松散介質(zhì)約束下土工織物的拉伸力學(xué)行為.pdf

1、土工織物愈來愈多地應(yīng)用于各類巖土工程，作為增強材料使用的土工織物其力學(xué)性能對工程質(zhì)量和安全性起著決定性作用，因此對織物拉伸力學(xué)行為的研究一直為人們所關(guān)注。由于實際使用過程中，土體的約束作用使織物力學(xué)性能不同于無約束情況，因此考慮這一背景，研究土工織物在松散介質(zhì)約束下的拉伸力學(xué)行為對于土工織物工程應(yīng)用具有重要的實際意義。 從一般土體特性抽象出來，論文旨在通過織物無約束拉伸性能及土工織物—松散介質(zhì)界面摩擦特點及作用規(guī)律，建立介質(zhì)約束

2、條件下的土工織物拉伸預(yù)測模型，探索土工織物在實際應(yīng)用條件下的拉伸力學(xué)行為。 基于拉拔試驗和約束拉伸試驗廣泛為人們用作界面作用機理和織物約束拉伸性能的研究手段這一事實，論文首先設(shè)計并加工了包含有約束裝置和彈簧加載裝置且可與Instron萬能材料試驗機連接的實驗設(shè)備。通過所建立的測試手段對巖土工程中最常用的機織和針刺土工織物分別進(jìn)行拉拔試驗和有約束、無約束拉伸試驗。 無約束拉伸試驗表明，兩類土工織物的拉伸非線性程度不同，通常

3、的線彈性本構(gòu)關(guān)系無法予以表達(dá)，根據(jù)對無約束拉伸試驗數(shù)據(jù)的擬合，論文提出土工織物的拉伸非線性可采用冪函數(shù)形式進(jìn)行表征：σ=aεb。擬合參數(shù)a、b具有明確的物理意義，分別表示織物抵抗變形的能力和拉伸曲線的非線性程度。 為獲得土工織物—松散介質(zhì)的界面摩擦性能及摩擦作用規(guī)律，論文選用兩類織物共6種試樣進(jìn)行不同長度、不同約束壓力下的拉拔試驗展開進(jìn)一步的研究。 首先，論文從所定義的界面摩擦系數(shù)出發(fā)，分析了不同試樣的摩擦系數(shù)及其變化規(guī)

4、律。根據(jù)6種試樣在埋入長度恒為200mm，約束壓力分別為11.5、23.0、34.5kPa條件下進(jìn)行拉拔試驗獲得的拉拔力峰值和殘余拉拔力，計算得到不同試樣的靜、動摩擦系數(shù)。試驗結(jié)果表明，摩擦系數(shù)隨試樣或試樣規(guī)格不同而不同。約束壓力增加，兩類織物的摩擦系數(shù)變化呈現(xiàn)不同特點。針刺試樣的靜、動摩擦系數(shù)均隨約束壓力的增大而減小。壓力增大導(dǎo)致織物被壓實，同時顆粒介質(zhì)嵌入織物，摩擦界面轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)和介質(zhì)之間摩擦，因此測得針刺織物摩擦系數(shù)減小。進(jìn)一步研

5、究表明，靜、動摩擦系數(shù)與約束壓力關(guān)系可用雙曲線函數(shù)表征，由此可以通過擬合方程獲得其他約束壓力下的試樣與介質(zhì)界面摩擦系數(shù)。機織試樣表面密度較大，顆粒介質(zhì)無法嵌入，其靜、動摩擦系數(shù)隨約束壓力增加沒有明顯變化。 拉拔過程通過織物的靜、動摩擦系數(shù)區(qū)分為靜摩擦和動摩擦兩個不同階段。拉拔位移曲線表明，靜摩擦階段拉拔力在持續(xù)增加直至達(dá)到最大值。試樣不同埋入長度的拉拔實驗表明，拉拔力的增加與試樣傳遞長度有關(guān)，采用線性假設(shè)表征二者關(guān)系得出，界面剪

6、應(yīng)力在試樣長度上均勻分布。 試樣的拉拔曲線反映了不同織物的拉拔特性。拉拔力和拉拔位移關(guān)系通過論文定義的拉拔特征參數(shù)建立聯(lián)系。受試樣的拉拔剛度、埋入長度、界面約束壓力、摩擦系數(shù)等因素影響，織物的拉拔位移曲線具有不同特征和變化規(guī)律。拉拔剛度決定了土工織物拉拔曲線的曲率和非線性程度。介質(zhì)的約束壓力限制了織物的變形，因此，拉拔剛度和拉拔力峰值隨約束壓力增加而增大。土工織物的埋入長度增加使得界面接觸面積增大，能夠提供的摩擦力增大，最終導(dǎo)致

7、拉拔力峰值增大。然而，埋入長度變化不會影響織物的變形能力，因此拉拔曲線初始斜率不會發(fā)生變化。 土工織物的拉拔行為與其拉伸性能密切相關(guān)。土工織物約束拉伸實驗表明，對針刺和機織試樣的拉伸行為介質(zhì)約束的影響表現(xiàn)程度不同。針刺織物約束拉伸具有明顯的階段性：初始拉拔階段，即界面發(fā)生滑動之前的靜摩擦階段，隨拉拔力傳遞長度增加，摩擦力增大，曲線表現(xiàn)為較大的斜率；后續(xù)拉伸階段，力傳遞到整個埋入長度試樣，界面摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?，摩擦力保持恒定，此時

8、拉伸力作用于織物本身，織物的拉伸行為類似無約束拉伸。介質(zhì)約束使得針刺織物試樣的拉伸強度、初始模量增加；同一應(yīng)力下，織物變形減小。上述過程同樣存在于機織試樣的約束拉伸中，但機織物較高的模量使得介質(zhì)約束的影響作用表現(xiàn)不明顯，因此機織試樣的約束拉伸曲線與無約束相比基本一致，拉伸曲線的階段性特征不明顯，曲線斜率沒有顯著變化。 基于織物無約束拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和界面剪應(yīng)力均勻分布假設(shè)，同時根據(jù)約束拉伸的的靜、動摩擦階段特點，論文分別建立了土

9、工織物約束拉伸的初始拉拔階段和后續(xù)拉伸階段拉伸性能預(yù)測模型。分段表征的織物約束拉伸曲線取決于織物的無約束拉伸參數(shù)a和b、界面約束壓力、界面最大靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)、試樣厚度、試樣長度等因素。 模型驗證結(jié)果表明，對于機織物的約束拉伸行為，模型預(yù)測結(jié)果與實驗一致性較好；對于針刺織物，后續(xù)拉伸階段模型預(yù)測與實驗結(jié)果較為一致，但在初始拉拔階段存在有一定程度的偏差。論文進(jìn)一步探討了模型預(yù)測產(chǎn)生偏差的原因，考慮了針刺織物拉拔力和試樣長度的

10、非線性關(guān)系，基于界面剪應(yīng)力非均勻分布假設(shè)，提出剪應(yīng)力沿試樣長度分布函數(shù)對模型進(jìn)行修正，修正模型的預(yù)測結(jié)果與針刺織物初始拉拔階段實測值吻合程度較好。綜上，對于具有不同拉伸非線性特征的土工織物，采用本文建立的預(yù)測模型及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的模型可以較好的預(yù)測其在松散介質(zhì)約束下的拉伸力學(xué)行為。 本文的研究建立在織物無約束拉伸拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可采用σ=aεb形式表征基礎(chǔ)上，織物拉伸非線性程度因參數(shù)a、b變化而發(fā)生改變，因此，對不同織物模型