HDPE焊接型土工格室结点拉伸力学特性试验研究

蒲昌瑜，刘欣超，苏鹏辉，杨广庆

（1.河北省交通规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北省高速公路京雄筹建处，河北 保定 071799；3.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

0 引言

由于三维网状结构的土工格室具有良好的固土效果，在路基边坡防护中得到广泛应用。边坡上铺设土工格室后，在格室内土体的作用下结点受力较为复杂，可能会受到剪切力、对拉力、剥离力作用。一些学者通过数值模拟和室内试验强调了结点对土工格室性能发挥的重要性。结点在土工格室单元内发挥着承受并传递荷载的作用。结合结点所发挥的作用及其多种模式的受力状态可知结点易失效。若结点出现失效，首先会降低土工格室对单元内土体的侧向约束，其次土体的渐进运动可能会导致不平衡的荷载传递，进而可能会使结构发生进一步的失效破坏。

本文结合京雄（北京-雄安新区）高速公路河北段HDPE焊接型土工格室路基边坡生态防护工程，对土工格室结点进行了四种类型的室内拉伸试验，包括结点焊缝拉伸、结点剪切、结点剥离、结点对拉试验。通过试验记录拉伸数据及强度-位移关系曲线，并观察相应的破坏方式，分析总结了HDPE焊接型土工格室结点在不同受力下的失效机制。

1 试验方案

1.1 试验设备

室内拉伸试验设备采用DW1210土工合成材料电子强力试验机，可以通过调整材料参数，在测试过程中实时记录被测试材料的应力和变形情况，最终绘制出力-时间、力-变形等的拉伸曲线。

1.2 土工格室

试验试样选用京雄（北京-雄安新区）高速公路河北段路基边坡防护使用的高密度聚乙烯（HDPE）焊接土工格室。图1为边坡防护铺设土工格室工程现场，土工格室结点的具体形式如图2所示。

1.3 试验方案

土工格室结点拉伸试验参照交通行业标准《公路工程土工合成材料土工格室》（JT/T 516—2004）和《铁路工程土工合成材料土工格室》（Q/CR 549.1—2016）。土工格室结点不同类型拉伸试验的试样尺寸和试验方式如表1和图3所示，试验拉伸速率为50mm/min。

表1 结点试样尺寸

通过结点拉伸来模拟土工格室结点在边坡中可能存在的受力状况，探究土工格室结点的失效机制，同时评估现场土工格室的材料特性，使我们进一步了解土工格室的相关性能。此外，为方便分析，均按照规范要求，试验拉伸强度以N/cm表示。

2 不同拉伸力作用下结点的失效机制研究

2.1 焊缝拉伸试验

取五组土工格室试样进行焊缝拉伸试验。受轴向拉伸力作用时，焊缝拉伸强度与伸长位移的关系如图4所示。试验结果显示所有的试样焊缝拉伸试验曲线表现出类似的趋势，峰前区域线性增长位移约14mm左右时达到峰值强度，而峰后区域强度消减更快速。试样的焊缝抗拉强度范围为321.00～345.00N/cm，整体上相差不大。

图5为焊缝在轴向拉伸力作用下的拉伸断裂图示。所有五组试样的拉伸破坏均表现为焊接点焊缝处的延伸破坏。破坏的方式有两种，一种是从中间开始出现断裂直到完全分开，另一种是到达断裂强度时破坏从一侧向另一侧不断延伸。焊缝拉伸试验全过程，条带无明显变化，反映出带焊缝接头位置属于强度薄弱带。

2.2 剪切试验

五组土工格室试样结点剪切试验过程中剪切强度与位移的关系曲线如图6所示。

所有的试验结果表现出相似的性质，峰前区域呈类似的线性增加且相互之间抗剪强度差异不大，最大抗剪强度为177.00N/cm，最小为172.00N/cm。随着拉伸位移的增加，曲线行为更加接近于HDPE土工格室条带的标准拉伸曲线。剪切应力达到峰值之前呈线性增加，达到峰值屈服强度后开始出现应变软化（应力减小），随后进入大变形阶段（应力基本保持不变），最后进入应变硬化阶段（应力增大），直至试样破坏。

结合结点剪切试验拉伸过程中试样的破坏模式（图7），可以看出试验过程均表现为与结点连接的条带出现明显的伸长变形及细颈现象，最后在焊接结点与条带的连接处发生破坏，并没有发生两条条带在焊接处的分离。这表明，焊接结点不可能在剪切力作用下发生破坏，结点的抗剪强度应高于试验中得到的剪切屈服应力。结点剪切试验拉伸断裂发生的原因很大程度上是由于焊接结点的特性引起的，焊接结点由两条带超声波焊接形成，导致在结点附近产生薄弱区域且容易出现应力集中。

2.3 剥离试验

五组土工格室试样结点剥离试验过程中剥离强度与位移的关系曲线如图8所示。可以看出剥离强度在105.00～115.00N/cm之间，试样的拉伸曲线类似，峰前区域的强度上升速度与峰后区域强度下降速度基本接近。

图9为典型试样的剥离试验拉伸断裂图。所有试样的剥离破坏方式均发生在焊接结点与条带的连接处，同样表明焊接结点在焊接过程中易损害材料且易形成应力集中，从而导致了该破坏方式的发生。试验中发现焊结点两侧小范围内存在直接分开的现象，这可能是土工格室生产制造过程质量控制不严，焊接结点不合格导致。

2.4 对拉试验

五组土工格室试样结点对拉试验过程中对拉强度与位移的关系曲线如图10所示。所有的试验结果表现出相似的性质，且峰前区域与剥离试验类似，但峰后区域强度快速降低。最大对拉强度为225.00N/cm，最小对拉强度为193.00N/cm。典型的破坏方式表现为图11中所展示的断裂过程，焊接在一起的条带完全分离。

3 结论

本文针对京雄（北京-雄安新区）高速公路河北段路基边坡防护用HDPE土工格室进行了一系列结点强度室内拉伸试验，模拟土工格室结点在边坡上可能会受到的拉伸力、剥离力、剪切力、对拉力。对比和分析了不同作用模式下的结点拉伸强度及曲线行为等，观察其破坏模式。主要结论如下：

（1）焊缝拉伸试验的焊缝抗拉强度最高，焊缝拉伸破坏表现为焊点处的破坏。

（2）剪切试验表明，剪切力作用下结点不易发生破坏，而结点和条带连接处会因为应力集中而发生断裂。

（3）剥离试验的抗剥离强度在所有结点拉伸试验中表现出的强度最低，表明实际应用中土工格室结点更容易发生剥离破坏。剥离拉伸破坏发生在结点和条带连接处。

（4）结点对拉试验的破坏表现为两个焊接条带的直接分离。