加筋土筋材在拉伸荷载作用下的力学特性

加筋土筋材在拉伸荷载作用下的力学特性 加筋土筋材在拉伸荷载作用下的力学特性 第3O卷,第5期 2009年9月 中国铁道科学 CHINARAILWAYSCIENCE Vo1.3ON().5 September,2O09 文章编号:1O01—4632(2O?O9)O5一OOO9—06 加筋土筋材在拉伸荷载作用下的力学特性 林宇亮,杨果林,李昀,方薇 (中南大学土木建筑学院,湖南长沙41OO75) 摘要:通过拉伸试验,研究网格直径分别为2.2和2.7mm的双绞合六边形金属格宾网,7ORE和80RE 土工格栅4种筋材拉伸力学性能.得出4种筋材的拉伸强度,最大负荷下伸长率等力学性能指标以及单位宽度 拉伸力与伸长率的关系特征曲线.根据筋材实体中的受力特性,推导出筋材约束变形方程.结果表明,格 宾网在发生钢丝断裂之后仍呈现出较强的抗拉性能,大直径格宾网体现出优越的力学性能;8ORE土工格栅的力 学性能优于7ORE土工格栅;修正后的格宾网的单位宽度拉伸力与伸长率的关系曲线仍呈现弹性,屈服和强化3 个阶段;在约束条件下,筋带的变形量与筋带的割线模量,应力水平,筋带在加筋体中主动区和稳定区的长度 等因素有关. 关键词:双绞合六边形金属格宾网;土工格栅;力学特性;扎fffJ试验 中图分类号:U213.152.2文献标识码:A 加筋土筋材的诞生被视为岩土工程的一场革 命,加筋土筋材已广泛应用于公路,铁路,水利, 市政和建筑工程等领域.筋材的工程特性对工程实 体的影响巨大.当筋材处于填土中,如公路,铁路 路堤,挡土墙中,筋材的应力应变特性直接影响到 填土工程的侧向位移,竖向沉降,安全使用寿命, 运营条件等_1].加筋土筋材的拉伸力学特性是各项 工程设计中最基本的技术指标]. 目前,国内外一些单位和学者对加筋土筋材的 拉伸力学特性开展了一定的研究_1.,但这些研究 均未涉及到双绞合六边形金属网格状筋材的力学特 性.目前,加筋格宾网在中国属于1种新型的加筋 土材料,已运用于湖南省湘潭至衡阳高速公路西线 (下文简称潭衡西线)的加筋土挡墙实体工程.本 文以潭衡西线加筋土挡墙实体工程为背景,选取4 种筋材(网格直径分别为2.2和2.7mm格宾网, 70RE土工格栅和80RE土工格栅)进行拉伸试验, 研究其力学特性. 1拉伸试验概况 试验采用4片专门的相同夹具,筋材的每一端 均固定在2片夹具上.双绞合六边形金属格宾网的 网孔绷紧且有序地固定在2片夹具的夹孔上,夹具 的两端有2个侧向夹孔(A和B,如图1所示), 能有效地限制试件夹持处的横向变形;土工格栅各 肋反包表面光滑的钢筋,并用连接棒相连,钢筋卡 在2片夹具上.试验中,夹具的一端固定在底下的 横梁上,不会发生竖向和水平位移,另一端固定 收稿日期:20O8—10—21;修订日期:2009一O7—12 基金项目:湖南省科技厅资助项目(O6ck3O3O);湖南省交通厅资助项目(2OO6l2) 作者简介:林宇亮(1985,),男,江西上饶人,博士研究生. 80mnl×l00mm D:82.5nun(83.5rod) = l22.5mm ('=40nml ,,=161.5mm(162.5r0d) 图1格宾网夹持方式示意图 l0中国铁道科学第3O卷 在MTS作动器上,并以名义夹持长度的2O? min左右的速度匀速张拉,如图2所示.试验拉 伸过程中筋材受力均匀,试验温度为(30?2)?. 拉伸力和拉伸位移可在MTs控制台上直接得到. 试验选取了2.2和2.7mm双绞合金属格宾网 以及70RE和80RE土工格栅共4种筋材.其中, 格宾网的网格型号为8Omm×100mm,如图2所 示.对每种材料均进行5组平行试验,选取1组试 验曲线作典型.试验过程中格宾网在拉伸过程 中发生了颈缩. (a)格宾网(b)土工格栅 图2格宾网和土工格栅的拉伸试验 2试验结果与分析 2.14种筋材力学性能试验结果与分析 试验获得了4种筋材2%伸长率和5伸长率 对应的单位宽度拉伸力和割线模量,拉伸强度以及 最大负荷下的伸长率等主要力学性能指标,试验结 果汇总于表1.设试验中试样在某一伸长率下的拉 伸力为丁,有效宽度为6,可得到4种材料单位宽 度拉伸力(T/6)与伸长率(e)的关系曲线,如 图3一图6所示. 从试验结果可得到如下结论. (1)网格直径为2.7mm格宾网的拉伸强度是 网格直径为2.2mm格宾网拉伸强度的1.4倍,体 现出大直径格宾网力学性能的优越性;80RE土工 格栅和7ORE土工格栅的拉仲强度比值为1.3:1, 2种格栅的最大负荷伸长率接近. (2)2.7mm格宾网比2.2mm格宾网具有更 高的弹性模量;8ORE土工格栅的弹性模量也高于 70RE土工格栅. (3)4种筋材的29/6伸长率的割线模量均大于 5伸长率的割线模量.这是由于筋材随着伸长率 的变大逐渐出现屈服现象,T/6—弋曲线趋于缓和. 40 ,, 3o 杰 2《) 墨 lO 0 伸长率 图3格宾网(2.2mn1)6一,典型关系曲线 伸长率 图4格宾网(2.7mm)r』6一,典型关系曲线 伸长率 图57ORE土工格栅6一e典型关系曲线 伸长率 图68ORE土工格栅6一E典型关系曲线 (4)从4种材料的61关系曲线可以看出, 2种土工格栅都呈现出比较明显的线弹性阶段,屈 服阶段和强化阶段;而2种格宾发生钢丝断裂时还 没有进入明显的屈服阶段. (5)拉伸试验中,土工格栅多条筋肋同时崩 断,断裂后6突变并趋于0;而格宾网断裂形式 为网格钢丝逐条断裂,e关系曲线呈现出锯 齿状. 第5期加筋土筋材在拉伸荷载作用下的力学特性l1 从格宾网的丁/『广,关系曲线(如图3和图4 所示)可以看出,当格宾网格钢丝发生断裂后,由 于还有很多钢丝依旧处于张拉状态,格宾网还具有 承受荷载的能力,而且此时格宾网钢丝发生了应力 重分布,受力更为合理.因此,在研究格宾网的极 限抗拉承载力时就不应该简单地将钢丝第1次断裂 时对应的拉伸强度作为依据,须对格宾网发生钢丝 断裂后的力学性能进行分析和研究. 2.2发生钢丝断裂格宾网的力学性能 从图3,图4可以总结和分析出以下2点: (1)格宾网的断裂拉伸强度随网格钢丝的断裂 总体呈现递减的趋势,这是因为随着网格钢丝的不 断断裂,参加承载的网格钢丝不断减少,因而断裂 拉伸强度也不断变小. (2)随着网格钢丝的断裂,格宾网部分出现了 后面的断裂拉伸强度大于前面的断裂拉伸强度.这 主要是由于在拉仲的起始阶段,拉伸力没有完全均 匀分布到每根网格钢丝上,从而使得在没有达到最 大拉伸力的时候出现了钢丝断裂的现象.随着拉伸 位移的不断增大,格宾网格发生了应力重分布,受 力更为均匀和合理,因此出现了后面的断裂拉伸强 度大于前面的断裂拉伸强度的现象. 可以假想1种理想状况:拉伸力完全均匀地分 布在每根网格钢丝上,当拉伸力达到某一值时,格 宾网的网格钢丝同时被拉断.为建立这种理想状况 下的,曲线,须对格宾网每次的断裂拉伸强 度进行修正.令筋材单位宽度拉伸力F—T/6,则 F一F_1,2,3,…(1) 式中:为当发生第次钢丝断裂时修正后的断 裂单位宽度拉伸力(kN?m);N.为断裂前格 宾网有效宽度内钢丝的根数;NH为第一1次钢 丝断裂后有效宽度内剩余的钢丝根数. 对2种格宾网均选取1组试验数据作修正后的 典型丁/e关系曲线,如图7和图8所示.图7 和图8中的曲线1为修正后2种格宾网的典型 丁/6一,关系曲线,曲线2为试验得到的典型 丁/e关系曲线.从图中可以看出,修正后的丁/ 6,e关系曲线也表现出了弹性阶段,屈服阶段和 强化阶段. 伸长率 图7格宾网(2.2n1m)典型6一,试验曲线与修正曲线 伸长率 图8格宾网(2.7Hlrn)典型丁/1试验曲线与修正曲线 3筋材在约束条件下的变形方程 上述筋材的单位宽度拉伸力(6)与伸长 率(e)的关系曲线是根据筋材在空气介质中进行拉 伸试验得到的,认为空气对筋材的变形无约束作 用,由此计算的变形称为自由变形.结合本次试验 结果(图3一图8),采用理想弹塑性模型研究4种 筋材的丁/6一e关系.令F—T/6,T/6一,关系可 表示为 (,一F/Eo?F<F…{,一F/E+F—F2 式中:为筋材的屈服点,kN?m;E可定义 为筋材的割线模量,kN?m,;为一非负参数. 在实际加筋土工程中,一方面,工程设计会考 虑到足够的安全系数,通常筋材只处于弹性工作阶 ?站册蛉50 中国铁道科学第3O卷 段,因此在建立筋材的变形方程时只需考虑丁/6一 e关系曲线的线弹性阶段就可以了;另一方面,筋 材埋在土中,其变形会受到土体的约束f1l』.在建 立筋材的变形方程时还须考虑土体的约束作用.众 多实测资料表明l】...,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,在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.以筋材长度为横坐标,单位宽度拉伸力F 为纵坐标,设筋带()A段位于加筋土体的主动区, AB段则位于稳定区,同时假定与面板联结点处筋 带拉力为0.75F,如图9所示.于是我们可以将 拉力的分布规律表示为筋材长度的数: 0 i:F===+寻F0??L1lLl 4R.F一坚—L生?F(3)AB:F2一+F眦, 1上,J,l一 【(L1<?L2+L1) 这里,只考虑筋带了,/6e关系曲线弹性阶段 产生的变形,将式(3)代人式(2)的第1式,再 分别沿长度L和L积分,便可分别得到()A段和 AB段的绝对变形量?L和?Lz. I盯j,. 一 三 Z R lI,l长度 9筋带拉力分布简化图 一 d—鲁出 一 肌怎+)d一 (4) 对于AB段: .一 一 ed一鲁出JlJl,, === .(,爱+)出 FL 2E(5) 筋带全长的绝对变形量: ?L一?L+?L一堕L_卜一(6)o 式(6)考虑了筋带在实际加筋土工程中所承 受拉力的分布状态,称为约束变形方程.式(6) 表明,筋带的绝对变形量与筋带的割线模量,应力 水平,加筋体中主动区和稳定区的长度等因素有 关. 4结论 (1)网格直径为2.7mm格宾网的拉伸强度是 网格直径为2.2mm格宾网拉伸强度的1.4倍,体 现出大直径格宾网力学性能的优越性;8ORE土工 格栅和7ORE土工格栅的拉伸强度比值为1.3:1, 2种格栅的最大负荷伸长率接近. (2)2.7mm格宾网割线模量高于2.2mm格 宾网;80RE土工格栅的割线模量也高于7ORE土 工格栅.4种筋材的2伸长率的割线模量均大于 59/6伸长率的割线模量,这是由于筋材随着伸长率 的变大,逐渐出现屈服现象,6e曲线趋于缓 和. (3)从4种材料的丁/6一e关系曲线可以看出, 2种土工格栅都出现了比较明显的线弹性阶段,屈 服阶段和强化阶段,而2种格宾网发生钢丝断裂时 没有进入明显的屈服阶段. (4)拉伸试验中,土工格栅多条筋肋同时崩 断,断裂后丁/6突变并趋于O,而格宾网断裂形式 为网格钢丝逐条断裂,丁/6一e关系曲线呈现出锯 齿状. (5)格宾网的断裂拉伸强度随着网格钢丝的断 裂总体呈现出递减的趋势;同时,随着网格钢丝的 断裂,格宾网部分出现了后面的断裂拉伸强度大于 前面的断裂拉伸强度的现象. (6)给出了格宾网断裂拉伸强度的修正公式. 修正后格宾网的丁/6e关系曲线也表现出了弹性, 屈服和强化的3个阶段. (7)根据筋材自由变形方程,推导出筋材在实 际加筋土工程中受土体约束作用下的变形方程.由 导出的变形方程式可知,筋带的绝对变形量与筋带 的割线模量,应力水平,加筋体中主动区和稳定区 的长度等因素有关. 第5期加筋土筋材在拉仲荷载作用下的力学特性 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1o] [11] [12] [13] [14] 参考文献 杨果林,王永和.加筋土筋材工程特性试验研究[J].中国公路,2O01,14(3):11—16. 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Keyw0I.ds:Doubletwistedhexag0nalwiregabionmesh;Geogrid;Mechanicalcharacteristi cs;Tensiletest (责任编辑吴彬) ,'lllll'l''',,''',l,,mmlm,,,l,'''l'lI',',,-,l,l'','',',,,,,'',l',''''',',,',,',',','l' 高速铁路系统试验国家工程实验室技术委员会 第一次全体委员会议顺利召开 20O9年9月2口,在中国铁道科学研究院成功召开了高速铁路系统试验国家工程实验室技术委员会第一次全体委员会 议.铁道部安全总监,高速铁路系统试验国家工程实验室技术委员会主任委员耿志修主持会议,宣布高速铁路系统试验国 家工程实验室技术委员会正式成立,宣读_r由3o位专家组成的技术委员会委员名单,并向各位委员颁发了聘书.中国铁道 科学研究院院长康维韬到会并,中国工程院院士周镜,冯叔瑜,钱清泉,国家设计大师王俊峰等25位技术委员会委员 (代表),中国铁道科学研究院党委书记李文新,副院长王忠文以及院内有关部门和单位的代表共48人出席了会议. 会议按照技术委员会副主任委员,中国铁道科学研究院常务副院长康熊宣布的会议内容和各项议程安排,听取了中国 铁道科学研究院研发中心常务副主任J二俊彪关于《高速铁路系统试验国家工程实验室建设项目可行性研究报告》的汇报, 经与会专家充分讨论,一致认为:实验室建设是必要而迫切的;实验事建设目标,功能定位和发展模式明确,符合国家发 改委和铁道部关于国家工程实验室瞄准国家和行业重大战略任务,重点工程建设的要求;依托中国铁道科学研究院,联合 北京交通大学,铁道第三勘察设计院等单位开展高速铁路系统试验国家工程实验 室建设是可行的.高速铁路系统试验国家 工程实验室主要开展高速铁路综合试验和联调联试,完成高速动车组,线路工程,通信信号,接触网与牵引变电,安全保 障,客运服务,运营调度,环保与节能等各子系统试验和综合试验;同时,建立试验检测技术开发中心,测试数据处理与 试验仿真中心,以形成完整的高速铁路系统试验技术创新平台,为我国高速列车的研制和高速铁路工程建设提供科学依 据. 耿志修在做会议总结时强调指出,为巩固和发展学习实践活动取得的成果,全面深入推进铁路科学发展,和谐发展, 当前要抓住机遇,坚持一流建设目标,全而推进铁路行业国家级研究实验平台建设,加快构建国家自主创新体系;要以实 际行动落实科学发展观,又好又快地开展高速铁路系统试验国家工程实验室建设,满足铁路大规模建设和铁路装备现代化 对不断提高技术创新能力的要求;要大幅提高实验室科研成果,技术装备,人才队伍,运行管理的水平,尽快发挥高速铁 路系统试验国家工程实验室对我国铁路行业科技振兴的重要作用;要充分发挥技术委员会的智力资源优势,加强责任感, 使命感,把脉高速铁路系统试验技术的发展,对依托国家工程实验室开展的高速铁路前瞻性,基础性,关键性重大课进 行论证,评估和指导;要不断摸索和创新实验室管理模式,使实验室真正成为开放共享,科学管理的国家级创新平台;要 着力培养我国铁路行业发展急需的跨学科,跨领域的综合型技术人才队伍,早日建成世界一流的国家级创新平台,为我国 铁路自主创新提供技术支撑. (王俊彪)