新型多功能土-土工合成材料试验机在筋土相互作用研究中的应用

丁金华， 童 军，刘 军

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

新型多功能土-土工合成材料试验机在筋土相互作用研究中的应用

丁金华， 童 军，刘 军

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

土-土工合成材料的相互作用是加筋机理研究中的重要问题，筋材性质是加筋土结构设计中的关键参数。为了真实模拟筋材在土中的受力条件，获得更符合实际的材料特性参数，深入探讨筋土相互作用规律，在原土-土工合成材料界面直剪试验仪的基础上，研制了新型的土-土工合成材料多功能试验机。该机采用双伺服电机控制及全自动数据采集系统，通过不同辅助手段和控制模式，可完成土-土工合成材料的界面直剪、拉拔、侧限约束拉伸以及侧限约束蠕变试验。采用不同类型的土工格栅和砂土进行了多项试验，对筋材与土的界面特性、以及筋材在约束作用下的拉伸特性和蠕变特性及其影响因素进行了探讨。试验成果充分验证了该机性能的稳定性和可靠性，为深入掌握筋土相互作用特性提供重要试验依据。

土-土工合成材料试验机；伺服控制；筋土界面相互作用；拉拔试验；侧限约束拉伸试验；侧限约束蠕变试验

1 研究背景

近几十年来，土工合成材料的工程应用在国内外已非常广泛，尤其是在加筋土工程中，涉及到的加筋材料型式越来越多样化，从早期的土工织物和土工带，发展到各种类型的土工格栅、土工格室以及复合型土工合成材料等。在加筋土结构设计中，筋材强度以及填土与筋材之间的界面特性指标是非常重要的参数，其取值的合理性直接影响结构物设计的安全性与经济性。

目前国内外针对筋材短期或长期抗拉强度的相关试验标准(如ASTM D4595—11、ASTM D6637—2010、ASTM D5262—07、GB/T 15788—2005、GB/T 17689—2008、SL235—2012等)均规定筋材在空气中一定温湿度条件下进行无约束拉伸，以此试验条件得到的强度指标作为材料特征参数。但显然这种试验条件与筋材在工程中的应用条件完全相异。作为高分子材料，其力学强度和破坏形式与材料的使用环境和使用条件有关。工程应用中，筋材埋设于土体中，不仅受到土颗粒的约束和摩擦嵌固作用，且承受土压力和外部静/动荷载的作用，必然影响材料强度和变形特性的发展。但由于模拟现场工程条件的试验方法比较复杂，对试验设备的要求较高，使得目前能够反映填土作用下筋材真实力学性质的试验成果还不多见，筋材-土界面相互作用机理也还有待深入研究[1-3]。

本文介绍了一台根据筋土相互作用原理而改制的土-土工合成材料多功能试验机，通过对比分析由该机测得的侧限约束条件下筋材力学性质与常规无约束条件下筋材性质的变化，验证该机在加筋机理试验研究中的可行性和准确性，同时对筋土界面相互作用特性进行探讨。

2 试验机简介

长江科学院在原有土-土工合成材料直剪试验仪的基础上，综合考虑几种试验方法的特点，提出了新型多功能试验机的改造思路，并与生产企业合作制造了国内第一台多功能型土-土工合成材料直剪拉拔蠕变试验机，如图1所示。

图1 多功能土-土工合成材料试验机Fig.1 The multifunctional soil-geosynthetics testing machine

该机由水平和垂直2个相互独立的闭环伺服电气控制系统、剪切盒、应力及变形测量系统等几部分组成。试验全过程及数据采集均采用计算机全自动控制。闭环伺服控制系统是一种自动控制系统，具有高响应、高速性和高精度等优点，主要包括功率放大和反馈系统。垂直荷载采用伺服电机滚珠丝杆施加，量程为0～100 kN，精度0.1%FS。水平荷载量程0～50 kN，精度0.1%FS，通过不同试验模块的控制，可进行0.02～10 mm/min范围内无极调速的应变式试验，也可采用闭环式控制进行应力式试验。

表1 不同土工格栅的基本性质Table 1 Basic parameters of different geogrids

剪切盒尺寸为600 mm×300 mm×300 mm。当只固定上盒，采用水平传力导杆施加水平荷载时，可以完成常规土-土工合成材料界面直剪试验；同时固定上下盒，土工合成材料试样前端采用水平夹具夹持，后端自由时，可完成土-土工合成材料界面拉拔试验；与常规界面直剪拉拔试验仪不同的是，本机在上剪切盒后部增设了倒角型夹具，用以夹持试样后端。当试样前后端同时被固定，并按照要求的剪切速率施加水平荷载时，可完成土工合成材料在土中的侧限拉伸试验；对于侧限蠕变试验，其试样固定方式与侧限拉伸试验相同，但需在试验控制软件中选定闭环控制模式，按照不同应力水平施加相应的水平荷载，伺服控制系统可实现水平荷载的高精度反馈控制，满足蠕变试验对荷载稳定的要求。

近年来已利用该机进行了砂土、黏性土和不同加筋材料之间的界面直剪、拉拔、侧限拉伸以及侧限约束蠕变试验。整机性能稳定，为研究筋土相互作用机理以及材料性能发挥了很大的作用，也为加筋土工程实践提供了参数依据。本文限于篇幅，只选取砂土和HDPE单向拉伸土工格栅以及粘焊型聚酯土工格栅之间的界面拉拔试验、侧限拉伸试验以及侧限蠕变试验进行论述并分析。

图2 风化砂级配曲线Fig.2 Grading curve of weathered sand

3 试验材料

3.1 填 土

试验所用填料为三峡风化砂，级配曲线见图2，颗粒分析得到d60=1.5 mm，d30=0.24 mm，d10=0.12 mm，不均匀系数Cu=12.5，曲率系数Cc=0.32。

试验中控制填料含水率为2%，填筑干密度1.8 g/cm3。

3.2 土工合成材料

试验选用1种高密度聚乙烯(HDPE)单向拉伸塑料格栅和2种粘焊型聚酯PET土工格栅，其标称强度分别为50,30,80 kN/m，根据《土工合成材料测试规程》(SL235—2012)[4]进行了空气中无约束常规拉伸试验，得到的实际拉伸强度和延伸率等见表1。

4 界面拉拔试验

界面拉拔试验方法参照SL235—2012进行，本文只列举HDPE-1#以及PET-2#的拉拔试验成果。试验中垂直荷载分别为5，50，100，200 kPa，拉拔速率为1 mm/min。

图3、图4分别为HDPE-1#和PET-2#格栅在不同垂直荷载条件下拉拔位移-剪应力及垂直荷载-剪应力关系曲线。拟合分析可得该风化砂与2种格栅的界面抗剪强度指标如表2所示。其中由于拉拔试验条件的局限性，当荷载超过一定限度，可能导致筋材在未达界面破坏时就先在自由段发生拉断破坏(如HDPE-1#在200 kPa条件下的情况)，因此HDPE-1#的界面参数仅采用5～100 kPa进行拟合(见图3(b))。

图3 风化砂-HDPE-1#土工格栅界面拉拔试验成果Fig.3 Shear stress vs. pull-out displacement and vertical load of the interface between weathered sand and geogrid HDPE-1#

图4 风化砂-PET-2#土工格栅界面拉拔试验成果Fig.4 Shear stress vs. pull-out displacement and vertical load of the interface between weathered sand and geogrid PET-2#表2 风化砂-土工格栅界面拉拔试验抗剪强度参数Table 2 Shear strength parameters of gravel-geogrid interface obtained by pull-out test

格栅类型c/kPaφ/(°)f*HDPE-1#32.423.20.43PET-2#12.912.70.23

通过试验成果分析可知，不论何种类型格栅，界面拉拔特性都表现出如下一些共同特征：

(1) 上覆荷载越大，砂-格栅界面的剪应力越大。200 kPa时，PET-2#格栅-砂的界面最大剪应力可达57.03 kPa，是垂直荷载为5 kPa时剪应力的4.7倍。

(2) 与无黏聚力的风化砂相比，由于格栅网格的嵌固效应，增强了土颗粒之间的咬合作用，使筋土复合体产生一定的似黏聚力。HDPE-1#的似黏聚力高于PET-2#，这应该与格栅网格尺寸不同而导致的筋土界面实际接触面积不同有关。

(3) 筋土界面的似摩擦角小于风化砂的抗剪强度指标，因此，在加筋设计中必须注意复核筋土界面的抗滑稳定性。

(4) 采用本机对几种格栅进行拉拔试验时，各项数据观测均表明，垂直加载系统的稳定性良好，采用伺服电机施加水平荷载，系统响应迅速，精度和准确度都比较高，克服了大功率液压系统加载和控制的滞后性和波动性。数据采集系统工作状态良好，获得了可靠丰富的试验成果。

5 土中侧限约束拉伸试验

由于目前国内外对于土中的拉伸试验没有统一的试验方法，本文中参照土工格栅无约束拉伸试验规范(GB/T 17689—2008)[5]，将拉伸速率定义为试样初始长度的20%每分钟，即120 mm/min。垂直荷载分别为5，50，100，200 kPa。

采用本机进行的3种格栅在不同垂直荷载条件下的侧限拉伸试验成果见图5。

图5 3种格栅在不同垂直荷载下的侧限拉伸强度变化Fig.5 Confined-tensile strength of geogrids under different vertical loads

由图5可以发现：

(1) 与无约束拉伸相比，侧限约束条件对格栅力学性质有明显影响。

(2) 应力-应变关系曲线表明，砂土约束下，格栅材料的脆性更明显，断裂延伸率普遍降低，一定应变下的割线拉伸模量普遍增大，但断裂强度的变化幅度与上覆荷载和格栅种类有关。

(3) 3种格栅的砂土约束拉伸试验都显示出，在未到达断裂状态前，同样应变对应的格栅强度随上覆荷载的增大而增大，且这种差异与延伸率呈正相关关系。

(4) 不同型式的格栅受砂土约束的影响程度不同。HDPE单向拉伸格栅在上覆荷载<100 kPa时，其力学特性与无约束情况下差别不明显，但PET格栅表现出明显的荷载依赖性，即便同为粘焊型PET格栅，其力学强度随上覆荷载的变化规律也不完全相同。

例如，PET-2#格栅在上覆荷载200 kPa条件下，断裂延伸率仅5.54%，比无约束时的10.08%降低了近45%，断裂强度达91.3 kN/m，较标准强度83.03 kN/m提高了近10%。而PET-3#格栅在同样200 kPa下，不仅延伸率从原来的5.07%降低至1.36%，降幅高达约73%，断裂强度也有所降低，从38.58 kN/m降低了约22%，为30.11 kN/m。但如果从应变的角度分析，相应于侧限约束时断裂延伸率1.36%，PET-3#的无约束拉伸强度仅有16.59 kN/m，远远低于约束条件下的30.11 kN/m。可见，侧限约束对材料性质的影响必须同时结合应力和应变两方面进行分析。土的约束和荷载作用既限制了筋材变形的发展，同时又促使筋材在较小变形时就发挥出更大的强度。

目前的加筋设计中并未考虑筋材在土中的实际工况，一定程度上低估了筋材的力学强度，但对于某些对变形要求严格的工程，必须重视筋材与土作用时其延伸率的变化。

6 土中的侧限约束蠕变试验

蠕变是指材料在稳定荷载作用下持续发生变形的现象，是高分子材料固有的特性。不同原材料制成的土工合成材料，受蠕变的影响，其长期强度与无约束拉伸试验测得的短期强度有很大差别。在加筋土结构设计中，筋材强度需考虑蠕变、施工损伤、老化、动力等多种因素的影响而分别取折减系数，其中蠕变折减系数是折减程度最大的参数[6]。美国联邦公路局(FHWA)针对不同聚合物类型给出了建议值(见表3)[7]。

表3 蠕变折减系数(FHWA)Table 3 Factors of creep reduction given by FHWA

可见，筋材的蠕变特性是加筋土中无法忽视的重要问题。目前加筋材料的蠕变试验仍多限于空气中的材料试验，且限于试验设备和时间，很少有真正时间意义上的长期试验，大多是实验室内的加速蠕变试验，采用一定时间内(1 000～10 000 h)的试验成果，利用时温等效原理等去推求长期蠕变强度(106h)。但与筋材无约束拉伸试验相同的是，考虑到材料在土中的真实受力状态，筋材的长期力学特性必然会与常规蠕变试验得到的结果不同[8-9]。

蠕变试验对荷载稳定性的要求很高，常规的步进式电机难以满足控制精度的要求，采用本文配置双伺服电机作为控制系统的多功能试验机,进行了100～1 000 h内砂土在侧限约束条件下的蠕变试验。

蠕变试验中非常重要的试验参数是蠕变荷载，即筋材受不同应力水平作用所对应的具体荷载值。 虽然在侧限约束作用下格栅拉伸强度已与空气状态中的不同， 但为了方便对比， 仍采用无约束拉伸强度作为蠕变荷载应力水平的计算基础。 由于缺乏相应规范， 本试验参照ASTM D6992—2009[10]及QB/T2854—2007[11]进行。 文献[12]对时温叠加法原理和蠕变试验成果的整理方法进行了阐述，本文不再赘述。

以HDPE-1#格栅为例，首先进行了环境温度为20 ℃，湿度为60%条件下45%～55%应力水平的常规无约束蠕变试验。根据试验结果，当应力水平为45%时，格栅在接近600 h即达到失效应变10%。限于时间因素，未进行更低应力水平(如30%或40%)的蠕变试验，虽然尚不能明确推出该格栅的临界应力水平，但可知其应低于45%。

为方便对比侧限约束对蠕变性质的影响，在定垂直荷载100 kPa条件下，分别进行了应力水平为38%，46%，54%，62%的约束蠕变试验。另外，比较了应力水平46%时，不同垂直荷载(5，100，200 kPa)对约束蠕变特性的影响(见图6)。

根据垂直荷载100 kPa、应力水平46%的200 h侧限约束蠕变试验数据，可拟合趋势线得

ε=0.43lgt+5.42 。

(1)

式中：ε为蠕变应变(%)；t为蠕变历时(h)。近似可知在这种条件下，106h时材料长期变形仅约为8%，远未达到蠕变失效应变10%。也即表明，侧限约束条件下，该格栅的临界蠕变应力水平>46%，但<54%(因54%应力水平下接近1 000 h时蠕变应变已达到蠕变失效应变10%)。结合图6可知：

(1) 砂土约束和荷载作用可明显提高格栅的蠕变临界应力水平，即增大了其长期蠕变强度，相应地蠕变折减系数大为降低。根据前期相关试验成果[13]，对于HDPE格栅，至少可以使蠕变折减系数由常规的2.6～5.0(见表3)降低至2.0左右。

(2) 砂土约束对格栅的蠕变变形影响非常明显。在无约束蠕变的临界应力水平作用下，同样时间内(100 h)埋设于砂土内且垂直荷载100 kPa条件下可使格栅变形降低约32%。

(3) 上覆荷载越大，对格栅蠕变变形的限制作用越明显，但与拉拔试验类似的是，当上覆荷载超过一定界限时，筋材破坏可能首先发生在不受土约束的自由段，如图6(b)中荷载为200 kPa时的试验结果。

对PET-3#格栅也进行了约束蠕变试验，成果见图7。

该格栅的极限延伸率仅5.07%，因此，不可能采用与塑料拉伸格栅相同的蠕变失效应变10%进行评价。根据该格栅的约束拉伸试验成果，考虑采用1.5%作为蠕变失效应变。对垂直荷载100 kPa、应力水平50%的约束蠕变试验数据进行拟合，得趋势线拟合方程为

(2)

将t=106h代入式(2),近似推出106h时蠕变应变约为1.46%，初步可认为该格栅在砂土约束下的临界应力水平约为50%，与表3中建议的无约束条件下PET格栅的蠕变折减系数(1.6～2.5)基本一致。

与HDPE-1#格栅相比，可见不同类型格栅的长期强度受砂土作用的影响程度也不完全相同。实际工程应用中，更应该注意结合筋材种类、结构型式、受力状态等多方面条件，采用合理的试验手段，才能准确确定材料的力学强度。

7 结 论

(1) 采用双伺服电机控制的土-土工合成材料多功能试验机可以完成多项筋土相互作用试验，包括界面直剪试验、界面拉拔试验、土侧限约束下筋材的拉伸试验和蠕变试验。仪器操作方便，控制精度和准确度良好，数据采集系统可实现试验全过程中应力、变形的实时测量和实时显示输出。

(2) 通过该多功能试验机，对3种类型的土工格栅与风化砂的相互作用特性进行了试验研究。试验表明，筋材在砂土作用下的材料力学性质受多种因素的影响，与无约束状态下的特性参数有很大不同。因此，实际工程应用和设计中，应重视筋材在真实受力条件下的试验研究，采用合理的试验方法，获得准确有效的特性参数，以保障工程安全性和经济性。

(3) 界面拉拔试验表明，格栅网格对土颗粒的嵌固作用主要体现在增加了筋土复合体的似黏聚力，具体大小视格栅型式和结构而不同。但筋土界面似摩擦角一般都低于土的内摩擦角。

(4) 砂土约束以及荷载作用对格栅的拉伸变形影响显著。与无约束情况相比，筋材延伸率普遍降低，材料脆性更明显，断裂强度与格栅种类或结构有关。但在同样延伸率情况下，筋材的约束拉伸强度普遍高于无约束条件,说明土的作用可以使筋材发挥更大的强度。

(5) 砂土约束同样对筋材的长期强度影响显著，主要体现在降低筋材的蠕变变形。对HDPE格栅，侧限约束可以提高其蠕变临界应力水平，降低蠕变折减系数。但对PET格栅临界应力水平的影响不明显。

致谢：本文中所用土工格栅均由湖北力特土工材料有限公司提供，谨此致谢。

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(编辑：陈 敏)

Application of a Multifunctional Soil-geosynthetics Testing Machineto Research on Soil-geogrid Interaction

DING Jin-hua, TONG Jun, LIU Jun

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

The interaction between soil and geosynthetics is an important issue in the research of reinforcement mechanism, and the properties of reinforcement material are key parameters in the design of reinforced-soil structure. A new multifunctional soil-geosynthetics testing machine has been developed on the basis of conventional direct-shear test apparatus. The machine consists of two sets of servo motor, automatic control and data acquisition system, and a set of shear box with dimension of 600mm×300mm×300mm, etc. Direct-shear test, pull-out test, confined-tension test and confined-creep test can be conducted on the machine through several auxiliary means and control modes. Furthermore, the sand-confined tensile strength and creep properties of different geogrids were tested and compared. The contribution of geogrid-soil interaction to the strength of soil-geosynthetics was also analyzed. The tests validated that the machine has good operability and accuracy.

soil-geosynthetics testing machine; servo control; interaction of soil-geosynthetics; pull-out test; confined tension test; confined creep test

2016-07-05；

2016-10-07

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2014060/YT)

丁金华(1973-)，女，河南洛阳人，高级工程师，博士, 主要从事环境岩土工程、土工合成材料工程应用研究，(电话)027-82820427(电子信箱)dingjh@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20161030

TU411

A

1001-5485(2017)02-0029-06

2017,34(2):29-34