鄭曉國,陳隆杰
(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋?qū)W院,浙江 杭州 311112;2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院)
由于短纖針刺土工布具有重量輕、滲透性好、抗拉強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、抗冷凍、耐候性等特點(diǎn);具有加筋、排水、過濾、隔離、封閉、防護(hù)作用,被廣泛應(yīng)用于路基加筋、邊坡防護(hù)、公路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)動館、圍墾、隧洞、碼頭等工程領(lǐng)域。但是,短纖針刺土工布應(yīng)用于工程建設(shè)時(shí),常埋置于巖、土體中,當(dāng)巖、土體發(fā)生位移,尤其碰到石塊、堅(jiān)硬土塊時(shí)土工布受力超過其頂破強(qiáng)度,土工織物極易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中,發(fā)生斷裂破壞,對巖、土體整體的隔離、加筋、防護(hù)等造成較大影響,給工程建設(shè)埋下一定的隱患,并且深埋或者表面覆蓋的土工織物受自然條件影響,處于不同含水率狀態(tài),負(fù)溫環(huán)境會對其頂破特性同樣產(chǎn)生較大影響,因此,對于公路邊坡防護(hù)、路基加筋等工程而言,短纖針刺土工布頂破性能的研究非常重要。
頂破特性是土工織物重要的力學(xué)特征之一,目前成為路基的加筋、邊坡防護(hù)、軟基與路基隔離、碎石排水暗溝濾層、水工建筑的隔離等工程重要檢測指標(biāo)之一。之前不少學(xué)者在土工織物的頂拉伸性能方面進(jìn)行了一定的研究,但是都未考慮溫度因素對土工織物的影響。劉路路等將負(fù)溫因素考慮在內(nèi),研究了不同含水量下短纖針刺土工布在負(fù)溫環(huán)境下的抗拉性能,但未涉及頂破特性。還有一些學(xué)者對土工織物的頂破性能進(jìn)行了一定的研究,但是都未考慮負(fù)溫的影響。例如,儲才元等基于拉伸應(yīng)力與主模量夾角函數(shù)、最小斷裂伸長率和試樣尺寸等參數(shù),推導(dǎo)得出了土工織物頂破強(qiáng)力計(jì)算公式;張?zhí)礻柕冉柚鶤baqus對土工織物的頂破過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,從宏觀與微觀角度深入分析了頂破土工織物的應(yīng)力應(yīng)變分布、能量吸收機(jī)制以及摩擦作用的影響;朱靜等分析了頂破鋼球直徑、頂破速度和夾環(huán)半徑對織物頂破強(qiáng)力的影響;焦亞楠等通過試樣研究得到,當(dāng)模壓溫度為170 ℃、保溫時(shí)間為40 min時(shí),亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的頂破性能達(dá)到最優(yōu)。
基于以上對土工織物的研究總結(jié),低溫環(huán)境下短纖針刺土工織物頂破性能的研究少之又少,并且短纖針刺土工布頂破性能對實(shí)際工程的應(yīng)用研究具有重要作用,所以該文分別在含水率為0%、5%、15%、30%、50%、80%,試驗(yàn)溫度為20(常溫)、0、-3、-6、-9、-12 ℃條件下進(jìn)行頂破強(qiáng)力試驗(yàn),得到不同含水率條件下頂破強(qiáng)力與溫度預(yù)測方程,同時(shí)分析頂破強(qiáng)力增量隨著溫度的變化趨勢,闡述負(fù)溫環(huán)境下短纖針刺土工織物頂破的變形機(jī)理與雙峰值機(jī)理。
頂破儀器采用YG031P型土工織物試驗(yàn)機(jī),強(qiáng)力測試范圍為0~6 000 N,測力精度<±0.2%,沖破下降速度為100 mm/min,沖破最大下降動程為120 mm,有效最大頂破動程為90 mm,傳動方式為單獨(dú)雙速電動機(jī)傳動。
圖1為短纖針刺土工布頂破破壞試樣及YG031P
圖1 短纖針刺土工布試樣及試驗(yàn)機(jī)
型土工織物頂破試驗(yàn)機(jī)。
按照1.2節(jié)的試驗(yàn)步驟,將含水率為0%、5%、15%、30%、50%、80%的短纖針刺土工布試樣分別在試驗(yàn)溫度20、0、-3、-6、-9、-12 ℃的條件下進(jìn)行頂破強(qiáng)力試驗(yàn),得出不同含水率與試驗(yàn)溫度條件下頂破強(qiáng)力平均值如表1所示。
表1 頂破強(qiáng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果
注:括號中數(shù)據(jù)為不同溫度和含水率下試樣試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。
由表1可知:當(dāng)溫度為室溫,土工布含水率從干燥狀態(tài)增加到80%,頂破強(qiáng)力僅減少0.09 kN,說明常溫環(huán)境下含水率對其頂破強(qiáng)力程度影響較小,主要原因在于含水率增加,土工布內(nèi)部聚合物分子之間的摩擦牽引作用降低,但是從試驗(yàn)結(jié)果看來,降低程度較小,對其聚合物分子之間的牽拉作用影響甚微。然而,當(dāng)試驗(yàn)溫度從20 ℃降低到-12 ℃,6種含水率工況下,土工布頂破強(qiáng)力分別增加0.88、0.91、0.94、1.07、1.16 kN。當(dāng)溫度處于0 ℃以下,土工布頂破強(qiáng)力隨溫度的降低反而增加。當(dāng)溫度一定時(shí),隨著含水率的增加,頂破強(qiáng)力逐漸增加。當(dāng)溫度位于0~-3 ℃范圍波動時(shí),增長趨勢不明顯;當(dāng)溫度達(dá)到-9 ℃,增長趨勢顯著,尤其當(dāng)溫度達(dá)到-12 ℃,相比于干燥狀態(tài)的短纖針刺土工布,頂破強(qiáng)力增加6.8%。分析其主要原因是,負(fù)溫下的短纖針刺土工布要克服外力達(dá)到頂破破裂,首先要打破聚合物分子之間的冰體連接強(qiáng)度,然后再克服聚合物分子之間的連接強(qiáng)度,冰體強(qiáng)度隨著溫度降低,越來越“硬”(但是當(dāng)溫度低于某個值時(shí),冰體強(qiáng)度不再增加),而且聚合物顆粒之間的連接力同樣增加,活動性降低,需要更大的外界做功才能打破顆粒之間的連接作用達(dá)到頂破土工布的效果,所以土工布對外表現(xiàn)出頂破強(qiáng)度提高,這與劉路路的負(fù)溫環(huán)境土工布的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果類似。
對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析,當(dāng)函數(shù)類型為拋物線時(shí),回歸分析效果最好,得到短纖針刺土工布在不同含水率條件下頂破強(qiáng)力與負(fù)溫的擬合方程為:
F=aT2+bT+c
(1)
式中:F為頂破強(qiáng)力(kN);T為溫度(℃);a、b、c為擬合系數(shù)。
利用式(1)對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合曲線見圖2,擬合方程與參數(shù)見表2。
圖2 不同含水率下頂破強(qiáng)力與溫度關(guān)系曲線
表2 頂破強(qiáng)力與溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合
由表2可以看出:擬合方程相關(guān)系數(shù)較高,可以對相關(guān)工程及土工布再加工提供一定的參考,土工布的加工過程,要考慮低溫的影響。
以室溫(20 ℃)下短纖針刺土工布的頂破強(qiáng)力為基準(zhǔn),為了更加全面地描述不同含水率下低溫環(huán)境對短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力的影響,提出短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力增量(DI)概念:
DI=(F-F20 ℃)/F20 ℃
(2)
式中:F20 ℃為室溫20 ℃下對應(yīng)的頂破強(qiáng)力(kN)。
分別對不同含水率與試驗(yàn)溫度下的頂破強(qiáng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到不同含水率下頂破強(qiáng)力增量與溫度的關(guān)系曲線,如圖3所示。
由圖3可知:① 與室溫條件下短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力相比較而言,從整體上可以看出在不同含水率條件下,土工布頂破強(qiáng)力增量隨著溫度降低呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢,溫度越低,頂破強(qiáng)力增量越大;② 當(dāng)溫度處于負(fù)溫環(huán)境下,土工布含水率越高,頂破強(qiáng)力增量越大。
圖3 頂破強(qiáng)力增量與溫度關(guān)系曲線
短纖針刺土工布主要由滌綸、丙綸與維綸組成,多孔隙,從微觀角度來看,通過聚合物分子鏈之間的連接,該文建立了如圖4、5所示在負(fù)溫和常溫下短纖針刺土工布頂破破壞過程內(nèi)部機(jī)理變化圖,破壞變形主要分為3個階段:彈性變形、塑性變形、破壞階段。
圖4 負(fù)溫下短纖針刺土工布變形機(jī)理圖
圖5 常溫下短纖針刺土工布變形機(jī)理圖
圖4、5中,eef為負(fù)溫下土工布彈性變形量;epf為負(fù)溫下土工布塑性變形量;eeu為常溫下土工布彈性變形量,epu為常溫下土工布塑性變形量。
當(dāng)頂破試驗(yàn)時(shí)間相同,eef 從頂破試驗(yàn)結(jié)果可以看出:當(dāng)含水率增加時(shí),應(yīng)力應(yīng)變曲線會出現(xiàn)兩個峰值強(qiáng)度,并且含水率越高第一個峰值強(qiáng)度越明顯,原因在于不僅僅要克服土工布聚合物分子鏈之間的連接強(qiáng)度,還要克服冰體分子之間的連接強(qiáng)度,由于冰體分子之間接觸更加緊密,所以首先打破冰體分子之間的連接,出現(xiàn)第一個峰值強(qiáng)度,此時(shí)聚合物分子鏈還未啟動,雖然應(yīng)變增加,但應(yīng)力隨之下降,之后土工布開始承擔(dān)外力,總頂破強(qiáng)力又逐漸上升,達(dá)到聚合物分子鏈的峰值強(qiáng)度直至破壞。 (1) 建立了不同含水率與溫度條件下的短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力預(yù)測方程,可以為實(shí)際工程提供參考。 (2) 短纖針刺土工布頂破強(qiáng)力損失量隨著溫度降低呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,土工布含水率越高,頂破強(qiáng)力損失量越大,溫度越低,頂破強(qiáng)力增量越大。 (3) 短纖針刺土工布頂破變形主要分為3個階段:彈性變形、塑性變形、破壞階段。負(fù)溫環(huán)境下頂破試驗(yàn)雙峰強(qiáng)度的出現(xiàn)主要在于外力不僅要克服土工布聚合物分子鏈之間的連接強(qiáng)度,還要克服冰體分子之間的連接強(qiáng)度。4 結(jié)論