（纺织材料与纺织品设计专业论文）土工织物拉伸力学性能的应用研究[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

土工织物拉伸力学性能的应用研究 摘要 摘要 本论文结合土工织物的实际应用，从试验和理论两个方面针对试样宽度对土工 织物拉伸性能的影响及开孔土工织物孔截面上的应力分布情况进行了分析研究，研 究结果为土工织物抗拉强度的测试和实际工程应用提供了理论依据和参考。 通过对土工织物不同宽度的拉伸试验，分析了土工织物试样宽度与断裂强度、 断裂伸长率、侧向收缩率、定伸长强度、弹性模量之间的关系。结果表明：土工织 物的断裂强度与试样宽度之间存在着幂函数关系，侧向收缩是影响不同宽度试样断 裂强度的潜在因素；试样宽度对土工织物断裂伸长率没有明显的影响；伸长率较大 时的定伸长强度同样会受试样宽度的影响：土工织物的弹性模量随试样宽度的增大 略有增加。 将边界元法应用到土工织物拉伸力学性能的研究中，编写了针对计算研究土工 织物拉伸力学性能的边界元法程序。 用边界元法程序从理论上计算分析了土工织物试样宽度与拉伸断裂强度间的关 系，理论计算结果与试验结果具有相同的趋势，证实了土工织物的断裂强度与试样 宽度之间存在着幂函数关系。同时从理论上计算了土工织物试样单向拉伸时试样内 的应力分布情况，计算结果表明：夹头夹持试样边附近的拉应力集中现象较明显， 试样在靠近夹头附近不受约束的自由边处则存在显著的剪应力集中。 用边界元法程序分别对开有圆孔或椭圆孔或方孔的土工织物试样在单向与双向 拉伸时孔截面上的应力分布情况进行了计算与分析，结果表明：土工织物孔截面上 的应力集中出现在距孔边3 倍左右的孔径尺寸范围内：孔边附近应力集中的程度与 孔的形状、大小、位置及试样的尺寸有关。不同形状孔附近的应力集中程度还与土 工织物试样的拉伸条件有关，试样单向拉伸或双向拉伸时，孔边的最大应力值不同， 最大应力所出现的位置也不同。 为验证用边界元法计算开孔土工织物应力分布的正确性，对开有不同大小圆孔 或方孔的土工织物试样进行了拉伸试验。将开孔试样的理论计算断裂强度与试验所 得结果进行分析对比，理论值与试验值具有相同的变化趋势，理论值较试验值偏低： 通过记录开孔试样的拉伸过程，证实了土工织物孔边附近存在着应力集中现象：并 根据计算结果提出了开孔土工织物安全应用的方法。 关键词：士工织物，拉伸性能，试样宽度，孔，应力集中，边界元法 - - i - - 土工织物拉伸力学性能的应用研究 i n v e s t i g a t i o no n t e n s i l ep r o p e r t i e so fg e o t e x t i l e sf o r a p p l i c a t i o n a b s t r a c t t e n s i l ep r o p e r t i e sa r e v e r yi m p o r t a n tf o ra p p l i c a t i o no fg e o t e x t i l e s i no r d e rt o p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s e sa n dr e f e r e n c e sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ft h e s p e c i m e nw i d t h t og e o t e x t i l e st e n s i l ep r o p e r t i e sa n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h eh o l e d g e o t e x t i l ew e r ei n v e s t i g a t e do n b o t h e x p e r i m e n t a n dt h e o r e t i ci nt h i st h e s i s b a s e do nt e n s i l e t e s t i n g f o rd i f f e r e n tw i d t h s p e c i m e n s o f g e o t e x t i l e s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e c i m e nw i d t ha n db r e a k i n gs t r e n g t h ，b r e a k i n ge l o n g a t i o n ，l a t e r a l c o n t r a c t i o n ，s t r e n g t ho ff i x e de l o n g a t i o n a n de l a s t i c i t ym o d u l u sw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sp o w e rf u n c t i o nb e t w e e n b r e a k i n gs t r e n g t ha n ds p e c i m e n w i d t h o fg e o t e x t i l ea f f e c t e db yl a t e r a lc o n t r a c t i o n ，a n dt h e s p e c i m e nw i d t hh a sn o e v i d e n t e f f e c to n g e o t e x t i l e sb r e a k i n ge l o n g a t i o n ，b u t h a se f f e c to nt h e s t r e n g t ho ff i x e d e l o n g a t i o nw h e nt h ef i x e de l o n g a t i o ni sl a r g e r t h ee l a s t i c i t ym o d u l u so fg e o t e x t i l e i n c r e a s e sal i t t l ew i t hi n c r e a s i n go ft h es p e c i m e nw i d t h b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z et e n s i l ep r o p e r t i e so fg e o t e x t i l e s t h ec a l c u l a t i o np r o g r a mo fb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o df o rg e o t e x t i l e sw a sc o m p i l e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e o t e x t i l es p e c i m e nw i d t ha n db r e a k i n gs t r e n g t hw a s c a l c u l a t e da n d a n a l y z e d w i t h b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o dp r o g r a m t h er e s u l t s o f t h e o r e t i ca n de x p e r i m e n th a v es a m er e g u l a r i t y i tv a l i d a t e st h a tt h e r ei sp o w e rf u n c t i o n b e t w e e nb r e a k i n gs t r e n g t ha n ds p e c i m e nw i d t ho fg e o t e x t i l e t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni n t h es p e c i m e nu n d e ru n i a x i a lt e n s i o nw a sa l s oc a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e i st e n s i l es t r e s sc o n c e n t r a t i o nn e a rt w os i d e so ft h es p e c i m e ng r i p p e db yt h ec l a m p s ，a t t h es a m et i m et h e r ei sp r o m i n e n ts h e a r i n gs t r e s sc o n c e n t r a t i o no na r e ao f t h ef r e es i d e s o ft h es p e c i m e nn e a rt h ec l a m p s t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h ec r o s ss e c t i o no fg e o t e x t i l ew i t hac i r c l eo ra ne l l i p s e o ras q u a r eh o l eu n d e ru n i a x i a l t e n s i o no rd o u b l e - a x i a lt e n s i o nw a sc a l c u l a t e dw i t h b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o dp r o g r a m t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n a p p e a ra tt h er a n g ef r o mt h eh o l e s i d et oa b o u t3t i m e so ft h eh o l ed i a m e t e r ，a n dt h e d e g r e eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nn e a rt h eh o l ei s r e l a t e dt ot h es h a p eo ft h eh o l e ，t h es i z e o ft h eh o l e ，t h ep o s i t i o no ft h eh o l e a n dt h ed i m e n s i o no ft h es p e c i m e n - t h es t r e s s i i - - a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o nn e a rt h eh o l eo fd i f f e r e n ts h a p ei s a l s or e l a t e dt ot h et e n s i l ec o n d i t i o n w h e nt h es p e c i m e nb e a r su n i a x i a lt e n s i o no rd o u b l e a x i a lt e n s i o n ，t h e v a l u eo ft h e m a x i m u ms t r e s sn e a rt h eh o l es i d ei sd i f f e r e n ta n d t h ep o s i t i o no ft h em a x i m u ms t r e s si s a l s od i f f e r e n t t h et e n s i l et e s t i n go fg e o t c x t i l es p e c i m e nw i t hac i r c l eh o l eo ras q u a r eh o l ew a s c a r r i e do u ti no r d e rt ot e s t i f yt h er e s u l t so fb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d c o m p a r i n gt h e t h e o r e t i c a l b r e a k i n gs t r e n g t h w i t ht h e e x p e r i m e n t a lb r e a k i n gs t r e n g t h o ft h eh o l e d g e o t e x t i l es p e c i m e n ，t h e yc h a n g e a su n i f o r mt r e n dt h o u g ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r e l o w e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tw a sp r o v e dt h a tt h e r ei ss t r e s sc o n c e n t r a t i o nn e a r t h eh o l eo nh o l e dg e o t e x t i l eb yr e c o r d i n gt h et e n s i l ep r o c e s so ft h eh o l e dg e o t e x t i l e s p e c i m e n t h em e t h o do f r e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no fh o l e dg e o t e x t i l e sh a sa l s ob e e np u t f o r w a r d k e y w o r d s ：g e o t e x t i l e s ，t e n s i l ep r o p e r t i e s ，s p e c i m e nw i d t h ，h o l e ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ， b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 叫i 卜 p h d c a n d i d a t e ： s h a n gx i n p i n g d i r e c t e d b y ：p r o f c h uc a i y u a n 第一章绪论 第一章绪论 第一节土工织物的发展及现状 1 1 土工织物简介 1 9 7 7 年4 月在法国巴黎举行了名为“纤维在岩土工程中的应用”的国际会议， 现在统称为第一届国际土工织物会议，该会议将应用于岩土工程的各种名称的合成 纤维，如“土工纤维”、“渗透布”、“塑料纤维”、“土木工程纤维”等统称为“土工 织物”和“土工膜”【l 】。这里，土工织物是指所有透水的用于岩土工程的天然或合 成纤维产品，一般又简称为土工织物：土工膜则是指不透水的产品。 但是随着工程的需要，这些用于岩土工程的合成纤维材料不断有新的品种出现， 例如土工格栅、土工网等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品。在一段时期内， 这种材料被称之为“土工织物、土工膜和相关产品”。显然，这样的名称不宜作为一 种技术名词或学术名词。为此，在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议 上，正式确定这类材料的名称为“土工合成材料” i - 2 。土工织物就成为土工合成材 料中的一个重要类型。 作为工程用材料，将土工织物置于土体表面或土体之间，能起加强和保护土体 的作用。土工织物的使用可以简化施工、提高工程质量、降低工程费用、延长工程 使用寿命、减少工程维修量。因此，土工织物已被广泛应用于交通、水利、电力、 海港、采矿、江河湖泊、海岸提坝、水土保持、防治环境污染等各项工程领域中。 1 2 国外土工织物的发展及现状 土工织物真正应用于土建工程，是从2 0 世纪5 0 年代末期开始的”3 。1 9 5 7 年， 荷兰用尼龙机织物做成充砂管袋用于护岸和堵口工程：1 9 5 8 年，美国在佛罗里达州 大西洋海岸防护工程中，将聚氯乙烯机织物代替传统的砂砾石滤层置于土与石块之 间，经过2 7 年的运用，情况仍然良好：1 9 5 9 年，在日本伊势湾修复围堤沉排时， 采用维尼纶编织布替代沉排，5 年后检查来发现腐蚀现象，强度也没有明显下降； 1 9 6 2 年，美国杜邦公司开发纺粘法长纤维非织造布以取代短纤维非织造布，作为滤 层和导水体应用于道路和护岸等土木工程；1 9 6 7 年，英国、日本应用土工格栅修 建加筋土堤，并予以推广。 2 0 世纪5 0 年代末至6 0 年代期间，土工织物在士建工程，特别是水利工程中成 功地用作反滤、排水及隔离材料，推动了土工织物的应用，形成了产品市场，土工 织物的品种和质量都得到进一步的发展和提高。 2 0 世纪7 0 年代，由于非织造布的大量生产，使土工织物的应用有了新的发展， 土工织物拉伸力学性能的应用研究 其应用范围日益广泛，在水利、海港、公路、铁路、建筑和国防等各个领域中都得 到了应用。例如，1 9 7 0 年法国修建的法拉克罗斯( v i a c r o s ) 土坝，就在上游块石护坡 底层和下游坝趾排水体周围铺设了土工织物。从1 9 7 8 年开始，在8 0 m 高的土坝中也 采用土工织物进行排水和反滤，如西德的佛朗奥( f r a u a n c u ) 坝和南非的斯特里基多 姆( s t r i j d o m ) 坝”1 1 。与此同时，像美国陆军工程师兵团水力学研究室等科研、教学 单位都针对土工织物的应用开展了系统的试验和理论研究工作，大大促进了土工合 成材料科学的发展。 2 0 世纪8 0 年代以后，土工织物的应用又有了新的飞跃，产品型式不断革新， 各种复合型、组合型土工合成材料不断涌现。据统计，1 9 8 5 年国外生产土工织物的 大公司就接近4 0 家，其中美国的杜邦公司、法国的罗纳普朗克公司等都在国际上享 有盛名，前者年产土工织物4 6 万吨，可提供2 4 种不同性能和用途的土工织物”1 。 1 9 8 2 年，在美国召开了第二届国际土工织物会议，并决定以后每4 年召开一次。 1 9 8 3 年成立了国际土工织物学会，简称i g s 。土工合成材料工程逐渐形成一门以岩 土力学和工程力学为基础，与高分子聚合物及纺织工业生产相连系，应用于土建各 个领域的新的边缘学科。 土工织物在土建工程中的应用使传统的岩土工程充满了生机和活力。由于其经 济效益和社会效益显著，自从土工织物使用以来，一直以稳定的速度增长。2 0 世纪 7 0 年代中期，世界土工织物的总用量达到5 0 0 万i n 2 ，到2 0 世纪8 0 年代中期，世界 土工织物用量快速增长到近4 亿m 2 。而目前全球用量已超过1 0 亿? ，有2 0 万余个 工程采用了土工织物。1 9 9 6 年，仅北美地区的工程项目就消耗了价值8 亿美元的土 工织物和土工膜。欧洲以德国、法国、荷兰、意大利等西欧国家发展较快，亚洲主 要是日本、马来西亚、韩国发展较快。以现在的发展速度推测，到2 0 6 5 年世界土工 织物的用量可能达到覆盖地球表面的半以上“1 1 。 近年来，土工织物的类型不断发展和改进，极大地拓展了使用范围。众多的国 家和技术组织都将土工织物写入了规范，例如，美国联邦公路局和州际公路交通协 会都允许在许多公路桥梁建设项目中使用土工合成材料。美国建设顾问委员会也在 规范中加入了土工织物、土工隔栅和土工防腐材料。1 。这说明土工织物已得到工程 界的一致认同。随着土工技术的应用，土工织物仍将继续快速发展。 1 3 国内土工织物的发展及现状 土工织物的应用在我国起步较晚，但发展速度很快。1 9 7 4 年，在江苏省长江嘶 马护岸工程中，首先使用由聚丙烯扁丝编织布为排体，结合聚氯乙烯绳网和混凝土 块压重组成软体沉排，防止河岸冲刷“1 。 2 0 世纪8 0 年代以后，土工织物的应用日渐增多，尤其是针刺非织造土工织物 第一章绪论 在水利工程中的应用，发展更为迅速。仅1 9 8 4 1 9 8 6 年3 年时间，云南麦子河水库、 江苏昆山暗管排水、内蒙的翰嘎利水库、天津鸭淀水库、黑龙江的引嫩工程、河北 的庙宫、山东省牟山水库、广北引黄平原水库等，都用其做反滤排水，效果良好”1 。 不久，非织造土工织物的应用范围很快扩展到储灰坝、尾矿坝、港口码头、海岸护 坡及储油罐等地基处理领域，一大批生产土工织物的工厂也纷纷建成投产。 2 0 世纪9 0 年代末期，由于土工织物所具有的功能和特性及其在工程实践中的 卓越成效，开始在一些国家大型重点工程中得以应用。如，三峡工程、秦山核电工 程、长江口整治工程、治黄工程、治淮工程、京杭大运河、大型引黄平原水库工程 和江河防汛抢险等，并获得了较大的技术经济效益和社会效益。其中“长江口深水 航道整治工程”是目前国内土工织物用量最大的工程。预计一期工程用复合土工织 物1 4 0 0 万m 2 ，非织造土工织物6 7 万m 2 ，土工膜袋5 9 万m 州”1 。 2 0 世纪8 0 年代中期，全国累计使用的土工织物尚不足1 0 0 万m 2 。进入9 0 年代， 土工织物迅速发展，1 9 9 2 年机织土工织物耗用量达9 0 0 0 多万m 2 ，非织造土工织物 耗用量达到6 5 0 0 万m 2 ，到1 9 9 5 年，我国应用土工织物的工程项目累计超过1 万个， 使用土工织物近5 亿m 2 。1 9 9 8 年发生特大洪水，当年土工织物的用量超过4 亿m 2 ， 为世界之最“。 随着土工织物的普遍推广与应用，试验研究工作和有关学术团体也蓬勃发展起 来。我国在1 9 8 4 年成立了“土工织物行技情报协作网”，后改名为“土工合成材料 技术协作网”，1 9 8 8 年成立了“土工合成材料专门委员会”，1 9 8 9 年成立了“国际土 工织物学会中国委员会”，1 9 9 5 年成立了中国土工合成材料工程协会。1 9 9 6 年在上 海召开了第四届全国土工合成材料学术讨论会暨第一届国际土工合成材料展览会， 2 0 0 0 年在宜昌召开了第五届全国土工合成材料学术会议和土工合成材料产品展览 会，这些有力地推动了我国土工合成材料工程技术的发展“”。但是至今不论在产品， 还是在应用技术和测试研究等方面与国外相比都存在一定的差距。 1 9 9 8 年末至1 9 9 9 年初，在我国国家领导人关注下，国家有关部门用最快的速 度制定并颁布了第一个土工合成材料应用技术国家标准土工合成材料应用技术规 范( g b 5 0 2 9 0 - - 9 8 ) 。水利部、铁道部、交通部也分别发布了具体的土工合成材料应 用技术规范，如水运工程土工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 一9 8 ) 、铁路路基土 工合成材料应用技术规范( t b i o l l 8 9 9 ) 及公路土工合成材料应用技术规范 ( j t j t 0 1 9 - - 9 8 ) 。1 。这些规范及规程科学地总结了国内外土工合成材料工程技术的 经验教训，为今后土建工程领域内全面推广应用该项技术提供了依据，成为我国土 工合成材料工程技术发展的里程碑。 目前，我国生产土工合成材料的厂家约有4 0 0 家，其生产设备主要是引进美、 德、日、意、奥地利等国家，是亚洲最大的土工合成材料生产和应用大国“”。国内 土工织物拉伸力学性能的应用研究 土工合成材料发展的总趋势是，产品向系列型、合成型、复合型方向发展，应用向 大、中型工程发展。相应的理论研究、测试技术、设计标准、施工工艺等方面都在 不断提高和完善“2 。1 “。随着我国大量基础设旋工程建设的相继展开，土工合成材料 的生产和应用逐年增加。西部大开发战略决策的实施，又给土工合成材料的发展带 来了新机遇，其发展前景是非常广阔的。 第二节土工织物的分类、功能及应用 2 1 土工织物的分类 我国g b 5 0 2 9 0 - - 9 8 + 3 2 合成材料应用技术规范“”将土工合成材料分为四大 国伦敦大学n w m j o h n “”和美国联邦公路局“”对土工织物的分类是相同的。 r 单丝 f 机织i 蓁差丝 土工织物1 非织造 曩蓑三喜 l 针织 2 1 1 机织土工织物。3 在切条前后都要牵引拉伸以提高其强度。裂膜丝是一种特殊的扁丝，它是将一根扁 第一章绪论 2 1 2 非织造土工织物“”1 根据加固方式的不同，非织造土工织物可分为热粘合、化学粘合及机械加固。 热粘合非织造土工织物，是将在传送带上的纤维网通过两个反向转动的热辊之 间热压，纤网受到一定温度后，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后固化得到。 化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤网中，待粘 合剂固化，纤维之间便互相粘连，使纤网得以加固。 机械加固土工织物，是用不同的机械工具将纤网加固，应用最广的是针刺法， 也有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面 有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让纤网内的纤维互相缠结，从而加固 纤网。 2 1 ，3 针织土工织物”2 ” 针织土工织物通常是指经编土工织物，其经纬纱在织物中是各自平直排列互无 联系的，在经编机上用线圈将经纬纱固定在一起，从而形成织物。 2 2 土工织物的功能及应用 在实际应用中，土工织物主要有加筋、隔离、过滤和排水等功能“”1 。 2 2 1 加筋作用及应用 土工织物能稳定、限制土木工程在长时间使用过程中发生位移，并能使作用在 土壤的局部应力传递或分配到更大的面积上，增加土体和土工织物之间的摩擦阻力， 对土木工程，特别是在弱土壤上的工程起到加筋或增强的作用。 主要应用于：公路、铁路、堤岸、土石坝、机场、运动场等工程中，用以加强 软弱地基的同时也起隔离和过滤的作用：潮湿地带、沼泽或可压缩性土壤上的临时 通道：加强堆土或开挖陡坡的边坡稳定性；增加碎石边坡及加筋土的稳定性：用作 挡土墙回填土中的加筋：加固柔性路面，修补道路上的反射裂缝等。 2 2 2 隔离作用及应用 用土工织物把不同的土质结构分离，形成稳定的分界面，使各层结构分离，按 照要求发挥各自的特性和整体作用。用土工织物分离可以减少材料的种类，大量节 省运费，降低工程造价。 主要应用于；公路、铁路、机场、停车场等面基和地基之间的隔离层；铁路道 碴与路基之间的隔离；路基与软弱地基之间的隔离；在土石混合坝中，隔离不同的 筑坝材料：石笼、砂袋或土袋与软弱地基之间的隔离；人工填土、堆石、或材料场 与地基的隔离层；不同冻土层之间的隔离：江、河、湖、海抛填土石方，将土工织 物放在水下，起隔离作用，也起反滤和加固作用。 5 一 土工织物拉伸力学性能的应用研究 2 2 3 过滤作用及应用 土工织物能让水份通过，又能有效地阻止土壤颗粒通过，从而防止土粒的流失 而造成土体的破坏。 主要应用于：土石坝粘土心墙或粘土斜墙的滤层：土石坝或堤防内的各种排水 体的滤层：储灰坝或存矿坝坝面的滤层；堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡 的滤层；挡土墙回填土中排水系统的滤层；排水暗管周边或碎石排水暗沟周边的滤 层；水利工程中水井、减压井或斜压管的滤层。 2 2 4 排水作用及应用 土工织物可以在土体中形成排水通道，把土中水份汇集起来，沿着织物的平面 排出体外。 主要应用于：土坝内部垂直或水平排水；挡土墙后面的排水；各建筑物周围的 排水；埋入土体中消散孔隙水压力；人工填土地基或运动场地基的排水等。 第三节土工织物力学性能研究综述 3 1 土工织物拉伸力学性能的研究 3 1 1 土工织物条带拉伸试验试样宽度的研究 通常，测定土工织物抗拉强度仍沿用纺织品的条带拉伸试验方法。对于土工织 物，特别是非织造土工织物，受拉时拉伸变形量很大，试样中部将发生侧向收缩， 即“颈缩”现象，断裂强度的试验结果会偏低。为使试验结果尽可能接近实际情况， 常设法减小“颈缩”影响。一种方法是在两夹具之间用有凸钉的夹杆把试样夹住， 防止拉伸时的侧向收缩，避免“颈缩”，但试验比较麻烦。另一种方法是加宽试样。 目前，常规拉伸试验中较多采用宽条试样来减小“颈缩”影响。 国外有关纺织品和土工织物拉伸试样的标准心”2 钉是，纺织品试样窄而长，一 般宽为5 0 m m ，长为7 5 - - 2 0 0 m m 土工织物试样宽而短，一般长为1 0 0 m m ，宽为2 0 0 m m 及5 0 0 m m 。通常将宽为5 0 m m 的拉伸试样，称为窄条；将宽为2 0 0 m m 的试样称为宽条； 宽度为5 0 0 m m 的试样称为特宽试样。对于土工织物，国外大多趋向于采用2 0 0 m m 的 宽样，如美国材料与试验学会标准a s t md 4 5 9 5 8 6 ( 2 0 0 1 ) “用宽条条带方法测定土 工织物抗拉强度的标准试验方法”。法国和意大利曾建议采用5 0 0 m m 宽的试样。实 践证明，试样过宽，操作困难，且试样固定也存在问题。我国国家质量技术监督局 和建设部参照国际标准制定的土工织物及土工合成材料产品标准中g b t 1 5 7 8 8 第一章绪论 1 9 9 5 就是有关土工织物拉伸试验宽条样法的标准，其中规定试样宽度为2 0 0 m m 。 许多研究者。”3 ”就试样宽度对土工织物抗拉强度的影响作过研究。 国外在这方面的研究较早，1 9 8 2 年第二届国际土工织物会议上就有研究者“”“1 采用宽带测试土工织物的拉伸性能，特别是非织造土工织物。1 9 8 6 年b m y l e s ” 等向第三届国际土工织物会议提供的资料比较有代表性。他们对高强机织土工织物 和轻型非织造土工织物分别用宽度为5 0 、2 0 0 、5 0 0 及1 0 0 0 m m 的试样进行拉伸，得 出：当试样宽度大于5 0 0 m m 以后强度变化就不大了。如果以1 0 0 0 m m 宽的试样为基准， 用5 0 m m 宽的机织窄条试样测得的抗拉强度会偏高1 3 ，而对非织造土工织物受侧向 收缩的影响抗拉强度则偏低3 0 。由于机织物受拉后侧向收缩不明显，并且试样越 窄不匀率越小，受不均率的影响窄试样会高估机织物的拉伸性能。 国内在这方面的研究工作，开始由于条件所限，宽度一般只能达到2 0 0 m m 。黑 龙江省水利科学研究所的王安江等。“首次提供了宽度为5 0 0 m m 的试验成果。并给出 了宽度为5 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 及5 0 0 m m 试验结果的比较，得出与其他研究者”类 似的结果，认为宽度大于2 0 0 m m 时，常用扁夹具的夹持力不能满足强度较高的土工 织物，且宽度大操作要求高，难以推广。同时认为试样宽度可使单位宽度强度值变 化2 0 左右，指出影响土工织物强度的两个主要原因是颈缩和破坏形式。与工程实 际相比，试样越宽抗拉强度越接近实际值，但试样宽度达到某一值后试样单位宽度 强度变化不大，而且受仪器条件的限制不宜采用过大的宽度。 储才元等”在建立条样拉伸试验断裂力学模型的的基础上，讨论试样宽度和长 度对断裂强度的影响。认为试样宽度和长度的改变使试样在拉伸时产生颈缩率的变 化，从而影响试样的断裂强度。试样的长宽比越小时，颈缩率越小，断裂强度越高。 如果土工织物的结构不匀较大和强力试验机夹头的握持力不完善，试样断裂强力的 实测结果与宽度无显著相关。理论预测和试验结果与b e l l 和h i c h s ( 1 9 8 0 ) 所得的 结论一致，认为对机织物，条样宽长比超过1 ：1 后，条样宽度对断裂强度的影响减 小，而对非织造布条样宽长比超过4 ：1 后，条样宽度对断裂强度的影响才减小。此 外，针刺非织造土工织物试样宽度对断裂强度的影响还有“边缘”效应的作用。增 加试样宽度有利于减少“边缘”效应的影响而使断裂强度增加。 还有一些研究者”通过不同宽度试样的试验得出：试样宽度对抗拉试验结果 影响较大；小于2 0 0 m m 宽度的试样会高估机织土工织物和土工格栅的极限拉伸强度， 比例可达约2 0 ；对于在拉伸过程中颈缩程度较大的非织造布试样，建议适当增加 试样宽度或对5 0 m m 试样所得的值进行一定的技术性修正；随着试样宽度的增加，拉 伸强度趋向一个稳定值。 3 1 2 土工织物破损及开孔土工织物的拉伸试验研究 土工织物拉伸力学性能的应用研究 土工织物在工程实际应用时，往往由于结构形状不同或施工需要在适当部位开 孔：或受到工程条件的影响出现被刺破或顶破现象。而土工织物的强度是由它自身 的结构状况决定，当其结构本身受到机械破损或开孔后，其强度势必将受到影响。 k a n 和c h a n 等o ”通过人为在非织造土工织物上开孔来模拟实际应用中的破坏。 采用5 0 m m 和1 0 0 m m 宽的试样进行拉伸试验。研究的参数包括孔的数量、孔的位置、 伸长率、试样的拉伸方向。并用多元线性回归曲线拟合技术建立了数学模型来表征 土工织物的拉伸性能。数据表明试样宽度对拉伸强度有影响。当孔的数量增加或孔 的方向垂直于拉伸方向时，试样的拉伸强度和伸长减小。 周承元等o ”模拟实际旌工过程中土工织物可能遇到的各种破损形式，在5 0 m m l o o m m 宽的试样上进行预破损情况下的拉伸试验，并探讨断裂强度的变化规律及 其破坏特征。结果表明全部试样在受到各种形式的破损后，拉伸强度都有不同程度 的下降，破损的大小和形式及所在位置对强度下降程度有较大影响。横切口的影响 比纵切口严重，切口尺寸愈大，强度损失愈大，破损离握持点距离愈近影响愈为严 重。 迟景魁等。”在2 0 0 m m l o o m m 的非织造土工织物试样上开矩形、方形和圆形的 孔洞，测试其抗拉强度，同时还进行开孔后剩余宽度与原试样的抗拉强度比较。试 验分析研究得出：试样开孔面积逐渐增大，抗拉强度逐渐减小，并呈线性关系；破 坏发生在应力集中点；开孔后织物的抗拉强度取决于试样受力宽度，受力宽度愈大， 抗拉强度愈大；织物中不论开何种类型的孔，由于应力集中的作用，其剩余宽度较 等宽度未开孔的织物强度值略小；织物开孔后，其抗拉强度降低百分率大于面积降 低百分率。 钱程”用边界元法对复合土工织物l o o m m 宽试样开圆孔时孔附近的应力集中 情况进行了分析。得出试样尺寸一定，受单向和双向拉伸时，随着圆孔尺寸的增加， 试样中孔附近的最大应力值也随之增加。 3 1 3 土工织物其他方面拉伸的研究 对于土工织物拉伸力学性能的研究，较多的研究是有关单向拉伸“。”3 。上面所 述的条带拉伸试验试样宽度的研究和破损及开孔拉伸的研究也基本上是在土工织物 单向拉伸的基础上进行研究的。 由于土工织物在实际使用过程中的受力是很复杂的，仅对其进行单向拉伸的研 究是不够的。工程中使用的土工织物，对其进行双向拉伸性能的研究应该更具有实 际应用价值。但受试验条件所限，这方面的研究并不多见。 b a i s “1 对纺粘非织造土工织物的双向拉伸进行了研究，通过分析纤维的应力一 应变曲线和取向分布建立理论模型，模型中考虑了纤维的非线性，但仅限于横向应 第一章绪论 变为零的条带双向拉伸情况，在小变形范围内理论预测结果与试验符合较好。 汤宝润“3 1 将单向和双向拉伸试验结果进行比较，认为双向拉伸克服了单向拉伸 时试样横向收缩及应力集中现象，受力方式与土工织物在工程中应用基本相同。 除了研究土工织物自身的拉伸力学性能外，许多研究者还就土工织物在实际应 用中与土壤相互作用的性能加以研究“”5 “。如m o g a h z y “6 1 对土与土工织物的相互作 用进行了研究，提出了土工织物在土中受拉伸作用时的三种破坏形式，还建立了通 用方程来计算土工织物与土相互作用的临界系数，并在理论上作出了解释。 3 2 非织造布力学性能的研究 虽然非织造布作为土工织物，其开发和应用要比机织物晚，但发展速度却很快， 以成为土工织物的主要组成部分。许多研究者在非织造布和非织造土工织物力学性 能方面已经做了大量的实验和理论研究工作，简单概括为如下几个方面。 3 2 1 非织造布各向异性的研究 非织造布，如果完全是由纤维随机排列而成的，其力学性能就是各向同性的。 但大多数情况，非织造布中的纤维有一定的取向分布，所以呈现出各向异性。 b a c k e r 和p e t t e r s o n ”2 1 从非织造布中纤维的取向分布和应力应变性质出发，对非 织造布的拉伸力学性能进行预测方面的研究，采用正交各向异性材料的强度理论进 行预测并取得了较好的一致性。利用经典的弹性力学理论对非织造布小变形条件下 不同拉伸方向的模量和泊松比进行了预测，预测结果与实验结果取得较好的一致性。 j w s h e a r l e 和p j s t e v e n s o n ”就模量、强度、断裂伸长和纤维取向对平行铺网、 交叉铺网、随机铺网和复合铺网四种非织造布的各向异性进行了研究。给出这些参 数的极坐标曲线。通过对不同类型非织造布在不同方向上的比较，得出纤维的卷曲 程度也是影响非织造席力学各向异性的一个重要因素。 n o v a i s - f e r r e i r a ”“通过对断裂强力、断裂伸长和弹性模量的统计分析，来研究非 织造土工织物的力学性能的各向异性。 汤宝润“”通过对三种非织邂t 土- v 织物试样的单向拉伸试验，得出土工织物力学 性能指标的变化，主要决定于土工织物的固结方式及结构的不同；各种非织造土工 织物的负荷一伸长曲线差异较大；土工织物的模量随温度、时间、湿度及载荷等改 变而变化。并将士工织物假设为二维无边界不间断的连续薄型板，且薄型板在微小 形变下符合广义虎克定律的基础上，从力学上进一步分析土工织物的各向异性。 3 2 2 非织造布拉伸力学性能的研究 对于非织造布拉伸力学性能的理论研究，大都是从纤维拉伸特性和纤网结构出 发，建立理论模型来预测非织造布的拉伸性能。 土工织物拉伸力学性能的应用研究 h e a r l e 和s t e v e n s o n 瞌”提出纤维卷曲分布对非织造布应力一应变特性有着重要 的影响，对取向度不高的织物更明显。卷曲分布将决定着非织造布在拉伸过程中承 受应力的纤维数量。因此，初始模量基本上决定于受力方向伸直纤维的相对数量。 而织物所能承载的最大拉力和各个方向的伸直纤维数量有关，伸赢纤维数量则决定 于各个方向纤维的卷曲分布。 h e a r l e 和n e w t o n 7 4 乱用能量法推导了一系列用来预测非织造布拉伸和其它力学 性能的方程。在此理论基础上，将试验和理论所得应力一应变曲线加以比较，结果 表明纤网的结构影响织物的性能，并指出在讨论非织造织物应变较大时的力学性能 时需考虑粘结点失效的影响。 e r e l 和w a r n e r ”用半试验法预测非织造布所能达到的最大强度，并确定影响其 断裂强度的因素。模型的范围和准确度受限于建模时的假设，但也是较合理的。模 型计算结果表明纤维结合面强弱、区域密度变化、纤维性能变化和纤维卷曲和这些 因素和其它因素联合限制了织物的强度。在这四项因素中，前两项是影响纺粘法非 织造布强力的主要原因。 3 2 3 非织造布计算机模拟的研究 随着计算机技术的发展，模拟技术也被用来创建非织造布拉伸力学性质的计算 机模型。 b r i t t o n 和s a m p s o n “”6 羽等人通过显微镜观察，提出预测非织造布力学性能的 计算机模拟方法。在输入纤维、纤网初始形状和粘结点的有关数据后，程序就可计 算织物二维平面范围内，达到一定变形时的纤维受力平衡。在此基础上，对织物断 裂和粘结点断裂对非织造布性能的影响进行了计算机模拟。 g r i n d s t a f f 和h a n s e n “”给出预测点粘合非织造布应力一应变特性二维计算机模 型，模型参数包括粘结点布局、织物密度、纤维取向和卷曲、纤维和粘结点拉伸性 能。输入模型参数后，就可通过计算机预测非织造布的应力一应变曲线。 李作攀和储才元“”对不同结构的非织造布进行了试验研究，研究表明：线性和 非线性的简易三元件模型均能较好的描述非织造布的拉伸性能和应力松弛性能。根 据模型的拟合参数计算和讨论提出了应用力学模型可以检验非织造布加工中纤维网 粘结程度优劣的可能性。 3 2 4 非织造布有限元法的研究 有限元法被认为是求解各种力学问题的最佳方法，它已经被应用于对纤维、纱 线和织物的研究中“6 ”。近几年，也出现了采用有限元法分析非织造布拉伸变形过 程中应力应变分布的研究。 基于纤维的应力应变特性和纤维分布的取向角，l i a o 和a d a n u r 等”提出一 第一章绪论 种预测非织造土工织物拉伸性能的计算机模型，用有限元法计算试样拉伸变形过程 中不同区域应力和应变分布的数值解，并给出织物应力一应变的模拟曲线。试验结 果与理论有较好的一致性。 在单向拉伸测试中，非织造布的变形是很不均匀的，受夹头的影响在试样上出 现复杂的应力应变区。非织造布变形的非线性和低的剪切剐度，引起不受约束的部 分产生“颈缩”。b a j s - s i n g h 等m 1 提出用有限元法建立纺粘法非织造布不均匀变形 的模型。用试验值与理论值加以比较，拉伸应变在l o 1 5 以内，两者较一致，超 出此范围理论值低于试验值。他还对纤维的弯曲和材料的非线性加以讨论。 顾伯洪”运用有限元方法对非织造布拉伸性能进行模拟计算，并由窄条的粘弹 性推算单元内非织造布的粘弹性。在整个伸长范围内，有限元计算结果与试验结果 存在较好的一致性。他认为从物理非线性出发，计算非织造布的整个拉伸力与拉伸 位移之间的关系是可行的。 第四节本论文研究的内容和意义 4 1 本论文研究的内容 土工织物的拉伸断裂强度是检验、考核土工织物产品质量的重要指标，是工程 设计中选用土工织物的重要依据。国内外许多研究者注意到，由于土工织物特别是 非织造土工织物的断裂伸长变形大，拉伸过程中容易出现“颈缩”现象，试样宽度 对其断裂强度指标的影响很大。他们同时注意到在土工织物的实际应用中，有时需 要对土工织物开