土工合成材料在加-卸循环荷载作用下的应力-应变特性研究.pdf

文章编号 100128360 2002 0320074204 土工合成材料在加2卸循环荷载作用下的 应力2应变特性研究 杨果林 王永和 中南大学 土木建筑学院 湖南 长沙 410075 摘 要 对目前常应用于加筋土工程的4种典型材料 土工带 土工布 土工格栅 土工网在其断裂荷载除安 全系数1 5 2 0 3 0 6 0四个水平进行了分5级加2卸荷多循环应力2应变试验 得出了这些土工合成材料在自 由变形条件下的应力2应变规律 并推导了在约束条件下的变形方程 对实际的加筋土结构设计 施工具有重要的 参考价值 关键词 土工合成材料 循环荷载 应力2应变关系 变形 中图分类号 TU 467 23 文献标识码 A Study on stress strain relationship of geosynthetics under cyclic loaded unloaded YAN G Guo2lin WAN G Yong2he Civil Engineering and A rchitecture Institute Central South U niversity Changsha 410075 China Abstract In the paper the stress2strain regularities are obtained for the geosynthetics such as the geotextile strips geotexile sheet geogrid and geonet under free deformation by stress2strain test in w hich the five de2 gree cyclic loaded2unloaded and four level that repture loaded divided by 1 5 2 0 3 0 6 0 are used The de2 formed formula under restrain condition has been deduced It is of reference value for reinforced earth engineer2 ing Keywords geosynthetics cyclic loaded2unloaded stress2strain relationship deformation 土工合成材料加筋技术在水利 铁路 公路 港口 和建筑工程中已得到大量应用 归纳起来可分为支挡 结构 陡坡和软土地基加筋及建筑工程加筋 在支挡结 构中 包括挡墙 桥台及岸边陡坡等 在这类应用中 是 将一些形式的筋材埋在填土中 依靠它来平衡土压力 土工合成材料建造的挡土结构常见的有条带式和包裹 式 1 2 在陡坡工程中 人工填筑的铁路 公路路堤及挡 水土坝 土堤 其边坡常会遇到需要作成较陡的边坡 在填土土坡端部铺设筋材 使近坡处填土可更好地压 实 防止土料侧位移 改善压实质量的作用 在软土地 基上筑堤工程中 由于填土中侧向土压力 使地基面承 受水平剪应力 导致堤身向两侧位移 很容易造成堤身 失稳 利用土工合成材料加筋地基一般是在堤身底部 收稿日期 2000206216 修回日期 2001209228 基金项目 铁道部科技攻关专项基金资助项目 004594 作者简介 杨果林 1963 男 湖南桃江人 教授 博士 铺设单层或多层高模量的土工织物或土工格栅 来限 制地基上的侧向位移 在建筑工程中 主要利用土工合 成材料制成加筋垫层 提高地基承载力 均化应力分 布 减少不均匀沉降 在上面的应用中 处于填土中的 土工合成材料 如铁路 公路挡墙中 当车辆荷载经过 加筋路堤堤顶时 由于侧向土压力的作用 筋材受到拉 力 当车辆过后 填土中的筋材卸载 当堤顶受到车辆 反复加2卸载循环荷载作用时 填土中的筋材即受到车 辆反复加2卸载作用 筋材在多循环加2卸载作用下 其 应力2应变特性将直接影响到路堤的侧向位移 竖直沉 降 安全稳定 使用寿命和营运条件 为此 探讨筋材在 加2卸载循环荷载作用下的应力2应变规律 对加筋土 工程设计 施工具有极其重要的作用 本文旨在研究目 前常用加筋土工程中的几种典型筋材 土工带 土 工格栅 土工布 土工网4种筋材在其断裂荷载除以安 全系数1 5 2 0 3 0 6 0四个应力水平荷载作用下的 第24卷第3期铁 道 学 报Vol 24 No 3 2 0 0 2年6月JOURNAL OF THE CH I NA RA I LWA Y SOC IETYJune 2002 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 加2卸载多循环应力2应变规律 并探讨这些筋材在实 际工程中受到土介质约束作用下的变形性质 1 试验概况 1 1 试验用筋材 试验用筋材为目前广泛应用于加筋土工程的土工 带两种 土工布一种 土工格栅一种 土工网一种 其主 要力学性能指标试验结果见表1 表1 筋材力学参数测试结果 3 厂家型号及筋材类型 性能参数土工布土工带 土工带 土工格栅土工网 生产厂家湘潭塑九重庆庆兰重庆庆兰重庆庆兰湖北力特 产品型号SW G5024PP3015PP1912SDL 35SS20 断裂荷载35 3 kN m 19 kN 根 15 kN 根 151 7 kN m 122 2 kN m 1 断裂的伸长率 1788158 2 应变时的承载3 92 kN m 12 76 kN1 76 kN15 7 kN m 19 1 kN m 1 5 应变时的承载10 9 kN m 15 88 kN3 72 kN30 6 kN m 116 3 kN m 1 试样宽度3或厚度150 mm 28 50 mm3 1 60 mm 17 76 mm3 1 52 mm 125 mm 五肋 150 mm 五肋 单位长度或面积重240 g m 233 3 g m 120 g m 1337 g m 1200 g m 2 1 2 试验简介 为了减少试验误差 采用大标距 1 000 mm 的试 样 距标距两端各250 mm 300 mm外设置夹具 以 减小夹持对试验的影响 将试件上端悬挂于支架上 下 端夹具悬挂吊篮 吊篮中放置加2卸砝码 荷载分级施 加 每级持续5 m in 在每级荷载作用下读取标距范围 内的变形量 量测用钢尺读数 精确到毫米 误差1 精度足够 累计加2卸载总量按筋材断裂荷载除以安全 系数1 5 2 0 3 0 6 0四个应力水平取值 每个水平 分5级加2卸载 加2卸载循环次数根据筋材塑性变形 大小 直到前后两个循环在同一级加2卸载读数差在1 mm范围时才终止 视变形稳定而定 为6 14个加2 卸载循环不等 2 试验结果及分析 图1为PP3015土工带加2卸载循环试验 2 曲 图1 PP3015土工带循环荷载试验 线 加2卸载循环总量为4 500N 根 每级加2卸载900 N 共作了6个循环 同样还作了另一组PP3015加2卸 载循环试验 2 曲线 土工带加2卸载循环总量为6 000 N 每级加2卸载1 200 N 共作了7个循环 图2为PP1912土工带加2卸载循环试验 2 曲 线 加2卸载循环总量为2 500N 根 每级加2卸载500 N 共作了6个循环 同样还作了另一组PP1912加2卸 载循环试验 2 曲线 土工带加2卸载循环总量为 3 500 N 每级加2卸载700 N 共作了7个循环 图2 PP1912土工带循环荷载试验 图3为SDL 35土工格栅加2卸载循环试验 2 曲 线 加2卸载循环总量为3 000N 每级加2卸载600N 共作了9个循环 同样还作了另一组SDL 35加2卸载 循环试验 2 曲线 土工格栅加2卸载循环总量为 4 000 N 每级加2卸载800 N 共作了9个循环 图4为SW G5024土工布加2卸载循环试验 2 曲 线 加2卸载循环总量为2 500N 每级加2卸载500N 共作了14个循环 同样还作了另一组SW G5024加2卸 57第3期土工合成材料在加2卸循环荷载作用下的应力2应变特性研究 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 载循环试验 2 曲线 土工布加2卸载循环总量为 3 000 N 每级加2卸载600 N 共作了14个循环 图5为SS20土工网加2卸载循环试验 2 曲线 加2卸载循环总量为2 000 N 每级加2卸载400 N 共 作了10个循环 同样还作了另三组SS20土工网加2卸 载循环试验 2 曲线 土工网加2卸载循环总量为 1 000 N 每级加2卸载200N 共作了10个循环 土工 网加2卸载循环总量为1 500 N 每级加2卸载300 N 共作了10个循环 土工网加2卸载循环总量为500N 图3 SDL 35土工格栅循环荷载试验 图4 SW G5024土工布循环荷载试验 图5 SS20土工网循环荷载试验 每级加2卸载100 N 共作了10个循环 经过5组4个水平的多循环加2卸载试验 从图1 图5可以得出如下结论 1 4种筋材呈现出明显的弹塑性 其应变增量 d 由弹性应变增量d e和塑性应变增量d p两部分组 成 即d d e d p 2 随着加2卸载应力水平的增加 筋材的弹性应 变 e和塑性应变 p均随之增大 3 除土工布在加载时呈现出明显的 2 线性关 系以外 其它3种筋材在加载时凹向应力轴 卸载时4 种筋材均凸向应力轴 4 滞回圈随加2卸载循环次数的增大而由大变 小 由椭圆变扁平 经过N0次循环后滞回圈的大小和 形状趋于稳定 趋于稳定的加2卸载循环次数视筋材种 类而定 土工带需6 7个循环 土工格栅需8 9个循 环 土工布需13 14个循环 土工网需9 10个循环 5 塑性应变 p随加2卸载循环次数的增加由大 变小 最后趋于稳定 趋于稳定的循环次数与滞回圈趋 于稳定的循环次数对应 每个循环荷载作用下的最大 应力 max 最小应力 m in对应的割线模量Et随循环次 数的增加而略有增加 最后趋于稳定 6 不同的应力水平 经过N0次加2卸载循环荷 载作用后 4种筋材的最大弹性应变 emax 最大塑性应 变 pmax及最大割线模量Etmax如表2所示 表2 N0次循环荷载后 emax pmax Etmax 筋材PP3015土工带PP1912土工带SDL 35土工格栅 最大应力水 平 M Pa 98 7131 692 6129 624 b32 b emax 2 63 22 53 42 73 6 pmax 1 42 31 12 01 11 8 Etmax M Pa3 796 2 4 112 53 7043 811 8888 9888 9 筋材SW G5024土工布SS20土工网 最大应力水 平 M Pa 16 7 b20 b3 3 b6 7 b10 b13 3 b emax 6 27 60 61 31 82 6 pmax 4 65 50 10 30 81 8 Etmax M Pa269 3 b263 2 b550 b515 4 b555 6 b511 5 b 注 表中b为筋材宽度 3 筋材在约束条件下受加2卸载循环荷载作用 时的变形方程 上述筋材受加2卸载循环荷载作用试验中 是根据 土工合成材料在空气介质中进行 2 试验得到的 即 认为空气对土工合成材料的变形无约束作用 称为自 由约束方程 按此计算的变形称为自由变形 自由变形 方程可根据 2 曲线分析得到回归方程 N N0 1 式中 为应变率 为土工合成材料所受的拉应力 N 为加2卸载循环次数 N0为滞回圈稳定所需循环次数 为回归系数 67 铁 道 学 报第24卷 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 图6 筋带拉力分布简化图 式 1 中 当N N0时 取N N0 在实际 加筋土工程中 土工合成材料埋在土中 其变形必定会 受到土介质的约束作用 众多实测资料表明 4 在加筋 土结构中 作用于筋带的拉力并不是沿带长均匀分布 而是呈抛物线分布 与墙面板连接的一端拉力通常为 最大拉力的75 为简化计算 可将沿带长的拉力简 化为线性分布 并假定筋带在拉伸过程中有相等的截 面积 于是 将拉力的分布规律表示为应力的函数 如 图6所示 以筋长为横坐标 应力为纵坐标 并将原点 取在最大拉力点位置 则筋带ob段位于加筋土体的主 动区 令ob X1 oa段则位于稳定区 令oa X2 同 时 假定与面板联结点的筋端拉力为0 75 max 现将 oa ob段的应力变化规律用应力函数表达 oa段 x max max 4X1X ob段 x max max X2 X 2 式中 X为筋材长度的变量 将应力函数式 2 代入式 1 中 即可得筋带任意位置的相对应变 若 筋带L为已知 L X1 X2 则欲求筋带绝对变形量 L 则可将相对应变沿长度X1和X2积分 然后求其 和 即得筋带全长的绝对变形量 L 对于oa段 La X1 0 1dx X1 0 max max 4X1X N N0 dx N N0 max 4X1 1 3 4 1 1 3 对于ob段 Lb X2 0 2dx X2 0 max max X2 X N N0 dx N N0 max X2 1 4 L La Lb N N0 max 4X1 1 3 4 1 X2 1 5 式 5 因考虑了筋带在实际土体中所承受拉应力的 分布状态 故称为约束变形方程 式 5 表明 筋带的 绝对变形量不仅与筋带的应力水平 加2卸循环次数 N 达到筋材变形稳定所需的加2卸载次数N0有关 而 且还与筋带在加筋体中主动区和稳定区的长度有关 4 结论 1 常用于加筋土工程的4种典型筋材在加2卸 载循环荷载作用下呈现出明显的弹塑性 并且随着加2 卸载应力水平的增加 筋材的弹性应变 e和塑性应变 p均随之增大 在不同的应力水平 经过N0次加2卸 载循环荷载作用后 4种筋材的最大弹性应变 emax 最 大塑性应变 pmax及最大割线模量Etmax如表2所示 2 通过对4种筋材在加2卸载循环荷载作用下 曲线对比研究发现 除土工布在加载时呈现出明显的 2 线性关