土工材料实验

土工材料实验第1页/共71页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2页/共71页第一节概述

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3页/共71页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：

（20±2）℃

湿度：（65±2）%标准大气压24h第4页/共71页第一节概述成果整理

计算算数平均值

标准差

变异系数

注：试验次数一般取十次，至少为6次。

第5页/共71页第二节物理性质一单位面积质量（massperunitarea）

单位面积质量能反映土工合成材料的均匀程度，还能反映材料的抗拉强度。测试方法：称量法试样：十块方形或圆形试样，面积约为100，精度1mm。实验器材：感量为0.01g的天平则：

m—单位面积质量（）

第6页/共71页第二节物理性质

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。

第二节物理性质第7页/共71页第二节物理性质第8页/共71页第二节物理性质二厚度(thickness)

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。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。施加的压力：规定在加压30s时读数，可以对每块试样逐级持续加压测读。要求：基准板直径大于压板直径50mm，试样第9页/共71页第二节物理性质

的直径不小于基准板的直径。精度要求：厚度超过0.5mm，要求精度0.01mm，厚度小于0.5mm，要求精度0.001mm。试样数目为10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，通常根据试验结果绘制厚度随压力变化的曲线。第10页/共71页第二节物理性质第11页/共71页第二节物理性质三孔隙率（porosity）

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。根据已知指标用下式计算：

式中m—单位面积质量（）

--原材料密度（）--无纺织物的厚度（m）

第12页/共71页第二节物理性质

注：如果无纺织物由两种或两种以上的纤维组成，或者当原材料不确定时，可用密度瓶法测出密度。第13页/共71页第二节物理性质四孔径（poresitz）

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。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。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的最大孔径。

第14页/共71页第二节物理性质实验方法：

显微镜测读法

直接法

投影放大测读法

干筛法间接法湿筛法

动力水筛法

水银压入法渗透法第15页/共71页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3~4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）——筛析后通过织物的硅砂量（g）第16页/共71页第二节物理性质

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17页/共71页第二节物理性质显微镜直接测读法

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。孔的近似面积：xy

换算等圆面积直径为孔径：

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。

第18页/共71页第二节物理性质投影测读法

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，直接在投影上测量缝宽x和y，然后缩小相同的倍数计算。第19页/共71页第二节物理性质湿筛法

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第20页/共71页第二节物理性质动力水筛法

原理：靠水在织物中流动的渗透力带动砂粒通过织物。优点：试验条件比较接近于织物滤层的实际工作条件。缺点：需要时间长，操作复杂。第21页/共71页第二节物理性质

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。第22页/共71页第二节物理性质水银压入法

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。利用Washburn方程就可以求得孔径：式中：r——空隙半径，单位ACIA=；

p——加于水银的压力，单位at(1at=98066Pa)

第23页/共71页第二节物理性质

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，测量结果往往不尽可靠。第24页/共71页第三节力学性质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。由于土工织物的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单位长度上承受的力来表示。 第25页/共71页第三节力学性质一抗拉强度

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（）

T——抗拉强度（）;

——拉伸过程中的最大拉力（kN）;

B——试样的初始宽度（mm）。

第26页/共71页第三节力学性质第27页/共71页第三节力学性质伸长率

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：式中——伸长率（%）;

——试样的初始长度（夹具间距）（mm）;

——达最大拉力时的试样长度（mm）。

第28页/共71页第三节力学性质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.建议尺寸:宽度以200mm为基础(横向收缩较小)，长度为100mm.建议速率：我国水利部发布的《土工合成材料测试规程》（SL/T235—1999）采用拉伸速率20mm/min.速率越快，测得的抗拉强度越高，所以许多国家建议适当减慢拉伸速率。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15~50kN/m，单位面积质量为

400的无纺针刺织物（聚酯）抗拉强度在第三力学性质第29页/共71页第三节力学性质

10~20kN/m,单向土工格栅（原材料为HDPE）的抗拉强度在25~110kN/m，双向土工格栅（原材料为PP）的抗拉强度在20~40kN/m.以上土工合成材料典型的拉伸过程曲线见下图第30页/共71页第三节力学性质

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。第31页/共71页第三节力学性质第32页/共71页第三节力学性质二握持强度

又称抓拉强度，反映土工合成材料分散集中荷载的能力。试样的尺寸和夹持方法参见右图，拉伸速率取100mm/min。记录试样拉伸，直至破坏过程出现的最大拉力，作为握持强度，单位千牛。伸长率为夹具间试样的伸长率。分别经向，纬向各不少于6次。第33页/共71页第三节力学性质三梯形撕裂强度

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，用以估计撕裂土工合成材料的难易程度。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15mm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，距夹具初始距离为25mm，见图。以100mm/min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kN（经向和纬向）。第34页/共71页第三节力学性质第35页/共71页第三节力学性质第36页/共71页第三节力学性质四胀破强度薄膜胀破试验：用以模拟凹凸不平的地基对土工织物即挤压作用，实验装置见图。胀破强度：

——最大液压值

——扩张膜片所需要的压力完成10个试样的试验优点：受力均匀，试验结果接近

缺点：试样小，不适于高强和拉伸率过大的材料.第37页/共71页第三节力学性质第38页/共71页第三节力学性质圆球顶破强度

描述织物抵抗法向荷载能力的指标，用以模拟凹凸不平地基的作用和上部块石压入的影响。

试验装置如图，测定钢球直至顶破织物需要的最大压力，单位N，试验共进行10次。

第39页/共71页第三节力学性质六CBR顶破强度

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，CBR是源于土工试验。试验装置如图。记录最大荷载即为CBR顶破强度，单位N。共进行10次试验。

第40页/共71页第三节力学性质第41页/共71页第三节力学性质七刺破强度

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N。是模拟土工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。试验装置和试样与圆球顶破试验完全相同。第42页/共71页第三节力学性质第43页/共71页第三节力学性质八落锥穿透试验

模拟工程施工中具有尖角的石块或其他锐利之物掉落在土工合成材料上，并穿透的情况，穿透孔眼的大小反映了土工合成材料抗冲击刺破的能力。第44页/共71页第三节力学性质第45页/共71页第三节力学性质蠕变试验

蠕变：材料在大小不变力作用下，变形仍随时间增长而逐渐加大的现象。影响因素：材料的性质和结构，荷载的大小，温度，侧限压力等。表示方法：蠕变曲线和近似公式

第46页/共71页第三节力学性质蠕变曲线如右图。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47页/共71页第三节力学性质用直线段描述蠕变过程，其近似公式为：

式中——任一时刻t的应变;

——加载一个单位时间的应变（1h）;b——蠕变系数。和b由试验确定的，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。第48页/共71页第三节力学性质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：

第49页/共71页第三节力学性质

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/T235/1999，这些规范有相同之处与各自的不同之处。第50页/共71页第三节力学性质2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种，可在抗拉强度的5%，10%，20%，30%，40%，50%，60%中选取。图如下页。蠕变破坏荷载和破坏时间曲线：ISO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种，可在抗拉强度的50%~90%中选取，每个荷载取三个试样，使破坏时间均匀分布在100h，500h，2000h，10000h周围，要求计数器能记录试样拉断时间。

第51页/共71页第三节力学性质第52页/共71页第三节力学性质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。第53页/共71页第三节力学性质

由下式可求得

——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。

第54页/共71页第三节力学性质第55页/共71页第三节力学性质

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，则应进行蠕第56页/共71页第三节力学性质

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。

第57页/共71页第三节力学性质4加速蠕变试验的方法

蠕变试验耗时，费力，费用高。加速蠕变试验方法有以下两种：

1）时温叠加法TTS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，在不同级别升高温度，施加同一种水平荷载，完成较短历时的蠕变试验。

2）分级等温法SIM

在同一种荷载水平下作不同温度等级别的试验。

第58页/共71页第三节力学性质第59页/共71页第四节水力学性质一渗透系数和渗透率

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:

式中——渗透系数（cm/s）；

v——渗透流速（cm/s）；

——土工织物的厚度（cm）；

i——渗透水利坡降；

——土工织物上下游测压管水位（cm）第60页/共71页第四节水力学性质

土工织物的渗透性还可以用透水率来表示，透水率是水位差等于1时的渗透流速，即：式中——透水率影响透水性的因素：织物本身的材料，结构，空隙的大小和分布，实际中织物平面所受法向应力，水质，水温和水中含气量等。

试验：需要测出，，v。其中流速可以通过测得一定时间内的透水量表示：

第61页/共71页第四节水力学性质

t——测量透水量的时间间隔（s）；

A——土工织物试验的透水面积（）；

Q——t时间内的透水量（）。

试验仪器主要组成部分：测透仪，加压设备，供水系统。

第62页/共71页第四节水力学性质第63页/共