土工格室片材力学性能试验研究

土工格室片材力学性能试验研究随着高分子材料的发展.土工布、土工膜、土工格栅等人工合成材料以天然材料不可替代的优势在土木工程领域中得到广泛应用电工工格室是一种新型特种土工合成材料.通常是由人工聚合物聚为原材料经过超声波强力焊接而成.展开后呈蜂窝状立体结构。上工格室•经开发便以其独特的立体结构，在特定的地质情况下表现出了常规土工合成材料难以达到的工屈效能”土工格室等土工合成材料能够广泛应用于七.木」:程领域得英于其Q好的工程特性，具有较大的粒伸强度，能承受较大的拉力］具有较好的延性，能承受较大变形而不发生断裂或者撕裂破坏◎土工合成材料的强度与变形参数，如峰值福度和及其对应的伸性率等是工程首算中最基本且最常用的指标,因而有必要对工程实践或者科学研究中所用到的土丁含成材料进行力学特性测试及研究.目前-针对HDPE上工格室片材力学特忤的研究相对较少।而JiH口PR格室片材尺寸与形状、外界环境温度与湿度等条件对其力学特性的制响使得研究相对较困难口东文采用电子万能试验机对条带状的土工格室北行「研究।以应力一应变关系曲线、力学参数为研究点，分析了不同拉伸速率条件下上匚格室片材力学特性的变化规律E对Mmy网粤人提出的H口PE膜双曲线木梅模型进行了适用件分析，算根据试验结果特点.在双曲线市构模型及沈珠江-硼“驼峰形"；灰茎顶式基础上提出了适同性较好的数学模型,为HDPE片材的本构模型向究以及HOPEI;工楙室的物值分析提供了试验基砒月理论支援「目前，可以采用拉伸试睑来就也上工含成材料的拉伸性能，国内测定土工合成材料拄伸性能的方法主要有宽条拉伸试验法和窄条拉伸试验法「上【合成材料条带拉伸试验的原理是将试件的两端用宽度大于或者等于诚件宽度的夹具夹住•试验前设定加载速率值，一股是设定横梁的位移速度,试脸开始后横梁会按照该速度移动.横梁的移动会对试件产生拉伸作用而使试件承受有我“上工合成材料在实际工程中会与1L石料发生复杂的相互作用”在常康单向拉伸武验中,上1.*成材料的力学参敕是在无窗阻条件下测出的，因此不能完全反应工上合成材料在实际工程中的工程性状.目前的试验条件无法模拟现场」一程条件以实现匕工仆成材料的宾际工作状态，因此仍然采用条带时伸法来测定l:_L合成材料的力学特性.交通剖发布的《公路工程.上上「成材料试验规程》OTGE50-20D0对上工.合成材料条带拉伸法的3利条件及操隹方法双进仃了规范4解释。3.2试验概况3.2.1试胎设备本试验在大连理工大学工业装备份结构分析国家重点实验室材料力学试脸分室进行，试验仪器为长春试验机研究所生产的CSS-2250型电子才能试验机（如图3.1所示），锻大负荷值为SOOkN.活动横梁位移速度范闱0.05~500mm/min采用数字式速度控制系统，精度可达《±1%），横梁最大行程为E200M作I3.1CSS-225O型电「万能试验机系统Fig3lTheelectronicuniversalmaterialtestingmachinesystemofCSS-22503.2.2送验方案《公路工程土工合成材料试验规程》（JTGE50-2006）规定宽条拉伸试验法所用试件的宽度为200mm,窄条拉伸试验方法所用试件宽度50mm；条带均要求有足够的长度以保证夹具边缘mJ距为100mm：夹具钿「」衣面须仃足帽的宽度,至少W于试样宽&200mm或者50mm）.以保证其能足够夹持试样的全宽,并采用适当措施避免试样滑移和揭伤.McrryM等人（1996）在条带拉仰试验中采用「局部应变测楂法，试验结果表明,I.I仆成材料的应力应变关系对于试件的宽度成长度之间的比值不敏舔。木试骁所用CSS-2250型电广万能试验机所用夹贝宽度可达到50mm.试验夹只可夹持长度为50mm,综上，本次试验采用窄条拉伸试验法。为了研究HDPE在不同拉伸速率条件卜的力学特性以及应变率相关的随力应变关系模型，本次试验中除了采用JTGE50-2006中规定的拉伸速率50mm/min外，还研究了ILDPE片材在5mnvmin.2Smin/min,75mm/min和100mm/min4个不同拉加速率下的力学响应.试验在室内进行，室内温度在22c±2C之内。3.2.3试样制备本次试验采用的土工格室始由山东德州天畜土工材料有网公司生产，采用超声波焊接方法将HDPE片材连接而成。高度为50mm,焊距150mm,片材厚1.1mm。根据规范要求，试验试件是在相同产品材料卜.直接截取.成件宽度为50mm.长200mm,同时在试样的长度方向沿试件的整个宽度垂克的画两条间隔100mm的标记线，即在夹具夹持的边缘画两条标记线，兑间隔为100mm。试件如图32所示。1夹持长度3标记距离也图1夹持长度3标记距离也图3.2标记后的HDPE上工格室片材C单位,mm)Hig.3.2「heHDPEgeocellsheetswithlabeledline(unitzmm)3.3试验结果及分析1HDPE土工格室片材的变形现象窄条试件在拉伸的过程中会产生明显的横向收缩（颈缩）现象0成验统计表明HDPE片材通常在40%的伸长率出现明显的颈缩现象，即明显的横向收缩（一般是片材居中部位的横向宽度明显收窄）：颈缩现年的骤变发生在片材距两端夹JL边缉I附近，表现为片材宽度及厚度的战小：辘变段之内的片材在伸长率达到100%左右之后横向宽度的收缩趋于缓和,虽然伸长盘不断增加，但是宽度基本保持不变.HDPE具有极好的延性（螭变特性),土木实验中并没有出现片材断裂或者拉断现象。图3.3为HDPE土工格宣并材拉伸颈缩后的试件.图3.3HDPE卜.工格室片材的颈端图片Fig.3.3TypicalphotographsofneckingHOPEgeoccllsheet3.3.2HDPE片材应力应变关系<1)数据处理假定由「试验系统采集的数据是拉力与位移，需要将拉力与位移转换为应力应变关系。在对试验系统采集的数据进行处理转换时做了如下假定；①试验所用HDPE片材材质均匀、各向同性且不可压缩；②1IDPE片材的变形为等截面变形：③试件内部应力分布均匀，等于平均应力。④夹只夹持稳定，片材在试验过程中没有发生滑移，即保证试验系统采集到的荷栽耳位移为片材所承受的拉力与片材标记线之间的伸长敬，因此本试验中,拉仲速率与应变速率等价，伸长率即为应变率；(2)应力应变计算公式R.HufenusetaL(20O6)在现场对路基进行了分段研究,研究R明,加筋材料在施工完成后的应变值要小于8%,局部断而的应变值可以达到因此，研究HDPE片材在小变形卜的力学特性足以满足工程实际需要.试脸统计已经发明，HDPE片材的颈缩发生在仲氏率的40%以后，即11DPE片材4:伸长率为40%以内不公发生明显的断面变形r等截面变形的假定完全适用,而在40%伸长率之后，颈缩趋于稳定之前，片材会发生明显的断面变形而不再适用等故面假定.因此•木文本而研究40%伸长率以内的力学特性.应力诗算公式如下；o=TIA (3.1)式中；。一应力(Pa>I我AHDPE片材横厥面面积.应变计算公式如下;£=竽*100% (3.2)式中：£—伸长率，应变C%)AL—HDP片材伸长量，L—HDPE片材标记距离，本文为100mm。(3)HDPE片材应力应变特性分析CSS-2250型电子方能试验机系统具有绘制拉力一位移曲线的功能，图34为试疆机自动采集的HDPE上工格室片材拉伸试验拉力与位移全过程图，可以看出，负荷在试验初始的较小伸长量内迅速增长,并很快达到峰值点；峰值点过后，拉力开始降低，在仲长量达到100mm左右时，负荷趋于平稳，不再随着伸长量的增加而降低，呈现蠕变特性。该过程说明HDPE土工格室片材在达到峰值点之前拥有较大刚度，能承受较大荷载：片材在峰值点过后逐渐出现预缩，颈缩的出现会降低片材的负荷能力：当颈缩趋于缓和，负荷也会趋于缓和，根据上节的假定及计算公式绘制圉HDPE上工格室片材在不同拉伸速度条件下的小应变(40%)应力一应变美系曲线，见图35。可以看出，不同拉伸速率下的小应变应力一应变美系曲线均呈非线性：而且拉伸速率的增加对片材初始阶段的应力一应变关系影响不大；随着应变的增加，相同应变条件下片材的强度随苕拉伸速率的增加而增加L图3.4HDPE+I.格电片材负荷与变形图hl3.4TheLoad—deformationcurveofHDPEg-coccllsheets30图3.5HDPE片材在不同拉伸速率卜.的小变形应力应变关系曲线图3.5Thestress-straincurveofsmalldeformaiioniofHDPEsheetsunderdifferenttensilerate3.3.3HDPE片材的强度与变形参数本节主要对在不同拉伸速率下HDPE片材的扑4申模量，挝仰强度及其对应的应变，三个方面进行神究。片材的拉伸模员可以采用初始效伸模量、到线拉伸模量等表示。初始模量是假定所研究材料的应力一应变关系在初级阶段呈线性，然后通过对初始线性阶段求出的模量值,见图3.6(a)。在应力应变曲线方程无法确知的情况下，通常将初始直线段的斜率作为模量值。当材料的应力一应变关系曲绫呈非线性变化而无法求取初始模危时，需要采用割线模量。将原点与关系曲线上的某一点连接为一点线,该线的斜率即为割线模量.见图3.6(b)a(a)初始模收 (b)剖线根M困3.6制仲模/&求力法Fig3.6Theexpressionmethodoftensilemodulus在本文中假定片材在0.5%应变内的应力应变关系呈直线，并将该直线段的斜率作为初始模量值，同时选取应变为2%、5%以及峰值点所对应的点来求取割线模量，研究拉伸模量与拉伸速率的关系。表3.1为不同速率下的初始模量助、与割线模量心，E"%。将表3.1中的数据点绘于直角坐标系”并对其进行线性回归分析，如图3.7c图3.7为拉伸模量在不同拉伸速率下的变化规律图及拟合线.可以看出,HDPE片材的拉伸模量与试验所采用的拉伸速率有关，拉伸模量随着速率的增加近似呈线性增加。掇合公式及相关度如下：TOC\o"1-5"\h\z&5=0.003,+0.962,上=0.917 (3.3)区二0.002/+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强度及峰值拉伸模城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为HDPE片材在不同护.伸速率下的峰值强度及峰值应变。将表3.2中的数据点绘于直用坐标系，并对其进行缓性回归分析，如图3.8,图3.9。图3.8,图3.9分别为HDPE片材的峰值强度与峰值应变在不同拉伸速率下的变化规律图及拟合战,试蛉结果我叽在单向拉伸条件芭HDPE片材的峰值强度及其峰值应变均与拉仰速率有关，峰也强度随着拉伸速率的增大而增大，而峰值应变则随拉伸速率的增大而减小。采用线性回归分析方法可以得出相关度较高的拟合直线，拟合公式及相关度如下：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强发及解仍应支Tabl-e.3.2Thepeakstrengthandstrainoftensilemodulus

拉伸速率/(mm/min)峰色点参数 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图3.8拉伸隹及马拉伸速搴的美系图Fig.3.8Therelationshipbetweentensilestrengthandtensilerate图3.9拉伸强度与拉伸速率的美系图Fig.3.9TherelaiisnshipbetweenStrainoftensileStMhgthandtensilerate需要指出的是，以上参数值均是按照规范操作试验，然后求取的平均位e而包括土工格室在内的上工合成材料在施工及工作状态中，以上参数会受到温度、时间、湿度、加载方式以及施工工亡等因素影响。特别是上工合成材料在实际工程中的拉伸变形逑度要远远小于试验采用的速度，而各力学参数受拉伸速率的影晌较大，在实际T程中选用上工格空材料时应予以充分号虐，必要时可以通过低拄伸速率的条带拉伸试验来确定上工格军的各项力学参数。近几年来，土工合成材料发展迅速,其应用领域不断扩展。随行计算技术的发展，现代数值模拟方法已经成为研究士工合成材料加筋结构工程特性的重要手段，在数值模拟中必然会涉及到土工合成材料的应力应变关系模型u因此有必要对HDPE土工格室片材的本构模型进行讨论与研究，国内外关于土工合成材料木构模型的研究相对较少，而且大部分提出的木构模型所涉及参数众多且不容易确定。研究㈤表明以HDPE或者PP（聚丙烯）为原材料的土工合成材料（土工格棚、土工带等）的应力应变非线性关系可以采用双曲线进行描述。Merry采用双向拉伸方法，研究了HDPE在不同应变率条件卜的应力应变关系，并提出了所需参数较少、适用性较好的双曲线经脸公式：由本文图34,图3.5可以发现HDPE上工格室片材表现出软化特点，而沈珠江曾提出了可描述上体人驼峰形”曲线的三次多项式，该公式适应性较强，能较好的反映上体的应变软化特性：因此，本文在上述理论及方法的基础上，建立了能够描述HDPE片材小应变条件下应力应变关系的数学模型，并给出了相关参数的物理意义及确定方法。（1）双曲线木构模型随着上工合成材料越来越多的应用于土木工程，Merry等人认为有必要对上工合成材料的木构模型进行进行重点研究，提出了能够合理描述上_£合成材料应力应变关系的双曲线经验公式（式3.9）。该公式所需参数较少且物理意义明确，能够通过双向推伸试险方法得到，因而适用性较强。相关内容如下।惆：（3.9）其中，——应变率相关的片材应力：£、£——片材的应变、应变率：与（点）——应变率相关的制线模量，通常狈屈服点的割线模垠;8——割线模量与初始模量的比值，即夕=邑；Rf——最大应力与极限应力比值，/?产乌4<1.0。（。）心一应变率相关的最大应力，搬是指屈服应力。设HDPE片材的屈服应力为4）其对应的屈服应变为斗，取自该点的割线模量为4潞以上参数代入式（39）,得：(3.10)由上式可得:则:(3.12)则:(3.13)贝小(3.14)综上，Merry等人针对HDPE片材拉伸速率相关的特性提出的应力应变双曲统经验公式可以简化为：(£(£)= : a£・4十(1-夕)・£(3.15)式中，％,、j—屈服点的强度及应变：P——屈服点的割线模量与初始模罡的比值，该他小于1。（2）沈珠江建议的“驼峰形”曲线三次多项式；针对上体的应变软化模型，沈珠江提出了考虑剪胀性的“双峰形”三次曲线，该曲线即可拟合应力〜应变曲线，又能拟合体变〜应变关系曲线，具适用性较强,其应力应变关系曲线表述如下:(3.16)

参数，a、b和C与峰值强度、残余强度和峰值应变之间有下列关系由于残余强度难以测定，采用了峰度系数仪来代替必，式（3[0）可改写为:C3.17)£【2q+(】・2q)&]C3.17)式中：9一上体强度：£一上体轴向应变；为一土体峰值强度：a—峰度相关系数0（3）本文模型木文根据试验结果，在上述双曲线经验公式、三次曲线公式的基础上建立了HDPE上工格空片材单向拉伸小变膨条件下率用关的应力应变关系的数学模型如下,(3.18)。二。£｛印%.（1・2£）句'[例6/十（1-夕），£了(3.18)其中,明、J一片材的峰值强度及噫位应变：B—峰值点的割线模最与与初始核量£”的比值，该值小于1。式3.18中所有参数均为率相关参数。（