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(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣州 510030；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510640；3.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

近年來，土工布加筋結(jié)構(gòu)以其良好的工程特性被廣泛地用于公路、堤防、鐵路等工程建設(shè)中，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。然而相關(guān)理論研究仍遠(yuǎn)落后于其實(shí)踐應(yīng)用，限制了此項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[1]。為深入了解土工布的工作性能，研究其加筋機(jī)理，完善其設(shè)計(jì)理論，有必要對結(jié)構(gòu)中土工布的變形進(jìn)行監(jiān)測。

在土工合成材料的應(yīng)變測量中，電阻應(yīng)變片測量法最為常用。這種方法[2]是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測物的表面，利用應(yīng)變片的電阻隨著被測物機(jī)械變形而變化的原理，記錄被測點(diǎn)的應(yīng)變變化過程。其測量結(jié)果是否可靠主要取決于2個(gè)方面：①粘貼應(yīng)變片的膠體能否保證應(yīng)變片與被測物協(xié)同變形，即膠體材料的剛度應(yīng)小于被測物本身的剛度；②膠體材料能否確保應(yīng)變片與被測物連接的耐久性[3]。目前常用的環(huán)氧樹脂膠和502膠普遍存在粘結(jié)強(qiáng)度大、延展性能差等缺點(diǎn)，顯然不適用于土工布這種低彈模、低強(qiáng)度的柔性材料。這說明電阻應(yīng)變片測量法在用于土工布變形測量時(shí)，需要進(jìn)行改進(jìn)或完善。

基于上述考慮，本文對土工布應(yīng)變的測量方法做了進(jìn)一步的研究。通過一系列的拉伸試驗(yàn)，尋求適用于土工布的低彈性模量應(yīng)變膠體，探討其合理的粘貼方法；完成土工布應(yīng)力應(yīng)變的標(biāo)定，使應(yīng)變片測值可直接轉(zhuǎn)換為土工布的受力大小，并將上述成果應(yīng)用于離心模型試驗(yàn)當(dāng)中。

2 應(yīng)變片粘合劑的選取

為尋求適宜的應(yīng)變片粘合劑，首先需掌握被測物土工布及備選膠的基本力學(xué)性能，故開展了一系列的土工合成材料拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用長江科學(xué)院CSS-3900系列電子蠕變試驗(yàn)機(jī)，該儀器由3臺獨(dú)立的加載及測量系統(tǒng)組成，自動(dòng)化程度高，直接讀數(shù)，精度及穩(wěn)定性好。被測物選用醫(yī)用紗布作為研究對象，其剛度低、強(qiáng)度小，具有較強(qiáng)的代表性，常用于離心試驗(yàn)中作為土工布的模型材料；備選膠則有傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂膠及柔性的703膠。根據(jù)規(guī)范[4]要求，試驗(yàn)時(shí)將紗布裁剪成寬度200 mm、長度≥200 mm的寬條試樣；膠體制作成寬度為50 mm、長度≥200 mm的窄條試樣；設(shè)定夾具的拉伸速率為20 mm/min，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直至試樣被拉壞。

圖1為被測物紗布與備選膠的拉伸試驗(yàn)曲線。從圖1可以看出，兩端夾具的拉力隨著3種材料的伸長量不斷增長而增長。其中紗布試樣在拉力增大至約250 N、伸長率約為13%時(shí)，被逐漸拉斷；而703膠條的變形則持續(xù)于整個(gè)試驗(yàn)過程中，就像橡皮筋一樣，只是純粹地被拉長，直至兩端夾具達(dá)到最大開合度時(shí)，仍未出現(xiàn)拉斷破壞的現(xiàn)象，表現(xiàn)出了優(yōu)異的延展性能；相反，環(huán)氧樹脂膠則在拉力增長至300 N、伸長率不到5%時(shí)，即被完全拉斷，曲線陡降，為典型的脆性破壞。

圖1 紗布及備選膠拉伸試驗(yàn)曲線Fig.1 Curves of tensile test for geotextile and glue

將圖1中的成果整理，分別得到了3種材料的基本力學(xué)參數(shù)，如表1所示。由表1可知，常用的環(huán)氧樹脂膠的強(qiáng)度和剛度均遠(yuǎn)大于被測物紗布，若采用此類膠水粘貼應(yīng)變片，結(jié)果可想而知，土工布即便發(fā)生較大變形甚至被拉斷，應(yīng)變片測值也將十分微弱，顯然不適用于土工布的應(yīng)變測量。而柔性的703膠則完全滿足要求，其拉伸模量僅為被測物紗布的40%，遠(yuǎn)低于被測物的剛度，可保證電阻應(yīng)變片與土工布協(xié)同變形。

表1 紗布與備選膠基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of geotextile and glue

3 應(yīng)變片的粘貼方法

通過上述拉伸試驗(yàn)，得到了被測物紗布及備選膠的基本力學(xué)參數(shù)，綜合選定柔性的703膠作為土工布上應(yīng)變片的粘合劑。在此基礎(chǔ)上，開展對黏合劑粘貼方法的拉伸試驗(yàn)研究，通過對黏合劑的粘貼形狀、大小、膠層厚度、相鄰測點(diǎn)間距等的精細(xì)控制，保證測量結(jié)果真實(shí)、可靠。

試驗(yàn)時(shí)分別在裁好的寬條紗布試樣的中心處，涂抹1個(gè)圓形膠點(diǎn)，以及其兩側(cè)涂抹間距為150 mm的2個(gè)圓形膠點(diǎn)，如圖2所示。對比分析在膠層形狀為圓形，測點(diǎn)間距為150 mm的前提下，不同膠層厚度及大小對被測物紗布基本力學(xué)性質(zhì)的影響，探討適宜的粘貼方法。

圖2 土工布拉伸試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Tensile test of geotextile with glue

經(jīng)過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土工布與粘合劑間的接觸面為圓形，膠層直徑D為35 mm，厚度H為3 mm，相鄰測點(diǎn)間距L≥150 mm時(shí)，可滿足土工布上應(yīng)變片的粘貼要求，使得兩者協(xié)同變形。

圖3為上述情況下土工布的拉伸試驗(yàn)曲線。由圖3可知，試樣所受拉力隨紗布伸長量的增長而增長，其變形趨勢與圖1(a)基本一致。無論是土工布上有1個(gè)還是2個(gè)膠點(diǎn)，其最大拉力也基本在200～250 N之間，破壞時(shí)的應(yīng)變大小也基本一致。

圖3 不同粘貼方法的拉伸試驗(yàn)曲線Fig.3 Curves of tensile test on geotextiles pasted with different methods

將圖3中的成果整理，分別得到了3種試樣的基本力學(xué)參數(shù)，如表2所示。從表2可知，采用上述粘貼方法，無論土工布上有1個(gè)還是2個(gè)膠點(diǎn)，土工布本身的抗拉強(qiáng)度幾乎沒有受到影響；拉伸模量則略有提高，但增長幅度也基本控制在10%以內(nèi)，可忽略不計(jì)。

表2 不同粘貼方法的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of tensile test on geotextiles pasted with different methods

綜上所述，筆者建議的柔性應(yīng)變膠及粘貼方法既不影響土工布本身強(qiáng)度水平的發(fā)揮，又可保證應(yīng)變片與被測物土工布協(xié)同變形，同時(shí)膠體本身又具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性，可用于土工布上電阻應(yīng)變片的粘貼，測量其變形大小。

4 應(yīng)力、應(yīng)變的標(biāo)定

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

為得到結(jié)構(gòu)中土工布真實(shí)的受力大小，首先需完成對土工布電阻應(yīng)變片測量法的應(yīng)力應(yīng)變標(biāo)定，即找到電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變與土工布自身應(yīng)變之間的關(guān)系。其中如何準(zhǔn)確測得ε1與εp(ε1為應(yīng)變片所測得的應(yīng)變，εp為激光位移傳感器測得的應(yīng)變)，是要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖4 激光位移傳感器測量原理示意圖Fig.4 Principle diagram of laser displacement sensor

基于上述研究成果，采用柔性膠粘貼應(yīng)變片對土工布變形進(jìn)行測量，可得到ε1；εp則是通過自行加工的試驗(yàn)設(shè)備，利用激光位移傳感器進(jìn)行測量。測量原理如圖4所示，即利用激光位移傳感器分別得到測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的位移變化量ΔL1和ΔL2，繼而可以計(jì)算得到土工布的真實(shí)應(yīng)變εp=(ΔL2-ΔL1)/L0，其中L0為測點(diǎn)1和測點(diǎn)2之間的原始距離。這種測量方法屬于無接觸式測量，不會影響被測物土工布自身的受力狀態(tài)。此外，傳感器采集密度高(1 s)，能精確到1 nm，穩(wěn)定可靠。

試驗(yàn)采用分級加載的模式，每級施加拉力6.25 N(即一個(gè)砝碼的重力)，共8級50 N，每級的加載間隔為60 s，試驗(yàn)時(shí)利用激光位移傳感器與應(yīng)變片對土工布的變形進(jìn)行全過程監(jiān)測。

4.2 設(shè)備的可行性驗(yàn)證

利用自行加工的試驗(yàn)設(shè)備和設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，對紗布進(jìn)行分級加載的拉伸試驗(yàn)，使用激光位移傳感器測定試驗(yàn)過程中紗布的變形大小。將試驗(yàn)所得結(jié)果與第2節(jié)中使用電子蠕變儀測得的力學(xué)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法是否可行。

試驗(yàn)對象同樣是紗布寬條試樣，試驗(yàn)時(shí)全過程記錄兩測點(diǎn)的伸長量ΔL1和ΔL2，再利用公式εp=(ΔL2-ΔL1)/L0計(jì)算每一級加載所對應(yīng)的應(yīng)變大小，繪制成被測物紗布的拉力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。從圖5中可看出，紗布應(yīng)變隨拉力變大而穩(wěn)定增長，應(yīng)變與拉力呈線性變化，整個(gè)過程紗布均處于彈性拉伸階段。每一試樣所對應(yīng)的曲線斜率基本一致，說明試驗(yàn)加載過程穩(wěn)定，設(shè)備可靠。

圖5 激光位移傳感器測得的土工布拉伸試驗(yàn)曲線Fig.5 Curves of tensile test of geotextile measured by laser displacement sensor

通過計(jì)算得到6組試樣的拉伸模量，分別為8.41，7.40，8.43，8.39，7.41，8.67 kN/m，取其平均值為8.12 kN/m。在第2節(jié)中，通過拉力機(jī)測得拉伸模量為8.65 kN/m。對比可知，2種試驗(yàn)設(shè)備及方法所測得的土工布拉伸模量基本一致。由此可證，自行加工的試驗(yàn)設(shè)備可靠，方法可行，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。

4.3 成果標(biāo)定

標(biāo)定的對象仍為寬條試樣，粘貼應(yīng)變片時(shí)，保證土工布與703膠間的接觸面為圓形，膠層直徑D為35 mm，厚度H為3 mm。試驗(yàn)時(shí)通過電阻應(yīng)變片和激光位移傳感器對土工布的變形全過程進(jìn)行監(jiān)測，標(biāo)定設(shè)備如圖6所示。

圖6 標(biāo)定設(shè)備示意圖Fig.6 Photos of calibration test equipment

圖7為電阻應(yīng)變片與激光位移傳感器的測量結(jié)果。從圖7可以看出：紗布應(yīng)變隨著加載強(qiáng)度的上升而增長，2種測量方式尤其是應(yīng)變片讀值呈典型階梯式的增長，增長幅度也較為均勻，土工布始終處于彈性變形狀態(tài)。

圖7 土工布應(yīng)變隨時(shí)間變化過程曲線Fig.7 Variation of strain of geotextile against time

將圖7(b)中每一加載階段激光位移傳感器的測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為土工布的應(yīng)變εp，并繪制其與圖7(a)中電阻應(yīng)變片所測應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線，如圖8所示。綜合3組試樣趨勢線方程式，則可得到ε1與εp的關(guān)系表達(dá)式，如式1所示。

εp=105ε1-1 900×10-6。

(1)

圖8 ε1與εp關(guān)系曲線Fig.8 Relation between ε1 and εp

至此通過自行加工的試驗(yàn)設(shè)備和設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，完成了土工布應(yīng)力應(yīng)變的標(biāo)定，從而可將電阻應(yīng)變片讀數(shù)，通過式(1)直接將其轉(zhuǎn)化為土工布實(shí)際的應(yīng)變，再乘以其拉伸模量，即為被測物的受力大小。

5 離心模型試驗(yàn)

筆者針對天津某圍海造陸工程圍堰施工的具體情況，進(jìn)行了軟基上模袋砂圍堰充填的離心模型試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)時(shí)采用上述應(yīng)變測量方法，對土工布的受力進(jìn)行了全過程監(jiān)測。結(jié)果表明此方法可行，成功測得不同層土工布的應(yīng)力應(yīng)變分布，為下一步研究土工布的加筋機(jī)理及其對模袋砂圍堰穩(wěn)定性的影響提供了技術(shù)保障。

圖9為模型試驗(yàn)中電阻應(yīng)變片的布置分布圖，共對不同高度的2層土工布進(jìn)行了變形監(jiān)測。試驗(yàn)的具體情況可見文獻(xiàn)[5]。

圖9 離心試驗(yàn)測量布置圖Fig.9 Arrangement of instruments for centrifugal test

圖10 土工布受力隨時(shí)間變化的過程曲線Fig.10 Variation of forces on geotextile against time

基于應(yīng)力應(yīng)變標(biāo)定公式(1)，即可得到這兩層土工布受力隨時(shí)間變化過程曲線，如圖10所示。由圖10可知，隨著離心加速度逐級增大，模型中土工布受力均也增大，主要集中于低平臺的土工布上，其中位于兩平臺交界面的第3層土工布受力最大。

6 結(jié) 論

針對土工布變形監(jiān)測難度大、精度低的問題，選取電阻應(yīng)變片作為測量手段，開展了一系列拉伸試驗(yàn)，提出采用柔性膠粘貼應(yīng)變片，通過對粘合劑粘貼形狀與厚度等的精細(xì)控制，使得應(yīng)變片能夠與土工布協(xié)同變形，從而實(shí)現(xiàn)了土工布應(yīng)變的較準(zhǔn)確測量。取得以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)的環(huán)氧聚酯膠是一種典型的脆性膠，其強(qiáng)度高、剛度大，并不適合作為土工布上應(yīng)變片的粘合劑。703膠是一種柔性膠，其延展性好，剛度遠(yuǎn)低于土工布，可與被測物協(xié)同變形；粘貼應(yīng)變片時(shí)，保證其與被測物接觸面為圓形，膠層直徑為35 mm，厚度為3 mm。

(2)研制了一套用于土工布應(yīng)力應(yīng)變標(biāo)定的裝置，利用激光位移傳感器成功測得了紗布的變形，并與電阻應(yīng)變片所測得的微應(yīng)變進(jìn)行對比，得到了土工布的實(shí)際應(yīng)變εp與應(yīng)變片所測值ε1的關(guān)系表達(dá)式。

[1] 李廣信.關(guān)于土工合成材料加筋設(shè)計(jì)的若干問題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35(4)：605-610.

[2] 季嚴(yán)榮.應(yīng)變片在垃圾填埋場土工膜變形測量中的應(yīng)用[D].上海：東華大學(xué)，2012.

[3] 楊廣慶，徐 超，張夢喜，等.土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4] SL 235—2012，土工合成材料測試規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[5] 陳凌偉，周小文，龔壁衛(wèi)，等.沿海軟基大砂袋圍堰的離心模型試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(增2)：4235-4240.