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:AStudy on stress-strain relationship of geosyntheticsunder cyclic loaded-unloadedYAN 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 geotextilestrips,geotexile sheet,geogrid and geonet,under free deformation by stress2strain test in w hich the five de2gree cyclic loaded2unloaded and four level that repture loaded divided by 1.5,2.0,3.0,6.0 are used.The de2formed formula under restrain condition has been deduced.It is of reference value for reinforced earth engineer2ing.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.24No.32 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?kNm-19?kN根-15?kN根-151.7?kNm-122.2?kNm-1断裂的伸长率?%17881582%应变时的承载3.92?kNm-12.76?kN1.76?kN15.7?kNm-19.1?kNm-15%应变时的承载10.9?kNm-15.88?kN3.72?kN30.6?kNm-116.3?kNm-1试样宽度3或厚度150 mm28.50 mm31.60 mm17.76 mm31.52 mm125 mm(五肋)150 mm(五肋)单位长度或面积重240?gm-233.3?gm-120?gm-1337?gm-1200?gm-21.2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 mm300 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1mm范围时才终止,视变形稳定而定,为614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1PP3015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900N,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6000 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500N,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2PP1912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3SDL 35土工格栅循环荷载试验图4SW G5024土工布循环荷载试验图5SS20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de和塑性应变增量dp两部分组成,即d=de+dp。(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67个循环,土工格栅需89个循环,土工布需1314个循环,土工网需910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2N0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 Pa98.7131.692.6129.624?b32?bemax?%2.63.22.53.42.73.6pmax?%1.42.31.12.01.11.8Etmax?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 Pa16.7?b20?b3.3?b6.7?b10?b13.3?bemax?%6.27.60.61.31.82.6pmax?%4.65.50.10.30.81.8Etmax?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NN0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0.75max,现将oa,ob段的应力变化规律用应力函数表达oa段 x=max-max4X1Xob段 x=max-maxX2X(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=-X101dx=-X10(max-max4X1X)(N?N0)dx=(N?N0)max4X11-(3?4)+1+1(3)对于ob段Lb=X202dx=X20(max-maxX2X)(N?N0)dx=(N?N0)maxX2+1(4)L=La+Lb=(N?N0)max4X11-(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。(3)随着加2卸荷循环次数的增加,滞回圈由大变小,由椭圆变扁平;塑性应变 p由大变小,最后趋于稳定。经过N0次循环后滞回圈的大小和形状趋于稳定。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,最后趋于不变。这些趋于稳定的加2卸载循环次数视筋材种类而定,土工带需67个循环;土工格栅需89个循环;土工布需1314个循环;土工网需910个循环。(4)根据筋材的自由变形方程,推导出筋材在实际加筋土工程中受约束条件下的变形式(5)。(5)对于实际加筋土工程施工,为了减小变形,可对筋材首先进行多次加2卸载循环荷载预张拉,以便消除筋材的塑性变形,达到减小加筋土工程永久变形的目的。参考文献:1杨果林,王永和.钢筋(煤矸石)混凝土网格式加筋土挡土结构强度特性与试验研究J.岩土工程学报,1999,21(5):534539.2杨果林.网格式加筋土挡土结构稳定分析与工程应用J.煤炭学报,1999,24(1):7881.3杨果林,王永和.加筋土筋材拉拔试验研究J.煤炭学报,2000,25(1):5154.4欧阳仲春.现代土工加筋技术M.北京:人民交通出版社,1990.6265.(责任编辑张武美)77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.
