(黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，中国哈尔滨，150078)
 摘要：对塑料土工格栅进行20℃、10℃、0℃和-20℃的蠕变试验，得到不同温度条件下的蠕变曲线。对20℃蠕变已经趋于稳定后，进行10次-20℃至20℃的冻融循环试验，得到冻融循环对塑料土工格栅蠕变的影响规律。结论如下：（1）塑料土工格栅的蠕变受温度变化影响很大，蠕变值随环境温度降低而减小。（2）冻融循环对塑料土工格栅的蠕变性能有影响，在常温条件蠕变已经稳定时，冻融循环过程中具有升温阶段蠕变值增大，降温阶段蠕变值减小，并最终趋于稳定的规律。（3）根据低温蠕变及冻融循环条件下的蠕变规律，提出冻融循环影响因子DR的概念，并得到低温下蠕变影响系数FcR的计算方法。。
关键词：塑料土工格栅；低温；蠕变试验；设计取值
中图分类号：TU 476            文献标识码：A       文章编号：
 
1 引 言
季节冻土地区的挡土墙，冬季墙后部分或全部填土处于冻结状态，对墙体产生水平冻胀力，在该力作用下会发生墙体倾覆、断裂、位移等破坏。试验研究发现，加筋可以起到削减水平冻胀力，减少工程冻害的目的[1]。塑料土工格栅是加筋土挡墙的理想加筋材料，优越的加筋效果得到了土木工程界的一致好评。文献[2]报道，聚烯烃蠕变受温度影响很大。塑料土工格栅高温条件下的蠕变试验前人已作了大量的工作，而寒冷地区的加筋土结构，冬季筋材处于负温工况，极限温度低于-20℃，而夏季土体温度可能达到 +20℃以上，在冻融循环作用下，塑料土工格栅的蠕变特性有何变化，设计值如何计算，需通过试验研究来探求。
2 蠕变试验简介
塑料土工格栅蠕变试验的测试参照（GB/T 17689-2008土工合成材料 塑料土工格栅）[3]和文献[4、5]的试验方法进行试验。
2.1 试验仪器
蠕变试验采用自制的蠕变测试仪测定，加载系统通过杠杆系统施加相应荷载。
2.2 试验材料
塑料土工格栅主要技术参数及力学参数
Table1 The main technical and mechanical parameters of testing plastic geogrid
技术参数
力学参数
肋条长度/ mm
222.0
断裂荷载/kN/m
36.47
肋条宽度/ mm
5.0
断裂伸长率/%
9.9
肋条厚度/ mm
0.4
2%应变时的承载力/kN/m
10.98
节点长度/ mm
18.2
5%应变时的承载力/kN/m
23.43
节点宽度/ mm
15.0
试样宽度/mm
90/（5肋）
节点厚度/ mm
1.5
 
 
2.3 试样制备
试样长度采用6个节点（5段），宽度采用5个节点（5条纵向肋条）。测量变形采用1000 mm大标距，用钢尺测量，精确到毫米，这样误差为0.1%。在两标距以外，标距线距夹具25 mm，以免夹持对变形产生影响。
2.4 试样的夹持方法
上下夹具结构均为2块钢板，内设防滑槽，用螺栓拧紧，夹住试样。要求夹持均衡，不能产生加载后试样受力不均匀破坏现象，同时防止试样在钳口内打滑。夹具一端固定于底座上，另一端悬挂在杠杆加荷系统上。

2.5 试验环境
低温蠕变试验在低温试验室进行，温度控制范围：-35℃～+25℃。每次将3组试样装置于蠕变测试仪上，控制室内温度和湿度，不受阳光直射，避免紫外线照射老化。
3 试验方案及试验过程
3.1 试验方案
(1) 蠕变试验
本次蠕变测试中加荷水平分别为抗拉强度的20%、40%和60%。环境温度分别为20℃、10℃、0℃和-20℃。
(2) 冻融循环对蠕变影响试验
冻融循环对蠕变的影响试验，在分析前期试验结果的基础上，加荷水平分别取抗拉强度的5%、10%、20%。试验时首先在按20℃环境进行蠕变试验，待变形稳定后保持荷载不变，进行-20℃～20℃冻融循环条件下的蠕变试验，冻融循环次数为10次。
3.2 调湿
试验前试样置于湿度为65士2%，温度为20士2℃的试验室中保持24h。
3.3 加荷和应变测量
用砝码作为载荷，悬挂在杠杆系统上作为施加的拉伸荷载一次施加。
试验过程中测读时间间距由小变大,分别测读0, 1min, 8min，12min，30min, 1h, 2h, 4h, 8h, 12h,24h的读数，以后每间隔24h测读一次至1000h，用试样标距间的伸长值除以试样原始长度,即为应变值。
4 试验结果整理与分析
4.1 塑料土工格栅不同温度下的蠕变曲线
根据试验数据，将20℃、10℃、0℃和-20℃的蠕变曲线进行回归分析，得到各温度下按对数趋势外推的蠕变应变与时间的曲线绘于图1～图4。
4.2 塑料土工格栅冻融循化条件下的蠕变规律
首先在20℃环境进行蠕变试验，待变形稳定后保持20℃时的荷载不变，继续进行10次冻融循环条件下的蠕变试验，荷载水平分别为断裂荷载的5%、10%、20%。根据试验数据，将不同荷载作用下的蠕变过程曲线绘于图5。
Fig.5 Creep curve under freezing-thawing condition
由图5前半段曲线可以看出，20℃时塑料土工格栅在较小荷载作用下，至193h各级荷载作用下的蠕变曲线均已稳定后开始降温，5%Pmax荷载的蠕变对冻融循环非常敏感，在首次降温阶段即出现收缩现象，两个冻融循环后变形趋于稳定，总应变值略增大。10%Pmax和20%Pmax荷载的蠕变对冻融循环反应迟缓，经过1次冻融循环后，在升温阶段均出现不同程度的变形增大，降温阶段变形减小的现象，最终稳定值均有增大。但是，再次稳定的时间与加荷大小有关，荷载大，稳定需要的时间长，荷载小则稳定需要的时间就短。
可见，某一荷载作用下在常温条件蠕变已经稳定的情况下，受冻融循环的影响，仍然要产生进一步的蠕变变形，因此，设计、施工时必须予以考虑。
5 低温下塑料土工格栅的设计取值
5.1塑料土工格栅的设计容许抗拉强度
设计容许抗拉强度Ｔa应按下式计算[6]：
       (1)
式中：
Ta — 设计容许抗拉强度；
FiD— 铺设时机械破坏影响系数；
FcR— 材料蠕变影响系数；
FcD— 化学剂破坏影响系数；
FbD— 生物破坏影响系数；
T — 由加筋材料拉伸试验测得的极限抗拉强度。
铺设时机械破坏影响系数、化学剂破坏影响系数、生物破坏影响系数按实际经验确定，本文不作研究；根据塑料土工格栅低温蠕变试验提出计算低温蠕变影响系数。
5.2 塑料土工格栅低温蠕变影响系数的确定
文献[2]给出了蠕变影响系数的定义：
              (2)
式中：
T — 由加筋材料拉伸试验测得的极限抗拉强度；
Tl — 长期蠕变强度，即在环境温度和设计使用年限下不发生破坏的最大强度。设计使用年限取75-100年，一般取106h（114年）。蠕变试验进行的时间较短，按数据回归分析的曲线（或直线）趋势外推试验数据至设计使用年限，见图1至图4。
根据统计误差分析，用外推法求设计使用年限的应变εl时，应乘以外推不确定因子[2]：
            (3)
式中：
εl  — 设计使用年限的应变值；
εle — 长期蠕变应变的外推值；
x — 外推的ln循环数，如小于1，取1。
由于冻融循环对塑料土工格栅蠕变性能有影响，在常温条件蠕变已经稳定的情况下，冻融循环过程中有升温阶段蠕变值增大，降温阶段蠕变值减小的规律。因此，对长期蠕变应变的外推值εle，应除以冻融循环影响因子DR进行修正。
          (4)
           (5)
式中：
DR — 冻融循环影响因子；
ε — 20℃条件下某一荷载下的稳定应变值；
△ε — 冻融循环引起的应变增量。
由图5可得，20%Pmax对应的ε=1.3%，△ε=0.4%，则DR=1.308；10%Pmax对应的ε=0.5%，△ε=0.2%，则DR=1.400；5%Pmax对应的ε=0.2%，△ε=0.1%，则DR=1.500。可见，荷载值越小，受冻融循环影响越大。由于时间关系，其它荷载下的冻融循环蠕变试验尚未做完，以下分析时DR值采用1。
用下面的步骤说明怎样利用蠕变应变与时间的曲线求FcR：
① 从图1至图4量取设计使用年限（106h）的应变εle，用式(4)求εl；DR值由冻融循环条件下的蠕变试验求得。
② 由不同温度的蠕变试验的三个加荷水平和相应的εl值，绘制各个温度下设计使用年限的蠕变荷载与应变的曲线，参见图6至图9。
③ 根据蠕变应变的容许值（例如10%），从蠕变荷载和应变的曲线中查得长期蠕变强度Tl。
④ 用式（2）求某温度下的蠕变影响系数FcR。
⑤ 将各温度下蠕变影响系数FcR绘制成蠕变影响系数FcR与温度关系曲线。使用时，根据格栅工作的温度范围查图得相应的蠕变影响系数FcR。
将蠕变影响系数FcR代入式（1）得塑料土工格栅低温条件下设计容许抗拉强度。
Fig.6 Curve of creeping load and strain at 20℃
Fig.7 Curve of creeping load and strain at 10℃
Fig.8 Curve of creeping load and strain at 0℃
Fig.9 Curve of creeping load and strain at -20℃
6 结 论
（1） 塑料土工格栅的蠕变受温度变化影响很大，蠕变值随环境温度降低而减小。
（2）冻融循环对塑料土工格栅的蠕变性能有影响，在常温条件蠕变已经稳定时，冻融循环过程中具有升温阶段蠕变值增大，降温阶段蠕变值减小，并最终趋于稳定的规律。
（3）根据低温蠕变及冻融循环条件下的蠕变规律，提出冻融循环影响因子DR的概念，并得到低温下蠕变影响系数FcR的计算方法。