[发明专利]用于负载支承应用的土工格室

说明书

背景技术

本发明涉及一种格室加固体系(也称为CCS或土工格室)，所述格室加固体系适用于支承载荷，如在公路、铁路、停车场和人行道(pavement)上所存在的载荷。特别是，本发明的土工格室在经过大量的负载循环和温度循环后仍能保持其尺寸，从而使得在土工格室的整个设计寿命期内，仍然能够保持所需的填料加固作用。

格室加固体系(CCS)是一种类似于“蜂窝”状结构的加固格室阵列，其中填充有颗粒填料，所述颗粒填料可为无粘性土、沙、砂砾、道渣、碎石或任何一种其它类型的颗粒状聚集体(aggregate)。CCS(也称为土工格室)主要应用于需要较低机械强度和刚度的土木工程应用中，例如坡面防护(以防止侵蚀)，或为斜坡提供侧向支承。

CCS与其它的土工合成材料(例如土工格栅或土工布)的不同之处在于，所述土工格栅/土工布为平(即二维)的，并且用于平面加固。所述土工格栅/土工布仅在非常有限的垂直距离上(通常为颗粒材料平均尺寸的1-2倍)提供加固作用，并且局限于平均尺寸为大于约20mm的颗粒材料。这就使得二维土工合成材料的选材局限于相对贵重的颗粒材料(道渣、碎石和砂砾)，因为它们几乎不能对较低质量的颗粒材料(如再生沥青、混凝土碎料、粉煤灰和采石场废料)提供任何加固或加强作用。与此形成对比的是，CCS为在所有方向(即沿着各格室的整个横截面)上提供加固作用的三维结构。此外，多格室的几何形状提供了被动抗力，其提高了承载能力。与二维土工合成材料不同，土工格室可为平均粒度小于约20mm的颗粒材料(在某些情况下，为平均粒度小于或等于约10mm的材料)提供加固和加强作用。

在世界范围内，土工格室由一些公司(包括Presto公司)制造。Presto的土工格室以及其大多数仿造者的土工格室由聚乙烯(PE)制 成。聚乙烯(PE)可为高密度聚乙烯(HDPE)或中密度聚乙烯(MDPE)。在下文中，术语“HDPE”是指特征在于其密度大于0.940g/cm³的聚乙烯。术语“中密度聚乙烯(MDPE)”是指特征在于其密度大于0.925g/cm³但不大于0.940g/cm³的聚乙烯。术语“低密度聚乙烯(LDPE)”是指特征在于其密度为0.91g/cm³至0.925g/cm³的聚乙烯。

由HDPE和MDPE制成的土工格室为光滑或带纹理的。市场上最常见的是带纹理的土工格室，因为纹理可使得土工格室壁与填料间具有额外的摩擦力。虽然理论上HDPE可具有大于15兆帕(MPa)的抗拉强度(屈服拉伸应力或断裂拉伸应力)，但在实践中，当从土工格室壁取出样本并根据ASTM D638进行测试时，其强度不足以用于负载支承应用(例如公路和铁路)，即使在150％/分钟的高应变率下其强度仅能达到14MPa。

当根据ASTM D4065通过动态机械分析(DMA)进行分析时，可清楚地观察到HDPE和MDPE的较差性能：其在23℃下的储能模量低于约400MPa。随着温度升高，其储能模量急剧下降，并在约75℃的温度下低于可用的水平，从而限制了其作为负载支承加固物的用途。这些中等的机械性能足以实现坡面防护，但不适用于使用期被设计为超过五年的长期负载支承应用。

用于预测聚合物的长期蠕变相关行为的另一种方法为，根据ASTM 6992通过分级等温法(SIM)进行加速蠕变试验。在此方法中，在分级升温过程中对聚合物样品施加恒定载荷。升温步骤加速了蠕变。该方法能够推断样品的长期(甚至超过100年)性能。通常，当对PE和PP进行测试时，将导致10％的塑性变形的载荷称为“长期设计强度”，并且在土工合成材料中用作设计容许强度(allowed strength for designs)。由于PE和PP在超过10％塑性变形时会发生二次蠕变，因此避免使用导致大于10％的塑性变形的载荷。二次蠕变是不可预测的，并且PE和PP在此模式下具有“裂纹”的倾向。