土工材料实验ppt课件

1、土工合成材料的特性和实验 第一节 概述 第二节 物理性质第三节 力学性质 第四节 水力学性质第一节 概述 为了在工程中选择和应用土工合成材料，首先必须了解各种材料的特性指标，特别是用于工程设计的各个参数。要得到这些参数则需通过实验所以本章内容基于实验。 第一节 概述实验前准备： 一 取样和试样的制备 1） 取样数量 当产品送到工地后，应随机抽检5%的产品，并不少于一件试样。长度不小于1m，且不小于2 。 2） 制样 从样品的长度和宽度上随机剪取，但距样品边缘至少为100mm。 3） 调湿 温度： （202） 湿度： （652） % 标准大气压 24h 2m第一节 概述n成果整理n n 计算算数

2、平均值n n n 标准差 n n 变异系数 n注：试验次数一般取十次，至少为6次。n 1NiixxN21()1NiixxN 100%vcx第二节 物理性质n一 单位面积质量mass per unit area）n 单位面积质量能反映土工合成材料的均匀程度，还n能反映材料的抗拉强度。n 测试方法：称量法n 试 样 ：十块方形或圆形试样，面积约为100 ，精度1mm。n 实验器材：感量为0.01g的天平n 那么：n n n m单位面积质量（ ）n 2cm10000MmA2g m第二节 物理性质 M试样质量g） A试样面积( ) 根据成果整理的方法计算单位面积质量的算术平均值，均方差和变异系数。 2

3、cm第二节 物理性质第二节 物理性质第二节 物理性质n二 厚度 (thickness)n 土工织物的厚度是指在承受一定压力的情况下，织物上下两个平面的距离，单位为mm。 n 实验方法：将试样放置在厚度测定仪基准板上，用与基准板平行，上下表面光滑，面积为25 的圆形压脚对试样施加压力，压脚与基准板间的距离即为土工织物的厚度。n 施加的压力：n 规定在加压30s时读数，可以对每块试样逐级持续加压测读。n 要求：基准板直径大于压板直径50mm，试样2cm(20.01)(200.1)(200 1)kpakpakpa第二节 物理性质 的直径不小于基准板的直径。的直径不小于基准板的直径。 精度要求：厚度超

4、过精度要求：厚度超过0.5mm，要求精度，要求精度0.01mm， 厚度小于厚度小于0.5mm，要求精度，要求精度0.001mm。 试样数目为试样数目为10块，结果取平均值，计算均方差块，结果取平均值，计算均方差和变异系数。为了便于查找不同压力下的厚度值，和变异系数。为了便于查找不同压力下的厚度值，通常根据试验结果绘制厚度随压力变化的曲线。通常根据试验结果绘制厚度随压力变化的曲线。第二节 物理性质第二节 物理性质n三 孔隙率 （porosity）n 土工合成材料的孔隙率是其空隙体积与总体积之比，以n（%）表示。与孔径大小有关。n 根据已知指标用下式计算：n n n n n 式中 m单位面积质量（

5、 ）n -原材料密度 （ ）n -无纺织物的厚度m）n n 1100%mn2g m3g m第二节 物理性质 注：如果无纺织物由两种或两种以上的纤维注：如果无纺织物由两种或两种以上的纤维组成，或者当原材料不确定时，可用密度瓶法测组成，或者当原材料不确定时，可用密度瓶法测出密度。出密度。第二节 物理性质n四 孔径 （pore sitz）n 土工合成材料的透水性，导水性和保持土粒的性能都与空隙通道的大小和数量有关，土工织物空隙的大小通常以孔径符号O代表，单位mm。n 有效孔径（ ）：有效的反映织物的滤层性质，亦即阻止土颗粒通过的粒径。n 等效孔径EOS）:相当于织物的表观最大孔径，也就是能通过土颗粒

6、的最大孔径。n eo第二节 物理性质实验方法：实验方法： 显显 微微 镜镜 测测 读读 法法 直接法直接法 投投 影影 放放 大大 测测 读读 法法 干干 筛筛 法法 间接法间接法 湿湿 筛筛 法法 动动 力力 水水 筛筛 法法 水水 银银 压压 入入 法法 渗渗 透透 法法第二节 物理性质干筛法： 实验前：对硅砂粒静电吸附不明显，价格低进行率定，即用筛分法将硅砂分成不同的粒组。 试验中：用土工合成材料作为筛布，每次放一种粒径的硅砂预先率定50g，震筛时间为10min，采用标准分析筛，外径200mm。 取得不少于34级连续分布的粒径重复上述步骤。 数据处理： 计算筛余率： 某粒径硅砂投放量g）

7、 筛析后通过织物的硅砂量g）100%tptMMRMtMpM第二节 物理性质 测得筛余率，绘制处筛余率与粒径对数坐标的关系曲线。根据曲线可以判断孔径的分布情况。第二节 物理性质n显微镜直接测读法n 该法用具有两个坐标读数的显微镜直接测读有纺织物各孔经纬纤维之间的缝宽x和y。n 孔的近似面积：xyn 换算等圆面积直径为孔径：n n n 以孔径的对数值为横坐标，以累计频率为纵坐标，绘制孔径累计频率曲线。该曲线反映了织物孔径的分布情况。n n ()oxy()oxy第二节 物理性质n投影测读法投影测读法n 与显微镜直接测读法原理相同。将与显微镜直接测读法原理相同。将试样拍摄后投影放大一定倍数，直接在投试

8、样拍摄后投影放大一定倍数，直接在投影上测量缝宽影上测量缝宽x和和y，然后缩小相同的倍数，然后缩小相同的倍数计算。计算。第二节 物理性质n湿筛法n 与干筛法基本相似，筛分过程中把水洒在织物试样和标准砂上消除震筛时的静电吸附现象），最后通过测试样的烘干砂粒的质量 。第二节 物理性质第二节 物理性质pM第二节 物理性质n动力水筛法动力水筛法n 原理：靠水在织物中流动的渗透力原理：靠水在织物中流动的渗透力带动砂粒通过织物。带动砂粒通过织物。n 优点：试验条件比较接近于织物滤优点：试验条件比较接近于织物滤层的实际工作条件。层的实际工作条件。n 缺陷：需要时间长，操作复杂。缺陷：需要时间长，操作复杂。第二

9、节 物理性质 在试验中水流不断地反复的流动，但以某方向为主 。如右图，四个过滤框保持铅垂状态随着主轴旋转，不断浸入水中，在离开水面。总共延续20h以上，经过2000次水上水下循环，测定通过织物集于水槽中的砂粒质量 。pM第二节 物理性质n水银压入法n 原理：利用许多材料对水银的斥力大于吸力，对细微通道不加压力不能进入的特点。n 利用Washburn方程就可以求得孔径：n 式中：r空隙半径，单位ACIA= ；n p加于水银的压力，单位atn (1at=98066Pa)n 7500rp710 mm第二节 物理性质 这种方法已经广泛的用于测有孔材料的孔径这种方法已经广泛的用于测有孔材料的孔径大小，当

10、然也可以应用于测定织物空隙的大小。大小，当然也可以应用于测定织物空隙的大小。但是由于织物纤维的柔性和空隙的易变性，测量但是由于织物纤维的柔性和空隙的易变性，测量结果往往不尽可靠。结果往往不尽可靠。第三节 力学性质n 反映土工合成材料力学特性的指标主要有：反映土工合成材料力学特性的指标主要有：抗拉强度，握持强度，撕裂强度，顶破强度，和抗拉强度，握持强度，撕裂强度，顶破强度，和刺破强度。此外，土工合成材料的蠕变特性，跟刺破强度。此外，土工合成材料的蠕变特性，跟土的交界面摩擦特性也是土工织物的重要性质。土的交界面摩擦特性也是土工织物的重要性质。n 由于土工织物的大部分土工合成材料是布状由于土工织物的

11、大部分土工合成材料是布状柔性材料，只能承受拉力，并且在受力过程中厚柔性材料，只能承受拉力，并且在受力过程中厚度是变化的，而且厚度的变化又不能精确地测量度是变化的，而且厚度的变化又不能精确地测量出来，故织物的应力是以与受拉方向垂直的织物出来，故织物的应力是以与受拉方向垂直的织物单位长度上承受的力来表示。单位长度上承受的力来表示。第三节 力学性质n一 抗拉强度n 土工合成材料的抗拉强度是指试样在拉力机上拉伸至断裂过程中，单位宽度所承受的最大拉力（ ）n n n T抗拉强度（ ）;n 拉伸过程中的最大拉力（ kN）;n B试样的初始宽度mm）。 n n kN m100mPTBmPkN m第三节 力学

12、性质第三节 力学性质n伸长率n 试样长度的增加值与试样初始长度的比值，因为土工合成材料的断裂时一个逐渐发展的过程，故断裂时的伸长不易确定，一般用达到最大拉力时的伸长率表示：n 式中 伸长率（%）;n 试样的初始长度夹具间距）（mm）;n 达最大拉力时的试样长度mm）。n 00100%mLLL0LmL第三节 力学性质n影响抗拉强度和伸长率的因素：原材料种类，结构型式，试样的宽度，拉伸速率，材料的各向异性.n建议尺寸:宽度以200mm为基础(横向收缩较小)，长度为100mm.n建议速率：我国水利部发布的土工合成材料测试规程（SL/T2352019采用拉伸速率20mm/min.速率越快，测得的抗拉强

13、度越高，所以许多国家建议适当减慢拉伸速率。n 目前我国常用的有纺扁丝织物原材料为PP或PE的抗拉强度在1550kN/m，单位面积质量为n 400 的无纺针刺织物聚酯抗拉强度在第三 力学性质2/g m第三节 力学性质 1020kN/m,单向土工格栅原材料为单向土工格栅原材料为HDPE的抗拉强度在的抗拉强度在25110kN/m，双向土工格栅，双向土工格栅原材料为原材料为PP的抗拉强度在的抗拉强度在2040kN/m.以上土工合成材料典型的拉伸过程曲线见下图以上土工合成材料典型的拉伸过程曲线见下图第三节 力学性质 由上图看出拉伸试验所得到的荷载伸长曲线通常是非线性的，因此弹性模量也不是常数。根据不同拉

14、伸曲线的特点，可以综合出三种计算拉伸模量的方法： 1初始拉伸模量 如果曲线在初始阶段是线性的，则利用初始切线可以取得比较准确的模量值，如图，适用于大多数土工格栅和有纺织物。 2偏移拉伸模量 当曲线的坡度在初始阶段很小，接着又近似于线性变化时，则取直线段的斜率作为织物的拉伸模量，如图，此法多用于无纺织物。 3割线拉伸模量 当拉伸曲线始终呈非线性变化时，则可考虑用割线法。从坐标原点到曲线上某 一点连直线，直线的斜率作为相应此点拉伸模量。tEotEsE第三节 力学性质第三节 力学性质n二二 握持强度握持强度n 又称抓拉强度，反映又称抓拉强度，反映土工合成材料分散集中荷土工合成材料分散集中荷载的能力。

15、载的能力。n 试样的尺寸和夹持试样的尺寸和夹持方法参见右图，拉伸速率方法参见右图，拉伸速率取取100mm/min。记录。记录试样拉伸，直至破坏过程试样拉伸，直至破坏过程出现的最大拉力，作为握出现的最大拉力，作为握持强度，单位千牛。伸长持强度，单位千牛。伸长率为夹具间试样的伸长率。率为夹具间试样的伸长率。分别经向，纬向各不少于分别经向，纬向各不少于6次。次。第三节 力学性质n三三 梯形撕裂强度梯形撕裂强度n 试样中已有的裂口继续扩大所需要的力，反试样中已有的裂口继续扩大所需要的力，反映了试样抵抗裂口扩大的能力，用以估计撕裂土映了试样抵抗裂口扩大的能力，用以估计撕裂土工合成材料的难易程度。工合成材

16、料的难易程度。n 方法：在长方形试样上画出梯形舌形和方法：在长方形试样上画出梯形舌形和翼形轮廓并预先剪出翼形轮廓并预先剪出15mm长的裂口，然后将长的裂口，然后将试样沿梯形的两个腰夹在拉力机的夹具中，距夹试样沿梯形的两个腰夹在拉力机的夹具中，距夹具初始距离为具初始距离为25mm，见图。以，见图。以100mm/min的速度拉伸，使裂口扩展到整个试样宽度。撕裂的速度拉伸，使裂口扩展到整个试样宽度。撕裂过程中的最大拉力即为撕裂强度，单位过程中的最大拉力即为撕裂强度，单位kN经向经向和纬向）。和纬向）。第三节 力学性质第三节 力学性质第三节 力学性质n四 胀破强度n 薄膜胀破试验：用以模拟凹凸不平的地

17、基对土工织物即挤压作用，实验装置见图。n 胀破强度：n n n 最大液压值n 扩张膜片所需要的压力n 完成10个试样的试验n 优点：受力均匀，试验结果接近n 缺陷：试样小，不适于高强和拉伸率过 大的材料.bbtbmpppbtpbmp第三节 力学性质第三节 力学性质n圆球顶破强度圆球顶破强度n 描述织物抵抗法向描述织物抵抗法向荷载能力的指标，用以荷载能力的指标，用以模拟凹凸不平地基的作模拟凹凸不平地基的作用和上部块石压入的影用和上部块石压入的影响。响。n 试验装置如图，试验装置如图，测定钢球直至顶破织物测定钢球直至顶破织物需要的最大压力，单位需要的最大压力，单位N，试验共进行，试验共进行10次。

18、次。n 第三节 力学性质n六六 CBR顶破强度顶破强度n 和前两种试验基本意义相同，前两种试验和前两种试验基本意义相同，前两种试验沿用纺织品试验方法，沿用纺织品试验方法，CBR是源于土工试验。是源于土工试验。n 试验装置如图。记录最大荷载即为试验装置如图。记录最大荷载即为CBR顶破强度，单位顶破强度，单位N。共进行。共进行10次试验。次试验。n 第三节 力学性质第三节 力学性质n七七 刺破强度刺破强度n 是织物在小面积上受到法向集中荷载，直到是织物在小面积上受到法向集中荷载，直到刺破所能承受的最大力。单位为刺破所能承受的最大力。单位为N。是模拟土工。是模拟土工合成材料受到尖锐棱角的石子或树根的

19、压入面刺合成材料受到尖锐棱角的石子或树根的压入面刺破的情况。破的情况。n 试验装置和试样与圆球顶破试验完全相同。试验装置和试样与圆球顶破试验完全相同。第三节 力学性质第三节 力学性质n八八 落锥穿透试验落锥穿透试验n 模拟工程施工模拟工程施工中具有尖角的石块或中具有尖角的石块或其他锐利之物掉落在其他锐利之物掉落在土工合成材料上，并土工合成材料上，并穿透的情况，穿透孔穿透的情况，穿透孔眼的大小反映了土工眼的大小反映了土工合成材料抗冲击刺破合成材料抗冲击刺破的能力。的能力。第三节 力学性质第三节 力学性质n蠕变试验蠕变试验n 蠕变：材料在大小不变力作用下，变形仍随蠕变：材料在大小不变力作用下，变形

20、仍随时间增长而逐渐加大的现象。时间增长而逐渐加大的现象。n 影响因素：材料的性质和结构，荷载的大小，影响因素：材料的性质和结构，荷载的大小，温度，温度，n 侧限压力等。侧限压力等。n 表示方法：蠕变曲线和近似公式表示方法：蠕变曲线和近似公式n 第三节 力学性质n蠕变曲线如右图。第一阶段：初始阶段，变形由快到慢的变化。第二阶段：稳定阶段：变形速率保持常数。故基本上是直线。第三阶段：不稳定的断裂阶段。如变速率迅速增大，直到D点试样断裂为止。第三节 力学性质n用直线段描述蠕变过程，其近似公式为：n n n 式中 任一时刻t的应变;n 加载一个单位时间的应变1h）;n b蠕变系数。n 和b由试验确定的

21、，对一定材料它们的大小主要受荷载水平的影响。 可以根据建筑物对变形的要求来确定。1lgtbtt11t第三节 力学性质1 蠕变试验 （依据规范进行） 标准的蠕变曲线是应变随时间变化的曲线 式中 蠕变应变（%） 施加荷载至测读时间的伸长量mm） 初始计量长度与预拉荷载伸长量之和。 对于土工格栅，按下式计算单宽荷载： (100)gLL LgL()RTaF NN第三节 力学性质 式中 a单位荷载kN/m）； F施加的荷载kN）； 试样的肋条数； 单位宽度肋条数。 根据规范进行试验，如美国的ASTM，英国的BS和国际标准化协会ISO，我国水利部的SL/T235/2019，这些规范有相同之处与各自的不同之

22、处。RNTN第三节 力学性质2 蠕变试验曲线和蠕变折减系数蠕变试验曲线和蠕变折减系数 两种曲线：蠕变应变和时间的曲线，蠕变破两种曲线：蠕变应变和时间的曲线，蠕变破坏荷载与破坏时间的曲线。坏荷载与破坏时间的曲线。 蠕变应变和时间的曲线：标准规定荷载水平取四蠕变应变和时间的曲线：标准规定荷载水平取四种，可在抗拉强度的种，可在抗拉强度的5%，10%，20%，30%，40%，50%，60%中选取。图如下中选取。图如下页。页。 蠕变破坏荷载和破坏时间曲线：蠕变破坏荷载和破坏时间曲线：ISO要求记录达要求记录达到拉伸蠕变破坏所需时间。试验的荷载水平取四到拉伸蠕变破坏所需时间。试验的荷载水平取四种，可在抗拉

23、强度的种，可在抗拉强度的50%90%中选取，每个中选取，每个荷载取三个试样，使破坏时间均匀分布在荷载取三个试样，使破坏时间均匀分布在100h，500h，2000h，10000h周围，要求计数器周围，要求计数器能记录试样拉断时间。能记录试样拉断时间。 第三节 力学性质第三节 力学性质3 蠕变强度折减系数的求法 式中 T抗拉强度； 长期蠕变强度。 蠕变试验进行的时间较短，不得不按照蠕变的曲线趋势外推试验数据至设计使用年限。如上图中的虚线。 （1从蠕变应变与时间的曲线求 步骤：a ）从应变与时间曲线中量取不同荷载水平设计使用年限的 ，求出 。1CRTRFT1TCRRFle1第三节 力学性质 由下式可

24、求得 长期蠕变应变的外推值 b ） 由蠕变试验的四个拉伸荷载和相应的 值，绘 制设计使用年限的蠕变荷载与应变的曲线，称 为等时曲 线，见图。 c ） 根据蠕变应变的设计允许值，从蠕变荷载和应变 的曲线中查的长期蠕变强度 。 d ） 求出蠕变折减系数。 （2） 从蠕变破坏荷载与时间的曲线求 。 a ） 进行不同的拉伸荷载的蠕变试验，记录拉断所需 的时间。 111.2xlele11TCRRF第三节 力学性质第三节 力学性质 b调整荷载的大小，使拉断发生的时间均匀分布在每一个lg循环中，并绘制蠕变破坏荷载与时间的曲线。 c） 由曲线得设计使用年限长期蠕变强度的外推值 。 d） 根据统计误差分析，用外

25、推法求长期蠕变强度 时，应除以不确定因子： （3两种方法的比较 这两种曲线的试验工作量基本相同，在计算 时。第二种曲线较为简单，但不能获得相对于一定应变 的 。为了获得一定应变时的 ，则应进行蠕leT1T111.2lexTTCRRFCRRFCRRF第三节 力学性质 变测量的试验。另一种可能的替代方法是在进行变测量的试验。另一种可能的替代方法是在进行拉伸破坏荷载试验时，不是记录破坏时间，而是拉伸破坏荷载试验时，不是记录破坏时间，而是记录达一定应变的时间，并计算蠕变折减系数。记录达一定应变的时间，并计算蠕变折减系数。 第三节 力学性质4 加速蠕变试验的方法加速蠕变试验的方法 蠕变试验耗时，费力，费

26、用高。加速蠕变试验蠕变试验耗时，费力，费用高。加速蠕变试验方法有以下两种：方法有以下两种： 1时温叠加法时温叠加法TTS 在几种不同的温度下做较短期的蠕变试验。在几种不同的温度下做较短期的蠕变试验。 原理：选取一种参考温度，在不同级别升原理：选取一种参考温度，在不同级别升高温度，施加同一种水平荷载，完成较短历时的高温度，施加同一种水平荷载，完成较短历时的蠕变试验。蠕变试验。 2分级等温法分级等温法SIM 在同一种荷载水平下作不同温度等级别的在同一种荷载水平下作不同温度等级别的试验。试验。 第三节 力学性质第四节 水力学性质n一 渗透系数和渗透率n 土工织物的透水性用渗透系数来表示。渗透系数是在水力坡降等于1的渗流时的渗透系数:n n 式中 渗透系数cm/s）；n v渗透流速（ cm/s）；n 土工织物的厚度cm）；n i 渗透水利坡降；n 土工织物上下游测压管水位cm）nvvkihnkh第四节 水力学性