土工布力學性能試驗研究

高慶華，陳隆杰，劉 科，徐 建，劉 亮，傅俊俊，鮑 意，金宇騑，王 聰，謝 斌

(浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

土工合成材料在工程中大量應用[1]，對路基路面起到防滲、過濾及穩(wěn)定等作用[2]，對結構性能具有重要影響，因此工程上必須采用品質優(yōu)良的材料[3，4]。任何不符合要求的材料不得用于工程建設，因此每批采購的原材料在使用之前必須進行試驗檢測，符合技術要求方可使用，這給檢測提出了很高的要求，必須采用正確的檢測方法才能得出可靠的檢測結果。檢測方法不當，檢測結果就不準確，這將給委托方造成嚴重影響。若將不合格的材料檢測為合格，給工程使用帶來安全隱患，若將合格檢測為不合格，材料不能及時應用導致工程延期，另外將不合格材料退回廠家，重新再生產(chǎn)而導致供應商人力物力浪費。土工布拉伸試驗和CBR頂破試驗有效反應土工布力學性能，因此，對常見的幾種土工布拉伸試驗和CBR頂破試驗方法進行分析，對相關試驗操作進行改進，從而保證檢測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，為工程建設提供正確的檢測報告[5-7]。

通過對長絲紡粘針刺土工布、路基穩(wěn)定濾網(wǎng)、防滲土工布等幾種常見土工布進行拉伸試驗和CBR頂破試驗，對比不同試驗方法對檢測結果產(chǎn)生的影響，通過對幾種不同土工合成材料在溫濕度條件下進行拉伸試驗，研究試驗溫濕度對檢測結果的影響。

1 試驗材料

土工合成材料采用有長絲紡粘針刺土工布、路基穩(wěn)定濾網(wǎng)、防滲土工布樣品規(guī)格如表1所示。

表1 試驗材料

2 試驗儀器及設備

土工合成材料拉伸試驗和CBR頂破試驗采用的儀器如表2所示。

表2 試驗儀器設備

3 試樣制備

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，土工布拉伸試驗采用的試樣為在樣品同一方向裁取的試樣，試樣數(shù)量取5塊，長絲無紡針刺土工布試樣寬度為200 mm，試樣長度220 mm，既能滿足夾具間距離為100，又能保持兩端有足夠長度加持。CBR頂破強度試驗采用直徑為300 mm的圓形試樣，樣品數(shù)量為5塊，每塊試樣離外圈50 mm處均勻開6條8 mm寬的槽。

4 試驗檢測

4.1 不同土工合成材料拉伸試驗

拉伸試驗采用夾具處夾襯土工布和未加襯土工布兩種方法進行試驗，采用的土工布為無紡土工布，其他表面光滑、韌性較大、厚度較薄的材料不適合采用，進而比較兩種試驗方法對結果產(chǎn)生的影響。試驗采用波浪型夾具、位移控制系統(tǒng)，位移速率20 mm/min，試樣在20 ℃、65%濕度條件下調節(jié)24 h。

通過對長絲無紡針刺土工布在標準環(huán)境下調節(jié)24 h后進行拉伸試驗，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗結果如圖1所示。

圖1 兩種加持方式下長絲無紡針刺土工布拉伸試驗結果

通過對路基穩(wěn)定濾網(wǎng)在標準環(huán)境下調節(jié)24 h后進行拉伸試驗，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗結果如圖2所示。

圖2 兩種加持方式下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試驗結果

通過對防滲土工布在標準環(huán)境下調節(jié)24 h后進行拉伸試驗，5塊試樣在兩種加持條件下的試驗結果如圖3所示。

圖3 兩種加持方式下防滲土工布拉伸試驗結果

4.2 不同土工合成材料拉伸試驗在兩種加持條件下試驗結果分析

通過圖1中5塊試樣試驗數(shù)據(jù)可以看出，兩種加持方式對長絲無紡針刺土工布的拉伸試驗結果無明顯影響。未加襯土工布條件下，長絲無紡針刺土工布拉伸強度平均值為36.9 kN/m，夾襯土工布條件下，長絲無紡針刺土工布拉伸強度平均值為37.1 kN/m，兩種方式拉伸強度幾乎誤差別，說明長絲無紡土工布拉伸試驗結果不受加襯方式的影響，試驗時可直接對試樣進行加持，不需要在夾具中夾襯墊材。

從圖2中5塊路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試樣試驗數(shù)據(jù)可以看出，夾持方式對路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗結果影響較大，夾襯土工布下的試驗結果顯著大于未夾襯土工布時的試驗結果，5塊試樣試驗結果相差均在20 kN/m左右，其中最大相差25 kN/m。未加襯土工布條件下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強度平均值為43.9 kN/m，夾襯土工布條件下，其拉伸強度平均值為65.6 kN/m，表明夾襯土工布可將試驗結果提高49%。說明在進行路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗時，夾持方式對其結果具有極大影響，因此在進行拉伸試驗時須在夾具內夾襯輔助材料，才能得到準確的試驗數(shù)據(jù)。

從圖3中5塊防滲土工布試樣試驗數(shù)據(jù)可以看出，兩種加持條件下防滲土工布拉伸試驗結果幾乎無差別，5塊試樣試驗結果相差基本在2 kN/m上下。未加襯土工布條件下防滲土工布拉伸強度平均值為54.8 kN/m，夾襯土工布條件下防滲土工布拉伸強度平均值為55.5 kN/m，兩種夾襯方式下的試驗結果幾乎相同，表明防滲土工布試驗結果也不受加襯方式的影響，拉伸試驗時可直接對試樣進行加持，不需要在夾具中夾襯墊材。

通過三種土工合成材料拉伸試驗可以看出，材料性質不同，試驗時對夾具的加持要求不同。長絲無紡針刺土工布和防滲土工布對加持方式無要求，無論在夾具中夾襯材料與否均不影響拉伸強度試驗結果，而路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強度試驗受夾襯方式影響較大，在夾具中夾襯材料，則能顯著提高試驗結果。這種現(xiàn)象受材料組成、厚度、材料表面性能等因素影響，長絲無紡針刺土工布以聚合物紡絲為原料、經(jīng)紡絲、鋪網(wǎng)、針刺加固而成的，材料柔軟、較厚，表面平整、摩擦大，因此在夾具中較易加持而不滑移。防滲土工布由兩布一膜組成，其中一布為無紡土工布，具有無紡土工布的性能，因此也能在夾具中加持牢固，拉伸結果能準確反應材料性能。選取的路基穩(wěn)定濾網(wǎng)是改性聚丙烯材質，材料較薄，表面較為光滑，不易加持牢固，拉伸時容易產(chǎn)生滑移。而試樣在加持牢固的情況下，材料主要受試驗機法向拉伸力，克服試驗機拉伸作用而發(fā)生塑性變形，直至破裂；相反材料未加持牢固，材料不僅受試驗機法向力作用，還受夾具摩擦力作用，而計算機采集的是材料最大拉伸強度時試驗機的拉力，由于摩擦力作出貢獻從而采集的拉伸試驗結果數(shù)據(jù)較小。

4.3 不同土工合成材料CBR頂破試驗

三種材料在標準環(huán)境下調節(jié)24 h，設置萬能試驗機速率為60 mm/min，每種材料分兩組分別在夾襯材料和不加襯材料的方式下進行CBR頂破試驗，三種材料在兩種加持條件下的試驗結果如圖4～圖6所示：其中路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試驗后試樣狀態(tài)如圖7所示。

圖4 兩種加持條件下長絲無紡針刺土工布試驗分析

圖5 兩種加持條件下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)試驗結果

圖6 兩種加持條件下防滲土工布CBR頂破試驗結果

圖7 兩種加持方式下CBR頂破試驗后的試樣

從圖4和圖5的CBR頂破試驗數(shù)據(jù)可以看出，，長絲無紡針刺土工布和防滲土工布試驗結果和他們拉伸試驗結果規(guī)律相同，其檢測結果幾乎不受加持方式的影響。長絲無紡針刺土工布在兩種加持方式下CBR頂破強度均值僅相差25 N，防滲土工布在兩種加持方式下CBR頂破強度均值僅相差2 N。從圖5可看出路基穩(wěn)定濾網(wǎng)受夾具夾襯方式影響較大，夾襯土工布的5塊試樣試驗結果均顯著大于未夾襯土工布的試樣試驗結果，兩種方式試驗結果相差均在1 200 N以上，其中最大相差2 381 N。夾具未加襯土工布的路基穩(wěn)定濾網(wǎng)CBR頂破強度試驗平均值為4 969 N，夾襯土工布的路基穩(wěn)定濾網(wǎng)CBR頂破強度試驗平均值為6 754 N，夾具夾襯土工布可將CBR頂破試驗結果提高36%。表明在夾具中夾襯材料能有效提高CBR頂破試驗檢測數(shù)據(jù)，因此在進行路基穩(wěn)定濾網(wǎng)CBR頂破試驗時，須在夾具內夾襯輔助材料，才能得到準確的試驗數(shù)據(jù)，否則因試樣打滑、磨損等因素導致試驗數(shù)據(jù)變小，不能真實反應材料性能。

圖7是兩種加持方式下CBR頂破試驗的試樣形貌特征，其中左側是未在夾具夾襯材料的試驗形貌，右側是在夾具中夾襯材料的試驗形貌，從圖5中明顯看出，未夾襯材料的試樣經(jīng)頂破試驗后槽口處有明顯的撕扯脫須現(xiàn)象，這是因為路基穩(wěn)定濾網(wǎng)厚度較薄，表面光滑，不易加持牢固，槽口在試驗過程中由于圓柱形頂壓桿的頂力作用而受到拉扯，因此產(chǎn)生頂破區(qū)域內的材料脫須，脫須導致材料受損，從而使得檢測結果偏小。

4.4 不同溫度下土工合成材料試驗性能

本部分選取路基穩(wěn)定濾網(wǎng)作為研究對象，選用拉伸試驗進行分析，對路基穩(wěn)定濾網(wǎng)分別在10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃等5個不同溫度下、65%濕度下進行24 h調節(jié)后試驗，從而得出不同溫度下試驗結果變化規(guī)律，試驗結果如表3所示。

表3 不同溫度路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強度試驗結果

對每個溫度下的拉伸強度計算平均值，對其變化規(guī)律作如圖8所示。

圖8 不同溫度下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗結果

從表3可以看出，溫度對路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強度影響不大，5個溫度下路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強度試驗結果比較接近。從圖8也可以看出，5組試樣拉伸強度平均值相差不大，最大值與最小值相差僅3.3 kN/m，說明路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸強度對溫度敏感性不大，這可能與材料本身性質有關?，F(xiàn)行規(guī)范要求試樣在溫度20±2 ℃，相對濕度65±5%的環(huán)境下調節(jié)24 h，如果試樣不受環(huán)境影響，可不必對試驗進行狀態(tài)調節(jié)，但在試驗記錄中需對當時的環(huán)境記錄即可。因此，路基穩(wěn)定濾網(wǎng)在進行拉伸強度、CBR頂破試驗時可作適當參考。

5 總 結

通過設置材料變量、夾具加持條件、溫度變量研究工程常用的三種土工布拉伸強度試驗和CBR頂破強度試驗方法，從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，對兩種試驗方法而言，需要針對材料性質采取相應措施。通過三種材料的拉伸強度試驗和CBR頂破強度試驗結果對比發(fā)現(xiàn)，長絲無紡針刺土工布和防滲土工布不受加持方式影響，試驗時可直接用夾具加持，只要確保夾具擰緊即可。相反，進行路基穩(wěn)定濾網(wǎng)兩種試驗時，需要加襯材料，否則檢測結果不準確。另外對路基穩(wěn)定濾網(wǎng)在5種試驗溫度下進行拉伸試驗研究，發(fā)現(xiàn)，溫度對其試驗結果影響幾乎為零，現(xiàn)行規(guī)范并非要求所有土工合成材料必須進行標準調溫調濕，試樣不受環(huán)境影響時試驗時在原始記錄詳細記錄實際溫濕度即可，因此對于路基穩(wěn)定濾網(wǎng)拉伸試驗，可作一定參考。