土工合成材料由聚合物组成，其蠕变特性影响着加筋土结构的长期性状，蠕变或应力释放可能引起加筋土结构内部应力状态的改变，导致丧失稳定或过大的变形。因此预测土工合成材料筋材的长期蠕变对于结构的安全性、经济性至关重要。当土工合成材料应用于加筋土结构时，土工合成材料的容许抗拉强度取决于蠕变、化学剂破坏、铺设时机械破坏和生物破坏等诸多因素，其中蠕变引起的抗拉强度折减系数最大，例如，聚丙烯无纺织物的折减系数达到5[1]。过大的折减系数限制了一些土工合成材料在加筋土结构中的应用。从大量试验成果看，在比抗拉强度(Tu)小很多的拉伸荷载作用下，试样最终拉断了。例如，聚丙烯有纺织物在40% Tu荷载的作用下，396小时后拉断, 拉断时应变达123%；聚丙烯双向格栅Tensar SS1在40% Tu荷载的作用下，1196小时后拉断,拉断时应变达62% [2]。我国一些加筋土挡墙出现墙面板鼓肚现象，有的倒塌于建成几年以后，分析原因，和土工合成材料的蠕变现象有关。实际上，对蠕变特性的研究一直没有终止，而且愈加重视。这一点从国际土工合成材料学术会议的相关论文数量上可以看出来，1990年第四届会议有6篇蠕变的文章，其后，五、六届分别递增至7和8篇文章，到2002年的第七届会议，增加至12篇文章。与研究的趋势相应，美国的ASTM、英国的BS和国际标准化协会ISO，以及我国的水利部SL也在发布和不断改进关于蠕变试验的标准（见参考文献[3][6]）。

　　本文试图综述土工合成材料蠕变试验的进展，提出笔者的一些想法，以利于进一步的应用和研究。

　　蠕变机理与影响因素

　　蠕变的概念

　　蠕变是指在长期固定荷载作用下材料的变形随时间增长的现象。土工合成材料的原料主要有聚脂（PET）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP），这些热塑性材料本身具有粘弹性特点，在不变拉伸荷载的作用下，拉应变不是唯一的，随荷载的作用时间不断发展。有几个重要的指标影响聚合物的蠕变特性，一是玻璃化温度（Tg），Tg是指非晶态聚合物从玻璃态向高弹态转变的临界温度，不同聚合物的Tg是不同的。例如，PET的Tg约75℃,PP的Tg在-10-15℃， HDPE的Tg约-80℃。当聚合物的环境温度低于其Tg时，聚合物中的非结晶区的分子处于冻结状态，分子键不易移动，蠕变性低，故聚脂的蠕变性远低于聚丙烯和聚乙烯[7]。

　　第二个指标是拉伸取向。聚合物的拉伸过程分三个阶段，第一阶段为弹性阶段，过屈服点后进入第二阶段，应力应变曲线呈水平，当应变达一定值后，应力又随应变而增长。因此，聚合物原料应拉伸到位，进入第三阶段，后期蠕变就不明显；所谓取向是使分子键定向排列，这时聚合物呈各向异性，取向方向的强度大大提高了。

　　第三个指标是分子量。聚合物的分子量不是一个常数，而是一个平均值，要使聚合物具有一定的强度，其分子量必须达到一定的数量以上，此外，对分子量的范围也有严格的要求，分布范围过宽将影响分子的取向，特别是在格栅的结点处。

　　以上三个影响蠕变的指标涉及产品的原料和加工质量。反过来讲，蠕变试验是检验土工合成材料产品质量的最有效的指标。

　　影响蠕变的因素

　　蠕变的影响因素除聚合物的种类外，还与荷载水平（试验中筋材所受拉力与抗拉强度之比）、筋材结构、温度、损伤、及侧限条件有关[7]。聚合物不同，蠕变性质相差很大，比如，PP织物的变形率约为PET织物的10倍左右，这一倍数不受侧限（织物平面两侧）压力影响，而材料相同结构不同、工艺不同的织物，蠕变特性相似[8]。

　　基金项目：国家自然科学基金资助项目成果 （批准号：50279036）

　　在亚热带和热带地区土工合成材料的温度有可能高达40℃以上，文献[9]报道了PET有纺格栅在40℃和60℃温度下的蠕变试验。试验是在50mm直径的玻璃管中进行的，结果表明，对短期的抗拉强度，40℃和20℃没有差别，而60℃比20℃下降约5%，；比较20℃的长期强度（114年），40℃下降约4%，60℃下降约8-10%。美国州公路和运输管理人员协会（AASHTO）对PP材料的有纺织物进行了试验，荷载水平为0.5，选取温度分别为20℃、40℃和60℃，试验结果表明，当应变超过20%时，不同温度下的蠕变迥然不同；在40℃和60℃状态下，当伸长率接近80%时，试样发生破坏，而在20℃状态下看不到试样破坏。可以得出结论，聚烯烃蠕变受温度影响很大。文献[10]比较PP和PE无纺织物在10℃和30℃的蠕变特性，得到相同结论。温度通过影响分子间的连接来影响土工织物的蠕变特性，温度对PP，HDPE蠕变特性的影响比PET大[11]。

　　土工织物的蠕变特性还随荷载级别（占抗拉强度的百分比）的不同而不同。AASHTO对长纤维无纺织物NW3（PET）、NW4((PP)和有纺织物W2（PP）进行了不同荷载水平的蠕变试验，结果表明NW3受荷载水平影响很小，而NW4与W2受荷载水平影响很大，当荷载水平增加时，需要很长时间和较大变形才能使变形率达到一个较小值[7]。

　　当土工织物受到土侧限时，两者的摩擦阻力降低了土工织物的蠕变性。尤其在初步蠕变阶段，侧限大大减小了蠕变现象。AASHTO进行的有侧限试验，温度为20℃，织物法向的侧限压力为0～200kPa，以50kPa一级逐渐递加，试验结果为，PET长纤维无纺织物和PP有纺织物的蠕变几乎不受侧压的影响，而PP长纤维无纺织物的蠕变伸长率减小。由此可见，侧限不影响不同结构织物的蠕变,但对PP材料的无纺织物有影响[7]。

　　下文还将进一步介绍侧限对蠕变的影响。

　　蠕变试验方法的比较

　　蠕变试验一般依据规范进行。现对 ASTM 、BS和ISO等标准中关于蠕变的试验方法进行比较，其

　　相同之处有：

　　都是在无侧限条件下的试验，即在空气中的试验。

　　施加的荷载精度都是 1%。

　　SL和ASTM中计算应变公式和图表相同。

　　标准的蠕变曲线是应变随时间变化的曲线

　　ε=（ΔL×100）/ Lg (1)

　　ε——蠕变应变，%；

　　ΔL——加预拉荷载至测读时间的伸长量，mm；

　　Lg——初始计量长度与预拉荷载伸长量之和，mm。

　　对于土工格栅，按下式计算单宽荷载：

　　a=（F/ NR）×NT (2)

　　a——单宽荷载，kN/m；

　　F——施加的荷载，kN；

　　NR——试样的肋条数；

　　NT——单位宽度的肋条数。

　　它们的不同之处为：对试验持续的时间，BS

　　要求 10000小时，其他标准均要求 1000小时，BS的 Lg不包括预拉荷载伸长量。别的不同之处列于表1。此外，大多试验成果还提供了试样的初始应变和蠕变曲线中直线段的斜率（蠕变率），有的试验还给出了抗拉模量与时间对数的关系曲线，以及等时曲线（某一时间的单宽荷载与应变的关系曲线）[2]。

　　蠕变试验标准的比较 表 1（略）

　　侧限条件下的蠕变特性

　　首次进行的侧限蠕变试验是在试样的两侧加装钢盒，使织物每侧与10mm厚的砂层接触，并用气动装置加侧向压力，试验发现随侧向压力增大，蠕变减小，特别是无纺织物[12]。文献[13]中织物在砂土中的拉伸试验，压力（75和150kPa）借助杠杆用砝码施加、拉力用砝码施加，织物拉力取(T1+T2)/2, 应变通过固定在织物上，并伸出盒前后边缘的测针量测，参见图1。试验结果也表明，压力作用下无纺织物的蠕变减小比有纺织物大，考虑到沿织物平面的排水性能，无纺织物亦可作为筋材。

　　图1 土工织物在土中的蠕变试验（略）

　　文献[14]介绍的无纺织物室内模型试验表明，在侧限压力100 和200 kPa作用下，蠕变应变明显减小。为了模拟土中织物拉力和应变的变化，假设变形沿织物在土中的长度呈线性变化、因摩擦而减小的拉力呈抛物线变化，并将土的摩擦力从拉力中分离开来。文献[15]提交了现场蠕变试验的结果。用砂填起一个高3m的坡，使坡中的无纺织物试样承受10和50kPa的侧限压力，织物拉力借助安装于堤外的框架、滑轮和砝码施加，加载1000小时，砂中装有土压力盒，8个固定于织物上的定位标记和拉伸应变仪。试验发现： 应变沿织物长度呈线性分布；因侧限作用，织物的初始应变可忽略不计； 试样和侧限介质的摩擦力降低了沿拉伸方向的蠕变荷载水平；侧限条件下的应变比无侧限条件下的应变明显要小；蠕变率随时间减小，但比无侧限条件下要大

　　时温叠加法和分级等温法

　　由于常规的蠕变试验须持续长达1000小时以上，控制环境的温度湿度等条件，使试验耗时长、费用高。时温叠加法（TTS）和分级等温法（SIM）是加速蠕变试验的方法。

　　(1)TTS (Time Temperature Superposition)法[16][17]

　　TTS方法即常规的时温叠加法。选取一种参考温度如T1=20℃，在不同级别的升高温度,如T2=40℃，T3=60℃，T4=80℃条件下，施加同一种荷载水平，完成较短历时的蠕变试验，并绘制应变和时间的关系曲线(参见图2)，把每种升高温度下的曲线沿水平轴移动，光滑接在较低温度的曲线上就得到更长历时的蠕变主曲线。为了不改变材料的物理特性，试验的温度须超过其玻璃化温度，而低于熔点温度。沿时间轴移动的水平距离at可由WLF方程（Williams, Landel, Ferry发展了一种经验方程）确定:

　　㏒（at）=－C1（T－Tg）/（C2＋T－Tg）（3）

　　C1 C2——常量，依据聚合物类别的不同有轻微的差别 ；

　　T—变化的温度；

　　Tg—材料的玻璃转换温度。

　　TTS加速蠕变试验首先应用于塑料管(Task Force 27,Guidlines 1989),其后不同研究者研究温度对蠕变的影响，主要和聚合物分子结构、生产工艺和分子取向性等因素有关，例如，PET具有较强的分子粘结力，受温度的影响小于 PP和PE材料，因此，导致PET材料的 TTS过程具有不确定性，以至需要反复试验确定 at，确定应变曲线的准确位置。

　　图2 时温叠加法（TTS）示意图（略）

　　(2) SIM(Step Isothermal Method)法[18][19]

　　该法是一种新型的TTS法，沿用了沿水平轴移动得到主曲线的原理，克服了常规法和TTS法的缺点，加速了蠕变试验过程、降低了试验费用，且效果好。SIM方法是在同一种荷载水平下做不同温度级别的试验，每个不同温度级别的试验持续2小时，两种温度级别的升高时间仅需一分钟。用到的器材和设备与常规试验一样，仅多一个能装加载框架和夹具系统的温度控制箱。从加速试验的数据可得到一种在不同温度下的唯一的主曲线。由于仅用一个试样得到主曲线故不存在at的不确定性，也就不存在试样间的差别。

　　SIM是用并列的蠕变曲线得到主曲线。画出每种增加的温度下的图形后，通过调整每种温度级别开始的时间把不同温度段的曲线图连接起来得到主曲线。参考温度下的第一段图不需要调整，接着的第二段图要考虑先前蠕变的影响。如果完成得正确，则会使每种温度级别的图形的最初的斜率与前一段图末尾的斜率相匹配。连接每一段后成为一条主曲线。每段相对参考温度移动的水平距离就是那种温度下at的对数值。

　　其他蠕变试验

　　本节简单介绍动荷载作用下土工织物的蠕变性质、土工泡沫和土工合成材料粘土垫层(GCL)的蠕变试验，以及铺设破坏与蠕变结合的试验。

　　路面加筋、交通荷载和波浪作用下的加筋挡土墙和边坡等，常承受动力或往复荷载。文献[20]选用PP无纺织物、PET有纺织物和HDPE格栅在一定的荷载（ 50%Tu）反复作用下(每次作用和间隔的时间均为0.5分钟)，次数为1000次，得到不同作用次数的荷载与应变的曲线。根据设计应变，例如PP无纺织物为5%，可以查得某个作用次数下对应的荷载。

　　GCL常用于垃圾填埋场和渠道的防渗垫层，其蠕变决定了运行的可靠性。对针刺和缝合加固的三种GCL试样完成了1000小时的蠕变试验，在60%Tu荷载作用下，未发现纤维断裂或拔出现象，在30%Tu荷载作用下，外推至114年，试样伸长不超过10mm[21].

　　土工泡沫用于刚性挡土墙墙背的填料，可减小土压力。文献[22]用有限元法和一个10m高挡土墙的实测资料分析土工泡沫蠕变的影响。当迅速加载时横向应力最大，随着蠕变的发展，土压力明显减小，小于静止土压力，甚至小于主动土压力。在沿墙高只铺部分土工泡沫的情况，可分析出拱效应，但最好是铺设整个高度，不仅土压力减小，且合力作用点下移。

　　土工合成材料的耐久性受铺设时的机械破坏和蠕变的影响，设计时分别给抗拉强度以折减系数。文献[23]对不同土工合成材料进行拉伸、蠕变试验，并通过室内模拟施工破坏和挖出已铺设的材料再试验等方法，分析对材料短期和长期特性的影响，得出结论，用传统的设计方法明显趋于保守。

　　结语

　　（1）蠕变特性主要取决于原材料种类和荷载水平，可用于评价产品的质量和确定容许抗拉强度；

　　（2）继续开展土工合成材料在土的侧限压力下蠕变特性的研究, 例如，受界面摩擦力的影响，材料在土中承受的实际荷载如何测量和计算；

　　（3）对不同聚合物的筋材和对长期强度与变形有具体要求的加筋土结构，给出更准确的蠕变折减系数；

　　（4）完善和创新加速蠕变试验的方法；

　　（5）希望能看到已出现大变形、甚至已倒塌加筋土建筑的报导和原因分析的文章；

　　（6）土工合成材料的生产厂家和检测机构必须对筋材进行蠕变试验，提供规定荷载水平下的长期蠕变特性；对用充填物改性的聚合物产品和不同聚合物共混改性的产品，更应具有权威检测机构出具的蠕变特性报告；

　　（7）建设单位应拒绝采用无蠕变特性的土工合成材料筋材。