建筑技术丨钢塑双向土工格栅力学性能试验研究

1 钢塑双向土工格栅概况

1.1 概念及使用范围 

基于普通塑料格栅的研究基础，将特殊处理的高强度钢丝与聚乙烯（PE）融合，并添加助剂，使之加工成为具备高强度的抗拉条带，且表面进行粗糙化处理，进而制备成一条具有优良力学性能的复合型加筋土工带，加工而成的复合型加筋土工带按纵横方向依据固定的间距进行组合排列、编制，运用熔焊技术焊接其交接点最终制成钢塑双向土工格栅。

通过改变钢丝绳的直径、根数改变筋带的抗拉强度大小，钢塑双向土工格栅不仅增强了格栅的抗拉强度、提高了格栅的抗徐变性能，且延长了格栅的使用寿命，适用于煤矿、公路、铁路、机场、井灌、民用建筑等绝大多数工程施工类项目。

1.2 力学性能指标

在工程设计和施工过程中，由于钢塑双向土工格栅承受的荷载不同，其力学性能评价指标也不尽相同。钢塑双向土工格栅的力学特性主要包括抗拉强度、摩擦试验强度、抗拔试验强度以及与填料的相互作用等。

2 试验分析

在工程施工过程中，受不同温度、荷载以及填料的影响，钢塑双向土工格栅表现出来的抗拉性能不尽相同。因此，针对上述因素对钢塑单、双向土工格栅进行拉伸、挠度和徐变对比试验，研究钢塑双向土工格栅的力学性能。

2.1 拉伸试验

钢塑双向土工格栅为复合型柔性材料，其通常通过抗拉强度承受来自外界的荷载，抗拉强度是土工合成材料主要的力学特性指标。参与试验的4组同规格的钢塑双向土工格栅主要性能参数为：纵、横向拉伸强度远大于50kN/m，纵、横向伸长率均不超过13%，伸长率为5%时的拉伸强度远大于35kN/m。

钢塑双向土工格栅匀速拉伸试验结果如图1所示。由图1可知，4组钢塑格栅的拉伸过程大致可分为3个阶段：低荷载大变形阶段、高荷载小变形阶段、断裂阶段。

图1 钢塑双向土工格栅匀速拉伸试验结果

在试验初始加载过程中，即低荷载大变形阶段，拉伸荷载很小，拉伸变形位移较大，4组试验拉伸最终都达到了19mm左右。

在第二阶段，即高荷载小变形阶段，随着试验荷载的加大，钢塑格栅的变形位移也逐步增加，从图1可以看出，拉伸曲线的上升幅度大，但是在相同的荷载差内，第二阶段的位移变化相对于第一阶段幅度较小，第一组的拉伸长度最大也只有6mm。

在第三阶段，即断裂阶段，试验荷载超过11 kN后，4组钢塑格栅依次进入断裂阶段。在断裂阶段试验过程中，钢塑双向土工格栅内部的土工带中的钢丝开始逐根断裂，图1中的拉伸曲线骤然下降，钢塑双向土工格栅的抗拉强度也迅速降低至0。

综上所述，钢塑双向土工格栅的抗拉强度受土工带中的钢丝影响，钢丝断裂后，钢塑双向土工格栅的抗拉强度迅速降低至0。

2.2 挠度试验

由于钢塑双向土工格栅柔度大的力学特性，不能直接对钢塑双向土工格栅的挠度进行测量，因此对钢塑双向土工格栅进行了改进，使其置于混凝土板中，然后对加筋板进行了挠度测试。

为保证试验数据的可靠性，针对所考虑的影响因素情况，做6块板进行试验。

制作两种类型的混凝土板，分别加入钢塑双向土工格栅和 Q235金属网，混凝土板规格为1000mm×1000mm×100mm，为保证试验数据的可靠性，每种板型制作3块。挠度试验结果如图2所示。

（a）

（b）

（c）

（d） 

图2 挠度试验结果

（a）GSW–1混凝土试件应力–时间关系曲线；（b） GSW–2混凝土试件应力–时间关系曲线；（c） GSW–1混凝土试件位移–时间关系曲线；（d） GSW–2混凝土试件位移–时间关系曲线

由图2可以得出如下结论。

（1）GSW–1和GSW–2两种规格相同的钢塑双向土工格栅现浇板受力出现相似的变化。从开始施加荷载到施加荷载10s时，GSW–1所能承受的压力变化比较缓慢，仅增长到1kN，位移几乎没有变化。施加荷载20s后，应力开始增加，位移增大，板开始出现裂缝，导致应力下降，随着裂缝的扩大，板中的格栅开始发挥作用，应力再次升高。施加荷载时间达到45s时，应力达到最大值34.1kN，位移也达到最大值44.2mm，两者都不再增加，板屈服。 

（2）由于板倾斜的原因，板受力不均，致使 GSW–2的应力在受压10s之后迅速增长，但是没有出现位移的变化。施加荷载时间达到40s时，GSW–2出现裂缝，承受的应力开始下降，位移开始增加，随着裂缝的扩大，板中的格栅开始发挥作用，使应力再次升高，达到了27.5kN，板内的格栅出现抽丝现象，应力迅速下降。

2.3 徐变试验

格栅徐变特性是指在外界荷载不变的情况下，格栅随时间而变形的性质。

格栅是由高分子聚合物经一系列复杂工艺制成的网状结构，其徐变性能直接影响加筋结构的长期稳定性，而加筋结构的徐变效应会导致应力状态的改变，进而造成建筑物丧失整体稳定性、变形过大等灾害。因此，格栅的徐变性能是格栅抗拉强度能否保持长期稳定性的关键。

在实际工程应用中，受不同温度及荷载的作用，格栅产生徐变变形，从而使格栅的加筋功能大幅减弱，甚至使建筑物丧失整体稳定性。

针对钢塑双向土工格栅，在同一拉力（50kN/m）下，在20℃、40℃两种不同环境温度条件下，通过试验实测得到的钢塑双向土工格栅应变随时间变化的徐变曲线如图3所示。

图3 应变–时间变化曲线（不同温度条件）

由图3可知，当环境温度为20℃时，应变达到20%需要约100h；当环境温度为40℃时，仅需要约0.5h其应变就能够达到20%。可见温度对钢塑双向土工格栅的影响较大，且随着温度的升高，应变值逐渐增大。

3 结论

（1）钢塑双向土工格栅具有较好的抵抗结构变形、节点扭曲破坏和变形沉降的能力，柔度大、弹性高，节点不易被撕裂破坏，能够承受多方向的荷载，并有效地起到分散载荷的作用。

（2）钢塑双向土工格栅的拉伸过程包括3个阶段：低荷载大变形阶段、高荷载小变形阶段、断裂阶段。随着拉伸速率的增加，钢塑双向土工格栅的强度也增大。

（3）钢塑双向土工格栅现浇混凝土双向板的挠度变形分为3个阶段：线弹性阶段、非线性阶段和屈服阶段。混凝土双向板在线弹性阶段，挠度与荷载呈正相关；随着裂缝的出现，加筋板进入非线性阶段，板的刚度降低，挠度变形与荷载为非线性关系，并且混凝土板在此阶段失去承载能力；屈服阶段，钢塑格栅出现抽丝现象，钢筋逐根断裂，格栅屈服。

（4）通过格栅徐变试验的应变–时间关系可知，温度会对格栅的徐变产生影响：当温度较低时，其徐变量较小；当温度较高时，其徐变量变化比较明显且增加较快。