土工合成材料 (1).pptx

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1、第3章 土工合成材料的特性和试验目录p3.1 概述p3.2 物理性能p3.3 力学性能p3.4 水力学性能p3.5 土工合成材料与土的相互作用p3.6 耐久性能p3.7 土工合成材料的允许抗拉强度p3.8 试验成果的整理和比较目录p3.1 概述p3.2 物理性能p3.3 力学性能p3.4 水力学性能p3.5 土工合成材料与土的相互作用p3.6 耐久性能p3.7 土工合成材料的允许抗拉强度p3.8 试验成果的整理和比较p3.1 概述为了在工程中合理选择和应用土工合成材料，首先必须了解各种材料的工程特性指标，特别是用于工程设计的各个参数。土工合成材料的制造和使用涉及到化工、纺织、岩土工程、水利工程

2、和环境工程等多个领域，是融合多学科的科技产品。由于选用的聚合物原料和生产工艺不同、用途各异，产品种类繁多，因此很难用统一的指标来描述其性质，而确定各种特性指标的试验方法则更为多样和复杂。为了提供可靠的特性指标，各国都制定并不断更新有关的试验标准，例如美国材料与试验协会（ASTM）和美国联邦公路局（FHWA）、英国标准协会（BSI）和德国标准协会（DIN）等。国际上也有许多组织和机构成立了研究制定土工合成材料试验方法标准和规范的委员会，例如国际土工合成材料学会（IGS）和国际标准化组织（ISO）。p3.1 概述1987年3月在法国巴黎召开的国际标准ISO/TC38/SC21土建工程用纺织品分委员

3、会第二届国际会议讨论通过的提案中，有土工织物单位面积质量、厚度、抗拉强度、撕裂强度等指标的测试规定。我国的国家标准、水利、公路、铁道、水运各行业均制定了土工合成材料试验规范或规程等。土工合成材料的工程特性包括物理性能、力学性能、水力学性能、土工合成材料与土相互作用以及耐久性能等内容。测试的目的可归纳为两个方面：一是为工程设计提供所需参数，如材料的厚度、孔径、抗拉强度、渗透系数、与土的界面摩擦系数等；二是用于比较多种产品的性能指标，例如单位面积质量、孔隙率、撕裂强度等，常用于选材的对比和判断特定工程应用的适宜性。p3.1 概述土工合成材料的生产工艺决定了产品的均匀性，同一批产品甚至同一块产品的不

4、同部位，其特性指标的变异性较大，同时还受到环境因素的影响。为尽量保证试验结果有较高的可靠性、可比性和复现性，除要求合理的测试方法外，还必须对环境条件、取样与制样方法，以及成果整理作出统一的规定。p3.1.1 取样和试样的制备（1）取样取样前，应按试验标准获取试样的数量、形状和其他信息。全部试验的试样应在同一样品中裁取。卷装材料的头两层不应取做样品，在卷装上沿着垂直于机器方向（生产方向即卷装长度方向）的整个宽度方向裁取样品，样品应足够长，以获得所要求的试样数量。平面材料、管状材料应在同一批次产品中随机抽取样品。取样的样品数应符合相关规定要求，外观应尽量避免污渍、折痕、孔洞或其他损伤部分。样品应保

5、存在干净、干燥、阴凉避光处，并且避开化学物品侵蚀和机械损伤。卷装材料样品可卷起，但不应折叠。管状材料和块状材料样品应注意堆放高度，避免发生倾倒。p3.1.1 取样和试样的制备（2）制样取样过程中应保证样品在测试前其物理状态没有发生变化。用于每次试验的试样，应从样品纵向和横向上均匀地裁取，且距样品幅边不少于10 cm。试样应沿着纵向和横向方向切割，需要时标出样品的纵向，除试验有其他要求，样品上的标志必须标到试样上。（3）试样状态调节，试验前，应对试样进行状态调节。土工织物、编制类土工合成材料：试样应置于温度202，相对湿度65%2%的环境中进行状态调节不小于24h。塑料类土工合成材料：试样应置于

6、温度202的环境中进行状态调节不小于4h。当试样不受环境影响，可不进行状态调节处理，但在试验报告中注明试验时的温度与湿度。p3.1.2 成果整理如果共取得N次试验数据，其中第i次的试验记录为xi，用下式计算算术平均值：为了反映实际测定值对算术平均值的变化范围，判别采用算术平均值的可靠性，还应算出相应的标准差（均方差），与变异系数CV，（3-1）（3-2）（3-3）p3.1.2 成果整理试验次数N一般取10次，至少为6次。对试验结果中偏离 较大的数据，应认真进行分析。如系试验过程中出现过异常，或试样的尺寸误差太大，这样的数据应舍去，并补做试验；如确系试样本身质量不均匀所引起，则不应舍去。提交试验

7、结果时，除平均值外，还须提交标准差与变异系数CV。根据CV值，可参考表3-1评价指标的变异性（不均匀性）。表3-1 变异系数和变异性目录p3.1 概述p3.2 物理性能p3.3 力学性能p3.4 水力学性能p3.5 土工合成材料与土的相互作用p3.6 耐久性能p3.7 土工合成材料的允许抗拉强度p3.8 试验成果的整理和比较p3.2.1 单位面积质量（mass per unit area）表征土工合成材料物理性能的指标主要包括单位面积质量、厚度和土工格栅、土工网的网孔尺寸等。单位面积质量能反映产品的原材料用量，反映土工合成材料的均匀程度和质量的稳定状况，还能反映材料的抗拉强度、顶破强度和渗透系

8、数等多方面特性，不同产品的单位面积质量差别较大。单位面积质量的测试方法采用称量法。p3.2.1 单位面积质量（mass per unit area）测量土工织物、土工膜等材料的单位面积质量时，按制样方法在样品上剪取面积为10000mm2的试样10块，剪裁和测量精确至1mm；测量土工格栅、土工网等孔径较大的材料时，试样尺寸应能代表该种材料的全部结构，剪裁后应测量每个试样的实际面积。用感量为0.01g的天平进行称量，每块试样测量一次。根据测试结果，按式（3-4）计算每块试样的单位面积质量：式中：m单位面积质量，g/m2；M试样质量，g；A试样面积，mm2。根据成果整理的方法计算单位面积质量的算术平

9、均值、标准差和变异系数。（3-4）p3.2.2 厚度（thickness）土工织物的厚度是指在承受定压力（一般指2kPa）的情况下，上下两个平面之间的距离，单位为mm。土工织物的厚度在承受压力时变化很大，且随加压持续时间的延长而减小，故测定厚度应按要求施加定的压力，并规定在加压30秒时读数。施加的压力分别为2 kPa0.01 kPa，20 kPa0.1 kPa和200 kPa1 kPa，可以对每块试样逐级持续加压测读。测量时将试样放置在厚度测定仪基准板上，用与基准板平行，下表面光滑、面积为25 cm20.2 cm2的圆形压脚对试样施加压力，试样直径至少大于压脚直径的1.75倍，压脚与基准板间的

10、距离即为土工织物的厚度，测量精度至0.01mm。土工织物的厚度一般为0.15mm，最大可达十几毫米。试样数量为10块，结果取算术平均值，并计算标准差和变异系数。p3.2.2 厚度（thickness）土工织物的厚度对其力学性能和计算水力学特性指标影响很大，测量时要保证精度。为了便于查找不同压力下的厚度值，通常根据试验成果绘制厚度随压力的变化曲线。土工膜厚度的测定步骤包括：首先在距样品纵向端部大约1 m处，沿横向整个宽度截取试样，试样条宽100 mm，无折痕和其他缺陷；清洁试样表面和仪器各测量部位，调整测量仪零点；提起测头，将试样自然平放在两测量面之间，平缓放下测头，使试样受到规定压力，待读数稳

11、定后，记录读数；按等分试样长度的方法确定测量厚度的位置点：土工膜（片）长度大于等于1500mm时，至少测30点；膜（片）长度在3001500 mm之间时，至少测20点；膜（片）长度小于等于300mm时，测10点。对于未裁毛边的样品，应在离边缘50 mm以外进行测量；计算厚度的算术平均值，并计算标准差和变异系数，精确至0.001 mm。p3.2.3 孔隙率（porosity）土工合成材料的孔隙率是其孔隙的体积与总体积之比，以n（%）表示。土工织物的孔隙率与孔径的大小有关，直接影响到材料的透水性、导水性和阻止土粒随水流流失的能力。无纺土工织物在不受压力的情况下，其孔隙率一般在90%以上，随着压力的

12、增大，孔隙率减小。孔隙率的确定不需要直接进行试验，可以根据一些已知指标用式（3-5）计算：式中：m单位面积质量，g/m2；原材料的密度，g/m3；无纺土工织物的厚度，m。如果无纺土工织物由两种或两种以上的纤维组成，或者当原材料不能确定时，可用比重瓶法测出比重，再用式（3-5）计算孔隙率。（3-5）p3.2.3 孔隙率（porosity）例3-1 某涤纶无纺土工织物的单位面积质量为300 g/m2，已测得在2 kPa压力下厚度为2.45 mm，求土工织物的孔隙率。解：查表2-1，涤纶的比重为1.38，其密度=1.38106 g/m3，代入式（3-5）得p3.2.4 土工格栅、土工网网孔尺寸（ap

13、erture size of geogrid or geonet）土工格栅、土工网网孔尺寸是通过换算折合成与其面积相当的圆形孔的孔径来表示的，称为当量孔径。对较规则网孔的试样：当网孔为矩形或偶数多边形时，测量相互平行的两边之间的距离；对三角形或奇数多边形，测量顶点与对边的垂直距离。同一测点平行测定两次，两次测定误差应小于5%，取平均值；每个网孔至少3个测点，读数精确到0.1mm，取平均值。对较规则网孔，按下列公式计算网孔面积。三角形网孔：A=0.5774h2 （3-6）矩形网孔：A=hxhy （3-7）五边形网孔：A=0.7265h2 （3-8）六边形网孔：A=0.8860h2 （3-9）式中

14、：A网孔面积，mm2；h、hx、hy网孔高度，mm。图3-1 土工格栅、土工网网孔尺寸测试示意图p3.2.4 土工格栅、土工网网孔尺寸（aperture size of geogrid or geonet）对于孔边呈弧线或不规则网孔的试样，检测时应将试样平整地放在坐标纸上固定好，用削尖的铅笔紧贴网孔内壁将网孔完整的描画在坐标纸上，用同一坐标纸一次描出所有的应测孔，每个网孔测描两次。用求积仪测出坐标纸上每个网孔两次测描的面积，两次测量值误差应小于3%，取平均值，精确至0.1 mm2。按式（3-10）计算网孔的当量孔径。式中：De当量孔径，mm；A 网孔面积，mm2。p3.2.4 土工格栅、土工网

15、网孔尺寸（aperture size of geogrid or geonet）（3-10）目录p3.1 概述p3.2 物理性能p3.3 力学性能p3.4 水力学性能p3.5 土工合成材料与土的相互作用p3.6 耐久性能p3.7 土工合成材料的允许抗拉强度p3.8 试验成果的整理和比较反映土工合成材料力学性能的指标主要有：抗拉强度、握持强度、梯形撕裂强度、顶破强度和刺破强度等。此外，蠕变特性也是土工合成材料的重要力学性能之一。由于土工织物和其他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，而厚度的变化又不能精确地测量出来，故土工织物应力以与受拉力方向垂直的单位长

16、度上承受的力来表示，单位为kN/m或N/m，而不是用单位截面积上的力来表示。相应地，本教材中拉伸模量也具有相同的单位。p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）在土工合成材料的工程应用中，加筋、隔离和减荷作用都直接利用了材料的抗拉能力，相应的工程设计中需要用到材料的抗拉强度。其它如滤层和护岸的应用也要求土工合成材料具有一定的抗拉强度，工程中主要利用其抗拉强度来发挥作用，因此抗拉强度是土工合成材料最基本、也是最重要的力学性能指标。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的过程中，单位宽度所承受的最大力，单位为千牛/米（kN/m）。式中：T抗拉强度，kN/m；Pm拉伸过程

17、中最大拉力，kN；B试样的初始宽度，mm。（3-11）p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）土工合成材料的伸长率是指试样长度的增加值与试样初始长度的比值，用百分数（%）表示。因为土工合成材料的断裂是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，称为延伸率。式中：延伸率，%；L0试样的初始长度(夹具间距)，mm；Lm达到最大拉力时试样长度，mm。（3-12）p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）影响土工合成材料抗拉强度和延伸率的主要因素包括：原材料种类、结构型式、试样的宽度和拉伸速率。由于土工合成材料具有各向异性，沿不同方向

18、拉伸也会获得不同的试验结果。不同材料的合成纤维或纱线其拉伸特性是不同的（参见图2-1），由它们制成的土工织物也具有各异的拉伸特性，特别是有纺土工织物。无纺土工织物纤维的排列是随机的，其拉伸特性主要取决于纤维之间加固或黏合的强度，而纤维本身的性质仅为次要的因素。有纺土工织物的经纱（或扁丝）和纬纱，其粗细和单位长度内的根数，甚至材料都可能不同，从而导致经纬向的拉伸特性有一定的差别。至于无纺土工织物，根据铺网时交错的方式不同，经纬向强度也可能不一样。为反映土工织物的各向异性，一般要进行两个方向的拉伸试验，并分别给出沿经向和纬向的抗拉强度和延伸率。p3.3.1 抗拉强度（tensile strengt

19、h）以往，土工织物拉伸试样的宽度一般取50 mm，这是沿用了纺织部门窄条试验的标准。拉伸时发现试样发生了横向收缩，但实际工程中土工织物常被埋在土、砂或石料之间，不会发生显著的横向收缩，所以窄条拉伸试验与实际情况不相符合。采用窄条试验时，无纺土工织物横向收缩很大，有时高达50以上，测得的抗拉强度偏小，而有纺土工织物的横向收缩量很小，测得的结果要好一些。p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）目前相关试验标准均规定了无纺土工织物、土工网、土工网垫、排水复合材料等土工合成材料的拉伸试样宽度为200 mm1mm、长度不小于200mm。拉伸速率的影响表现为速率越快，测得的抗拉强度越高。

20、如当拉伸速率由10 mm/min增大至100 mm/min时，其强度增加约10。因此，许多国家建议适当减慢拉伸速率和加大试样宽度，使试验条件趋近于工程应用中的情况。我国相关标准规定拉伸速率为两夹具初始间距的20%/min5%/min。p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）目前我国常用的有纺扁丝土工织物（原材料为PP和PE）的最大抗拉强度为220 kN/m，聚酯长丝无纺土工织物（原材料为聚酯）最大抗拉强度为40 kN/m，单向土工格栅（原材料为HDPE）的最大抗拉强度为200 kN/m，双向土工格栅（原材料为PP）的最大抗拉强度为50 kN/m，以上土工合成材料典型的拉伸过程

21、曲线参见图3-2。图3-2 土工合成材料典型的拉伸试验曲线p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）由图3-2可见，拉伸试验所得荷载伸长曲线通常是非线性的。因此，拉伸模量也不是常数。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Et：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3-3（a），这种方法适用于大多数土工格栅和有纺织物。（2）偏移拉伸模量Eot：当曲线的坡率在初始阶段很小，接着又近似于线性变化，则取直线段的斜率作为材料的拉伸模量，见图3-3（b），此法多用于无纺土工织物。有纺织物在很慢速率拉伸时也有类似的特征。

22、p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）（3）割线拉伸模量Es：当拉伸曲线始终呈非线性变化时，则可考虑用割线法，即从坐标原点到曲线上某一点连一直线，直线的斜率作为相应于此点应变(伸长率)时的拉伸模量，如图3-3（c）所示。当该点对应应变为10时，其模量用符号Es10表示。有规范建议取Es10作为土工合成材料的设计依据。（a）初始拉伸模量；（b）偏移拉伸模量；（c）割线拉伸模量图3-3 拉伸模量的确定p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）图3-4 平面应变拉伸装置（王钊，1988）图3-5 土工织物在土中的拉伸试验（王钊，1988）p3.3.1 抗拉强度（t

23、ensile strength）对于土工织物的拉伸试验，王钊教授曾提出了许多改进意见。如为防止织物的横向收缩，采用平面应变拉伸装置，例如图3-4所示。在拉伸过程中，四根导杆在下夹具孔中自由滑动，间距不变，织物边缘用多个小轴承配合螺钉夹紧，随着织物伸长，轴承沿导杆滚动，从而限制住织物的横向收缩。当无纺织物无横向收缩时，拉伸模量增大，伸长率缩小，而测得的抗拉强度一般偏小。此外，为了模拟织物在土中有可能沿两个方向都受力的特点，还研制了双向拉伸试验机。但这些方法和土中织物受拉的边界条件仍相差甚远。许多试验表明，随着土体中土工织物法向压力的增加，织物的拉伸模量增加很快，特别是无纺织物更为显著。p3.3.

24、1 抗拉强度（tensile strength）例如采用图3-5所示装置，织物在土中的法向压力Pn由砝码通过杠杆施加，拉伸荷载取砝码T1和量力环测读值T2的平均值，两根平行的测针固定在土中的织物上，并伸出盒外，分别测得盒外两边的两测针间距变化，取平均值，可以求得织物的伸长应变。改变法向压力Pn的大小，分别测得：Pn=0、75、150kPa条件下，有纺织物和无纺织物的荷载-伸长关系如图3-6所示。p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）Pn增大、拉伸模量增大的原因在于，土工织物具有较疏松的结构，受力时，纤维沿拉伸方向排列并伸长，同时纤维之间相对滑动，使织物变薄，且横向收缩，无疑

25、将使拉伸有效截面积减小。如在织物法向加以约束，将限制这种结构调整，同时，因土中垂直于织物平面的变形不均匀，织物不再是一个平面，而呈波浪形，引起织物纤维（或经纬纱）在不同方向的预拉伸，越过小伸长应变时，拉伸模量较低的阶段。测得土中织物的抗拉强度与无法向约束条件的抗拉强度相比，也有显著提高。表3-2列出不同法向压力下抗拉强度提高的比值，其中无纺织物提高的比值更大。p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）1-有纺织物无约束拉伸；2-有纺织物在Pn=150kPa砂中拉伸；3-无纺织物无约束拉伸；4-无纺织物平面应变拉伸；5-无纺织物在Pn150kPa砂中拉伸（王钊，1988）图3-6

26、 土工织物的拉伸曲线p3.3.1 抗拉强度（tensile strength）表3-2 在压力作用下强度增加的比值为了获得实际工程所需要的拉伸特性指标，必须进一步研究土工织物在土中的拉伸特性。p3.3.2 握持强度（grab tensile strength）握持强度又称为抓拉强度，反映了土工合成材料分散集中荷载的能力。土工合成材料在铺设过程中不可避免地承受抓拉荷载，而当土工织物铺放在软土地基中，织物上部相邻块石的压入，也会引起类似于握持拉伸的过程。握持强度的测试与抗拉强度基本相同，只是试样的部分宽度被夹具夹持，故该指标除反映抗拉强度的影响外，还与握持点相邻纤维提供的附加强度有关，它与拉伸试验

27、中抗拉强度没有简单的对比关系。握持强度试验的试样尺寸和夹持方法参见图3-7。p3.3.2 握持强度（grab tensile strength）试样长边平行于拉伸方向，试样计量长度为75 mm。在长度方向上试样两端应伸出夹具至少10 mm，选择合适的试验机，使握持拉伸强度在满量程负荷的10%90%之间，设定试验机的拉伸速度为300 mm/min 10 mm/min，将夹具的初始间距调至75 mm1 mm，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（kN）。握持延伸率为对应于握持强度时夹具间试样的伸长率（）。试验分别沿经向、纬向各进行6次。握持强度试验的结果有时相差较大，一

28、般不作为设计依据，仅用作不同织物性能的比较供设计人员参考。p3.3.2 握持强度（grab tensile strength）图 3-7 握持试验（单位：mm）图3-8 梯形撕裂强度试验和试样（单位：mm）p3.3.3 梯形撕裂强度（trapezoidal tearing strength）梯形撕裂强度指试样中已有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相对难易程度，是土工合成材料应用中的主要力学指标。梯形撕裂强度的测试方法是在长方形试样上画出梯形轮廓（图3-8（a），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，夹具的初始距离

29、为25mm（图3-8（b）。将试样放入夹具内，使夹持线与夹钳钳口线相平齐，然后旋紧上、下夹钳螺栓，同时要注意试样在上、下夹钳中间的对称位置，使梯形试样的短边保持垂直状态。以100mm/min5mm/min的速度拉伸，使裂口扩展到整个试样宽度。撕裂过程的最大拉力即为撕裂强度，单位千牛（kN）。分别进行10个经向和纬向的试验。如试样从夹钳中滑出或不在切口延长线处撕破断裂，则应剔除此次试验数值，并在原样品上再裁取试样，补足试验次数。p3.3.4 胀破强度（burst strength）薄膜胀破试验用以模拟凸凹不平的地基对土工织物或土工膜的挤压作用，专用的试验装置见图3-9。取直径不小于55mm的圆形

30、试样铺放在试验机的人造橡胶膜上，并夹在内径为30.5mm0.1mm的环形夹具间。试验时加液压使橡胶膜充胀，加液压的速率为100 mL/min10mL/min，直至试样胀破为止。记下此时的最大液压值pbt，及扩张膜片所需压力pbm，则试样的胀破强度pb为pbpbt-pbm，单位kPa。一般要求完成10个试样的试验。胀破试验由于靠液压作用，整个试样受力均匀，试验结果比较接近。其缺点是试样较小，需要专用仪器设备，而且不适用于高强度及延伸率过大的材料。p3.3.4 胀破强度（burst strength）图 3-9 胀破试验图3-10 圆球顶破试验p3.3.6 CBR顶破强力(CBR puncyure

31、 strength)CBR顶破强力与胀破强度和圆球顶破强力的基本意义相同，只不过前面两种是沿用的纺织品试验方法，而CBR试验源于土工试验，即加州承载比试验（California Bearing Ratio），该试验方法在公路部门运用中积累了丰富的经验。试验在CBR仪上进行（图3-11），将直径为300 mm的试样在自然绷紧状态下固定在内径为150 mm0.5mm的CBR仪圆筒顶部，然后用直径为50 mm的标准圆柱活塞以50mm/min5mm/min的速率顶推试样，直至试样顶破为止，记录的最大荷载即为CBR顶破强力，单位牛顿（N）。共进行10次试验。p3.3.6 CBR顶破强力(CBR punc

32、yure strength)图3-11 CBR顶破试验（a）夹持系统装置示意图（尺寸单位：mm）（b）顶压杆（尺寸单位：mm）1-测压原件；2-十字头；3-顶压杆；4-夹持环；5-试样；6-CBR夹具的支架；7-夹持环的内边缘p3.3.7 刺破强力（puncyure strength）刺破强力是土工织物或土工膜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。单位牛顿（N）。刺破试验是模拟土工合成材料受到尖锐棱角的石子或树根的压入而刺破的情况（图3-12），适用于各种机织土工织物、针织土工织物、非织造土工织物、土工膜和复合土工织物等产品。但对一些较稀松或孔径较大的机织物不适用，土工网和土工

33、格栅一般不进行该项试验。刺破试验中顶杆为直径8 mm0.01mm的圆柱，杆端为平头，以防止顶杆从有纺织物经纬纱的间隙中穿过。顶杆的下降速度为300mm/mi10mm/min，直至破坏，记录最大压力值即为刺破强力。共进行10次试验。p3.3.7 刺破强力（puncyure strength）图3-12 刺破试验示意图1-试样；2-环形夹具；3-平头顶杆p3.3.8 落锥穿透试验（trop cone test）落锥穿透试验是模拟工程施工中具有尖角的石块或其它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。由于土工格栅和土工网本身具有网格形状，所以落锥穿

34、透试验不适用于这类产品。试验中采用的落锥直径50 mm0.1mm，尖锥角45，重1000 g 5g，试样的环形夹具内径为150mm0.5mm，落锥置于试样的正上方，锥尖距试样500mm2mm，令落锥自由下落，穿透试样，试验结果以刺破孔的直径D表示，单位为mm。为便于测量，可在锥尖上划出环形标记，并标明各环的直径，试验后不取出落锥，直接从锥环上读取孔径值。在试验过程中，由于落锥穿透破洞的大小是评定试验结果的最终指标，所以破洞的测量精度很重要，必须使用专用量锥进行测量而不能用长度测量工具例如卡尺代替。共进行10次试验。p3.3.9 蠕变特性（creep property）蠕变是指在恒定的荷载作用下

35、，材料变形随时间增长而逐渐加大的现象。蠕变大小主要取决于材料的性质和结构。土工合成材料作为一种高分子聚合物具有明显的蠕变特性。作为加筋加固作用的土工合成材料应具有良好的抗蠕变性能，否则在长期荷载的作用下，材料如产生较大的变形将会使结构失去稳定。影响蠕变特性的因素很多，除聚合物原材料类型和结构外，还和荷载的大小有关，一般用荷载水平表示，即单位宽度所受拉力与抗拉强度的比值。此外，还与温度、湿度和侧限压力等因素有关。p3.3.9 蠕变特性（creep property）材料的蠕变特性可用蠕变曲线和近似公式来描述。典型的蠕变曲线如图3-13所示，由三个阶段组成：第一阶段(AB)为初始阶段，变形由快到慢

36、变化，如荷载水平不太大，随时间增长，有可能稳定在某一变形速率；第二阶段(BC)即稳定阶段，这时变形速率保持常数，故BC段基本上是直线；第三阶段(CD)为不稳定的断裂阶段，蠕变速率迅速增大，直到D点试样断裂为止。图3-13 蠕变曲线p3.3.9 蠕变特性（creep property）如果图3-13中用lgt作横坐标，相应的直线段dt/dlgt为常数，而dt/dt=(lge/t)dt/dlgt，故直线段蠕变速率dt/dt随时间t的增长而下降。用直线段描述蠕变过程，其近似公式为式中：t任一时刻t的应变；1加载一个单位时间（例如1小时）的应变；b蠕变系数。1和b由试验确定，对一定的材料，它们的大小主

37、要受荷载水平的影响。t可以根据结构物对变形的要求确定。比如允许应变为10%，则代入式（3-13）可以计算出在一定荷载水平条件下达允许应变（t）的时间t，t值可作为结构物使用参考年限。（3-13）p3.3.9 蠕变特性（creep property）（1）蠕变试验常规蠕变试验一般依据规范进行，如美国的ASTM、英国的BS和国际标准化协会ISO,我国塑料土工格栅蠕变试验和评价方法（QB/T 2854-2007）等。标准的蠕变曲线是应变随时间变化的曲线：式中：蠕变应变，%；L施加荷载至测读时间的伸长量，mm；Lg 初始计量长度与预拉荷载伸长量之和，mm。对于土工格栅，按下式计算单宽荷载：式中：a单宽

38、荷载，kN/m；F施加的荷载，kN；NR试样的肋条数；NT单位宽度的肋条数。（3-14）（3-15）p3.3.9 蠕变特性（creep property）（2）蠕变试验曲线和蠕变折减系数蠕变试验成果可整理成蠕变应变与时间的曲线和蠕变破坏荷载与破坏时间的曲线两种。上述的一些标准中规定提交的蠕变试验结果为蠕变应变和时间的曲线，荷载水平取四种，可在抗拉强度的20%，30%，40%，50%，60%中选取。时间横坐标采用lgt。图3-13为典型HDPE单向拉伸塑料土工格栅的蠕变曲线。在这些标准中，ISO还要求记录达到拉伸蠕变破坏所需时间，并给出拉伸蠕变破坏荷载lg L 和破坏时间lg t 的曲线，参见图

39、3-14。试验的荷载水平取四种，可在抗拉强度的50%-90%中选取，每个荷载水平取三个试样，使破坏的时间均匀分布在100，500，2000和10000小时，要求计时器能记录试样拉断的时间。p3.3.9 蠕变特性（creep property）定义蠕变强度折减系数：式中：T为抗拉强度；Tl为长期蠕变强度，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，最大取106小时（114年）。蠕变试验进行的时间较短，不得不按蠕变曲线（或直线）趋势外推试验数据至设计使用年限，见图3-14和3-15中的虚线。对PP和PE材料外推时间一般不超过一个lg循环，对PET材料不超过两个l

40、g循环。（3-16）p3.3.9 蠕变特性（creep property）图3-14 土工格栅蠕变应变和时间的曲线（王钊，1994）图3-15 聚酯格栅蠕变破坏荷载与时间的曲线(FWHA Guidelines,1999)p3.3.9 蠕变特性（creep property）下面将介绍根据蠕变曲线确定蠕变折减系数的方法，即怎样从蠕变应变与时间的曲线或从蠕变破坏荷载与时间的曲线整理得蠕变折减系数。（3）从蠕变应变与时间的曲线求RFCR从图3-14可见对蠕变应变的数据也必须按直线趋势外推，当用外推法求设计使用年限的长期蠕变应变l时,应乘以外推不确定因子：式中：le长期蠕变应变的外推值，即图3-14中

41、，虚线与设计使用年限106小时交点的纵坐标。（3-17）p3.3.9 蠕变特性（creep property）用下面的步骤说明怎样从蠕变应变与时间的曲线求RFCR：从图3-14量取不同荷载水平设计使用年限(106小时)的le，用式（3-17）求l；由蠕变试验的四个拉伸荷载和相应的l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，参见图3-16；根据蠕变应变的设计允许值（例如10%）,从蠕变荷载和应变的曲线中查得长期蠕变强度Tl；用式（3-16）求蠕变折减系数RFCR。p3.3.9 蠕变特性（creep property）从图3-16查得相对10%应变的Tl=28kN/m，其抗拉强度为

42、66.6kN/m，则RFCR=2.4。图3-16 蠕变的荷载应变曲线（106小时）p3.3.9 蠕变特性（creep property）Pn增大、拉伸模量增大的原因在于，土工织物具有较疏松的结构，受力时，纤维沿拉伸方向排列并伸长，同时纤维之间相对滑动，使织物变薄，且横向收缩，无疑将使拉伸有效截面积减小。如在织物法向加以约束，将限制这种结构调整，同时，因土中垂直于织物平面的变形不均匀，织物不再是一个平面，而呈波浪形，引起织物纤维（或经纬纱）在不同方向的预拉伸，越过小伸长应变时，拉伸模量较低的阶段。测得土中织物的抗拉强度与无法向约束条件的抗拉强度相比，也有显著提高。表3-2列出不同法向压力下抗拉强

43、度提高的比值，其中无纺织物提高的比值更大。p3.3.9 蠕变特性（creep property）(4)蠕变破坏荷载与时间的曲线求RFCR进行不同拉伸荷载的蠕变试验，记录拉断所需时间；调整拉伸荷载的大小使拉断发生的时间均匀分布在每个log循环中，并绘制蠕变破坏荷载与时间曲线，见图3-15；外推蠕变破坏荷载与时间曲线，得设计使用年限长期蠕变强度的外推值Tle；根据统计误差分析，用外推法求长期蠕变强度Tl时，应除以外推不确定因子：式中：x外推的lg 循环数，如小于1，取1；1.2x-1为外推不确定因子。从图3-15可知，Tle=63.4kN/m,x=1.68，代入式（3-18）得Tl=56 kN/m

44、；根据与蠕变同批试样的拉伸试验测得抗拉强度T为110kN/m,代入式（3-16），求得聚酯格栅的RFCR=2。（3-18）p3.3.9 蠕变特性（creep property）（5）两种蠕变曲线折减系数确定方法的比较蠕变试验的成果可以整理成两种蠕变曲线，即蠕变应变与时间的曲线或拉伸蠕变破坏荷载与时间的曲线。获得这两种曲线的试验工作量基本相同；在计算RFCR时，从第二种曲线较为简单，但不能获得相对于一定应变的RFCR。很多加筋土结构对变形很敏感，例如，大的应变使挡土墙面板凸出，使加筋陡坡路堤因大的横向变形而产生工后沉降，故必须对应变有所限制。为获得一定应变时的蠕变折减系数，则应进行蠕变应变测量的

45、蠕变试验。另一种可能的替代方法是在进行拉伸破坏荷载试验时，不是记录破坏的时间，而是记录达一定应变（例如10%）的时间，并计算得蠕变折减系数。还应强调指出，厂家给出的长期蠕变强度Tl还不是允许抗拉强度，Tl还要除以其他强度折减系数才能得到允许抗拉强度Ta（见式3-37）。p3.3.9 蠕变特性（creep property）(6)加速蠕变试验的方法常规蠕变试验持续时间在1000小时以上，试验须控制室内温度和湿度，使试验耗时、费力和费用高。加速蠕变试验的方法有时温叠加法和分级等温法。时温叠加法TTS（time-temperature superposition）时温叠加法与常规方法的不同之处是在几

46、种不同的温度下做较短期的蠕变试验，如一般在20、40、60等温度下分别进行，温度精度保证在1左右。该试验的试样在温度控制箱内进行试验，仪器和测量装置位于控制箱外，避免受温度的影响。主要原理是选取一种参考温度如T1=20，在不同级别的升高温度，如T2=40，T3=60，T4=80条件下，施加同一种荷载水平，完成较短历时（lgt=1-2）的蠕变试验，并绘制应变和时间的关系曲线，参见图3-17。p3.3.9 蠕变特性（creep property）图3-17 时温叠加法示意图p3.3.9 蠕变特性（creep property）把每种升高温度下的曲线沿水平轴移动，光滑接在较低温度的曲线上就得到更长历

47、时的蠕变主曲线。移动的距离为移动因子at。时温叠加法蠕变试验首先应用于塑料管(Task Force 27,Guidlines 1989)，其后不同研究者研究温度对蠕变的影响，主要和聚合物分子结构、生产工艺和分子取向性等因素有关，例如，PET具有较强的分子黏结力，受温度的影响小于 PP和PE材料，因此，导致PET材料的 TTS过程具有不确定性，以至需要反复试验确定水平移动因子at，确定应变曲线的准确位置。p3.3.9 蠕变特性（creep property）分级等温法SIM（Step Isothermal Method）该法是一种新型的时温叠加法，是在同一种荷载水平下做不同温度级别的试验，每个不

48、同温度级别的试验持续2小时，两种温度级别的升高时间仅需一分钟。用到的器材和设备与常规试验一样，仅多一个能装加载框架和夹具系统的温度控制箱。从加速试验的数据可得到一种在不同温度下的唯一的主曲线。由于仅用一个试样得到主曲线故不存在at的不确定性，也就不存在试样间的差别。目录p3.1 概述p3.2 物理性能p3.3 力学性能p3.4 水力学性能p3.5 土工合成材料与土的相互作用p3.6 耐久性能p3.7 土工合成材料的允许抗拉强度p3.8 试验成果的整理和比较p3.4.1 渗透系数和透水率(coefficient of permeability and permitivity)土工合成材料的水力学

49、性能主要包括渗透系数和透水率、沿织物平面的渗透系数和导水率、孔径等。土工织物的渗透性能是其重要的水力学特性之一。土工织物起渗滤作用时，水流的方向垂直于织物平面，应用中要求土工织物必须能阻止土颗粒随水流流失，同时还要具有一定的透水性。垂直于土工织物平面的渗透特性简称垂直渗透特性，当水流方向垂直于土工织物平面时，其透水性主要用垂直渗透系数表示，也可采用透水率来表示。土工织物的透水性主要用渗透系数来表示。渗透系数是在层流状态下，水流垂直于土工织物平面，水力坡降等于1的渗流时的渗透流速，即：式中：kn渗透系数，cms；渗透流速，cms；土工织物的厚度，cm；i渗透水力坡降；h土工织物上下游测压管水位差

50、，cm。土工织物的渗透性还可以用透水率来表示。透水率是在层流状态下，水位差等于1时的渗透流速，即式中：透水率，s-1。（3-19）（3-20）p3.4.1 渗透系数和透水率(coefficient of permeability and permitivity)从定义及式（3-19）和式（3-20）可知透水率和渗透系数之间的关系为：土工织物的透水性能受多种因素影响，除取决于织物本身的材料、结构、孔隙的大小和分布外，还与实际应用中织物平面所受的法向应力、水质、水温和水中含气量等因素有关。根据式（3-19），测量渗透系数时，要测量织物的厚度，水位差h和渗透流速。其中流速可通过测得一定时间内的透水量