最大；这是由于经、纬两系统纱线同时发挥分担负荷的最大作用。在其他相同条件下，织物的伸长率和织缩率越大，则织物的顶破强力高；这是由于织物的伸长率和织缩率越大，顶破时的顶破伸长大，织物各个方向上的张力在顶裂方向的有效分力也大，故使织物的顶破强力增加。

4方差分析

拉伸（经向）、撕裂（经向）、顶破的方差分析结果及显著性判断见表3。

由表3可看出，断裂强力（经纬向）、撕裂强力（经纬向）的回归方程均是高度显著的，组织和紧度均为影响织物断裂强力（经纬向）、撕裂强力（经纬向）的显著因素，在影响程度上，组织>紧度，即织物组织比紧度更能影响机织土工布的拉伸性能、撕裂性能。顶破强力的回归方程是显著的，紧度对机织土工布的顶破强力影响显著，而组织影响不显著。

5建立回归方程

根据方差分析，得二元回归方程模型为：Y＝β₀＋β₁X₁＋β₂X₂＋ε。把织物组织系数X₁和紧度X₂作为自变量，土工布的强力Y作为因变量，可得如下方程。

（1）经向断裂强力与经向紧度的拟合回归模型为：y＝2588.4－836.371X₁＋13.898X₂；当组织分别是平纹、斜纹和方平时，得出的经向断裂强力与经向紧度的关系式为：Y₁＝1752.03＋13.898X₂，Y₂＝1216.75＋13.898X₂，Y₃＝1143.99＋13.898X₂；其关系曲线见图1。

（2）纬向断裂强力与纬向紧度的拟合回归模型为：＝224.1－870.226X₁＋32.193X₂；当组织分别是平纹、斜纹和方平时，得出的纬向断裂强力与纬向紧度的关系式为：Y₁＝－646.126＋32.193X₂，Y₂＝－1203.07＋32.193X₂，Y₃＝－1278.78＋32.193X₂；其关系曲线见图2。

（3）经向撕裂强力与经向紧度的拟合回归模型为：y＝－122.518＋184.726X₁＋3.986X₂；当组织分别是平纹、斜纹和方平时，得出的经向撕裂强力与经向紧度的关系式为：Y₁＝62.208＋3.986X₂，Y₂＝180.433＋3.986X₂，Y₃＝196.504＋3.986X₂；其关系曲线见图3。

（4）纬向撕裂强力与纬向紧度的拟合回归模型为：y＝－372.904＋181.45X₁＋6.125X₂；当组织分别是平纹、斜纹和方平时，得出的纬向撕裂强力与纬向紧度的关系式为：Y₁＝－191.454＋6.125X₂，Y₂＝－75.326＋6.125X₂，Y₃＝－14.540＋6.125X₂；其关系曲线见图4。（5）顶破强力只有一个显著影响因素，因此得一元回归方程模型为：Y＝β₀＋β₁X＋ε。把织物经向紧度X作为自变量，土工布的顶破强力Y作为因变量，可得拟合回归模型为：y＝168.062＋25.11X。

6结束语

土工合成材料是继钢材、水泥、木材之后的第4种建筑材料，具有较高的拉伸强度、延伸性和整体性、良好的水力特性，能起到较好的隔离、过滤、排水、加筋、防渗、保护、封闭的作用，在堤坝坡岸、公路建设、铁路建设、工业与民用建筑物、农业、环保等领域有着广泛的应用。力学模型不仅是研究描述纺织材料粘弹性力学现象的有力手段，同时可以应用其模拟结果来解释纺织材料的变形机理，并指导生产中的一些问题。

参考文献

[1]吴孟达.高等工程数学[M].北京：科学出版社，2004：164–203.

[2]张有方.工程数学（2版）[M].杭州：浙江大学出版社，2003：266，273–291.