（道路与铁道工程专业论文）土工加筋材料蠕变对结构物变形与受力影响的研究.pdf

摘要 在公路建设过程中，将土工合成材料用于加筋工程也得到了广泛的应用，加 筋材料埋在土体中，可以扩散土体的应力，增加土体的模量，限制土体侧向位移； 还增加土体和其他材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。但是加 筋材料在持续荷载作用下，会产生随时间的增加变形不断增加的蠕变现象，蠕变 也是决定加筋土工程成败的关键因素之一。 本文总结分析了土工合成材料的几种蠕变试验方法基本原理、蠕变特性的影 响因素以及蠕变经验公式与蠕变数学模型；采用数值分析方法对路堤加筋、填挖 结合部位加筋和墙( 台) 背填土加筋结构的变形进行了计算分析，对比了蠕变前 后路基顶面沉降变形、路基侧向位移、土工格栅应变、墙( 台) 背后土压力等变 形与应力的增长水平，得出了筋材蠕变对结构物变形等的影响规律；在总结分析 蠕变折减系数的定义以及蠕变折减系数确定方法的基础上，提出了外推蠕变曲线 的数据处理方法，以及根据设计使用年限内长期蠕变强度或容许应变确定蠕变折 减系数的方法；并根据数值分析计算结果，计算分析了路堤加筋、填挖结合部位 加筋和墙( 台) 背填土加筋结构中土工合成材料的蠕变折减系数，据此建议了公 路工程土工合成材料蠕变折减系数取值范围。 本文研究所得出的成果有利于进一步完善土工合成材料蠕变特性的研究，并 对加筋土工程提供参考与指导。 关键词：土工合成材料；蠕变特性；加筋结构；变形；蠕变变形 a b s t r a c t i nt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，g e o s y n t h e t i cm a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di n r e i n f o r c e m e n ts o i lp r o j e c t i fr e i n f o r c e dm a t e r i a l sa r eb u r i e di nt h es o i l ，t h e yc a l ls p r e a d t h es t r e s so fs o i l ，i n c r e a s et h em o d u l u so fs o i l ，l i m i tt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs o i l ；t h e y c a na l s oi n c r e a s et h ef r i c t i o nb e t w e e nt h es o i la n do t h e rm a t e r i a l st oi m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h es o i la n dt h eb u i l d i n g h o w e v e r , r e i n f o r c e dm a t e r i a l su n d e rs u s t a i n e di o a d w i l lr e s u l ti nc r e e p ，w h i c hw i l li n c r e a s ed e f o r m a t i o nw i t l lt i m ei n c r e a s i n g c r e e pi so n e o ft h ek e yf a c t o r st od e t e r m i n et h es u c c e s so i f a i l u r eo ft h er e i n f o r c e m e n tp r o j e c t t h i sp a p e rr e v i e w ss e v e r a lb a s i cp r i n c i p l e so fc r e e po fg e o s y n t h e t i c s ，t h ef a c t o r s o fc r e e pp r o p e r t i e s ，c r e e pe m p i r i c a lf o r m u l aa n dc r e e pm o d e l t h ed e f o r m a t i o no ft h e r e i n f o r c e ds t r u c t u r ea te m b a n k m e n t ，c u t - t o - f i l ls e c t i o n sa n dw a l l ( a b u t m e n t ) b a c kw e r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e db yn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s c o m p a r e dd e f o r m a t i o na n d s t r e s sl e v e lo fg r o w t hb e f o r ea n da f t e rc r e e ps u c h 硼t h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o no ft h e t o po ft h es u b g r a d e ，s u b g r a d el a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，g e o g r i ds t r a i na n dt h es o i lp r e s s u r e o fw a l l ( a b u t m e n t ) b a c ka n d - o b t a i n e dh o wt h ee n f o r c e m e n t sc r e e pi n f l u e n c et h e d e f o r m a t i o no ft h es t r u c t u r e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed e f i n i t i o na n dd e t e r m i n a t i o no f c r e e pr e d u c t i o nf a c t o r ，p u tf o r w a r dt h ee x t r a p o l a t i o nm e t h o dt op r o c e s st h ed a t ao f c r e e pc h i v ea n du n d e rl o n g - t e r mc r e e ps t r e n g t ho rs t r a i nt od e t e r m i n et h em e t h o do f c r e e pr e d u c t i o nf a c t o r b a s e do nt h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i s ，c a l c u l a t et h ec r e e p r e d u c t i o nf a c t o ro fg e o s y n t h e t i c so ft h er e i n f o r c e ds t r u c t u r ea te m b a n k m e n t ，c u t - t o - f i l l s e c t i o n sa n dw a l l ( a b u t m e n t ) b a c ka n dp r o p o s et h er a n g eo ft h ec r e e pr e d u c t i o nf a c t o r i n g e o s y n t h t i c sf o rh i g h w a ye n g i n e e r i n ga c c o r d i n g l y t h i sr e s e a r c hr e s u l t sh e l pt oi m p r o v et h er e s e a r c ho ft h ec r e e pp r o p e r t i e so f g e o s y n t h e t i c sa n dp r o v i d ear e f e r e n c ea n dg u i d a n c ef o rt h er e i n f o r c e m e n te a r t hp r o j e c t k e y w 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 y ；r e i n f o r c e ds t r u c t u r e ；d e f o r m a t i o n ； c r e e pd e f o r m a t i o n ； 重庆交通大学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：联奇 日期：。9 1 移年扫月，日 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：徽匆 指导教师签名：彻口位 日期：如年6 月、1 日e t 期：为f o 年6 月e t 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位做储虢稻莺 指剥币魏又7 7 压友 日期：加i o 年 6 月f 1 日 日期：知f 睥易月i f 日 第一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出及研究意义 近十几年来，我国公路建设蓬勃发展，公路建设对国民经济发展的支撑作用 越来越显著。为进一步促进我国经济的发展，尚需进步加强公路等基础设施的 建设。按国家规划，我国还将建设2 万多公里高速公路，形成8 万公里的高速公 路网，同时，还有大量的其他等级公路需要建设。然而，我国地域辽阔，地形和 地质条件复杂，迫切需要在公路建设时积极采用新材料、新工艺、新技术，以提 高公路建设的科技含量，确保工程质量和促进公路建设的可持续发展。 在公路建设过程中，土工合成材料的应用越来越广泛。据不完全统计，每年 仅用于公路工程的土工合成材料的价值就超过3 亿元，真正成为继水泥、钢材、 沥青后的第四大公路建筑材料，基本到了没有一条高速公路不采用土工合成材料 的程度。其中，将土工合成材料用于加筋工程是主要工程应用场合。加筋材料埋 在土体中，可以扩散土体的应力，增加土体的模量，限制土体侧向位移；还增加 土体和其他材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。但是加筋材料 在持续荷载作用下，会产生随时间的增加变形不断增加的现象，这种现象称为蠕 变。蠕变是决定加筋土成败的关键因素之一。 目前，公路工程的很多结构如：路堤、填挖结合部、墙( 台) 背填土等均采 用土工合成材料加筋。对路堤进行加筋，其主要作用在于提高路堤的稳定性；对 填挖结合部进行加筋是通过土工合成材料约束土体、均化应力的作用，增强路基 稳定性，减少路基不均匀沉降；对墙( 台) 背的填土进行加筋的主要目的是减少 填土对墙( 台) 背的侧向土压力。 我国土工合成材料加筋技术的研究已有3 0 多年的历史，取得了许多有价值的 理论研究成果和宝贵的工程实用技术，为该项技术在工程领域的推广应用创造了 良好的条件。但是，随着材料的不断发展，以及工程所面临的新问题，尚存在许 多问题需要进一步研究。就土工合成材料蠕变特性而言，这些问题主要体现在以 下几方面。 ( 1 ) 在选取土工合成材料加筋时随意性较大。土工合成材料蠕变特性是土工格 栅等加筋材料最重要的性质之一，但目前的相关规范，在材料选择时只提及强度、 变形、粗糙程度等参数，并没有对筋材的蠕变提出要求。 ( 2 ) 对土工合成材料蠕变的考虑比较宽泛。蠕变被认为是影响土工合成材料强 度的两大主要因素之一，但国内用于加筋工程的材料还没有具体的蠕变控制指标， 只是在抗拉强度取值时给出一个单一的折减值。 2 第一章引言 ( 3 ) 没有针对不同的加筋工程特点考虑蠕变。不同的工程结构、加筋形式及加 筋量、筋材类型等条件下，土工合成材料产生的蠕变不同，这些都会影响到加筋 体的长期稳定性。 这些技术问题如不得到有效解决，将制约土工合成材料加筋技术在路基工程 中的正确应用。因此，深化土工合成材料蠕变特性的研究是非常迫切和必要的。 1 2 国内外研究状况 在土工合成材料应用的过程中，已经积累了一些关于筋材蠕变性质的经验， 但是，比较接近事实的理论不多。例如对于如何判断蠕变对工程的影响，各国专 家做了大量的工作，一般采用短期蠕变的成果，求得经验公式，以推求长期的蠕 变量。近年来很多专家主张延长蠕变试验的时间，以增加推求长期蠕变的精度。 j h g r e e n w o o d 所做的试验时间长达两年之久，还做了应力松弛试验以进行对比 ( g r e e n w o o d ，1 9 9 0 ) 。其他学者也做了类似的试验。大量的试验证明，筋材蠕变 不仅受材料种类和时间的影响，同时还受温度、材料结构、约束条件和荷载水平 的影响( m a t i c h o r d 等，1 9 9 0 ) ，这使得室内试验较难模拟实际情况，也决定了筋材 蠕变特性研究的复杂性。同时筋材蠕变发展过程缓慢，需要很长的持续的研究观 察时间，这些都制约了理论的发展。 1 2 1 加筋材料的蠕变测试方法 由文献 1 可知，常规蠕变试验一般依据规范进行，如美国的a s t m 、英国的 b s 和国际标准化协会i s o ，我国水利部的s l t 2 3 5 1 9 9 9 等。这些标准的相同之处 有：都是在无侧限条件下的试验；施加的荷载精度都是1 ；试验温度都是( 2 0 2 ) 左右；试样的宽度一般都为2 0 0 r i o n ；s l 和a s t m 中计算应变的公式和图表 相同；标准的蠕变曲线是应变随时间变化的曲线。 加速蠕变试验的方法有时温叠加法和分级等温法，( 1 ) 时温叠加法，基本原理 是：用多种试样在相同恒定的拉伸荷载下，做几种不同温度下的短期蠕变试验。 任意选出一种参考温度( 一般选试验最低温度为参考温度) ，把非参考温度下的曲 线图沿水平轴移动，使之与参考温度下的曲线图成为一光滑连接的整体。前段图 的末端与后段图的前端保持重合，最终形成一条主曲线。( 2 ) 分级等温法，基本原 理是：给一种试样连续加载，分步升温，通过升高温度后放缩时间比例，依据放 缩比例后的时间作出弹性模量和时间对数的关系图，垂直移动各段曲线去除热膨 胀造成的蠕变影响，水平移动得到主曲线。 1 2 2 筋材蠕变影响因素及蠕变方程 近十几年来，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。这些公式可分为二种类型：( 1 ) 第一章引言 蠕变系数法，这一类型的公式没有包含应力的因素，在不同应力水平下，需进行 不同的试验，以取得蠕变系数b 值。( 2 ) 三参数法，s i n g h 和m i c h e ll 对粘土的蠕 变特性进行了研究，于1 9 6 8 年提出了三参数法蠕变原理，他们所建议的经验公式 中包括a 、a 及m 三个参数。s h r e s t h a 和b e l l 根据这一原理于1 9 8 2 年提出一个计 算土工织物蠕变量的经验公式，该公式弥补了蠕变系数法公式未考虑应力因素的 不足。 以上两种方法所做的试验都是在无约束条件下进行的。实际上土工织物埋在 土中，由于土摩阻力的约束，其蠕变量要小的多，尤其对无纺织物，约束条件的 影响更大。 m c g o w n 和a n d r a w e s 口1 等人以热粘长丝无纺( t e r r a m l 0 0 0 ) 和针刺长丝无纺 ( b i d i m u 2 4 ) 两种土工织物在垂直压力为0 1 m p a 的约束条件下，施加的拉力分别 为3 5 k n m 和1 9 k n m ，与无约束条件下( 无垂直土压力) 的拉伸试验进行对比， 得出约束条件对初始应变及总应变的影响很大，比无约束条件下的试验值要小得 多。 武汉水利电力学院选用不同织物进行了较长时间的蠕变试验，得到了相同的 规律。王协群，朱瑞赓的侧限蠕变试验研究表明：蠕变性质和许多因素有关， 其中有无土侧限条件时，蠕变性能不一样，该研究提交了2 种典型土工织物的侧限 拉伸蠕变试验结果，分析在不同的荷载水平和上覆土压力限制下土工织物蠕变性 能的变化，反映出土工织物在砂土中拉伸模量和抗拉强度随着上覆压力的增加而 提高，蠕变应变和蠕变系数显著减小。 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。 法国道桥研究所n 3 应用6 种常用的土工织物，在相似的荷载水平下进行蠕变试 验，土工织物总应变与时间关系曲线表明，聚酯和聚丙烯两种织物的蠕变性能相 差很大，而相同材料，结构不同的织物蠕变特性相近。考虑温度对织物蠕变的影 响，对特定的织物进行了蠕变试验，分别选用2 0 、4 0 。c 及6 0 三种温度，应力 水平为0 5 。试验结果表明：当应力超过2 0 时，不同温度下的蠕变特性迥然不同， 且应变率与应变的关系曲线表明当应变值大于( 4 5 5 5 ) 时将产生二次蠕变。 1 2 3 土工格栅的蠕变本构模型 采用格栅进行土工加筋时，最初一般将筋材作为短期加筋考虑。因而，很少 考虑加筋筋材随时间和环境温度等外部环境的变化。随后广泛地应用于永久性设 施与结构的加筋工程中，此时必须考虑筋材的长期变形特征。作为一种高分子聚 合物，在一定温度下经受载荷的长期作用时，土工格栅表现出明显的蠕变特性， 并直接影响格栅加固结构的长期工作性能。但是，目前关于土工格栅和时间相关 4第一章引言 型的本构模型尚不多见。 为了定量分析格栅的蠕变特性，一些学者开始采用一些简单方程建立格栅的 本构模型。f i n n i g a n 、l e e u w e e n ( 1 9 7 7 ) 和r a u m a n n ( 1 9 8 1 ) 在分析土工合成材料短期 的蠕变特时采用蠕变系数法公式，为了得到适合于分析格栅的长期蠕变特性， f i n d l e y 根据大量的格栅长期蠕变试验数据，针对聚乙烯材料提出了蠕变方程的表 达式，并以此为基础，提出采用b o l t z m a n 叠加原理，通过分段施加荷载的方法来 考虑格栅的加载或卸载状态。 d a s ( 1 9 9 0 ) 对s i n g h 和m i t c h e l l ( 1 9 6 8 ) 所建议的模型进行了修正，以此提出了 蠕变应变速率的表达式。尽管为建立格栅蠕变本构方程已经进行了大量的蠕变试 验，但有关的实验数据主要集中在室内实验的考虑基础上，并没有考虑格栅埋入 土中实际蠕变条件。 为了分析格栅在土中即考虑格栅与土相互作用效应时的蠕变特性， m a t i c h a r d ( 1 9 9 0 ) 和b l i v e t ( 1 9 9 2 ) 基于格栅在土中的长期蠕变试验数据提出了蠕 变应力一时间关系式，并通过针对同种格栅在不同搁置条件下所进行的参数对分 析表明：当同种产品在不同搁置条件下，当应力水平较高时，蠕变方程中参数的 变化较大。 v i e z e e ( 1 9 9 0 ) 通过土工合成材料的蠕变试验进行了分析与模拟，并给出了土 工合成材料的蠕变方程。m i k i 等人将其应用于以初蠕变和二级衰减蠕变为主的土 工合成材料，结果比较令人满意，同时该关系式适用于筋材处于较低应力的情况口1 。 肖成志( 2 0 0 5 ) 提出了土工格栅的粘弹性本构模型，该模型在应力条件相对 比较低的情况下可以比较好的预测实测值。 1 2 4 蠕变折减系数特性的工程考虑 目前，国内用于加筋工程的材料还没有具体的蠕变控制指标，只是在抗拉强 度取值时给出一个单一的折减值。如在公路工程土工合成材料应用技术规范 j t j t0 9 1 - 9 8 中，确定土工合成材料的抗拉强度时考虑了材料强度综合修正系数 屯，对于土工格栅取丸= 2 0 。在公路加筋土工程设计规范j t j 0 1 5 9 1 中，聚 丙烯土工带容许应力由其容许产生的蠕变控制，设计应力采用最大拉应力的1 5 1 7 。 美国规范的设计抗拉强度取值考虑了蠕变、铺设损伤、化学损伤、生物损伤 和联结等不利因素，而且，铺设损伤和蠕变被认为是影响土工合成材料强度的两 大主要因素所给定的折减系数分别达到了5 0 和3 0 。 文献 5 定义蠕变折减系数为抗拉强度与长期蠕变强度( 即在环境温度和设计 使用年限下不发生破坏的最大强度) 的比值。 王钊在土工合成材料中介绍了两种根据不同形式的蠕变曲线确定折减系 第一章引言 5 数的方法，分别为( 1 ) 从拉伸蠕变破坏荷载与时间曲线求r 艮；( 2 ) 从蠕变应变与时间 曲线求r f 僳。获得这两种曲线的试验工作量基本相同；当计算r f 傀时，前一种曲线 较为简单，但不能获得相对于一定应变的r 艮。 文献 2 8 中规定了塑料土工格栅长期蠕变强度的试验方法和评价方法，其原 理是：在按试样拉伸强度一定百分比预定的荷载的作用下进行蠕变测试，得到载 荷试样达到1 0 应变的时间，绘制设定荷载和达到1 0 应变的时间的l o g 值的关系 曲线，线性外推至设计年限，与此相对应的即为整个设计年限中达到1 0 应变的设 定荷载。 1 3 本文的工作 从国内外土工合成材料蠕变的研究现状来看，还存在很多需要研究解决的问 题。本文以公路典型加筋工程路堤加筋、填挖结合部加筋、墙( 台) 背填土 加筋为研究对象，在以下几方面开展研究。 ( 1 ) 加筋材料蠕变特性。总结分析了土工合成材料的蠕变测试方法，侧限条 件、温度、应力对蠕变的影响，以及目前采用的蠕变方程等。 ( 2 ) 筋材蠕变对加筋体的影响。采用数值分析方法对路堤加筋、填挖交界部 位加筋和墙( 台) 背填土加筋结构的变形进行了计算分析，对比分析了蠕变前后 路基顶面沉降变形、路基侧向位移、土工格栅应变等，得出了筋材蠕变对于结构 物变形的影响特征。 ( 3 ) 蠕变控制指标。在总结与分析既有蠕变折减系数确定方法的基础上，通 过算例，对比分析了各方法蠕变折减系数结果，进而提出了适用于公路工程的蠕 变折减系数确定方法以及经验取值范围。 6 第二章土工合成材料蠕变特性 第二章土工合成材料蠕变特性 2 1 蠕变测试方法 2 1 1 常规室内蠕变试验 常规蠕变试验一般依据规范进行，如美国的a s t m 、英国的b s 和国际标准化协 会i s o ，我国水利部的s l t 2 3 5 1 9 9 9 等。这些标准的相同之处有：都是在无侧限 条件下的试验；施加的荷载精度都是1 ；试验温度都是( 2 0 2 ) 左右：试 样的宽度一般都为2 0 0 m m ：s l 和a s t m 中计算应变的公式和图表相同；标准的蠕变 曲线是应变随时间变化的曲线 s = ( 缸x 1 0 0 ) l ， 式( 2 1 ) 式中：占一蠕变应变( ) ； 址一施加荷载至测读时间的伸长量( 姗) ； 。一初始计量长度与预拉荷载伸长量之和( 咖) 。 对于土工格栅，按照下式计算单宽荷载 a = ( f n 1 1 ) ：i c n t 式( 2 2 ) 式中：a 单宽荷载( 1 ( n m ) ； 卜施加的荷载( i ( n ) ； n 广试样的肋条数； n 广单位宽度的l 肋条数。 它们的不同之处有：对试验持续时间，b s 要求i 0 0 0 0 小时，其他标准均要 求1 0 0 0 小时；b s 的l g 不包括预拉荷载伸长量；试验要求湿度条件略有不同： b s 和i s o 要求( 6 5 2 ) ，a s t m 要求( 5 0 7 0 ) ，s l t 2 3 5 要求( 6 0 1 0 ) ；各 标准要求的伸长量读数精度、要求施加的预拉伸荷载和读数时间也有差别，例如， i s o 要求的伸长量精度为计量长度的0 1 ，预拉伸荷载为1 o t ，q i e 不超过蠕变 施加荷载的1 0 ，要求当整个拉伸蠕变荷载施加完毕起，在下列时刻测量试样长度 的变化：l m i n 、2 m i n 、4 m i n 、8 m i n 、1 5 m i n 、3 0 m i n 、6 0 m i n 、2 h 、4 h 、8 h 和2 4 h ， 3 d 、7 d 、1 4 d 、2 1 d 、4 2 d ( 4 2 d = l 0 0 8 h ) = 而b s 则要求从第0 1 h 起，每一个l g 循 环内读数对于s 4 次。此外，许多试验成果还提供了试样的初始应变和蠕变曲线中 直线段的斜率( 蠕变系数) ，有的试验成果还给出了拉伸模量与时间对数的关系曲 线，以及等时曲线( 某一时间的单宽荷载与拉伸率的关系) 。 2 1 2 时温叠加法加速蠕变试验 时温叠加法( t i m e t e m p e r a t u r es u p e r p o s i t i o n ) 是一种加速土工合成材料 蠕变试验的方法，虽然仍需要做较长时间的试验，但是得到的主曲线可预测更长 第二章士工合成材料蠕变特性7 时间的蠕变特性，一般至少可预测到1 0 0 0 0 0 0 小时即1 1 5 年后材料的蠕变特性， 因此比常规方法更可靠更先进。 聚合物易发生依赖于时间和温度的变形。在恒定荷载恒定温度下做一种简单 的蠕变试验，记录应变容易得到一种等温蠕变曲线。如果试验中温度发生变化可 看到反应：第一应变随温度而变化；第二，产生附加应变，表示两种反应的模型 为时温叠加模型。t t s 最基本的概念是升高温度加速反应特性。通常在室温和低温 范围范围内短时期的蠕变应变较小，并且应变的影响主要是由温度引起的。 时温叠加法的基本原理：用多种试样在相同恒定的拉伸荷载下，做几种不同 温度下的短期蠕变试验。任意选出一种参考温度( 一般选试验最低温度为参考温 度) ，把非参考温度下的曲线图沿水平轴移动，使之与参考温度下的曲线图成为一 条光滑连接的整体。前段图的末端与后段图的前端保持重合，最终形成一条主曲 线。移动的水平距离为那种温度下的水平转换因子，垂直距离为垂直转换因子。 此主曲线与室温下长期蠕变试验结果相比较，试验得到的转换因子与w l f 方程理 论计算的相比较，看是否符合。依据此转换关系可预测更长时间更高温度的蠕变 特性。 利用时温叠加法确定土工合成材料的蠕变特性的步骤如下： ( 1 ) 蠕变试验的准备工作，如试验试样、试验条件、设备器材等； ( 2 ) 取多种试样在相同恒定荷载下，在不同的温度下做短期的蠕变试验，再 在其他恒定荷载下做同样的试验； ( 3 ) 作出不同温度下粘弹性效应和时间对数的关系图；任意选取一种温度作 为参考温度，一般选试验中最低温度为参考温度； ( 4 ) 水平移动相邻曲线得到主曲线； ( 5 ) 从图中得到转换因子a t 值； ( 6 ) 把得到a t 值与经验公式计算值相比较； ( 7 ) 用a t 值和主曲线预测更高温度下更长时间的蠕变特性。 2 1 3 分级等温法加速蠕变试验 由文献 4 可知，分级等温法是时温叠加法的一种特例，用到了时温叠加法的 原理，是在时温叠加法的基础上发展起来的一种更先进的方法。分级等温法中主 曲线由一种试样得到，因此不存在转换因子的不确定性问题。用分级等温法做土 工合成材料的蠕变试验，虽然相对其它常规的长期蠕变试验费用高，但所用时间 特别短，效率尤其高，因此得到广泛应用。 分级等温法中，当刚开始施加荷载时，应变的产生相对来说比较迅速，但应 变率随时间增加而减小。因此，用粘弹性效应和时间的关系图来描述材料的粘弹 性特性尤为重要。用于蠕变试验的分级等温法由一系列分布升温的蠕变试验组成， 第二章土工合成材料蠕变特性 一般每个步骤持续1 0 0 0 0 秒左右。经过四五步后可预测至7 5 年，有时甚至是1 1 4 年的蠕变特性。 分级等温法原理时：给一种试样连续加载，分布升温，通过升高温度后放缩 时间比例，依据放缩比例够的时间作出弹性模量和时间对数的关系图，垂直移动 各段曲线去除热膨胀造成的蠕变影响，水平移动得到主曲线。与时温叠加法加速 土工合成材料蠕变试验的区别仅在于：温度是连续升温的，存在热膨胀产生的蠕 变历史，垂直移动了各分段曲线。试验由一种试样进行，克服了时温叠加法中由 于试样间的差别造成的转换因子和主曲线不确定的缺点。如果放缩时间比例适当， 则得到的曲线前一段图的末端斜率与后一段图的始端斜率精确匹配。垂直移动和 水平移动的过程要反复进行试验，以得到光滑的主曲线。沿时间对数水平轴移动 的距离为转换因子a t ，意义与时温叠加法中的转换因子一样，表明在某种温度下 材料达到某种应变状态，若在参考温度下要达到相同的应变状态需要的时间。一 般时间以秒为单位，水平轴取时间的对数，因此如果从t l 时刻移动到t 2 时刻， 则a r = t 2 - t l ，移动的时间为1 0 “一1 0 秒。 分级等温法整体过程如下： ( 1 ) 在恒定荷载下，做分级等温蠕变试验； ( 2 ) 做粘弹性模量和时间t 的对数关系的关系图，确定温度变化的时刻； ( 3 ) 放缩单个蠕变片段图的时间比例，以t - t 。时间对数为水平轴重画蠕变图。 t 。用于调整计算应变历史，当后段图始端斜率与前端图末端斜率完全一样时，说明 调整适当； ( 4 ) 垂直移动去除热膨胀的影响；水平移动得到并列的放缩后的图形，垂直 移动得到一条主曲线。 2 1 4 荷载转换法加速蠕变试验 由文献 4 可知，土工合成材料的常规蠕变试验需要很长的时间，为了加速土 工合成材料的蠕变试验，f a r r a gk ( 1 9 9 7 ) ，t h o r n t o nj s ( 1 9 9 8 ) ，p i y u s h k d ( 2 0 0 0 ) ，b a r a sl c s ( 2 0 0 2 ) 等人先后提出和完善了时温叠加法和分级等温 法。这两种方法的基本原理都是升高温度以缩短蠕变试验时间，通过温度转换因 子，依据高温某恒定荷载水平下短时间内的蠕变特性外推出常温同种荷载水平下 长期的蠕变特性。这两种方法虽然节省了大量时间，但对实验室恒温要求高且只 能转换同种荷载水平下不同温度条件下的蠕变特性。本文提到的荷载转换法只应 用常规蠕变试验设备就可以转换同种温度下不同荷载水平的蠕变特性。该方法的 原理与前两种方法大致相同，升高温度与加大荷载水平是等效的。升高温度可以 加快分子的热运动，外力加大也可以使高分子单元以较快的速度运动，两者的结 果都会使材料的变形或破坏的能量增大，加快材料的变形，缩短蠕变时间，因此 第二章土工合成材料蠕变特性 9 利用此原理，通过应力转换因子，以缩短蠕变时间。同时，根据该方法可以计算 出设计年限时的长期蠕变强度以确定蠕变折减系数。 荷载叠加原理：土工合成材料承受外加荷载导致变形，其重要的变化过程为： 施加荷载后能量通过分子链传递，部分分子的运动起到传递能量给相邻分子链的 作用，分子链发生变形重排，分子的粘结拉伸、角度的变化导致弹性能量的存储， 所有这些运动变化过程都与分子的自由体积有关，自由体积越大分子运动得越快， 当升高温度时自由体积变大，从而加快分子运动的能力。这就是从高温下短期试 验预测低温下长期特性的原理。任何改变自由体积的方法都能用来预测长期特性， 只是现在普遍用到的是升高温度的方法。同样，应力水平也影响自由体积的变化， 从而影响分子运动能力。当施加荷载时正如升高温度那样加速了蠕变过程，蠕变 反映出了承受荷载水平的能力。 2 2 蠕变特性影响因素 2 2 1 聚合物种类和结构的影响 对高密度聚乙烯单向格栅与聚丙烯单向格栅蠕变性能差异的比较研究表明， 相同的加工工艺条件下，高密度聚乙烯单向格栅的抗蠕变性能明显优于聚丙烯单 向格栅，材料属性是其决定性因素。高密度聚乙烯，其超长分子链及其低支化度 特征保证了其拉伸后稳定的晶格结构及分子间作用力，从而具有较好的抗蠕变性 能；而聚丙烯因其大分子链支化度较高，拉伸后其晶格结构及分子取向不如高密 度聚乙烯规则，故其抗蠕变性能差。 另外，即使同种材料但结构不同、蠕变特性也不相同。对不同牌号聚乙烯材 料所生产的单向格栅的研究表明，其抗蠕变性能存在很大的差异，一般来讲，聚 乙烯分子量越高，分子量分布越窄，其抗蠕变性能越好，而其加工性能越差；相 反，高密度聚乙烯的分子量越小，分子量分布越宽，其抗蠕变性能就越差，而其 加工性能就越好；大量小分子链段的存在，会使拉伸强度和模量降低，拉伸后分 子结晶不好，导致抗蠕变性能较差；研究表明，即使分子量相同，分子量分布不 同，也可以使格栅的长期蠕变强度下降2 0 8 0 。 同种土工合成材料加工工艺不同，其蠕变特性也会不同。同一材料，因加工 制造工艺条件不同，其蠕变性能差异也很大，除了孔型设计与分布等几何因素处， 拉伸温度、拉伸比、拉伸速度、结点形状及其取向程度等因素都会影响其蠕变性 能，拉伸程度较高，网孔尺寸均匀，取向充分，分子后期蠕变变形受到限制，其 抗蠕变性能就比较好，蠕变极限强度就高。 2 2 2 侧限条件的影响 土工织物的蠕变试验大多是在空气中做的，隔离了实际的应用环境，这就与 1 0第二章土工合成材料蠕变特性 实际在工程中的应用有很大的不同。大由于试验条件的不同，土工织物的蠕变特 性有很大的不同。因此，为了确定土工织物的真实特性，必须在模拟的实际环境 中做，即不得不考虑侧限条件。侧限不影响不同结构织物的蠕变，但对聚酯蠕变 影响很大，特别是在侧压较小时。有纺织物表面呈网格状，侧限压力的作用可以 忽略。无纺织物在有或没有侧压条件下的变形率一样，但变形曲线在开始阶段收 围压环境中产生了高刚度。当土工织物受到土侧限时，两者的摩擦阻力降低了土 工织物的蠕变性。尤其在初步蠕变阶段，侧限大大减小了蠕变现象。对此，有三 种可能的解释：一是因为土的侧限能增加夹具间内部的摩擦力：二是因为土的侧 限限制了土工织物的重新排列：三是因为土的侧限限制了夹具的移动。因此，蠕 变试验只有在侧线条件下进行才能得到可靠的结果，特别是对无纺织物。 原型观测资料也证明了这一点。m c g o w n 和a n d r a w e s 等人以热粘长丝无纺 ( t e r r a m l 0 0 0 ) 和针刺长丝无纺( b i d i mu 2 4 ) 两种土工织物在垂直压力为0 1 m p a 的约束条件下，施加的拉力分别为3 5 k n m ，和1 9i ( n m ，绘制应变一时间对数关 系曲线，与无约束条件下( 无垂直土压力) 的拉伸试验进行对比，得出结论：约 束条件对出事应变及总应变的影响很大，比无约束条件下的试验值要小得多。 武汉水利水电学院选用不同织物进行较长时间的蠕变试验，得到了相同的规 律。 2 2 3 温度条件的影响 文献 4 得到结论：温度通过影响分子间的连接来影响土工织物的蠕变特性。 为了研究温度对土工合成材料蠕变特性的影响，有人用热粘型聚乙烯、聚丙烯、 针刺型聚酯三种无纺材料和一种聚丙烯有纺织物在2 5 和5 0 的短期强度下，在1 0 和3 0 。c 条件下做试验。研究结果表明材料的特性可分为三种类型： ( 1 )温度影响变形，应力不影响变形，所有的p e t p 材料都显示出这种特性； ( 2 )当应力变形的临界值接近最后的蠕变值时，温度和应力影响变形，超 过临界值就会导致破裂，如高密度聚乙烯h d p e 格栅； ( 3 )在低应力水平下如2 5 的荷载水平下，温度和应力影响变形，尤其是 温度有明显的影响，如有纺聚丙烯。 2 2 4 应力水平的影响 土工织物的蠕变特性还随荷载水平的不同而不同。聚酯受荷载水平影响很小， 而无纺和有纺的聚丙烯织物受荷载水平影响很大，当荷载水平增加时，需要很长 时间和较大变形才能使变形率达到一个稳定值。 2 3 蠕变本构模型 采用土工合成材料进行土工加筋时，最初一般将筋材作为短期加筋考虑。因 第二章土工合成材料蠕变特性 而，很少考虑加筋筋材随时间和环境温度等外部环境的变化。随后广泛地应用于 永久性设施与结构的加筋工程中，此时必须考虑筋材的长期变形特征。作为一种 高分子聚合物，在一定温度下经受载荷的长期作用时，土工格栅表现出明显的流 变特性，并直接影响格栅加固结构的长期工作性能。但是，目前关于土工格栅和 时间相关型的本构模型尚不多见。 2 3 1 蠕变系数法 近十几年来，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口1 。这些公式可分为二种类型： 公式的形式为： f = 占o + b l 0 9 1 0 t 式( 2 3 ) 式中：一静荷载作用下，t 时后的总应变量； 岛一受力开始时的初始应变量； b 一蠕变系数； f 一时间( m i n ) 。 这一类型的公式没有包含应力的因素，在不同应力水平下，需进行不同的试 验，以取得蠕变系数b 值。 2 3 2 三参数法 s i n g h 和m i c h e l l 对粘土的蠕变特性进行了研究，于1 9 6 8 年提出了三参数法 蠕变原理，他们所建议的经验公式中包括a 、a 及i l l 三个参数。s h r e s t h a 和b e l l 根据这一原理于1 9 8 2 年提出一个计算土工织物蠕变量的经验公式 毛= 占l + - ! 二e 吐0 1 麻一1 ) ( m l 时) 式( 2 4 ) l 一，竹 式中：占一时间为t 时的总应变量； 一时间t = l 时的应变量； l 一应力水平； l = = 施加的应加 万 断裂应力 z m 、q 、a 试验常数，即三参数，通过试验确定。 当m = l 时，式( 2 4 ) 变为以下形式 s f = q + 彳p 吐i n t式( 2 5 ) 公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 弥补了公式( 2 3 ) 未考虑应力因素的不足。 以上两种方法所做的试验都是在无约束条件下进行的。实际上土工合成材料 埋在土中，由于土摩阻力的约束，其蠕变量要小的多，尤其对无纺织物，约束条 件的影响更大。 1 2第二章土工合成材料蠕变特性 2 3 3 其他蠕变本构模型 由文献 4 可知，采用土工合成材料进行土工加筋时，最初一般将筋材作为短 期加筋考虑。因而，很少考虑加筋筋材随时间和环境温度等外部环境的变化。随 后广泛地应用于永久性设施与结构的加筋工程中，此时必须考虑筋材的长期变形 特征。作为一种高分子聚合物，在一定温度下经受载荷的长期作用时，土工合成 材料表现出明显的流变特性，并直接影响土工合成材料加固结构的长期工作性能。 但是，目前关于土工合成材料和时间相关型的本构模型尚不多见。为了定量分析 土工合成材料的蠕变特性，一些学者开始采用一些简单方程建立土工合成材料的 本构模型。 f i n n i g a n 、l e e u w e e n ( 1 9 7 7 ) 和r a u m a n n ( 1 9 8 1 ) 在分析土工合成材料短期的蠕变 特性时，所采用的经验公式为： 占= 8 0 + a l g t 式( 2 6 ) 为了得到适合于分析土工合成材料的长期蠕变特性，f i n d l e y ( 1 9 8 7 ) 根据大量的格栅 长期蠕变实验数据，针对聚乙烯材料提出了下列蠕变方程的表达式： 占= s o + s l t “式( 2 7 ) 以此为基础，f i n d l e y 提出采用b o l t z m a n 叠加原理，通过将分段施加荷载的方法来 考虑格栅的加载或卸载状态。 d a s ( 1 9 9 0 ) 对s i n g h 和m i t c h e l l ( 1 9 6 8 ) 所建议的模型进行了修正，以次提出了蠕 变应变速率的表达式 ；：c 。占c z 亍4 ) 删 t 式( 2 8 ) 尽管为建立土工合成材料蠕变本构方程已经进行了大量的蠕变试验，但有关的实 验数据主要集中在室内实验的考虑基础上，并没有考虑土工合成材料埋入土中实 际蠕变条件。因此，为了分析土工合成材料在土中即考虑土工合成材料与土相互 作用效应时的蠕变特性，m z t i c h a r d ( 1 9 9 0 ) 和b l i v e t ( 1 9 9 2 ) 基于土工合成材料在土中 的长期蠕变试验数据提出了下列的蠕变应力一时间关系式 g = 8 1 f 以式( 2 9 ) 并通过针对同种土工合成材料在不同搁置条件下所进行的参数对分析表明：当同 种产品在不同搁置条件下，当应力水平较高时，蠕变方程中参数的变化较大； v i e z e e ( 1 9 9 0 ) 通过土工合成材料的蠕变试验进行了分析与模拟，并给出了土工 合成材料的蠕变方程 6 ( t ) = ml g t + c ( t o )式( 2 1 0 ) 第二二章土工合成材料蠕变特性 m i l d 等人将其应用于以初蠕变和二级衰减蠕变为主的土工合成材料，结果比 较令人满意，同时该关系式适用于筋材处于较低应力的情况。 肖成志( 2 0 0 5 ) 提出了土工合成材料的粘弹性本构模型，其关系式为： r 喝占6 再1 式( 2 1 1 ) t o 该模型在应力条件相对比较低的情况下可以比较好的预测实测值。 2 4 本章小结 本章总结分析了目前国内外流行的几种土工合成材料蠕变试验的方法，以及 有关因素对土工合成材料蠕变特性的影响，通过分析，可以得出如下结论。 ( 1 ) 蠕变试验的加速方法明显优于常规试验方法。时温叠加法的缺点是有其 不确定性，试验差别影响较大