塑料土工格栅性能分析

（一）塑料土工格栅产品设计

在《GB/T 17689—2008土工合成材料 塑料土工格栅》中，主要规定了格栅的一般性能，包括产品类型：分为单向或双向拉伸塑料土工格栅、外观尺寸、原料类型（分为聚丙烯和高密度聚乙烯单拉塑料格栅、聚丙烯双拉塑料格栅）、力学性能（拉伸强度及标称伸长率、2%和5%伸长率时的拉伸强度）、炭黑含量。这些性能指标均可以通过短期检测来加以确定和判断，同时也为设计人员提供了比较简明的选择参考。此外还有蠕变性能，要求蠕变折算系数RFcr应满足工程设计年限的要求。

此外在《Q/CR 549.2—2016铁路工程土工合成材料 第2部分：土工格栅》中规定了拉伸塑料土工格栅的性能及在铁路工程中的应用。产品性能除国家标准规定外，还包括耐久性（包括炭黑含量及分布、抗紫外线强度保留率、HDP E单向拉伸塑料土工格栅的蠕变折减系数）等。其应用范围为：单向拉伸塑料土工格栅（HDPE）适用于支档结构，单向拉伸塑料土工格栅（PP）适用于地基处理，双向拉伸塑料土工格栅适用于路堤边坡、地基处理。

由于行业标准《JT/T 480—2002交通工程土工合成材料 土工格栅》颁布时间比较早，在改版过程中，因此其标准内容不在此描述。

1.产品类型

根据拉伸的工序不同，分为单向拉伸塑料土工格栅和双向拉伸塑料土工格栅。只通过纵向拉伸而成的产品为单向拉伸塑料土工格栅（国标代号TGDG，铁标代号GGR/US），经过纵向拉伸和横向拉伸而成的产品为双向拉伸塑料土工格栅（国标代号TGSG，铁标代号GGR/BS）。产品的命名如下：

GB/T 17689—2008产品的命名为：

示例1：标称拉伸强度为120kN/m的高密度聚乙烯单拉塑料格栅，表示为：TGDG120HDPE。

示例2：标称拉伸强度纵、横向为30kN/m的聚丙烯双拉塑料格栅，表示为：TGSG3030PP。

铁标Q/CR 549.2—2016产品的命名为：

示例1：GGR/HDP E/US80表示：原材料为高密度聚乙烯（HDP E），标称抗拉强度为80kN/m的单向拉伸塑料土工格栅。

示例2：GGR/PP/US120表示：原材料为聚丙烯（PP），标称抗拉强度为120kN/m的单向拉伸塑料土工格栅。

示例3：GGR/PP/BS50—50表示：原材料为聚丙烯（PP），纵横向标称抗拉强度为50kN/m的双向拉伸塑料土工格栅。

2.外观尺寸

国标中对塑料土工格栅产品的网孔均匀性和产品宽度偏差做了要求。铁标中对塑料土工格栅产品的单位面积质量、内孔尺寸和幅宽规格要求。

3.原料类型

塑料土工格栅所使用的原材料主要是聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）。采用两种材料，并同时编入国家标准，其目的是给设计人员提示，使用两种材料生产的格栅，其性能有差别：聚丙烯土工格栅拉伸强度高，伸长率小；高密度聚乙烯土工格栅拉伸强度小，伸长率大，但聚丙烯的蠕变强度比高密度聚乙烯的要差些。设计人员可根据具体工程需要来选择土工格栅的原料类型。

4.拉伸强度和标称伸长率

这是生产和工程应用单位比较重视的指标。为方便选择，同时列出了三种拉伸强度：拉伸强度、2%伸长率时的拉伸强度、5%伸长率时的拉伸强度。前一个指标是指导生产质量控制的主要指标，而后两个指标体现了材料在低应变下的抗拉性能。标称伸长率，体现了产品达到标称强度时对应的延伸率。

5.炭黑含量、分布及抗紫外线强度保留率

由于聚烯烃材料暴露在室外时，太阳光中的紫外线会使聚烯烃材料中大分子链的断裂，从而造成材料力学性能的下降。为了保障产品具有良好的耐候性，需要在材料中添加抗紫外助剂，炭黑是一种优异的抗紫外助剂，而且价格低廉。当材料中的炭黑含量达到一定含量且分布均匀时，产品具有良好的抗紫外性能。衡量产品耐候性的指标是材料的抗紫外线强度保留率：将产品在紫外老化仪中暴露一段时间的辐照样与对照样（未辐照）的拉伸强度比值。

6.蠕变性能

蠕变是材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。这种变形的快慢和蠕变的破坏与材料本身的性能及外界的温度、加载有关。为了保障长期受力的加筋土结构的稳定性，蠕变性能是需要考虑的重要因素之一。

值得说明的是由于聚丙烯和高密度聚乙烯本身具有优异的耐酸碱盐等化学腐蚀性和抗微生物的侵蚀性，因此产品的标准中不对其耐化学试剂和微生物损害作要求。

（二）塑料土工格栅一般性能

1.国家标准规定产品规格及力学性能参数

GB/T 17689—2008，产品的规格及力学性能参数如表5-1-1、表5-1-2、表5-1-3^[4]。

表5-1-1 聚丙烯单拉塑料格栅

表5-1-2 高密度聚乙烯单拉塑料格栅

表5-1-3 聚丙烯双拉塑料格栅

2.铁标规定铁路工程需求

Q/CR 549.2—2016，为了满足铁路工程需求，选择合适的土工格栅产品，对铁路工程土工格栅产品应用进行了分类，且规定^[5]：

①用于铁路路基加筋土挡墙或加筋土陡坡中，通过筋材拉力和筋土界面作用提高结构稳定性的土工格栅主要采用单向拉伸塑料土工格栅（HDPE）。

②用于铁路路堤边坡分层填筑压实、防止溜塌的土工格栅主要采用双向拉伸塑料土工格栅或双向经编涤纶土工格栅。

③用于铁路工程地基处理中，协调受力与变形的土工格栅主要采用单（双）向拉伸塑料土工格栅（PP），双向经编涤纶土工格栅或双向焊接聚酯土工格栅。

塑料土工格栅在铁路工程应用的分类：如表5-1-4^[5]。

表5-1-4 铁路工程土工格栅产品应用分类

注：a—双向经编涤纶土工格栅应埋置于4≤pH≤9的土体中；

b—双向焊接聚酯土工格栅应埋置于4≤pH≤9的土体中。

铁标Q/CR 549.2—2016塑料土工格栅的规格及性能指标如表5-1-5、表5-1-6和表5-1-7^[5]。

表5-1-5 单向拉伸塑料土工格栅（HDPE）的性能指标

续表

注：a.A为土工格栅内孔长度，B为土工格栅内孔宽度。

b.土工格栅连接采用扁形HDPE连接棒。

c.环境温度20℃条件下，100年设计使用年限的指标。蠕变实测时间不少于10000h，并按照附录H推导蠕变折减系数。

表5-1-6 单向拉伸塑料土工格栅（PP）的性能指标

注：a.A为土工格栅内孔长度，B为土工格栅内孔宽度。

表5-1-7 双向拉伸塑料土工格栅（PP）的性能指标

续表

注：a.A为土工格栅内孔长度，B为土工格栅内孔宽度。

3.主要参考以上两个标准的塑料土工格栅性能

（1）拉伸强度（抗拉强度）

塑料土工格栅的拉伸强度是在规定的试验方法和试验条件下，试样在外力作用下出现初始峰值时的拉力，折算成单位宽度的拉力，以千牛每米（kN/m）表示。聚丙烯（PP）单拉塑料土工格栅一般拉伸强度范围在50～200kN/m，高密度聚乙烯（HDPE）单拉塑料土工格栅一般拉伸强度范围在50～180kN/m，聚丙烯（PP）双拉塑料土工格栅一般拉伸强度范围在15～50kN/m。

（2）2%和5%伸长率时的拉伸强度

塑料土工格栅的2%和5%伸长率时的拉伸强度是在规定的试验方法和试验条件下，试样在变形分别在2%和5%伸长率时对应的拉力，折算成单位宽度的拉力，以千牛每米（kN/m）表示。聚丙烯（PP）单拉塑料土工格栅一般2%伸长率时的拉伸强度范围在15～70kN/m，高密度聚乙烯（HDPE）单拉塑料土工格栅一般拉伸强度范围在12～52kN/m，聚丙烯（PP）双拉塑料土工格栅一般拉伸强度范围在5～17.5kN/m；5%伸长率时的拉伸强度大约是2%伸长率时的2倍。

（3）标称伸长率

当拉伸拉力达到相应规格产品要求的最小强度值时的应变。聚丙烯（PP）单拉塑料土工格栅的标称伸长率≤10%，高密度聚乙烯（HDPE）单拉塑料土工格栅的标称伸长率≤11.5%，聚丙烯（P P）双拉塑料土工格栅的纵/横向标称伸长率≤15/13%。这些指标是根据大量试验得来的，既是生产控制指标，也是设计参考指标。

以上指标常用的测试方法有：GB/T 17689，Q/CR 549.2，ISO 10319，ASTM D6637等。ISO 10319在国际上用的比较广泛，适用于大部分土工合成材料的拉伸测试，GB/T 17689中的测试方法主要参考了该标准；ASTM D6637只是土工格栅的拉伸测试。ISO 10319和ASTM D6637两者的测试基本原理为：在一定的温度下，用恒速拉力机，夹持好拉伸试样，以一定的速度拉伸试样，直到试样破坏，测得试样在不同变形下的抗拉力，再根据各个指标定义进行取值和计算。两者在测试条件和细节上稍有差异。Q/CR 549.2—2016中的测试方法，参考了这两个国际上通用的标准。

此外，由于土工格栅网格结构中，节点是网格的交界点。节点自身的强度和稳定性对于发挥对填料的咬合嵌固性和承载时的应力扩散传递起到关键作用，决定了土工格栅加筋性能的好坏。对于塑料土工格栅，节点和肋条为完整一体，而不是经编或焊接的，节点的拉伸强度达到肋条强度的90%以上。国际上对格栅节（结）点强度的测试也有相应的标准，如GRI-GG2和ASTM D7737等。其测试基本原理为：一端与夹具平行方向只夹持节（结）点两侧的肋条，节点放空；另一端夹具夹持肋条或节点，以一定的速度在恒速拉力机上拉伸，直到试样破坏，得到格栅节（结）点的拉力。将节点的拉力与格栅单肋的拉力相比，可以得到节点的强度效率^[6，7]。

（4）耐久性能（炭黑含量与分布、抗紫外线强度保留率）

由于一般建筑结构设计使用年限应大于50年，特别重要的建筑结构设计使用年限甚至100年，因此对加筋土结构中使用的加筋材料的耐久性有较高要求。主要包括：耐候性（抗紫外）、耐热氧老化、耐酸碱和微生物腐蚀等。

为了使材料具有良好的耐候性，国内的产品标准要求材料中炭黑含量≥2.0%，灰分≤1.0%，且分布均匀分散表观等级不低于B级。土工格栅抗紫外线性能试验中，经辐照后的样品抗拉强度与对照样抗拉强度的比值，以百分比（%）表示。塑料土工格栅的抗紫外线强度保留率≥90%。

对于聚丙烯和高密度聚乙烯制成的塑料土工格栅，其本身具有优异的耐酸碱盐和微生物腐蚀性能，其化学和微生物因素的影响折减系数为1.0。国内标准中对材料的抗热氧老化性能没有加以规定，为了达到100年的长期设计寿命，材料中应添加抗氧剂，避免在工程使用中的热氧老化。

炭黑含量和灰分的测试主要采用热失重方法。炭黑分布主要采用超薄切片或压片，在显微镜下观察炭黑分布的情况。抗紫外、耐热氧老化、耐酸碱和微生物腐蚀等耐久性测试，主要是对比在加速老化或腐蚀条件下暴露试样的强度保留率。

（5）连接强度

当单向格栅在受力的方向进行搭接时，连接强度也需考虑，避免连接方式不当造成产品性能在连接处的失效。连接强度的测试方法在铁标Q/CR 549.2附录D中有详细的描述。

（6）蠕变性能

根据工程的需要，国标对该性能提出要求为RFcr应满足工程设计年限的要求，铁标要求环境温度20℃条件下，100年设计使用年限的指标为：蠕变折减系数2.2～3.0。该性能的测试方法主要有QB/T 2854，其测试原理是测试塑料土工格栅试样在不同温度和载荷下的蠕变变形和蠕变失效的时间，利用时温等效原理和数据外推测得试样的蠕变强度。利用拉伸强度除以蠕变强度得到材料的蠕变折减系数^[8]。

（7）施工损伤性

土工合成材料在工程使用中，受填料和压实的影响，材料的力学性能会有损失。对于不同的塑料土工格栅、不同的填料（类型、粒径）施工损伤的折减也不同，这也是生产厂家和工厂使用单位应当重视的问题之一。土工合成材料的施工损伤因子的测试方法主要有JT/T 974—2015，其测试原理是采用施工现场的实际填料或不同类型的填料和压实方式对土工合成材料进行铺设和压实，然后挖出后测试铺设损伤试样的拉伸强度，用标准样片的强度除以铺设损伤试样的强度，得到施工损伤因子^[9]。该测试方法参考了BS8006和ASTM D5818等规范标准，通过测试获得施工损伤折减因子，保障了加筋材料的工程设计参数的科学性和准确性。

（8）材料的刚度

包括平面刚度和抗扭刚度。目前，国内土工材料产品的标准还没有涉及。在国外，由于材料的平面刚度和抗扭刚度也是土工格栅加筋性能的影响两项因素，也作为了材料的两项性能指标。平面刚度体现了材料的平面抗弯的硬挺度，扭转刚度体现了材料网孔的稳定性和抗扭转的性能。国外相应的测试方法分别为ASTM D7748和ASTM D7864等。

ASTM D7748的测试原理是：试样在平行于长度尺寸的方向上以一定的速度滑动，直到试样前端从仪器的水平面侧端探出，且当试样的端部在自身质量下弯曲，接触到仪器的侧斜面，该斜面与仪器水平面成一定角度。通过测量探出的长度，并计算弯曲长度和弯曲刚度^[10]。

ASTM D7864的测试原理是：将土工格栅试样放置在方形的水平开孔上，且试样边缘锚定在开口外，在试样的中心节（结）点上，垂直固定金属杆，该金属杆夹紧节（结）点和土工格栅的网格，在杆上施加扭矩，使中心节（结）点和相交的网格弯曲，从而获得一定的扭转角，通过计算扭转除以扭转角，获得试样的扭转刚度^[10]。