土工格室片材力學性能試驗研究隨著高分子材料的發(fā)展.土工布、土工膜、土工格柵等人工合成材料以天然材料不可替代的優(yōu)勢在土木工程領域中得到廣泛應用電工工格室是一種新型特種土工合成材料.通常是由人工聚合物聚為原材料經過超聲波強力焊接而成.展開后呈蜂窩狀立體結構。上工格室?經開發(fā)便以其獨特的立體結構，在特定的地質情況下表現(xiàn)出了常規(guī)土工合成材料難以達到的工屈效能”土工格室等土工合成材料能夠廣泛應用于七.木」:程領域得英于其Q好的工程特性，具有較大的粒伸強度，能承受較大的拉力］具有較好的延性，能承受較大變形而不發(fā)生斷裂或者撕裂破壞◎土工合成材料的強度與變形參數，如峰值福度和及其對應的伸性率等是工程首算中最基本且最常用的指標,因而有必要對工程實踐或者科學研究中所用到的土丁含成材料進行力學特性測試及研究.目前-針對HDPE上工格室片材力學特忤的研究相對較少?而JiH口PR格室片材尺寸與形狀、外界環(huán)境溫度與濕度等條件對其力學特性的制響使得研究相對較困難口東文采用電子萬能試驗機對條帶狀的土工格室北行「研究?以應力一應變關系曲線、力學參數為研究點，分析了不同拉伸速率條件下上匚格室片材力學特性的變化規(guī)律E對Mmy網粵人提出的H口PE膜雙曲線木梅模型進行了適用件分析，算根據試驗結果特點.在雙曲線市構模型及沈珠江-硼“駝峰形"；灰莖頂式基礎上提出了適同性較好的數學模型,為HDPE片材的本構模型向究以及HOPEI;工楙室的物值分析提供了試驗基砒月理論支援「目前，可以采用拉伸試瞼來就也上工含成材料的拉伸性能，國內測定土工合成材料拄伸性能的方法主要有寬條拉伸試驗法和窄條拉伸試驗法「上【合成材料條帶拉伸試驗的原理是將試件的兩端用寬度大于或者等于誠件寬度的夾具夾住?試驗前設定加載速率值，一股是設定橫梁的位移速度,試臉開始后橫梁會按照該速度移動.橫梁的移動會對試件產生拉伸作用而使試件承受有我“上工合成材料在實際工程中會與1L石料發(fā)生復雜的相互作用”在?？祮蜗蚶煳潋炛?上1.*成材料的力學參敕是在無窗阻條件下測出的，因此不能完全反應工上合成材料在實際工程中的工程性狀.目前的試驗條件無法模擬現(xiàn)場」一程條件以實現(xiàn)匕工仆成材料的賓際工作狀態(tài)，因此仍然采用條帶時伸法來測定l:_L合成材料的力學特性.交通剖發(fā)布的《公路工程.上上「成材料試驗規(guī)程》OTGE50-20D0對上工.合成材料條帶拉伸法的3利條件及操隹方法雙進仃了規(guī)范4解釋。3.2試驗概況3.2.1試胎設備本試驗在大連理工大學工業(yè)裝備份結構分析國家重點實驗室材料力學試臉分室進行，試驗儀器為長春試驗機研究所生產的CSS-2250型電子才能試驗機（如圖3.1所示），鍛大負荷值為SOOkN.活動橫梁位移速度范闈0.05~500mm/min采用數字式速度控制系統(tǒng)，精度可達《±1%），橫梁最大行程為E200M作I3.1CSS-225O型電「萬能試驗機系統(tǒng)Fig3lTheelectronicuniversalmaterialtestingmachinesystemofCSS-22503.2.2送驗方案《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》（JTGE50-2006）規(guī)定寬條拉伸試驗法所用試件的寬度為200mm,窄條拉伸試驗方法所用試件寬度50mm；條帶均要求有足夠的長度以保證夾具邊緣mJ距為100mm：夾具鈿「」衣面須仃足帽的寬度,至少W于試樣寬&200mm或者50mm）.以保證其能足夠夾持試樣的全寬,并采用適當措施避免試樣滑移和揭傷.McrryM等人（1996）在條帶拉仰試驗中采用「局部應變測楂法，試驗結果表明,I.I仆成材料的應力應變關系對于試件的寬度成長度之間的比值不敏舔。木試驍所用CSS-2250型電廣萬能試驗機所用夾貝寬度可達到50mm.試驗夾只可夾持長度為50mm,綜上，本次試驗采用窄條拉伸試驗法。為了研究HDPE在不同拉伸速率條件卜的力學特性以及應變率相關的隨力應變關系模型，本次試驗中除了采用JTGE50-2006中規(guī)定的拉伸速率50mm/min外，還研究了ILDPE片材在5mnvmin.2Smin/min,75mm/min和100mm/min4個不同拉加速率下的力學響應.試驗在室內進行，室內溫度在22c±2C之內。3.2.3試樣制備本次試驗采用的土工格室始由山東德州天畜土工材料有網公司生產，采用超聲波焊接方法將HDPE片材連接而成。高度為50mm,焊距150mm,片材厚1.1mm。根據規(guī)范要求，試驗試件是在相同產品材料卜.直接截取.成件寬度為50mm.長200mm,同時在試樣的長度方向沿試件的整個寬度垂克的畫兩條間隔100mm的標記線，即在夾具夾持的邊緣畫兩條標記線，兌間隔為100mm。試件如圖32所示。1夾持長度3標記距離也圖1夾持長度3標記距離也圖3.2標記后的HDPE上工格室片材C單位,mm)Hig.3.2「heHDPEgeocellsheetswithlabeledline(unitzmm)3.3試驗結果及分析1HDPE土工格室片材的變形現(xiàn)象窄條試件在拉伸的過程中會產生明顯的橫向收縮（頸縮）現(xiàn)象0成驗統(tǒng)計表明HDPE片材通常在40%的伸長率出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，即明顯的橫向收縮（一般是片材居中部位的橫向寬度明顯收窄）：頸縮現(xiàn)年的驟變發(fā)生在片材距兩端夾JL邊緝I附近，表現(xiàn)為片材寬度及厚度的戰(zhàn)?。恨A變段之內的片材在伸長率達到100%左右之后橫向寬度的收縮趨于緩和,雖然伸長盤不斷增加，但是寬度基本保持不變.HDPE具有極好的延性（螭變特性),土木實驗中并沒有出現(xiàn)片材斷裂或者拉斷現(xiàn)象。圖3.3為HDPE土工格宣并材拉伸頸縮后的試件.圖3.3HDPE卜.工格室片材的頸端圖片F(xiàn)ig.3.3TypicalphotographsofneckingHOPEgeoccllsheet3.3.2HDPE片材應力應變關系<1)數據處理假定由「試驗系統(tǒng)采集的數據是拉力與位移，需要將拉力與位移轉換為應力應變關系。在對試驗系統(tǒng)采集的數據進行處理轉換時做了如下假定；①試驗所用HDPE片材材質均勻、各向同性且不可壓縮；②1IDPE片材的變形為等截面變形：③試件內部應力分布均勻，等于平均應力。④夾只夾持穩(wěn)定，片材在試驗過程中沒有發(fā)生滑移，即保證試驗系統(tǒng)采集到的荷栽耳位移為片材所承受的拉力與片材標記線之間的伸長敬，因此本試驗中,拉仲速率與應變速率等價，伸長率即為應變率；(2)應力應變計算公式R.HufenusetaL(20O6)在現(xiàn)場對路基進行了分段研究,研究R明,加筋材料在施工完成后的應變值要小于8%,局部斷而的應變值可以達到因此，研究HDPE片材在小變形卜的力學特性足以滿足工程實際需要.試臉統(tǒng)計已經發(fā)明，HDPE片材的頸縮發(fā)生在仲氏率的40%以后，即11DPE片材4:伸長率為40%以內不公發(fā)生明顯的斷面變形r等截面變形的假定完全適用,而在40%伸長率之后，頸縮趨于穩(wěn)定之前，片材會發(fā)生明顯的斷面變形而不再適用等故面假定.因此?木文本而研究40%伸長率以內的力學特性.應力詩算公式如下；o=TIA (3.1)式中；。一應力(Pa>I我AHDPE片材橫厥面面積.應變計算公式如下;￡=竽*100% (3.2)式中：￡—伸長率，應變C%)AL—HDP片材伸長量，L—HDPE片材標記距離，本文為100mm。(3)HDPE片材應力應變特性分析CSS-2250型電子方能試驗機系統(tǒng)具有繪制拉力一位移曲線的功能，圖34為試疆機自動采集的HDPE上工格室片材拉伸試驗拉力與位移全過程圖，可以看出，負荷在試驗初始的較小伸長量內迅速增長,并很快達到峰值點；峰值點過后，拉力開始降低，在仲長量達到100mm左右時，負荷趨于平穩(wěn)，不再隨著伸長量的增加而降低，呈現(xiàn)蠕變特性。該過程說明HDPE土工格室片材在達到峰值點之前擁有較大剛度，能承受較大荷載：片材在峰值點過后逐漸出現(xiàn)預縮，頸縮的出現(xiàn)會降低片材的負荷能力：當頸縮趨于緩和，負荷也會趨于緩和，根據上節(jié)的假定及計算公式繪制圉HDPE上工格室片材在不同拉伸速度條件下的小應變(40%)應力一應變美系曲線，見圖35?？梢钥闯?，不同拉伸速率下的小應變應力一應變美系曲線均呈非線性：而且拉伸速率的增加對片材初始階段的應力一應變關系影響不大；隨著應變的增加，相同應變條件下片材的強度隨苕拉伸速率的增加而增加L圖3.4HDPE+I.格電片材負荷與變形圖hl3.4TheLoad—deformationcurveofHDPEg-coccllsheets30圖3.5HDPE片材在不同拉伸速率卜.的小變形應力應變關系曲線圖3.5Thestress-straincurveofsmalldeformaiioniofHDPEsheetsunderdifferenttensilerate3.3.3HDPE片材的強度與變形參數本節(jié)主要對在不同拉伸速率下HDPE片材的撲4申模量，撾仰強度及其對應的應變，三個方面進行神究。片材的拉伸模員可以采用初始效伸模量、到線拉伸模量等表示。初始模量是假定所研究材料的應力一應變關系在初級階段呈線性，然后通過對初始線性階段求出的模量值,見圖3.6(a)。在應力應變曲線方程無法確知的情況下，通常將初始直線段的斜率作為模量值。當材料的應力一應變關系曲綾呈非線性變化而無法求取初始模危時，需要采用割線模量。將原點與關系曲線上的某一點連接為一點線,該線的斜率即為割線模量.見圖3.6(b)a(a)初始模收 (b)剖線根M困3.6制仲模/&求力法Fig3.6Theexpressionmethodoftensilemodulus在本文中假定片材在0.5%應變內的應力應變關系呈直線，并將該直線段的斜率作為初始模量值，同時選取應變?yōu)?%、5%以及峰值點所對應的點來求取割線模量，研究拉伸模量與拉伸速率的關系。表3.1為不同速率下的初始模量助、與割線模量心，E"%。將表3.1中的數據點繪于直角坐標系”并對其進行線性回歸分析，如圖3.7c圖3.7為拉伸模量在不同拉伸速率下的變化規(guī)律圖及擬合線.可以看出,HDPE片材的拉伸模量與試驗所采用的拉伸速率有關，拉伸模量隨著速率的增加近似呈線性增加。掇合公式及相關度如下：TOC\o"1-5"\h\z&5=0.003,+0.962,上=0.917 (3.3)區(qū)二0.002/+0.613,R2=0.899 0.4)&=0,001/+0,355,*=0.915 〈3,5)Ef=0.0009/+0.132,/?-=0.985 0.6>表3.1不同拉伸速率卜的峰值強度及峰值拉伸模城Table.3.1Thetensilemodulusofdiffcrenttensilerate拉伸模咐/GPa 5拉伸速率*rftrft/rtlirt)10()25507550.941.081.151.251.26心0390.670.760.790.S1Es0350.380.430.440.45J0.140.150.190.200.22Fig.3.7Thetensilemodulus-tensileratecurve注32為HDPE片材在不同護.伸速率下的峰值強度及峰值應變。將表3.2中的數據點繪于直用坐標系，并對其進行緩性回歸分析，如圖3.8,圖3.9。圖3.8,圖3.9分別為HDPE片材的峰值強度與峰值應變在不同拉伸速率下的變化規(guī)律圖及擬合戰(zhàn),試蛉結果我嘰在單向拉伸條件芭HDPE片材的峰值強度及其峰值應變均與拉仰速率有關，峰也強度隨著拉伸速率的增大而增大，而峰值應變則隨拉伸速率的增大而減小。采用線性回歸分析方法可以得出相關度較高的擬合直線，擬合公式及相關度如下：Gj=0.045K+2L14,/?2=0.927 (3.7)￡(=-0.044IZ+15.59.R2=0979 (3.8)表3.2不同拉伸速率卜的蜂伯強發(fā)及解仍應支Tabl-e.3.2Thepeakstrengthandstrainoftensilemodulus

拉伸速率/(mm/min)峰色點參數 TOC\o"1-5"\h\z5 25 50 75 100^yviPa 21.05 22.11 24.18 24.64 25.24ft/% 15.61 14.40 13,01 12.37 11.3130圖3.8拉伸隹及馬拉伸速搴的美系圖Fig.3.8Therelationshipbetweentensilestrengthandtensilerate圖3.9拉伸強度與拉伸速率的美系圖Fig.3.9TherelaiisnshipbetweenStrainoftensileStMhgthandtensilerate需要指出的是，以上參數值均是按照規(guī)范操作試驗，然后求取的平均位e而包括土工格室在內的上工合成材料在施工及工作狀態(tài)中，以上參數會受到溫度、時間、濕度、加載方式以及施工工亡等因素影響。特別是上工合成材料在實際工程中的拉伸變形逑度要遠遠小于試驗采用的速度，而各力學參數受拉伸速率的影晌較大，在實際T程中選用上工格空材料時應予以充分號虐，必要時可以通過低拄伸速率的條帶拉伸試驗來確定上工格軍的各項力學參數。近幾年來，土工合成材料發(fā)展迅速,其應用領域不斷擴展。隨行計算技術的發(fā)展，現(xiàn)代數值模擬方法已經成為研究士工合成材料加筋結構工程特性的重要手段，在數值模擬中必然會涉及到土工合成材料的應力應變關系模型u因此有必要對HDPE土工格室片材的本構模型進行討論與研究，國內外關于土工合成材料木構模型的研究相對較少，而且大部分提出的木構模型所涉及參數眾多且不容易確定。研究㈤表明以HDPE或者PP（聚丙烯）為原材料的土工合成材料（土工格棚、土工帶等）的應力應變非線性關系可以采用雙曲線進行描述。Merry采用雙向拉伸方法，研究了HDPE在不同應變率條件卜的應力應變關系，并提出了所需參數較少、適用性較好的雙曲線經臉公式：由本文圖34,圖3.5可以發(fā)現(xiàn)HDPE上工格室片材表現(xiàn)出軟化特點，而沈珠江曾提出了可描述上體人駝峰形”曲線的三次多項式，該公式適應性較強，能較好的反映上體的應變軟化特性：因此，本文在上述理論及方法的基礎上，建立了能夠描述HDPE片材小應變條件下應力應變關系的數學模型，并給出了相關參數的物理意義及確定方法。（1）雙曲線木構模型隨著上工合成材料越來越多的應用于土木工程，Merry等人認為有必要對上工合成材料的木構模型進行進行重點研究，提出了能夠合理描述上_￡合成材料應力應變關系的雙曲線經驗公式（式3.9）。該公式所需參數較少且物理意義明確，能夠通過雙向推伸試險方法得到，因而適用性較強。相關內容如下?惆：（3.9）其中，——應變率相關的片材應力：￡、￡——片材的應變、應變率：與（點）——應變率相關的制線模量，通常狽屈服點的割線模垠;8——割線模量與初始模量的比值，即夕=邑；Rf——最大應力與極限應力比值，/?產烏4<1.0。（。）心一應變率相關的最大應力，搬是指屈服應力。設HDPE片材的屈服應力為4）其對應的屈服應變?yōu)槎罚∽栽擖c的割線模量為4潞以上參數代入式（39）,得：(3.10)由上式可得:則:(3.12)則:(3.13)貝小(3.14)綜上，Merry等人針對HDPE片材拉伸速率相關的特性提出的應力應變雙曲統(tǒng)經驗公式可以簡化為：(￡(￡)= : a￡?4十(1-夕)?￡(3.15)式中，％,、j—屈服點的強度及應變：P——屈服點的割線模量與初始模罡的比值，該他小于1。（2）沈珠江建議的“駝峰形”曲線三次多項式；針對上體的應變軟化模型，沈珠江提出了考慮剪脹性的“雙峰形”三次曲線，該曲線即可擬合應力?應變曲線，又能擬合體變?應變關系曲線，具適用性較強,其應力應變關系曲線表述如下:(3.16)

參數，a、b和C與峰值強度、殘余強度和峰值應變之間有下列關系由于殘余強度難以測定，采用了峰度系數儀來代替必，式（3[0）可改寫為:C3.17)￡【2q+(】?2q)&]C3.17)式中：9一上體強度：￡一上體軸向應變；為一土體峰值強度：a—峰度相關系數0（3）本文模型木文根據試驗結果，在上述雙曲線經驗公式、三次曲線公式的基礎上建立了HDPE上工格空片材單向拉伸小變膨條件下率用關的應力應變關系的數學模型如下,(3.18)。二。￡｛印%.（1?2￡）句'[例6/十（1-夕），￡了(3.18)其中,明、J一片材的峰值強度及噫位應變：B—峰值點的割線模最與與初始核量￡”的比值，該值小于1。式3.18中所有參數均為率相關參數。（