（道路与铁道工程专业论文）土工合成材料铺设损伤的试验研究.pdf

摘要 摘要 在加筋土和路面裂缝防治工程中，压实机械的碾压是导致土工合成材料强度 降低的主要原因，已有的研究资料表明：土工合成材料所承受的损伤主要在施工 阶段，使用期对土工合成材料的损伤影响较小，土工合成材料如果能承受施工期 间的铺设损伤，则亦可以承受使用期间的使用损伤。 为正确确定铺设损伤指标，本文首先对土工合成材料的基本力学特性进行了 分析，明确土工合成材料铺设损伤试验所需要的主要指标，以目前用于加筋的常 用土工合成材料为研究对象，针对工程应用的实际情况，确定出以室内模拟试验 为主、同时配合现场试验作为验证的试验方法。在此基础上做了大量的室内外试 验，并用数理统计方法和人工神经网络理论对试验结果进行分析，揭示出了土工 合成材料铺设损伤规律。 分析研究发现，影响土工合成材料铺设损伤的主要因素是填料类型。对于土 工织物，单位面积质量也是影响其铺设损伤的一个重要因素：对于塑料土工格栅， 不同格栅的肋间距也是影响其铺设损伤的一个重要因素。填料中粗颗粒的坚硬程 度及土工格栅节点的联结方式对土工合成材料影响要小的多。在经过大量试验和 理论分析的基础上，本文给出了土工合成材料在不同施工条件下铺设损伤后强度 折减系数的建议值，并提出了减小铺设损伤的有关建议。本文所得出的成果对工 程设计、施工其有重要的指导意义。 关键词：土工合成材料铺设损伤宽条样拉伸试验折减系数 a b s t r c t a b s t r c t i ns o i lr e i n f o r c e m e n ta n dp a v ec r a c kp r e v e n tw o r k ，c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n ti st h e m a i nf a c t o rf o rg e o s y n t h e t i c si n s t a l l a t i o nd a m a g e t h er a n g eo fs t r e n g t hl o s sr e p o r t e d f o raw i d er r a n g eo fg e o s y n t h e f i c sv a r i e sb e t w e e n1 0a n d7 7 p e x c e n t i tw o u l db e e n d u r e dt h ed a m a g ed u r i n gt h ew o r k i n gt i m ei fi th a v eb e e ne n d u r e dt h ed a m a g eo f i n s t a l l a t i o n f o rc o n f i r m i n gt h et a r g e to f i n s t a l l a t i o na c c u r a t e l y t h ep a p e ra n a l y z e dg e o s y n t h e t i c st h eg e o s y n t h e f i c s sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c a n d d e f i n i t u d e dt h e t a r g e t o fg e o s y n t h e t i c sd a m a g et e s t u s i n ga b u n d a n c ek i n d o f g e o s y n t h e t i c sa st h es t u d yo b j e c ta n dl i n ko f p r o j e c tp r a c t i c ei n s t a n c e a n das e r i e so f s i m u l a t et e s t sw a sp e r f o r m e di nl a b o r a t o r ya n di nw o r ks i t e b yu s eo f t h es t a t i s t i ca n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt h e o r e t i c s ，t h el a wo fg e o s y n t h e t i c sd a m a g e h a sb e e nd i s c o v e r e d s i n g n i f i c a n tl o s so ft e n s i l es t r e n g t hh a sb e e na t t r i b u t e dt og e o s y n t h e t i cd a m a g e d u r i n gc o n t r s t r u t i o n ，i ns o i lr e i n f o r c e m e n ta p p l i c a t i o n s t h i sd a m a g ei s n o tt i m e d e p e n d e n ts i n c ei to c c u r sd u r i n gt h eb a c k f i l lp l a c e m e n ta n dc o m p a c t i o no p e r a t i o n s i n s t a l l a t i o nd a m a g ec o u l db eas i g n i f i c a n tr e d u c t i o nf a c t o ri nt h ed e t e r m i n a t i o no fa n a l l o w a b l ed e s i g ns t r e n g t hf o rp e r m a n e n ta p p l i c a t i o n s i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h em a i n f a c t o r i n g e o s y n t h e t i cd a m a g e i st h e t y p e o fb a c k f i l lm a t e r i a l f o r g o e t e x t i l e s ，g e o t e x t i l ew e i g h t ss h o u l db e c o n s i d e r e dt h ea n o t h e rm a i nf a c t o r i n g o e t e x t i l e sd a m a g e t h es p a c eb e t w e e nt w on e i g h b o r h o o dr i b si sa n o t h e rm a i n f a c t o r i ng e o g r i dd a m a g e a n g u l a r i t yo fb a c i l l ia n do t h e rf a c t o ri si ns u b o r d i n a t e ds t a t i o n b a s e do nal o to ft e s t si nl a b o r a t o r ya n di nt h es i t ec o n d i t i o n s ，a n dr e c u rt ol a r g eo f t h e o r ya n a l y s i s ，t h ei n s t a l l a t i o nd a m a g er e d u c t i o nf a c t o rf o ru l t i m a t el i m i ts t a t ed e s i g n w a sg i v e n a n di tp r o v i d e di m p o r t a n tr e f e r e n c em a t e r i a lf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o f s o i ir e i n f o r c e m e n t k e y w o r d ：g e o s y n t h e t i e ，i n s t a l l a t i o nd a m a g e ，w i d e w i d t ht e n s i l es t r e n g t h ，r e d u c t i o n f a c t o r 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕氧诵 日期：年年争月9 日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密回，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：歹菇滴、指导教师签名：巧嘲箩旦 f i 期：畔年年月9e 1日期：抽弘年4 月罗日 第一章概述 第一章概 1 1 研究的目的和意义 述 在路堤加筋及路面裂缝防治工程中，施工机械，特别是压路机在其碾压过程 中对土工合成材料的损伤是导致土工合成材料强度降低的主要因素之一，国外的 研究资料表明，不同施工条件下因铺设所造成的土工合成材料强度降低范围在 1 0 7 7 之间：由此可见铺设过程对土工合成材料的损伤有着较大的影响。 针对土工合成材料的铺设损伤，现行公路土工合成材料应用技术规范 ( j t j f f 0 1 9 9 8 ) 也曾有所考虑，那就是采用单一的折减系数法将影响土工合成材料 强度降低的多种因素如蠕变、老化和铺设损伤等综合包括进去n 1 。该规范的颁 布实施，对推动土工合成材料在公路工程中的应用发挥了极为重要的作用，使土 工合成材料应用数量急尉增加。使用也更加规范。但同时也发现采用单一的折减 系数难以准确的考虑不同施工环境下土工合成材料强度降低问题，使土工合成材 料的合理选择变得十分困难。美国等发达国家，对土工合成材料老化、生物损伤 等不同影响因素分别进行了较为深入的研究，并提出相应的折减系数来分别考虑 不同因素所引起的土工合成材料强度降低问题，其提出的折减系数，远远大于我 国现行规范提出的折减系数。我国近几年来土工合成材料的推广应用和实践也表 明，采用单的土工合成材料折减系数是不恰当的，必须分项考虑，特别是对铺 设损伤等引起的土工合成材料强度降低问题。国内虽然也有个别学者对土工合成 材料铺设损伤进行过些试验尝试，但是尚未给出适合工程应用的定量化的结 果。国外( 尤其欧美) 研究结果表明，土工合成材料的最不利状态是在施工铺设 阶段，如果土工合成材料经受得起施工铺设过程中产生的应力，那么就能经受使 用阶段的应力口1 ，由此可以看出铺设损伤对土工合成材料工程应用的影响。因 此，对土工合成材料铺设损伤进行研究，正确确定出相应的损伤指标，是工程应 用中所需要迫切解决的问题。 近几年来，我国交通建设事业有了很大发展，特别是上个世纪9 0 年代以来， 我国公路，特别是高等级公路的通车里程有了迅速提高，西部大开发的提出，使 我国公路建设事业又有了新的飞跃。而随着公路网的不断扩展，公路通过区域也 越来越复杂，为处理复杂条件下的工程情况，土工合成材料的应用也越来越广泛。 土工合成材料大量应用于填土加筋、路面裂缝防治和边坡防护等场合。在这 第一章概述 些场合中，土工合成材料一方面要面临比较复杂的接触介质，比如有细粒土、土 石混合土及碎石等；另一方面在填土加筋和路面裂缝防治中要承受施工机械和车 辆荷载的碾压作用n 】。上述作用因素的影响必将导致土工合成材料特性降低， 但具体降低程度如何，只有通过对土工合成材料铺设损伤进行研究，制定出相应 指标，将其应用于设计中，正确地指导土工合成材料应用。 近年来我国新修公路3 0 万公里，其中有3 万公里高速公路建设3 ，在这些 公路建设与养护中，大量应用了土工合成材料，为土工合成材料应用提供了广阔 的市场。因此，合理确定土工合成材料铺设损伤指标，为正确选择材料、确保工 程安全、避免材料浪费，都将具有重要意义。 1 。2 国内外研究现状及发展趋势 土工合成材料是一种新型岩土工程材料，经过几十年来的发展，目前己成为 与钢材、水泥、木材并列的四大岩土工程材料之一卟1 。它是以人工合成的聚合 物，即塑料、化学纤维、合成橡胶为原料，制造成各种类型的产品，置于土体内 部、表面或各层土体之问，发挥过滤、排水、隔离、加筋、防渗、防护等作用”1 。 土工合成材料可分为土工织物、土工膜、复合工合成材料和特种土工合成材料等 类型。广泛用于水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、机场、军工、环 保等工程的各个领域殛3 。 由于土工合成材料具有良好的工程性能，因此自3 0 年代末第一次应用于土 木工程中以来，迄今已广泛应用于土木工程的各个领域。我国虽起步较晚。但发 展速度很快。随着基础设施的不断建设，土工合成材料的需求还会迸一步增加。 随着应用的不断扩展，也暴露出一些迫切需要解决和关注的问题。其中土工 合成材料的铺设损伤特性便是在公路工程建设中越来越广泛关注的问题之一，它 直接影响着土工合成材料的实际应用效果。 国内外有关单位和机构对土工合成材料铺设损伤特性作了不少有益研究，并 取得了一些成果。 b o n a p a r t e ( 1 9 8 8 年) 对七处现场进行观测，将已铺设1 2 年的轻质土工织物挖 出，并测试其剩余的力学强度。结论指出：织物老化主要是由于机械损伤引起的。 这种损伤是铺设应力、使用期应力和其他因素综合的影响。根据现场原始条件的 不同，原始强度保持率在5 0 札8 5 之间。 第一章概述 k o e r n e r ( 1 9 8 8 年) 模拟4 8 种不同施工条件，应用6 0 余种土工织物和格栅， 按其不同作用，如加筋、隔离和排水等工作状况，进行了埋入土中，再取出观测 其强度变化的研究工作，绘出了孔洞数与强度保持率的关系图。 由于该项试验是将试样埋入土中一、两天挖出测试的，因此所得结果仅为土 工合成材料铺设过程的铺设损伤而不包括使用损伤。试验资料中没有给出强度损 失与织物类型、现场使用条件以及石料、地基类型关系，但得出了这样结论：在 大量试样上都观测到，因铺设造成的孔洞是使材料强度降低的主要因素。孔洞数 愈多，原始强度降低愈多0 1 。 w a t t sa n db r a n d y 以及w r i g h ta n dg r e e n w o o d 等也各自用不同类型填料做 了t e n a x 与t e n s a r 和p e tg e o g r i d s 格栅铺设损伤对比试验，试验皆依据b s 6 9 0 6 或i s 0 1 0 3 1 9 规程中的宽条样拉伸试验对原始试样和铺设后损伤试样进行拉伸， 同时还做了部分单肋拉伸。并用原始试样的极限拉伸强度与损伤后试样的极限拉 伸强度比值，求出强度折减系数。试验结果发现：不同原材料类型的土工格栅， 其铺设损伤特性差异较大，其中t e n a x 格栅铺设后最低剩余强度达9 2 ，t e n s a r 次之，为7 2 ，而p e t 格栅的最低剩余强度仅有5 1 。此外，w r i g h ta n dg r e e n w o o d 还给出了以上三种塑料土工格栅在砂、砾类土和石灰岩三种不同填料下的强度折 减系数，见表1 2 1 。 表1 2 1 不同类型塑料土工格栅在不同填料下的铺设损伤系数 填料类型 石灰岩砂砾类土 格栅类型 t e n a x 丌4 0 1 s a m p 1 0 01 0 01 0 0 t e n s a rs r5 51 3 9l 0 61 2 0 p e tg e o g r i d1 4 9 1 0 61 0 7 由上表也可看出不同填料类型对不同土工格栅的影响，其中t e n a x 格栅具有 最佳耐损伤性能，三种填料下铺设后强度几乎没有变化。p e t 格栅的强度折减系 数最大。从上表中还可以看出，针对同一种填料，不同原材料类型的塑料土工格 栅还具有不同的耐损伤性能，在某一填料下损伤比其他材料严重的塑料土工格 栅，在另一种填料下则可能具有较好的耐损伤性能“。 s i n t e f ( w a n t ，e i k s u n d ，1 9 9 7 ) 用不同无纺织物做现场试验，并用吸收能( 土 第一章概述 工织物拉伸试验中应力应变血线以下的面积，单位为k n m ) 来衡量不同织物的 损伤情况，结果发现，土工织物的吸收能是决定破坏强度的重要参数。 r d i e d e r i c h 选用四种不同类型的1 4 块土工织物进行铺设损伤试验，试验 在一块2 m x 2 5 m 的钢板上进行，首先取当地软粘土置于钢板上整平压实成2 5 c m 厚的土层，再在土层上铺设土工织物，然后从5 0 c m 高的地方洒落2 5 c m 厚高炉矿 渣到事先铺好的土工织物上，并用7 t 振动压路机碾压4 遍，碾压完毕后取出试 样，去除边缘2 5 c m ，从剩余1 5 mx 1 5 m 部分上测出织物的表面刺破孔的数目和 孔径，由此计算出每个试样的表面积破坏率( ) ，并用宽条样拉伸试验测定剩 余拉伸强度。 试验结果发现：表面积破坏率与强度剩余率有很好的相关关系，而与拉伸强 度、c b r 顶破强度、握持强度及撕裂强度等力学性能指标相关关系不明显；试验 还发现，土工织物的单位面积重和厚度只是描述性参数，只有对于质量均匀且在 同种生产工艺下的产品，其破坏强度才直接与单位面积质量有关。表面积破坏率 与吸收能之间有良好的相关关系，当吸收能小于3 k n m 时，织物明显破坏，而当 吸收能大于3 k n m 时，铺设损伤对织物破坏不明显。同时土工织物吸收能与破坏 强度之间的相关关系不受织物生产过程和物理结构影响口 。 国外发达国家，特别是美国对土工合成材料铺设损伤已有深入细致的研究， 美国试验与材料协会还颁布了相应的试验标准a s t m 5 8 1 8 1 9 9 5 “从用于评估铺设 损伤试验区取出土工合成材料试样的规程”。该规程详细提供了铺设损伤试验的 应用范围、定义和步骤，现将该规程大体内容和在美国己取得的成果简述如下“1 。 土工合成材料铺设损伤的影响因素主要有以下几方面： 用于填料摊铺的机械重量和类型 压实机械的重量和类型 土工合成材料的种类和规格( 单位面积质量) 填料的埋填厚度 填料的种类和颗粒硬度。 通过铺设损伤所得到的一些有效数据已被用于工程设计。通常做铺设损伤试 验倾向于应用粗糙尖锐的填料、较薄的埋填厚度以及较重的压实机械碾压，以保 证得出的试验结果具有足够的工程安全性。导致铺设后强度降低的最重要影响因 4 第一章概述 素是填料类型( 用d 5 0 来衡量) 、填料颗粒坚硬程度和士工合成材料的单位重量 或厚度。 由此所得出的结论是：轻型土工织物更易受到损伤，损伤程度与织物的单位 面积质量成反比，通常2 7 0 9 m 2 规格的土工织物被认为是在铺设中能够承受铺设 损伤的界限，低于该单位面积质量的土工织物承受铺设损伤的能力将大大降低。 还有学者对高密度聚乙烯塑料土工格栅铺设损伤做了深入研究，研究中考虑 到的因素有格栅厚度、压实度以及填料的埋填厚度和填料中颗粒类型，研究成果 表明：格栅的损伤程度随格栅厚度和单位面积质量的增加而降低，损伤程度随填 料中颗粒径( d s o ) 的增加而增加，当d 5 0 2 5 m m 时，强度损伤更快。 埋填厚度对铺设损伤的影响要小一些。试验发现在1 5 0 2 3 0 m m 之间的埋填 厚度对强度降低的影响较小，应用重型振动光面压路机对塑料土工格栅碾压4 遍和8 遍，结果发现对其造成的损伤差别较小。 在加筋土工程中应针对土工合成材料进行全幅宽铺设损伤试验。铺设用试样 和原始对比试样的试验方法均参照a s t md 一4 5 9 5 。强度折减系数r f i d ( d e f a u l t r e d u c t i o n f a c t o r ) 按照以下的公式进行计算： 7 1 r f 。= 二业生生 乙。 式中：t 。n d 。为未铺设原始试样的拉伸强度， t d 。为铺设损伤后试样的拉伸强度。 在任何情况下，土工合成材料的强度折减系数r f 。都不得低于1 1 0 。 为获得有效的设计指标，试验条件应与工程实际条件相接近，故试验中应考 虑实际工程条件下颗粒类型、填料种类、颗粒硬度、碾压设备及覆盖层厚度， 并建议覆盖层厚度一般不低于1 5 0 m m 。 同时文献 1 还给出了铺设后不同施工条件和不同土工合成材料损伤系数 r f 。的建议值，见表1 2 2 。 a s t m 给出的铺设损伤试验步骤如下： 首先在需要做试验的平整场地上铺设并压实3 0 0 m m 厚的下卧层，要求下 卧层所用填料与铺设用填料一致。 将土工合成材料的主要受力方向沿加筋土工程的受力主方向放置，要求 第一章概述 土工合成材料被拉直平整，不得有褶皱或卷曲，然后在四周加以固定，相邻两块 土工合成材料至少应重叠1 5 0 m m ，最低限度要求使用3 m x 5 m 大小的试样。 表1 2 2 不同土工合成材料在不同填料下的铺设损伤折减系数推荐值 n o 土工合成材料填料类型( 1 ) 最大颗粒粒填料类型( 2 ) 最太颗粒粒 径1 0 2 r a m d 5 0 = 3 0 m m径2 0 m m ，o f 0 = 0 7 m l 低密度( h d p e ) 单向土工格栅 1 2 0 - 1 4 51 1 0 一1 2 0 2 聚丙烯( p p ) 双向土工格栅1 2 0 1 4 5 1 _ 1 0 - 1 2 0 3 聚氯乙烯( p v c ) 覆盖的聚丙烯格栅 1 3 0 一1 8 51 1 0 - 1 3 0 4 丙烯酸覆盖聚丙烯格栅 1 3 0 2 0 51 2 0 _ 1 4 0 5 有纺土工织物( p p p e t )1 4 0 2 2 0l - 1 0 一1 4 0 6 无纺土工织物( p p & p e t )1 4 0 - 2 5 01 1 0 1 4 0 7 裂膜编织土工织物( p p )1 6 0 3 0 01 1 0 2 0 0 在已铺设好的土工合成材料上摊铺2 0 0 - 2 5 0 m m 厚填料并用装载机整 平。 用重量4 5 0 0 1 3 6 0 0 k g 的光轮振动压路机进行碾压，最小碾压密实度要 达到a a s h t o 所规定的9 5 压实度，最大碾压次数可达l o 次以上。 用人i d , 心地将碾压密实后的填料移走，挖掘出铺设试样，记录下土工合 成材料所受到的明显损伤，包括每平方米的可见孔洞数。 选取铺设后试样进行拉伸试验，选样时用一个6 0 0 x 8 0 0 m m 的模版放置 在整块试件中央，从中选取1 2 块相连的试样，每块试样尺寸为2 0 0 m m x 2 0 0 m m 。 并将在挖掘过程中曾经遭受过损伤的试样弃之不用，保留其余试样，1 2 块试样 中要求最低拉伸9 块试样。对于高强土工织物，需要增加试样长度以适应滚筒夹 具的夹持需要。对于硬性塑料土工格栅，试样要求至少保持纵向3 肋横向5 肋； 柔性塑料土工格栅，横向至少要保证7 肋。 国内有些学者按照不同间距将各种级配的石灰土铺在塑料土工格栅上，然后 用摊铺机铺开，并用重型振动压路机压实后，挖掘出试样进行宽条样拉伸试验。 发现铺设后塑料土工格栅极限抗拉强度有轻微降低，降低程度与填料颗粒粒径有 关。同时该试验还给出了短期拉 申和长期持续荷载试验结果，结果表明：当材料 处于使用期时，其刚度没有显著变化，故设计时无须考虑使用期损伤。对于一定 6 第一章概述 范围内填土，为计算设计强度，同时还给出了考虑施工活动影响的铺设损伤强度 折减系数推荐值，见表1 2 3 。 表1 2 3 考虑籀工活动影响的铺设损伤强度折减系数推荐值1 基本土类型良好级配填土的 土工格栅铺设损伤强度折减系数推荐值 晟大粒径尺寸 s r 5 5s r 8 0s r l l 0 砾石7 5 m 粗1 4 51 3 01 1 5 碎石 2 0 m m 中 1 2 51 2 01 1 0 粘土6 细l1 01 1 0 1 0 5 文献 1 2 3 为研究不同压实机械和施工条件对塑料土工格栅损伤的程度，用 自行式光面压路机( 自重1 4 t ，激振力3 0 t ) 和拖动式羊角碾( 自重1 8 t ，激振 力4 0 t ) 对不同虚铺厚度的填土进行碾压，压实度为9 3 。其中对应于自行式光 面振动压路机选用1 5 c m 、3 0 c m 和4 5 c m 三种填土虚铺厚度：对应于拖动式振动 羊角碾选用了1 4c m 、2 0c m 、2 8c m 、3 0c m 和3 8c i t i 五种填土虚铺厚度。 试验发现：不同压实机械和填土厚度对塑料土工格栅铺设损伤的影响不同， 当用羊角碾压路机，填土虚铺厚度在2 5 c m 时，塑料土工格栅抗拉强度损失最小， 增大和减少填土的虚铺厚度都将使塑料土工格栅抗拉强度的损失增大：当用光轮 压路机，填土虚铺厚度在3 0 c m 左右时对塑料土工格栅抗拉强度的影响最大，增 大和减少填土虚铺厚度都将减小土工格栅抗拉强度损失，所得试验结果见表 1 2 4 。 研究还发现：当用羊角碾施工时，塑料土工格栅延伸率损失随填土虚铺厚度 的增大而增大；当用光面压路机施工，在填土虚铺厚度为3 0 c m 左右时，塑料土 工格栅延伸率损失最大增大和减小填土虚铺厚度塑料土工格橱延伸率的损失都 将减小。 羊角碾表面凸块的压伤对土工格栅延伸率的影响很小，而压路机行走带给塑 料土工格栅的间接拉力则对其延伸率影响显著。当填土虚铺厚度较小时，羊角碾 压路机对塑料土工格栅的损伤主要来源于羊角碾表面凸块对其压伤，填土虚铺厚 度增大到一定值后，压路机的行走才开始起主要作用，而延伸率的损失主要来源 于压路机行走，因此采用羊角碾施工时，塑料土工格栅的延伸率损失表现为随填 土虚铺厚度增大而增大。同样，由于相同虚铺厚度的填土达到相同压实度时，采 7 第一章概述 用羊角碾压路机的压实遍数较光面压路机少，所以从总体上看，羊角碾压路机对 塑料土工格栅延伸率的损伤较光轮压路机小。 表1 2 4土工格栅施工损伤试验结果表 压路机虚铺厚抗拉强度延伸率抗拉强度延伸率损机械损伤断裂数 度( c m ) ( k n m )( ) 损失( ) 失( )数量( 处)量( 处) 羊角碾 1 45 1 6 09 - 3 3 80 28 5 9 羊角碾 2 05 32 09 1 051 71 0 8 7 纵4 横1 4纵3 羊角碾2 85 4z 0 09 6 33 7 45 6 5纵5纵l 羊角碾3 05 3 3 39 0 34 9 3l l5 2 纵4 0 羊角碾 3 8 5 0 6 78 8 79 6 91 3 1 6纵10 光轮压路机 1 55 2 6 0 9 1 762 41 0 2 2纵20 光轮压路机 3 04 84 786 7 1 3 6 11 5 1 2纵1 横0 光轮压路机 4 55 1 6 788 77 9 01 31 6 纵20 注：1 、“机械损伤”为目祝严重变形损伤，“断裂”为纵向筋肋和横向联结的断裂： 2 、机械损伤和断裂数量中的“纵”表示格栅的纵向筋肋，“横”表示横向联结。 采用光面压路机施工时，压路机的行走对土工格栅的损伤较为均匀，且对 格栅的机械损伤较少。采用羊角碾压路机施工时，在填土虚铺厚度较薄的情况下， 土工格栅机械损伤和断裂情况严重，但有随填土虚铺厚度增大而减少的趋势，在 填土虚铺厚度大于3 0 c m 后，断裂现象消失，机械损伤现象也有明显减少。表明 羊角碾表面凸块对土工格栅的机械损伤较为严重，但有随填土虚铺厚度增大而减 少的趋势。 根据现场铺设损伤试验可知，羊角碾的凸块对土工格栅有一定的损伤。由此 可推知，塑料土工格栅铺设基面上以及填土中的石块和类似凸出、坚硬物也将影 响土工格栅的力学性能，因此在铺设塑料土工格栅前，应对铺设基面以及填土进 行检查，清除可能对格栅造成损伤的石块等坚硬物。 现场施工损伤试验表明，填土虚铺厚度在3 0 c m 以上时，采用羊角碾路机进 行碾压，既能减少施工中土工格栅抗拉强度和延伸率的损失，又能有效减小碾压 对塑料土工格栅的机械损伤。 与国外发达国家的研究成果相比，国内对土工合成材料铺设损伤的研究无论 第一章概述 从广度还是深度上都还存在很大差距，实际研究工作才刚刚起步，所得出的多是 一些定性结论，很多结论尚未得到工程实践检验。缺乏能够用于指导工程实际的 定量化结果，对工程实际应用的指导意义不大。 1 3 本文的工作 土工合成材料的铺设损伤在很多不同的应用场合都会遇到。如在路堤加筋、 路面裂缝的防治工程中，由于碾压而造成的损伤；在边坡防护工程中，由于设立 土钉或锚杆、人工回填土时造成的损伤：在防渗工程中，由于回填土所造成的损 伤等。但就目前公路应用的情况看，第一种是主要情况，本文以此作为研究对象。 我国产业用纺织品从8 0 年代逐步发展起来，经过2 0 多年的发展，我国土工 合成材料的生产水平和能力已有很大提高，无论产品数量还是品种、规格都己基 本满足了我国工程建设需要。在目前工程中，9 5 以上采用国内生产的产品。因 此，本文以国产土工合成材料为主要研究对象，这不仅结合我国的工程实际，而 且有利于进一步改进提高我国的产品质量、促进民族工业的发展。 据不完全统计，1 9 9 8 年国内土工合成材料生产企业不足2 0 0 个，到2 0 0 0 年 就已超过5 0 0 个，其中非专业和不成规模的企业很多，目前正常生产的企业估计 有3 0 0 家左右“”“，仅土工织物就有上百个品种。若对众多厂家的品种进行铺 设损伤试验。试验量极为艰巨。而且我国幅员辽阔，实际工程中所用到的填料也 多种多样，不可能针对每种填料做土工合成材料的损伤试验。本文在对国内加筋 土工程和路面裂缝防治工程所用材料及施工工况进行广泛分析的基础上，确定出 以应用最为广泛的无纺土工织物、塑料土工格栅和玻璃纤维土工格栅“三类土 工合成材料作为研究对象，选择实际工程中应用较为普遍的填料，以光面振动压 路机碾压作为试验模拟工程工况。通过不同土工合成材料在不同类型填料下。铺 设前后拉伸强度对比开展研究，提出不同情况下土工合成材料铺设损伤的建议 值。 具体来说，本文的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 )在试验方法上，通过对土工合成材料基本力学特性的分析并结合国 外研究成果，确定出铺设损伤试验所需要的主要力学指标，分析了该指标与其他 一些指标的相关关系，并就影响该指标的主要因素进行了进一步研究，并据此给 出本文确定该指标的试验方法。 第一章概述 ( 2 )在充分了解国内土工合成材料的生产厂家及主要品种的基础上，结 合目前公路工程实际，确定出铺设损伤的试验方法。以室内模拟试验为主，同时 结合工程做现场试验来验证室内试验结果。针对庞大的试验工作量，以正交试验 方法为主进行试验。 ( 3 )对所选用的土工合成材料的原始试样及铺设后的损伤试样进行宽条 样拉伸试验，得出损伤前后土工合成材料力学特性，通过二者比较，确定出不同 情况下的损伤试验数据。 ( 4 )针对影响铺设损伤的主要因素，如填料种类、颗粒性质等，应用数 理统计及b p 神经网络理论对试验数据进行分析，由此确定出各因素对土工合成 材料损伤的影响程度，并对两种分析方法加以比较，最终确定出土工合成材料在 不同情况下的损伤系数。 ( 5 )通过现场铺设损伤试验对所提出的损伤指标及影响因素进行工程实 践的检验，从而验证该指标的实用性和正确性。 l o 第二章土工合成材料基本力学特性的研究 第二章土工合成材料基本力学特性的研究 土工合成材料损伤主要是在铺设过程中由旋工机械碾压引起，只有通过对铺 设前后土工合成材料基本力学性能的变化进行对比，才能对损伤情况有一个明确 的界定。本章对土工合成材料基本力学特性及其影响因素进行研究，在此基础上， 确定出用于评价土工合成材料损伤前后的力学指标和相应的试验方法。 2 1 土工合成材料的基本力学特性 2 1 1 土工合成材料的基本力学特性及相互关系 土工合成材料的技术指标通常分为四大类：即物理指标、力学指标、水力 指标和耐久性指标。在以上所有指标中，与加筋作用关系最为密切的是力学指标。 土工合成材料的力学指标是多方面的，表征的方法也不同，其力学特性的 指标主要有：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、顶破强度、刺破强度，穿透强度、 材料的蠕变特性等“。在众多力学特性中。拉伸断裂强度与断裂伸长率是土工 织物最重要的性能指标之一。同时。由于土工合成材料是柔性材料，在加筋土工 程中主要承受拉伸荷载以发挥工程作用，故其拉伸特性也是加筋土加筋结构设计 的重要材料参数。比如在路堤加筋中，考虑的主要技术指标是土工合成材料抗拉 强度特性、延伸率与以及土工合成材料与填料的摩擦系数等三方面的因素，在路 面裂缝防治设计中，所考虑的唯一力学指标也是抗拉强度：而且对于土工格栅和 玻璃纤维格栅来说，其顶破强度和撕裂强度不好定义和确定，土工织物的顶破强 度和撕裂强度往往与抗拉强度有较为密切的关系。故本文主要以抗拉强度作为上 述三类土工合成材料铺设损伤的主要研究指标。除了拉伸断裂强度外，工程中还 常用到2 应变和5 应变对应的拉伸强度作为制造和设计标准，但由于土工合 成材料在不同延伸率下具有相同的损伤规律，文献 8 得出，铺设损伤后2 、 5 应变对应的拉伸强度和拉伸断裂强度三种情况下的强度折减系数非常相似， 特别是5 应变下和极限拉伸长度下得出的强度折减系数非常接近，采用5 应 变或极限拉伸应变所得出的强度折减系数对于铺设损伤的研究没有太大误差，故 为简化数据统计分析工作量，本文以土工合成材料拉伸后的断裂强度作为土工合 成材料铺设损伤的主要研究参数。利用拉伸试验，得出土工合成材料铺设前后相 关指标的变化，从中寻找出损伤规律，并确定出相应的损伤指标。 第二章土工合成材料基本力学特性的研究 目前测定土工合成材料拉伸性能的方法有条带拉伸试验和握持拉伸试验两 种，握持拉伸试验主要反映材料分散集中应力的能力“，而条带拉伸试验则主 要反映土工合成材料承受均布荷载的能力。与握持拉伸试验相比，条带拉伸试验 更接近土工合成材料在加筋工程中的受力情况。国外发达国家如欧美研究土工 合成材料铺设损伤采用了条带拉伸试验，故本文亦以条带拉伸试验来测定土工合 成材料的抗拉强度。 测试土工合成材料拉伸强度指标的标准很多，其中比较著名的有国际土工 合成材料学会( i g s ) 、欧洲标准化委员会土工布技术委员会( c e n ) 、美国材 料试验学会( a s t m ) 、国际标准组织( i s o ) 、美国联邦公路管理局( f h w a ) 、 德国标准化研究所( d i n ) 等。此外还有英国( b s ) 、法国( n f ) 、意大利c u n d 、 澳大利亚( a s ) 以及中国国内的国家标准( g b ) 、水利部的( s l ) 标准等“”。 为了让测试结果更适合公路工程需要，本文以现行交通部部颁公路土工合成材 料试验规程( j t j 厂r0 6 0 9 8 ) 作为测试标准。 2 1 2 不同土工合成材料条带拉伸试验的应力应变关系对比 本文所用拉伸试验设备是重庆交通科研设计院的t g h 1 b 土工合成材料万能 试验系统，本设备可用于土工合成材料条带拉伸、握持拉伸、撕裂、圆环顶破、 刺破、c b r 顶破6 项试验，由微机控制整个试验过程，自动采集数据并绘制图 表。 试样严格按照现行公路土工合成材料试验规程( j t j t0 6 0 9 8 ) 要求， 从样品长度和宽度方向上随机剪取，且距样品边缘至少2 0 0 c m 。裁剪试样前，首 先根据样品的规格尺寸制定裁剪计划，对于土工织物，试样采用2 0 0 m m ( 2 0 0 m m 宽条样进行试验，试样的有效宽度为2 0 0 m m ，夹具间隔1 0 0 m m ，拉伸速率 5 0 m m m i n ，原材料及铺设用每块样品尺寸均为1 2 m x1 2 m ，去除周围2 0 0 m m 边缘后，将剩余1 0 m 1 0 m 部分进行裁剪。共计可裁剪2 5 块供拉伸试验的宽条 样，纵横方向各随机取6 块进行拉伸，考虑到在加筋土工程中，土工合成材料有 一个受力主方向，在施工时往往将土工合成材料拉伸强度较大的方向沿受力主方 向布置，而且在铺设过程中材料所受的损伤沿纵横向一般是均匀的。故本文主要 通过对土工合成材料原始及铺设后试样的经向拉伸指标的比值来确定土工合成 材料铺设损伤后的强度折减系数。图2 1 1 给出了绍兴利达公司生产的3 0 0 9 m 2 2 第二章 土工合成材料基本力学特性的研究 无纺土工织物的拉伸照片，图2 ，1 2 给出了重庆九地加筋土工程有限公司生产的 单向粘结式塑料土工格栅拉伸过程照片。 图2 1 1土工织物拉伸过程照片 图2 。1 2 单向粘结式土工格栅拉伸照片 通过对土工合成材料原始试样进行拉伸试验，所得土工合成材料不同类型的 拉伸曲线分别见图2 1 3 ( 无纺土工织物) 、图2 1 4 ( 单向塑料土工格栅) 、图 2 1 5 ( 双向塑料土工格栅) 和图2 1 _ 6 ( 玻璃纤维塑料土工格栅) 。 图2 1 3 不同规格无纺士工织物拉伸曲线图2 i 4 单向塑料土工格栅的拉伸曲线 由图2 1 3 可以看出，对于土工织物( 其中l 、3 为绍兴利达化纤有限公司产 品，2 为深圳海川实业有限公司产品) ，尽管厂家和规格不同( 织物1 、2 、3 的 规格分别为2 5 0 、4 0 0 和5 0 0g m 2 ) ，但所得宽条样拉伸曲线却非常相似，曲线 在达到峰值前近似直线，达到峰值后拉力迅速且持续降低，这与拉伸过程中土工 织物的破坏形态是相对应的。土工织物在拉伸过程中往往是从最薄弱的地方开始 断裂，然后裂缝向四周扩张延伸，导致拉伸强度急剧下降，由此形成图示曲线。 尽管图中织物的规格不同，最大拉力也有所差异，但是拉伸断裂延伸率却非常接 近，这说明原材料和制造工艺相同而规格不同的土工织物，其断裂延伸率是基本 相同的。结果表明，土工织物断裂延伸率皆在6 0 左右。 图2 1 4 给出了两种不同规格的单向整体式塑料土工格栅( 格栅l 为青岛颐 中格栅股份有限公司生产的e g 9 0 r ，宽7 肋，格栅2 为重庆庆兰实业有限公司 生产的t g d g 8 0 ，宽8 肋) 的拉伸曲线，从中可以看出：单向塑料土工格栅在拉 伸初期拉力上升较快，此时应力应变关系呈直线状态，然后有一个明显的转折， 第二章 土工合成材料基本力学特性的研究 转折后拉力上升减缓，这说明单向格栅应力应变关系已由线弹性到非线弹性直至 塑性状态，在曲线达到最高点时，强度最薄弱的肋首先发生断裂，在断裂瞬问， 拉力垂直下降，然后拉力由剩余肋承担，此时个别肋尚未达到塑性屈服，故应力 应变关系曲线又由断裂后新的起点开始上升，但由于此时延伸率较大，多数肋已 处于塑性变形，故很快又有新肋断裂，断裂瞬间拉力直线下降。然后又恢复平稳， 如此反复。直至最后所有肋皆断裂。 如以最高峰值作为塑料土工格栅的断裂强度，那么其对应的断裂延伸率般 在1 5 左右。单向塑料土工格栅的极限拉力远大于无纺土工织物，断裂延伸率却 远小于土工织物。 图2 1 5 双向塑料土工格栅拉伸曲线图2 1 6 玻璃纤维土工格栅拉伸曲线 图2 1 5 给出了双向塑料土工格栅的拉伸曲线( 重庆庆兰实业有限公司生产 的t g s ( 挖0 2 0 ，宽5 肋，约2 0 c m ) ，从图中可以看出，每延米双向塑料土工格 栅的极限断裂强度与土工织物的较为接近，但是断裂延伸率一般在1 2 左右，比 土工织物小的多，同时由拉伸试验曲线中也可以看出，双向土工格栅的断裂方式 多属于脆性断裂，达到屈服极限后，所有肋基本上同时断裂，导致拉力垂直下降， 很少象单向塑料土工格栅拉伸曲线那样出现反复波折，这可能与两者的制造工艺 有关。 试验结果还发现，不同类型的塑料土工格栅的性能指标有较大差异，其中整 体拉伸的单、双向土工格栅( 见图2 1 7 和2 1 8 ) 具有整体性能好、强度高、 延伸率低且作用力传递效果好等优点。目前国内单向塑料土工格栅的拉伸强度范 围一般在2 5 11 0 k n m ，最高的可以达到1 5 0k n m ，聚丙烯土工格栅的屈服伸长 率在1 0 以下，而高密度聚乙烯土工格栅的屈服伸长率在1 2 以下凹1 。 由图2 1 6 可以看出，与无纺土工织物和塑料土工格栅相比，玻璃纤维土工 格栅( 试件1 、2 分别为江苏九鼎集团股份有限公司生产的g g 0 1 1 和g g a 8 0 8 d 两种规格的产品) 具有更高的拉伸强度和更低的断裂延伸率。尽管各类玻璃纤维 第二章 土工合成材料基本力学特性的研究 土工格栅的断裂强度差异较大( 在3 0 1 3 0 k n m 之间) m ”1 ，但其断裂延伸率 较低( 2 0 5 o 之间) 。 图2 1 7 整体单向格栅图2 1 8 整体双向格栅 即便是同类格栅，也会因各厂家所选原材料型号以及加工工艺等的不同，而 造成格栅各项性能有所差异，必须在具体工程实践中加以区别。 2 2 土工合成材料拉伸强度的影响因素 2 2 1 试样宽度对拉伸强度的影响 由土工合成材料应力应变关系曲线可以看出，不同类型的土工合成材料，其 应力应变关系曲线有较大差异，在此，本文对土工合成材料拉伸强度的影响因素 做了进一步分析。 条带拉伸试验主要测定土工合成材料条带试样的拉伸强度和伸长率。在土工 织物条带