（岩土工程专业论文）长期荷载作用下土工合成材料蠕变特性试验研究.pdf

摘要通过土工合成材料的室内蠕变实验，研究了c e l 3 1 土工网和s d l 土工格栅的蠕变特性及其影响因素，同时探讨了c e l 3 1 土工网和s d l 土工格栅蠕变断裂发生、发展直至破坏的机理，并通过实验结果的分析，得出了c e l 3 1 和s d l 的蠕变方程为。= 似+ b t ) a 。对于c e l 3 1 ，当外部荷载为极限抗拉强度q 的6 0 以上，温度超过2 5 后，c e l 3 1 的蠕变量明显受温度变化影响；当应力水平为4 0 以下时，c e l 3 l 的蠕变不存在温度效应；由于土工格栅试样荷载均未超过4 0 ，基本上不受温度影响。在此基础上，进而提出了在长期强度条件下土工合成材料的预应变值大小及其计算公式：土工网e1 = ( 1 5 2 3 ) 呸，土工格栅1 = ( o 1 一o 2 ) 呸。这对施工中的预应变加筋法技术有重要的参考价值。b p 神经网络具有自适应学习和记忆能力，尤其是三层b p 神经网络模型，所得预测值与实际值误差最大为0 9 1 ，较最小二乘3 4 的误差改善了许多，该法为蠕变预测找到了一条新的途径。关键词；土工合成材料；蠕变特性：温度效应；蠕变模型；长期强度预应变值；预应变加筋法；神经网络a b s t r a c tb a s e do ut h ec r e e pe x p e r i m e n t sf o rg e o s y n t h e t i c s ，t h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i co fn e t l o nc e l 3 1g e o n e t s d l 2 5g e o g r i da n dt h e i ri n f l u e n cf a c t o ra r es t u d i e d m e a n w h i l et h em e c h a n i s mo fc r e e pf o rn e t l o nc e l 3 1g e o n e t s d l 2 5g e o g r i df r o mo c c u r r i n gt ob ed e s t r o y e d e di ss t u d i e dt o o b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ec r e e pf o r m u l asf = ( a + b t ) 盯。( i nt h i sf o r m u l a 呸i st h es t r e s sl e v e l ) f o rt h ec e l 3 1 s d l 2 5i so b t a i n e d f o rt h en e t l o nc e l 3 1g e o n e t ，w h e ne x t e r i o rl o a di sl a r g e rt h a n6 0 o ft h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n dt h et e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n2 5 ct h ec r e e po fn e t l o nc e l 3 1i sa f f e c t e da p p a r e n t l yb yt h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r e a n di ti sd ol o n g e ra f f e c t e db yt h et e m p e r a t u r ew h e ns t r e s sl e v e li sb e l o w4 0 o rt h et e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n2 5 b e c a u s el o d eo fs d l 2 5i sn o tm o r et h a n4 0 ，t h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c so fs d l 2 5i sh a r d l ya f f e c t e d m e a n w h i l et h ec a l c u l a t i o nm o d e lt oe s t i m a t et h ep r e s t r a i n e dv a l u ei sa l s op u tf o r w a r dc e l 3 1 ：e1 = ( 1 5 - 2 3 ) q ，s d l 2 51 = ( o 1 加2 ) o ：；i ti si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rp r e s t r a i n e dr e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n g t h en e u r a ln e t w o r kh a st h ea b i l i t yo fs e l fa d a p t i v el e a r n i n ga n dr e m e m b e r i n g ，a n dt h et h r e e l a i rb pn e t w o r kh a sw i d ea p p l i c a t i o n t h em a x i m u me r r o rb e t w e e nc a l c u l a t i o na n do b s e r v a t i o ni s0 9 1 - w k c hi sb e t t e rt h a nt h ee r r o ro f3 4 b yt h el e a s ts q u a r er e g r e s s i o nm e t h o d s ot h ea s s o c i a t i o nm e t h o dg i v e san e ww a yf o rt h ec r e e pf o r e c a s ts t u d y k e yw o r d s ：g e o s y n t h e t i c s ；c r e e pp r o p e r t i e s ；t e m p e r a t u r ee f f e c t ；c r e e pm o d e l ；p r e s t r a i n e dv a l u eu n d e rl o n gt i m el o a d ；p r e s t r a i n e dr e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e ；n e u r a ln e t w o r k 1 i长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。作者签名：恒南范日期：西口s 年峰月，0 日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。本人授权长沙理工大学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。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密翻。( 请在以上相应方框内打“4 ”)作者签名：导师签名：匿舞舡壬靓秒日期：捌j 年牛月。日日期：k y 年年月f 口日第一章土工合成材料蠕变特性研究现状综述1 1 土工合成材料概述1 1 1 定义土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各类产品。置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用【1 j a 国际对土工合成材料的定义是：工程建设中应用的士工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料的总称。1 1 2 分类土工合成材料可分为以下几类旧，如图1 1 。1 1 3 功能土工合成材料的功能是多方面的。综合起来，可以概括为以下六种基本功能：1 、过滤作用把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏，同时允许土中的水或气体穿过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。2 、排水作用有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着材料的平面派出体外。3 、隔离作用有些土工合成材料能够把两种不同颗粒的土、砂、石料，或把土、砂、石料与地基或其它建筑物隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料和结构的完整性，或发生土粒流失现象。4 、加筋作用很多土工合成材料埋在土体中，可以分布土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移；还增加土体和其它材料之问的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。5 、防渗作用土l 膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物的安全。6 、舫护作用多种土工合成材料对土体或水石，可以起防护作用土工合成材料1 1 4 物理力学性质图1 1 十上合成材料的分类的排水村的排水材构成的排水参1 1 41 物理特陛1 、厚度土工合成材料的厚度用毫米表示。常用的土工合成材料的厚度：上工织物一般为0 1 - 5 o m m ，最厚的可达十几毫米；士_ l 膜一般为0 2 5 0 7 5 r a m ，最厚的可达2 , 0 4 o m m ；土工格栅的厚度随部位的不同而不同，其肋厚般由0 5 r a m 至几十毫米：复合型材料有时采用较薄的土工膜，最厚的可达0 1 m m 。22 、单位面积质量单位面积质量为单位面积土工合成材料具有的质量，它反映了材料多方面的性能，如抗拉强度、项破强度等力学性能以及孔隙率、渗透性等水力学性能，通常用g m 2 表示。常用的土工织物单位面积质量一般在5 0 1 2 0 0 9 m 2 的范围内。1 1 4 2 力学特性1 、抗拉强度土工合成材料是柔性材料，工程中大多是通过其抗拉强度来承受荷载。土工合成材料的厚度在受力过程中是变化的，不易测定，故其受力大小一般以单位宽度所承受的力来表示，即k n m 或n m ，而不是习惯上的单位面积上的应力来表示。土工合成材料的抗拉强度与测定时的试样宽度、形状。约束条件有关，因此必需在规定的条件下测试，按照s i r 2 3 5 进行。土工合成材料条样法拉伸试验的原理是：将试样整个宽度夹持在拉伸试验机的夹具上，对试样进行拉伸直至断裂。常规的测试方法有宽条测试和窄条测试两种。宽条试样宽2 0 0 m m 、长1 0 0 r a m ，宽长比l ：2 ：窄条试样宽5 0 m m 、长1 0 0 m m ，宽长比b l = i 2 。试样的最大试断裂力在试验机具的满量程的1 0 一9 0 范围内，拉伸速率为5 0 m m m i n 。试样的抗披强度按下式计算t s = p f b( 1 1 )式中：t s 抗拉强度( k n m ) ；p 广测读的最大抗拉力( k n ) ；卜试样宽度( m ) 。2 、握持强度握持强度是反应土与土工合成材料之间的握持能力的大小，由于土工合成材料承受集中力的现象普遍存在，握持强度亦反应了其分散集中力的能力。它的强度由两部分组成，一部分为试样被握持宽度的抗拉强度；另一部分为相邻纤维提供的附加抗拉强度。握持强度的单位是n ，其试验原理与抗拉强度试验原理相同，可按照s i f i 2 3 5国家行业标准进行测试，但两个强度之间没有简单的对比关系。3 、撕裂强度撕裂强度反映了试样抵抗扩大破损裂口的能力，可评价不同土工织物和土工膜被扩大破损程度的难易，是土工合成材料的重要力学指标。土工合成材料的撕裂试验按s l ，r 2 3 5 国家行、啦标准测试，其原理是：梯形试样夹持在拉力机上、下夹钳内，试样在外加负荷不断增大时，试样短边沿切口向长边方向逐渐撕裂，直至全部断裂。士工织物梯形撕裂强度一般为o 1 5 3 0 k n ，不加筋土t 膜的梯形撕裂强度值般为0 0 3 0 4 k n 。4 、顶破强度、刺破强度及穿透强度顶破强度是反映土工织物及土工膜抵抗垂直织物平面的法向压力的能力。顶破试验压力面积相对较大，材料呈双向受力状态，所用的试验方法有液压胀破试验、圆球顶破试验和c b r 顶破试验。刺破强度是反映土工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载的能力。试验方法与圆球项破试验相似，只是用金属杆代替圆球。穿透强度是用穿透试验所得孔眼的大小来评价土工织物或土工膜抵御穿透的能力。其大小可用穿透强度试验测得。5 、蠕变特性一蠕变是指受力变形物体在应力保持不变的条件下，材料变形随时间延续而增长的特性。松弛是受力变形物体在应变保持不变的条件下应力逐渐消失的现象，是由于贮存在变形物体中的弹性能量以转化为热能的方式逐渐消失而引起的。尽管从物理的角度分析认为，蠕变过程会引起应力松弛过程，应力松弛过程也会引起蠕变过程，但它们往往被看做是两个分开且相互独立的过程。物理流变学认为，蠕变和松弛是材料长期力学性质的两种理想化的力学概念，实质上它们为同一物理力学机制所控制。比如，恒定应力作用下的蠕变和恒定应变条件下的应力松弛在宏观上的区别是：蠕变过程有外界力源的能量消耗，它只是由于材料结构弱化而引起的内部应力降低，弱化过程伴随的内磨擦对能量的消耗以材料初始累积的变形能为代价。铺设在土体内的土工合成材料会限制土体的侧向变形，这样材料就受土体给予材料的拉应力，这种应力由土工合成材料内部分子结构所承担，如果维系足够长的时间，则材料内部分子结构通过变形来适应新的应力环境。土工合成材料的蠕变是指土工合成材料在受力大小不变的条件下，其变形随时间增长而逐渐增大的现象。蠕变是土工合成材料的重要特性之一，是材料能否长期使用的关键。土工合成材料的蠕变试验可按照s l r 2 3 5 国家行业标准进行，其原理是：在规定的温度和湿度环境下，将一定荷载加到试样上，连续记录或按规定的时间间隔记录试样的伸长量，直至试样断裂或试验已达到规定测量时间。试样尺寸为：试样宽为2 0 0 r a m ，长度至少2 0 0 r a m ，试样的计量长度为1 0 0 n n n ；对于土工格栅，试样至少包含3 根纵筋及1 根横肋。荷载可采用4 级，分别为2 0 、3 0 、4 0 、6 0 极限荷载。并且试样在温度( 2 0 2 ) 和湿度为( 6 0 1 0 ) 的环境下至少静置2 4 h 。时间间隔可按：l m i n 、2 m i n 、6 m i n 、1 0 m i n 、3 0 m i n 、l h 、2 h 、5 h 、1 0 h 、3 0 h 、1 0 0 h 、5 0 0 h 及1 0 0 0 h ，以后每5 0 0 h 测量一次，直至试验结束。总5应变3一l图1 2 应变时间对数关系线试验中发现加荷速率的快慢会影响初始阶段的应变“，对同土工合成材料试件，其加荷速率越慢，初始阶段的应变值越小，反之亦然。对蠕变试验的结果可用蠕变过程曲线、等时曲线、以及拉伸模量对时间的关系曲线表示。另外，大量试验结果表明，在一定的应力水平下以半对数表示的蠕变曲线近于如图1 2 所示的直线变化。蠕变强度指考虑材料长期受荷载作用将产生蠕变这一因素所确定的抗拉强度，材料蠕变使其中应力引起松弛，会促使加筋失效。对于采用强度和模量不高的材料建造的较高挡墙，蠕变尤其会产生不利影响。由于常规试验不易测定埋置于土体内土工合成材料的蠕变，故一般按经验取材料无侧限拉伸时应力一应变关系曲线上相应于应变e = 5 的拉伸力作为设计值。国外有的标准还规定蠕变强度还应满足小于1 4 材料拉伸的极限强度。1 1 4 3 水力学特性水力学特性主要包括两方面，一是透水与导水能力，二是阻止颗粒流失的能力。这些特性涉及到土工合成材料的孔隙率、孔径大小与分布情况、渗透性等。现将这些特性简述如下：1 、孔隙率土工合成材料的孔隙率是指其孔隙体积与总体积的比值，以n ( ) 表示。其计算表达式为：n = ( 1 一与1 0 0 ( 1 2 )p o式中：m 单位面积质量，g m 2 ；p 士工合成材料密度，咖3 ；6 土工合成材料的厚度，i n 。2 、子l 径十工合成材料的孔径反映了材料的透水性能力与保持上颗粒的能力，符号用0表示，单位为m m ，并用f 标表示土工合成材料孔径的分布情况。例如0 9 5 表示材料中9 5 的孔径低于该值。士工合成材料特征孔径的表示方法有有效孔径0 。及等效孔径e o s 。孔径的测量方法有直接法和间接法。直接法包括显微镜法和投影放大测读法；问接法包括干筛法、湿筛法、水动力法、水银压入法、吸引法和渗透法等。3 、渗透性工程中通常需要确定垂直于织物平面的渗透特性和平行于织物平面的渗透特性。垂直于织物平面的渗透性用垂直渗透系数k n 表示，该系数是渗流的水力梯度等于1时的渗流流速，一般服从达西定律。沿土工合成材料平面的渗透系数k 。定义为水力坡降等于1 时的渗流流速。影响土工合成材料渗透的因素主要有试样面积的大小、试样本身的性质、试样的结构类型及孔隙分布、试样平面上的法向应力、水位差、水温、水中气泡含量和测试仪器的性能等。4 耐久性土工合成材料的耐久性主要是指对紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、干湿变化、冻融变化和机械磨损等外界因素变化的抵御能力。材料的耐久性主要与聚合物的类型及添加剂的性质有关。土工合成材料的老化现象主要是因为高分子聚合物具有链节结构，受外界因素的影响发生降解反应或交联反应的结果。使材料老化的各因素中，阳光辐射起着最重要的作用。聚合物对化学腐蚀一般具有较高的抵抗能力，但某些特殊化学药剂或废品对聚合物亦有腐蚀作用，因此，对处理污水或废物存贮池的防渗材料时要慎重对待。埋在土中受损伤的土工合成材料亦易老化，因此应注意铺设过程中保护材料。另外，在高温条件下，合成材料易发生熔融现象，有时温度虽未达到熔点，但聚合物的分子结构也可能会发生变化。在些聚合物在较低的温度下，容易使柔性降低，质地变脆，影响其力学特性，给施工接缝会带来一定的困难。1 1 5 土工合成材料蠕变概述材料蠕变是指材料受力大小不变，变形随时间增长而逐渐增大的现象。蠕变的大小取决于原材料的性质和生产工艺。蠕变特性是所有材料，包括土工合成材料重要特性之一，是材料能否长期运用的关键。金属、塑料和陶瓷的蠕变变形机理是不同的，但所有这些材料的蠕变现象却是相似的。即使物理化学现象不同，蠕变的基本数学表达式可用于上述各种材料”“。对棒状试样的拉伸蠕变行为研究表明，在常应力和温度下，蠕变变形可以用一般的表达式来表示：c ( t ) = 。+ dt “3 + f 3 t + k t 。( 1 3 )式中右边第一项表示负载下的初始弹性应变，接下来的儿项分别为初级、次级和三级蠕变，u ，0 ，k 为常数。另一种简化形式称为f i n d l e y 公式( f in d l c y 和k h o is l a ，1 9 9 5 ) 也经常用柬描述聚合物材料的蠕变行为。初级蠕变有时被称作瞬时蠕变，而次级蠕变经常被称作稳态蠕变。在蠕变试验中观察到的时间依赖性取决于应力水平和温度a 例如，在高于绝对熔点一半( i 2 t 。) 的温度和较高应力水平条件下，金属蠕变温度曲线连续上升，表明在这种状况下，几乎没有稳态蠕变行为和瞬态蠕变。相反，在低温和中等应力条件下，许多金属材料仅显示出瞬态蠕变行为，变形在给定的时间内很快停止并接近最大应力水平。如图1 3 所示。在许多关于蠕变的研究中，稳态蠕变研究最多，这是因为形变速率de d r ( 表示为e 。t ) 的温度和应力依赖性可由变形的原子和分子机理和化学反应的速度理论( g l a s s t o n e 等人，1 9 4 1 ) 来解释。许多材料的次级蠕变速率的应力依赖性可用幂定律来表示d ( i f ) d r = ao “( 温度t 为常数)( 1 4 )因此蠕变速率与应力成对数线性关系，在一般蠕变表达式中经常结合a r r h e n i u s表达式来表达温度依赖性d ( 1 1 ) d t = b0 “e “”。( 1 5 )式中，a 、b 和n 为材料常数；k 为b o l t z m a n n 常数；t 为绝对温度；q 可描述为蠕变“活化能”，如果存在一种机理与所观察到的形变有关，则可通过相应机理的物理知识计算出q 值。例如，在高于l 2 t m 时，在金属中迅速发生固态扩散，蠕变大部分是由晶格的空穴运动导致位错上升而引起的。因此，由l g ( e 。) 与i t 关系得到的q 值通常与自扩散活化能相等( d o r n ，1 9 5 7 ) 。在高温和低应力下，n 值可能降到接近于1 ，形变更接近于牛顿流体。在低温和高应力条件下，形变可能受到位错运动而不是位错上生( 如滑移，交叉滑动等) 控制，这种情况下n 值较大。图1 3 ，图1 4 给出了3 种变化。o制翻制蠼时问f i )图1 3 金属蠕变曲线( t )7i g0图1 4 在不同应力水平f 金属材料次级蠕变的变化1 1 6 流变问题的基本模型1 1 g 1 弹性模型在流变学中所讲的弹性性质是指加载时变形立即发生，卸载时变形立即消失。对于大多数岩土而言，在常温、常压条件下应力和应变有一段非线性关系，由于处理非线性关系在数学中有较大困难，而且目前的工程实际还没达到那么高的要求，故一般用线性代替。在流变学中一般用弹簧代表弹性模型，在组合中称为弹性元件，并假定为理想弹性体，满足虎克定律，用符号h 表示，表达式为o = e ( 1 6 )式中，a ，e ，e 分别代表应力、弹性模量和应变。其模型和特性曲线如图1 5 所示。1 1 6 2 塑性模型理想的刚塑性体认为当o a 。时，单元不变形，而当o = o 。时，单元可以无限“) 元件图示( b ) 应力- 戍变曲线( c ) 蠕变和卸载f i 线( d ) 松弛曲线图1 5 弹性模型及其特性曲线制变形。在流变学中常用磨擦片模拟，用符号y 表示，其表达式为oos ，e = o0=0s ，e = 理想刚塑性模型及其特性曲线如1 6 示。( 1 7 )( 1 8 )岩土的塑性及其变形的物理意义是岩土的塑性是这样一种性能，它在不大的外力作用下能保持本身的形状不变，可是当剪切应力大于某一极限值时，它就发生随时问而逐渐增长的剪切变形。它与传统塑性力学比较有如下主要特点：1 传统塑性理论认为，材料在塑性阶段，应力不能增大，而变形却逐渐增加，材料体积将保持不变。岩十的压缩试验表明，岩土的体应变与平均压力之间的关系不是线性的，岩上的体应变既有静水压力条件卜的压缩体应变，又有受剪切引起的塑性jjv0lh体应变。2 传统塑性理论认为材料的弹性系数与塑性变形无关，而岩土塑性理论认为，弹性系数随塑性变形的发展而变化，有时要考虑弹塑性耦合。3 传统塑性理论的屈服准则是建立在剪切破坏的基础上，而岩土屈服准则不仅考虑剪切屈服还要考虑应变屈服。4 传统塑性理论中，塑性势函数与屈服函数相同，称为关联流动，这时应变增量方向与屈服面正交；而岩土塑性理论认为，塑性势函数往往与屈服函数不同，属于非关联流动，这时应变增量方向与屈服面不正交，但仍保持与塑性势面正交。1 1 6 3 粘性模型粘性是指物体的应力应变随时间变化的现象。粘性模型拟满足牛顿流体的理想粘性流体问题。粘性元件用带孔活塞的粘缸代表，符号用n 表示。当作用有应力oy、i，oso ! q _- - - - - j - - -o o3i iiii、( a ) 元件图示( b ) 应力- 应变曲线( 满变和卸载曲线( d ) 松弛曲线图1 6 理想刚塑性模型及其特性曲线时，流体的粘性与孔壁磨擦力提供了“粘性阻力”，用以说明岩土材料具有的粘性性质。从力学角度上讲，它能抵抗使其体积压缩的压力，在体积变化上具有弹性性质。但无论多么小的剪应力都能使它发生不可恢复的剪应变。它抵抗剪应力的能力在应变率上反映出来，理想的粘性流体的数学表达式为r = t 7 ，或c ，= r h( 1 9 )式中，1 1 是粘性系数。理想流体，n = 0 ；2 0 的水，n = o 0 1 p a s 。粘性模型元件及其特性见图1 7 。1 1 ，6 4 几种基本的流变模型的组合各种粘弹塑性体可由基本元件并联或串联模拟，串联用符号“一”表示，并联用符号“i ”表示。其基本法则是：串联时各元件上的应力都相等，并与模型总应力相等；并联时各元件上的应力叠加等于模型总应力，各元件上的应变彼此相等，并等于模型总应变。n( a ) 元件图示( b ) 粘性曲线( c ) e 变和卸载曲线( d ) 松弛曲线图1 7 粘性模型及其特性曲线根据这一基本法则得到各元件特性的叠加原理是各元件串联成的模型，其蠕变方程和蠕变曲线可以通过各元件蠕变方程和蠕变曲线叠加得到，而松弛方程和松弛曲线由于各元件特性的相互制约，不能简单叠加。各元件并联成的模型，则相反，松弛方程和松弛曲线可以通过各元件的松弛方程和松弛曲线叠加得到，蠕变方程和蠕变曲线则不能简单叠加。下面介绍几种基本的组合模型【7 l 。1m a x w e i i 流体模型m a x w e l l 模型是由h n 体，亦称m 体。其组合模型和特性曲线如图1 8 示。( 1 ) 、流变方程由于串联有o=oh - - - - o 。( 1 1 0 )= h + e 。( 1 1 1 )又由弹性和粘性元件本构方程有h = od e( 1 1 2 )i 。= oi l 1 1( 1 1 3 )式中o ，分别为模型的应力、应变；oh ，eh 分别为弹簧的应力、应变；o 。，e 。分别为粘缸的应力、应变。对( 1 1 4 ) 式求导= “+ i 。( 1 1 4 )经整理得到模型的流变方程；d e + o n( 1 1 5 )( 2 ) 、蠕变方程由于e 。：生t ，eh ：睾，根据串联法则有1 0- 8 n 寺t + 詈( 1 1 6 )从式1 1 6 可看出，无论o 。有多小，随着时间t 的增加，e 亦增加且永无止境。由于它所描述的性状本质是流体，故又称之为m a x w e l l 液体。此外，m 体的蠕变只包含有粘性流动，不表征岩土的弹性后效，故此模型可以描述在应力保持不变的情况下，岩土仍以等速率变形的等速流变现象。已：卫m = h n( a ) 元件图示( b ) 蠕变曲线图1 8m a x w e l l 模型2k e l v i n 滞弹性固体模型k e l v i n 滞弹性固体模型是由h 和n 并联组成，用h | n 表示，亦称k 体，k = ( h i n - ) 。其模型及特性曲线见图1 9 。( 1 ) 、流变方程由并联法则有0=0h + onf 1 。1 7 )= 2h 2enn 1 8 )式中o ，e 分别为模型的应力、应变；oh ，en 分别为弹簧的应力、应变；o 。，e 。分别为粘缸的应力、应变。由弹性元件和粘性元件本构方程oh = ee 和o 。= ni 得到k 体流变方程o = ee + nir 1 1 9 )( 2 ) 、蠕变方程在恒定何载条件下，a = 。，式( 1 1 9 ) n - i 化为e d ee 一d fe e o 。r l积分得s ：4 e x p ( 一墨f ) + 鲁丘待定系数a 由初始条件求解，当l = o ，e = o ，代入上式a _ 一鲁。再代回上式得蠕变方程s - 詈【1 - e x p ( - 和( 1 2 。)enk = h i n( a ) 元件图示图1 9k e l v i n 模型( b ) 蠕变曲线当时间为零时应变也为零，并且应变变化与时问有关，说明该模型无瞬时弹性变形且有蠕变。但当在一定的应力作用下，当时间增大到无穷时，应变值趋向一固定值，该值为该应力作用下的弹性应变值。由于它所描述的状态本质是固体性质，故该模型又称为k e l v i n 固体。它可以描述在应力作用下应变不是立即达到弹性应变值，而是有一个延迟过程。3 理想弹塑性模型该模型是s t v e n a n t 提出来的原始塑性流动模型，是由弹性元件h 和塑性元件y串联组成的h y 体。其模型特征曲线如图1 1 0 示。其本构方程为oos ，o = e ( 1 2 1 )o=os ，= ( 1 _ 2 2 )由其本构模型可知，当o o 。时，这是完全弹性的，当o = o 。时，可以产生很大的塑性应变，这种塑性应变的大小由模型的弹性变形所控制。这种模型犹如裂隙附近的应力集中区将先发生塑性变形，而周围区域仍然处在弹性变形阶段，随着外界应力的增加，塑性区逐渐增大，然而塑性变形的大小始终受到周围弹性变形的控制。4 理想粘塑性模型理想粘塑性模型是由n 与y 并联组成，其组合及特性曲线见图1 1 1 i 三一。i 一0h y( a ) 元件模型怕。、图1 1 0 理想弹塑性模型( 1 ) 、流变方程n 元件的本构关系为y 元件的本构关系为根据并联法则n j y 的本构关系为oos ，o 蠼eo=os ，e = o 。( b ) 应力- 应变曲线o = o o n2 y 2en故有当o 一o一=一0一一匿名一苣文献1 1 5 对试件尺寸为由1 5 1 5 c m 的圆柱体，成型在最佳含水量状态下以9 5 和8 5 n 种不同的压实度条件下进行蠕变试验。在一定的荷载下，试验分别对两种压实度下进行了不加土工合成材料、加一层土工合成材料和加二层土工合成材料的蠕变试验研究，试验共持续了54 0 0 r a i n 。最后该文得出了在规定压实度下的最佳加筋层数，但并未对加筋体的蠕变特性作进一步研究。近几十年来，很多学者对土工合成材料的蠕变特性做了大量的研究工作，提出了一些有关应力一应变一时间关系的经验公式，这些公式可分为2 种类型：1 蠕变系数法公式的形式为：r = o + b 。l 0 9 1 0 t( 1 3 2 )式中：2 广一静荷载作用下，t 时后的总应变量；e 旷一受力开始时的初始应变量：b 蠕变系数；t 时间( m i n ) 。该公式是在土工合成材料无约束条件下进行的，并且不同的应力水平需进行不同的试验以取得蠕变系数值。文献【4 】进行了加筋土筋材长期荷载蠕变试验研究，并用蠕变系数法拟合了数据，并且证明，用该方法进行数据拟合有着良好的精度，其线性相关系数均在0 9 5 以上。2 、三参数法s h r e s t h a 和b e l l 根据粘土蠕变的三参数蠕变原理于1 9 8 2 年提出了一个计算土工织物蠕变量的经验公式：卜鸭+ 羔e w 一一1 ) 肌一，h2s + a e a l l n f朋= 1n 3 3 1式中：e 广时间为t 时的总应变量；e1 时间t = 1 时的应变量；一就力枰= 错= 导；m 、a 、a 试验常数，即三参数，通过试验确定。该试验亦是在无约束条件下进行的。s h r e s t h a 利用6 种丙纶有纺和无纺织物进行试验，每次试验时j 日j 为2 0 小时，得出三参数的值为j + 】o t s2 0 t sjf a 一4 0 耵s p t s图1 1 2 格栅s r 8 0 的蠕变曲线 二- t二一，ef矿一一i。一 至：l 卅l 一联：r0 0 1n0 ln 111 01 0 01 0 0 0业一+ 1 0 t s斗麟r sl 二卜翌壁! 锄翌_ 图1 1 3 有纺绷绷啵蛾m = 0 6 1 0 8 4 ：a = 0 0 1 o 8 5 ；a = 1 1 8 4 6 7 。1 1 2 和图1 ，1 3 是格栅s r s 0 和有纺织物的两组时间对数的蠕变睦线扣l ，图例中的砧为拉伸强度。由图1 1 2 知，其应变与对数时间的关系近似于直线，蠕变系数法即为时间对数与应变的直线关系，因此，用蠕变系数法来拟合曲线可以得到较精确的结果；在三参数法中，当m = l 时，应变与自然对数时间呈线性关系，由于以1 0 为底的对数与自然对数换算时，曲线的性质不会改变，因此在图1 1 2 中的线性关系不会发生变化，故也可以用三参数法来拟合曲线。对于图1 1 3 示的曲线，当旌加荷载为拉伸强度的3 0 和4 0 时曲线已呈现明显的非线性，显然不能用蠕变系数法来拟合该曲线；而对于施加2 0 拉伸强度的有纺织物蠕变曲线线性或折线性，故其尚可用蠕变系数法柬拟合或分段拟合；1 0 t s 的蠕变曲线则近似为直线关系，可以用蠕变系数来拟合在该荷载下的蠕变曲线。图1 1 3 示的4 0 t s 曲线显然材料在未达到10 0 0 h 时已经破坏，如果曲线的性状以幂函数为参照，则应变与对数时间的关系为幂指数大于1 的函数，但无论是蠕变系数法还是三参数法，其描述的函数关系为：要么幂指数等于1 ，即线性关系，蠕变系数法和三参数法中m = l 时即为这种情况；要么幂指数小于1 ，因为有纺织物的m 试验值在o 6 1 到o 8 4 之间，故三参数法中m ，1 时，其幂指数为小于1 的函数。因此，这两种方法都不能对该曲线进行拟合。对于图1 1 3 中的3 0 7 r s ，在0 0 0 h 至l0 0 0 h内是加速蠕变阶段，因此用三参数法束拟合该段曲线精度不高。而对于图】1 2 中的1 0 t s 和2 0 1 s 的曲线，根据其曲线的性状，则可以用三参数法柬拟合。以上二种方法所作的试验部是在无约束条件下进行的。实际上上织物埋在十：巾，由于上摩阻力的约束，其蠕变量要小很多，尤其对无纺织物，约束条什的影响更人。如、o0斟捌土工合成材料的蠕变还受聚合物种类的影响，试验证明：涤纶的蠕变值最小，锦纶次之，丙纶最大。由同一种纤维采用不同工艺制成的土工织物，具有相近的蠕变特性，而与其构造无多大关系。此外，土工合成材料的蠕变特性还受温度的影响，关于这一点，本文第二章进行了详细研究。1 3土工合成材料蠕变特性的研究目的及意义土工合成材料以其轻便、耐久、实用的特点而在岩土工程中得到广泛应用。但置于土中的土工合成材料长期力学性质的变化是否影响工程加固体长期稳定性，却是人们极为关心的一个问题。土工合成材料加固体能否长期有效的关键在很大程度上与蠕变的发生、发展直至是否最终失效有关。国内外对土工合成材料蠕变特性的研究，一般采取短期蠕变的成果，求得经验公式，以推求长期的蠕变量【1 3 】；或从短期的高温下蠕变获锝长期的常温下土工合成材料的蠕变特性【1 3 。”。所有这些因素最终导致实验结果与实际情况不符。目前国内在这方面的研究比较少，有关土工合成材料蠕变发生的机理、蠕变计算模型及影响蠕变的温度效应还很少见到相关报道。为此，本文对这一重要问题进行了长达二年半时间的室内实验。特选用二种土工合成材料，制作了1 0 个试样，共获得1 6 0 0 多个实验数据，取得了多项试验成果。第二章长期荷载作用下土工合成材料蠕变特性研究及计算模型2 1 引言土工合成材料以其轻便、耐久、实用的特点而在岩土工程中得到广泛应用。但置于土中的土工合成材料长期力学性质的变化是否影响工程加固体长期稳定性，却是人们极为关心的一个问题。土工合成材料加固体能否长期有效的关键在很大程度上与蠕变的发生、发展直至是否最终失效有关。国内外对土工合成材料蠕变特性的研究，一般采取短期蠕变的成果，求得经验公式，以推求长期的蠕变量l l3 j ；或从短期的高温下蠕变获得长期的常温下土工合成材料的蠕变特性【1 3 8 1 。所有这些因素最终导致实验结果与实际情况不符。目前国内在这方面的研究比较少，有关长期荷载作用下土工合成材料蠕变发生的机理、蠕变计算模型及影响蠕变的温度效应还很少见到相关报道。为此，本文对这一重要问题进行了较长时间的室内实验。2 2 试验过程2 2 1 试验材料基本性能本试验特选用抗拉强度和抗拉模量较大的士工合成材料，即湖北力特塑料制品有限公司的c e t 3 1 土工网和重庆庆兰生产的s d l 2 5 土工格栅，其主要物理性能如表2 1 所示。表2 ，1 试验材料基本性能网孔尺寸抗拉强度屈服强度断裂伸长率屈服伸长率材料名称( m m )( k n m )( k n m )( )( 、c e l 3 1 土工网2 7 2 75 84 3 4 96 0 01 0 1 4s d l 2 5 土工格栅9 0 2 52 51 52 2 2 试验方法为比较不同强度土工合成材料的蠕变特性，本研究制作了6 个c e l 3 1 土工网和41 8个s d l 2 5 土工格栅试样。在试验过程中有2 个土工网和一个士工格栅试样在夹具内断裂，按规定应予以剔除，其余7 个试样较为理想，编号为1 挣、错、3 # 、4 # i l n 和1 撑、摧、3 撑土工格栅。试验前可不必施加预拉伸荷载，仅靠试样自重铅直悬挂，同时蠕变荷载次施加，注意保持各试样施荷速率一致吼1 试样尺寸及荷载大小试样尺寸及荷载如表2 2 所示。表2 2 试样尺寸及荷载荷载与屈服强度的百分比试样试样尺寸( m m 、瞬间延伸率( )( 11 襻3 0 5x 1 5 07 02 1 7 0甜3 0 5x 1 5 06 02 0 4 83 #3 5 1x 1 5 04 01 0 0 1甜2 1 0 x 1 5 03 06 2 91 社土工格栅2 2 6 x 1 0 02 02 2 12 拌土工格栅2 2 6 1 0 03 02 4 33 榉土工格栅2 4 0 x 1 0 04 03 9 6由于试样加载瞬间，网格由方形变为扁长形，导致瞬间延伸率大于屈服伸长率。2 试验夹具及注意事项本试验夹具采用二块厚钢板配合高强度螺栓固定的试验装置，通过上下两端配置夹具，对土工合成材料进行固定，并在下部夹具上设置重物加载环，以固定下部加载的重物，内衬橡胶垫。夹具尺寸：1 8 0 5 0 5 0 m m ，5 个预留螺丝孔，1 个吊物孔。见图2 1特别值得注意的是，土工合成材料受拉时，瞬间横向变形也相对较大。为防止拉伸时的横向收缩对试样产生断裂破坏，加载瞬间夹具两边的螺栓不宜拧得过紧。待纵向变形趋于稳定后( 大约半小时) ，再将螺栓拧紧。2 3 试验结果在试验过程中，每天观测一次蠕变量和室内温度的变化情况。1 、土工网中的1 舟试样经过1 7 2 8 小时、甜样经过2 4 2 4 小时、错样经过5 3 0 4 小时后均已断裂，错样经过8 6 6 4 小时后不再发生蠕变，完全可以认为此时的土工网已处于稳定状态，故终止试验。共获得8 7 9 个试验数据。2 、土工格栅中的1 撑样和冽羊经过5 9 2 8 小时后均不再发生蠕变，完全可以认为此时的土工格栅己处于稳定状态，故终止试验。3 群 正在进行中，蠕变量逐渐增大。共获得7 2 9 个试验数据。以5 天为一个统计时段来记录发生的蠕变量，绘制成曲线，如图2 3 以7 所示，部分试验数据见表2 3 2 9 。1 9图2 1 蠕变实验方法图2 2 蠕变过程的颈缩与断裂型式2 4 试验结果的分析及讨论2 4 1蠕变特性的温度效应土工合成材料加载后应变率随时间变化的实验结果表明：1 、土工网在蠕变过程中存在应变率快速波动情况，同时通过对实验过程室内温度变化的分析发现，对1 撑土工网，当温度超过2 5 。c 时，材料的延伸率明显增大，如图2 3 所示。当温度超过3 0 。c 时，温度效应非常显著。铡土工网表现出同样的蠕变温度效应。而对3 舞、甜试样，温度高达4 06 c ，也没有明显的温度效应，曲线平缓，如图2 4 、图2 5所示。这说明土工合成材料蠕变的温度效应不仅与温度有关，而且与荷载等级有关。当温度超过2 5 。c 、荷载大于土工合成材料最大屈服强度的6 0 时，存在明显的温度效应，并且在临近破坏失效阶段将表现得更为突出。但在温度低于2 56 c ，或荷载水平低于抗拉叟翠( 且f jq、|1|，j2 404 07 ：日9 d1 2 (n1 中1 0】6 fn】1 2 06 n缸0 n图2 _ 31 # 、错土工网试样蠕变特性曲线应变率( )5 04 03 02 01 0图2 4 甜土工网试样蠕变特性曲线时间2 4 04 8 07 2 09 6 01 2 0 0图2 54 # - t i 网试样蠕变特性曲线时阃( h )4 8 01 4 4 02 4 0 03 3 6 04 3 2 05 2 8 0时间o o图2 61 社、甜土工格栅试样蠕变特性曲线时间o o图2 7 鲥土工格栅试样蠕变特性曲线强度的4 0 时，蠕变的温度效应并不明显，参见表2 4 2 7 。此外，从3 # 试样的最终断裂得知：c e l 3 1 土工网的长期强度小于4 0 。为了进一步研究土工网的长期特性，本试验又补做了4 # 试样，荷载水平为最大屈服强度的3 0 ，经过8 6 6 4 小时后不再发生蠕变，故认为土工网的长期强度在3 0 4 0 之间。2 1 撑、斜、3 静土工格栅试样由于荷载不大于4 0 ，基本上不受温度影响，如图2 6 2 7及表2 7 2 9 所示。由于土体内部的温度通常在2 5 c 以下，因此埋在土体中的土工合成材料的蠕变特性不存在温度效应，特别在受力条件简单的情况下，更不必考虑温度效应对强度的影响。另一方面，由于温度效应的存在，室内测定某种土工合成材料蠕变参数，又往往受到温度效应的干扰，所以在处理实验数据时j 必须对实验结果进行温度效应的修正，以克服实验条件下对实验结果的影响，以便使修正后的实验数据与实体工程的条件更为一致。2 4 2 蠕变断裂型式及其讨论从试验过程中发现，l # 土工网试样在应变率达3 7 7 8 后，其边缘开始出现颈缩现象，并逐渐向中间扩展，同时还沿土工网约4 5 0 斜线方向发生颈缩变形，其扩展速度大于水平方向。当应变率达到7 8 3 8 时，土工网沿斜线方向和水平方向同时快速拉断，其断裂后的断裂型式如图2 2 所示，其它几个试样也有类似现象，试样的断裂位置皆发生在测量应变的范围内，从三个试样断裂破坏的结果看，断裂型式是一个极不规则的水平倾斜破坏面，如图2 2 所示。具有一定长度( 3 0 0 m m ) 和宽度( 1 5 0 m m ) 的c e l 3 1 土工网试样，其边缘受力单元可视为无侧向约束，颈缩百分率大，而中间受力单元体相当于受部分侧向约束，颈缩百分率减少。试样将最先从两边缘产生颈缩变形，现取试样边缘某网格为单元体进行受力分析，如图2 8 。当处产生颈缩变形时，一方面单元体原有的对称尺寸及受力平衡受到破坏，在均布荷载产生的拉应力作用下，单元体为了达到新的对称平衡，将沿着其对边，即处开始出现颈缩变形。另一方面，在处产生颈缩破坏的同时，处由次边缘的部分侧向约束逐渐过渡为无侧向约束，从而导致也产生颈缩变形。正如图2 2 所示的倾斜方向颈缩扩展现象。，、图2 , 8 网格受力单元体表2 3l # 土工网蠕变试验原始数据记录记录日时间间累计应变量应变记录时段内的备注期隔( 天)天数( c m )率( )最高温度( 。c )2 0 0 3 3 2112 8 69 3 91 5试样初始长3 312o 5 51 _ 8 01 5度：3