模型土工格栅应变测量方法研究

彭卫平, 陈凌伟, 刘 伟, 张庆华, 李从安

(1.广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060; 2.长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉 430014)

土工合成材料因其适应变形能力强、造价低廉、施工简便而被广泛应用于岩土工程中[1]。加筋土通过在土体中铺设土工合成材料,减小土体侧向变形,有效提高了土体的抗剪强度。随着我国西部基础设施建设的发展,加筋高陡边坡屡见不鲜,如攀枝花机场和在建河池机场最大填方高度达60 m,重庆万州五桥机场最大填方高度64 m,重庆新城巫山处理最大填方高度57 m。高填方加筋边坡不仅带来较大的竖向沉降,还存在较大水平位移,加筋体筋土间变形协调问题更为复杂。认清加筋边坡中筋材的应力应变分布,以及筋土间相互作用机理是研究加筋边坡筋土协调变形的关键。

离心模型试验通过对原型缩尺N倍,置于N倍离心场,采用离心场模拟重力场再现原型的应力应变,使模型达到与原型应力应变相等、变形相似的效果,而离心模型试验中模型对原型的正确缩尺是模型试验成功与否的关键所在。加筋边坡筋材的缩尺问题是离心模型试验面临的首要问题。

文献[2-6]通过加筋边坡离心试验中对筋材进行了模拟和测试;文献[7-10]以环氧树脂为介质在土工织物表面粘贴应变片，测量软土地基加筋路堤离心模型试验中筋材轴力,并与数值分析结果进行对比,较好验证了测试方法的可行性;文献[11-12]通过在纱布上涂抹502胶水并黏结于有机玻璃薄板上,通过标定试验将模型土工织物的应变值换算得到有机玻璃板的张力,但502胶水本身刚度较大,粘贴接触面易脱落且受人为因素影响较大,具体操作过程复杂,较难实施;文献[13-15]通过在高密度聚乙烯三维土工网上涂抹环氧树脂并粘贴应变片的方法测量筋材应变,开展了模型土工格栅分级加载和连续加载标定试验,提出了考虑时间因子的环氧树脂窄条拉伸线弹性模型和广义开尔文模型,并通过离心模型试验中图像分析方法对模型土工格栅应变测试技术进行验证,测试结果验证了模型土工格栅测试方法的可行性,但其材料几何尺寸与原型的差异较大,势必会对土体应力扩散造成影响。本文在保证材料几何尺寸相似的前提下,采用高密度聚乙烯塑料窗纱开展筋材的相似比试验。

1 测量方法

根据等效抗拉强度相似原则,进行多种材料的抗拉强度比选试验,选定材质为高密度聚乙烯,网目为18目,丝径为0.18 mm,采用平织而成的塑料窗纱,作为本次离心模型试验的加筋材料,根据文献[16]进行试样窄条纵、横向拉伸试验。选取塑料窗纱的横向方向作为试验方向,材料平均极限抗拉强度为6.25 kN/m,平均极限延伸率为96.92%,对应2%、5%应变材料强度分别为0.69、1.60 kN/m。模型格栅材料抗拉强度试验结果见表1所列。

表1 模型格栅材料抗拉强度试验结果

模型土工格栅具有各向异性、材料非连续、表面光滑、延伸率大等特点,采用一般应变片(尺寸2 mm×3 mm)只能覆盖于格栅表面2～3根丝径上,难以粘贴牢固,因此需采用一定的辅助介质,而环氧树脂胶具有绝缘防水、力学性能优良的特点,可作为本次试验优选方案之一。采取传统柔性703胶和环氧树脂进行窄条拉伸试验对比,如图1所示。试验设备选用SANS CMT4304微机电子万能试验机,力传感器量程为10 kN,相对误差为±0.05%。数据采集仪选用dataTaker DT85G应变采集仪,可同时进行16通道的数据采集。试验方法如下:

(1) 根据文献[16],选取高密度聚乙烯塑料窗纱窄条,宽度为5 cm,标距为10 cm。

(2) 通过专用磨具,对于柔性胶,在窗纱两侧均匀涂抹703胶放置晾干;对于环氧树脂胶则将窗纱置于磨具中间,在两侧涂抹环氧树脂胶并控制胶带厚度均匀。

(3) 在窄条上、下1/3位置粘贴应变片,连接数据采集仪。

(4) 为避免窄条拉伸过程中夹持端应力集中,采用厚夹持带做为缓冲材料固定窄条两端进行张拉,并监测试验过程中窄条的力-时间-应变关系,同时监测试验中胶带应变值。

(5) 通过数据处理得到同一时刻下窗纱抗拉强度-应变关系以及抗拉强度-胶条应变关系。

通过在拉力机上对高密度聚乙烯塑料窗纱进行窄条拉伸试验,得到力-时间、位移-时间关系曲线,同时应变采集仪测量格栅拉伸过程中环氧树脂条带上的应变片测量值,得到应变-时间关系曲线。试验过程中发现采用703胶条拉伸过程中,应变测量值极为紊乱,这主要是由于窄条拉伸过程中,条带沿长度方向变形的同时沿宽度方向发生收缩,导致粘贴于柔性胶上的应变片难以准确测量格栅应变,而环氧树脂固化拉伸时沿宽度方向应力分布均匀,不会发生收缩变形,应变测量值较为稳定。

图1 窄条拉伸试验对比

拉伸过程中环氧树脂应变-时间、筋材抗拉强度-时间关系曲线如图2所示。从图2可以看出,拉伸过程中随着荷载增加,环氧树脂条带应变随之增加,当荷载达到最大荷载6.10 kN/m(平均值)时,荷载不再增加,此时环氧树脂条带测量应变值为645×10-6(平均值),随后应变值不再增长。高密度聚乙烯塑料窗纱在拉伸过程中,起初随着拉力增加,窗纱变形随之增大,环氧树脂条带受拉应变值随之增加;当荷载达到塑料窗纱所能承受的最大拉力时,塑料窗纱进入塑性阶段,其变形将持续增长。由于环氧树脂条带刚度大于塑料窗纱刚度,保持外荷载不变,塑料窗纱变形增加将导致环氧树脂应变减小,测量应变值不再增长,受应力集中的影响,此时环氧树脂条带与窗纱交界处变形持续增加并最终拉断。由此可知,当环氧树脂条带应变达到约645×10-6时,格栅开始进入塑性阶段,此时格栅将不适合继续承载,对应荷载为6.10 kN/m。

图2 窗纱抗拉强度-应变-时间关系曲线

根据环氧树脂条带标定试验的力-时间、应变-时间关系曲线,以应变为横轴,以抗拉强度为纵轴，得到抗拉强度-应变关系曲线如图3所示。

图3 窗纱抗拉强度与应变关系曲线

从图3可以看出,当应变范围在0～645×10-6，荷载随之增加,通过添加指数趋势线,得到抗拉强度随应变变化关系为:

其中,x为应变测量值。当x>645×10-6时,材料达到屈服阶段,此时认定材料达到破坏状态,不适于继续承载。

2 离心模型试验与结果分析

试验模拟某削山填沟高陡加筋边坡,边坡为二级边坡,边坡总高度为35.4 m,下部坡高为13.2 m(削坡坡比1∶0.7),上部坡高为22.2 m(坡比1∶0.5),筋材极限抗拉强度为60 kN/m,层间距0.5 m。离心模型试验采用长江科学院CKY-200土工离心机模拟。

根据原型尺寸,选用模型率N=60,即离心机运转加速度为60g。模型尺寸及监测布置如图4所示(单位为cm)。

图4 离心模型试验模型尺寸及监测布置图

根据等效抗拉强度相似准则,选取模型土工格栅极限抗拉强度6.10 kN/m,离心模型试验中土工格栅应变布置如图5所示(单位为cm),边坡加筋长度为20 cm,在加筋范围内等间距布置3条环氧树脂条带,在条带中间粘贴应变片,模型制作时将土样分层击实,然后铺设模型土工格栅,在格栅上覆土分层击实后将格栅平铺并向上反包,试验过程中通过数据采集系统测量各层格栅上应变片的实时曲线,换算得到筋材抗拉强度。

图5 模型土工格栅应变布置图

本次离心模型试验土料选用压实黏土,填料1和填料2的物理力学参数见表2所列。离心模型试验按照每10g为1级,每级停留6 min。离心机运行过程中加载时间-加速度曲线如图6所示。

表2 模型填筑材料物理力学参数

图6 加速度-时间关系曲线

试验过程中通过测量筋材应变,换算得到不同阶段筋材内力,加速度为40g和60g时加筋体筋材抗拉强度分布如图7所示。

图7 40g和60g时模型筋材抗拉强度分布

下部坡体失稳破坏俯视图如图8所示。

图8 下部坡体失稳破坏俯视图

观察上部加筋体,从图7可以看出,40g时底层临近坡脚位置筋材抗拉强度最大,至60g时筋材抗拉强度发展至6.10 kN/m,筋材进入塑性阶段;中部筋材40g时最大抗拉强度值位于加筋体与既有坡体交界处,为1.65 kN/m;60g时底层筋材进入屈服阶段,中部筋材最大抗拉强度增加至3.17 kN/m,此时下部坡体在上覆荷载作用下发生侧向挤出,坡体失稳破坏,加筋体内部坡脚至H/3(H为坡髙)高度位置形成潜在滑动面,潜在滑动面上筋材抗拉强度最大。

3 结 论

本文采用高密度聚乙烯塑料窗纱作为模型土工格栅,通过在模型格栅上黏结柔性703胶条与环氧树脂条带进行拉伸试验,采用在模型土工格栅表面涂抹环氧树脂条带并粘贴应变片的方法,监测离心模型试验过程中筋材内力分布。研究结果表明:

(1) 环氧树脂胶条带与柔性703胶条相比,黏结效果稳固,对于高密度聚乙烯塑料窗纱模型材料具有良好的适应性。

(2) 在模型格栅上下表面涂抹环氧树脂条带,并粘贴应变片测量筋材内力,测量结果较好反映了加筋边坡的筋材应力分布,验证了格栅测试方法的可行性。

(3) 下部坡体未加筋时在上覆荷载作用下,发生侧向挤出失稳,加筋边坡底层筋材进入屈服阶段,加筋边坡内坡脚至H/3(H为坡高)高度形成潜在滑动面。

研究成果对优化筋材测量方法、厘清筋-土相互作用机理具有一定意义。