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CN111395086A - 具有改善的抗压缩性和抗变形性的土工格室 - Google Patents

具有改善的抗压缩性和抗变形性的土工格室 Download PDF

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CN111395086A
CN111395086A CN202010315900.0A CN202010315900A CN111395086A CN 111395086 A CN111395086 A CN 111395086A CN 202010315900 A CN202010315900 A CN 202010315900A CN 111395086 A CN111395086 A CN 111395086A
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CN
China
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geocell
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strips
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Application number
CN202010315900.0A
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伊扎尔·哈拉米
奥德艾德·埃雷兹
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PRS Mediterranean Ltd
Original Assignee
PRS Mediterranean Ltd
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Abstract

本文公开了具有改善的抗压缩性和抗变形性的由聚合物条带(14、22和24)制得的土工格室(20)。所述抗压缩性指在所述土工格室的安装过程中当土工格室(20)被填充时的形变。所述抗变形性指在通过利用本文描述的方法模拟所述土工格室(20)的使用过程中的形变。

Description

具有改善的抗压缩性和抗变形性的土工格室
本申请是申请日为2015年2月12日，发明名称为“具有改善的抗压缩性和抗变形性的土工格室”的中国专利申请2015800037348的分案申请。
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2014年2月12日提交的美国临时专利序列No.61/939,198的优先权。通过引用该申请完全并入本文。
背景技术
本发明的公开内容涉及具有改善的抗压缩性和抗变形性的土工格室。
在运输工程中，在路面施工中的多个层是已知的。这些层包括路基层、基层、底层和路面层或面层。所述路基层是天然材料而且作为路面的基础。通常，将土地表面的土壤或松散材料挖走或以其他方式移除，以露出所述路基层。所述基层铺设在路基层上，并作为负荷承载层。所述基层将载荷均匀地分散在路基层上，并还能用于形成水平表面。所述底层铺设在基层上，并用于承载载荷。取决于所述路面的所需用途，可将另一种层置于底层上，且这种层可称作路面基层。然后将所述路面层或表面层置于该层之上，即所述路面表面上的暴露层。例如，所述表面层可以是沥青(例如道路或停车场)或混凝土(例如人行道)。
铺装道路和铁路对于它们的底层和/或基层的塑性变形十分敏感。这两种层的1％-3％的应变能够导致沥青表面层(道路)的裂纹，并能导致轨道(铁路)的变形。
土工格室在坡面侵蚀控制与土壤稳定中已经被使用了多年。所述土工格室作为填充物的“容器”，减缓了它的腐蚀，但又不会增大它的弹性模量。有时土工格室用于临时路面，大部分是用沙的情况，但是这种临时路面的设计寿命最多限于几个月。
例如铁路、混凝土面和沥青集料面道路等长期路面，通常由于表面层的屈服而破坏，产生开裂和车辙。表面层屈服的主要原因是强度差、硬度差、和/或底层和/或基层的长期稳定性差。这导致表面层底部的变形。
通常，在底层或基层的2％-4％范围内的形变下，表面层开始破坏。现有技术中的土工格室已用于稳定底层或基层，但即使在低车流情况下，仍不能满足要求。
需要一种土工格室，其能够在安装过程中提供给填充物以足够的约束，同时在之后使用时能限制塑性(不可恢复、非弹性)变形在某一水平内，这样的变形水平能够保证混凝土或沥青基表面层或铁路的稳定性。这种土工格室需要能够形成足够的硬度以在安装过程中被填充，并且在许多车辆通过情况下能保持尺寸稳性。
发明详述
本发明内容涉及一种土工格室，所述土工格室适用于增强并限定道路基或铁路基的填充物。通常而言，在安装过程中当土工格室被填充物填满并且进行压缩时，所述土工格室经受高瞬态载荷。当车辆在其上施加载荷时，土工格室还在使用时经受恒定的重复载荷。本发明所述的土工格室在安装和/或使用时抵抗变形。这种性能可根据本文描述的那样进行测试。
通常，本发明所述的土工格室在安装时具有至多3.5％的形变。目视检查未见局部应力集中或塑性屈服的迹象。
通常，本发明所述的土工格室在使用时具有至多3％的形变。目视检查仍然未见局部应力集中或塑性屈服的迹象。
在下文中将更详细描述本发明的这些以及其他非限制性方面。
附图说明
以下是附图简述，其为说明本文公开的示例性实施方式而非限制目的。
图1是本发明的土工格室在其扩展状态下的透视图。
图2是本发明的用于制造穿孔土工格室的聚合物条带的放大透视图。
图3是测试箱室的图，所述测试箱室装有从土工格室壁上切下的两个条带，所述条带被安装并夹紧。
图4是显示在安装中负载用于测试形变的载荷后的三个条带的图，左边(棕色)和中间(黑色)的条带为现有技术，而右边条带(灰色)为本发明。
图5是显示在使用过程中，在测试形变的中间负载载荷后的两个条带的图，右边的条带(黑色)为现有技术，而左边的条带(灰色)为本发明。
具体实施方式
通过参考附图，可以得到对本文公开的部件、方法和装置的更完整的理解。基于描述本发明的便利，这些图仅为示意图，因此不意欲表示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方式的范围。
尽管为了清楚起见，以下描述中使用了具体术语，但这些术语仅指选择用于说明附图的实施方式的特定结构，而不是意欲限定或限制本发明的范围。在下面的附图和描述中，应理解类似数字符号指代具有类似功能的元件。
除非上下文明确指出，单数形式的“一个”、“一”和“所述”包括复数形式的指代物。
在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为：包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述类型的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。
本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2mm至10mm”包括端点2mm和10mm，并且包括全部的中间值)。
由一个或多个术语(如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端点的绝对值所确定的范围。例如，“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。术语“约”可指代所提到的数值加或减10％。
土工格室(也称作格室加固体系(CCS))是三维土工合成产品，其用于许多土工技术应用中，例如土壤侵蚀防护、渠道衬砌、加筋土挡墙结构和铺装道路的支撑。CCS是类似“蜂窝”结构的填满填充物的加固格室系列，所述填充物可以为无粘性土壤、砂、壤土、采石废料、砾石、碎石或其他任意类型的集料。CCS用于土木工程应用以防止侵蚀或提供侧向支撑，例如土壤的挡墙、沙包墙或重力墙的替代物、以及道路、铺装道路和铁路的基础。形成对比的是，土工格栅通常是平坦(即二维)的，并用作平面加固，而CCS是这样的三维结构，其在各格室内具有作用在所有壁上的内部力矢量。土工格室和土工格栅也可以通过它们的垂直高度来区分。土工格室的垂直高度为至少20mm，而土工格栅的垂直高度为约0.5mm至2mm。
图1是扩展状态下的土工格室的透视图。所述土工格室10包含多个聚合物条带14。相邻的条带沿着离散的物理接缝16结合在一起。所述结合可通过粘结、缝纫或焊接进行，但通常通过焊接完成。每个条带的在两个接缝16之间的部分形成独立格室20的格室壁18。每个格室20具有由两种不同聚合物条带制成的格室壁。条带14被结合在一起使得在扩展时由多个条带形成蜂窝图案。例如，外侧条带22和内侧条带24在接缝16处结合在一起，所述接缝16沿着条带22和24的长度规则间隔。一对内侧条带24沿接缝32结合在一起。每个接缝32在两个接缝16之间。结果，当多个条带14在和所述条带表面垂直的方向上被拉伸或扩展时，所述条带以正弦曲线方式弯曲以形成土工格室10。在土工格室的边缘处，两个聚合物条带22、24的端部相接，产生从端部28开始一小段距离的端部焊缝26(也视作结合点)从而形成稳定两个聚合物条带22、24的短尾30。这种土工格室也可指一部分，当其与其它土工格室在比由单个部分实际上所能覆盖的更大面积上组合时尤其是如此。
图2是聚合物条带14的放大透视图，其显示长度40、高度42和宽度44、和接缝16作为参考。所述长度40、高度42和宽度44沿所指方向测量。当所述土工格室在其折叠或压缩状态时测量长度。在压缩状态，每个格室20可视作不具有体积，而扩展状态通常指当所述土工格室已经扩展至其最大可能容量的时候。在实施方式中，所述土工格室高度43为约50毫米(mm)至约200mm。所述土工格室的尺寸(在展开状态时测量的接缝之间的距离)可以为约200mm至约600mm。
所述土工格室可由聚乙烯(PE)、中密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)和/或聚烯烃与聚酰胺或聚酯的共混物制得。在下文术语“HDPE”是指特征为密度大于0.940g/cm3的聚乙烯。术语中密度聚乙烯(MDPE)是指特征为密度大于0.925g/cm3至0.940g/cm3的聚乙烯。术语线性低密度聚乙烯(LLDPE)是指特征为密度在0.91g/cm3至0.925g/cm3的聚乙烯。所述条带以并列方式焊接在一起，焊缝之间的距离为约200mm至约600mm。
土工格室通常的条带壁厚是1.27毫米(mm)，可在1.0mm至1.7mm的范围内变化。所述格室壁可为穿孔的和/或压印的。
本发明的土工格室在安装过程中具有低形变。给定的土工格室在安装过程中可利用以下方法测试形变。首先，从所述土工格室获得格室条带。该格室条带基本上是图1中从接缝16延伸至接缝16(非接缝32)的格室壁。该格室条带的长度是接缝之间的距离，且这种格室条带的宽度等于所述格室的高度(图2中的方向42)。所述格室条带在上夹具和下夹具之间被夹紧，所述夹具沿接缝设置，使得所述格室条带的长度在所述夹具之间延伸。所述上夹具不动并连到框架上。相反，所述下夹具不受限制并能摆动。可在下夹具上施加载荷，且在测试中用于使条带变形。然后施加6.1千牛/米的载荷至下夹具上，所述载荷垂直于所述格室条带的接缝。在环境温度下(23℃±3℃)施加该载荷达90分钟以模拟安装过程中的形变(称作安装应变)。在完成90分钟后，测量总形变。用总形变除以格室条带的原始长度得到形变的百分比。本发明的土工格室的安装应变为至多3.5％。在具体实施方式中，在需要提高稳定性时，所述安装应变为至多3％。所述格室条带还不应出现局部塑性屈服迹象(目测时)。
在这方面，所述6.1千牛/米载荷是通过在压缩阶段(在土工格室中添加并压实填充物时)的典型基础设计中应力的计算得到的。所述90分钟时间周期模拟了足以实现所述填充物和土工格室(压实和加固)之间稳定且可预见的相互作用的典型周期。
通常在安装过程中要求一些形变，以保证对填充物的充分加固。然而，安装过程中大于约3.5％的形变引发两种不希望的现象：(a)土工格室中穿孔区域内的不可逆塑性屈服，导致所述区域在使用时易过早开裂；和(b)对填充物加固不充分，导致底层或基层的硬度差、重复承受载荷的能力差、和不希望的填充物向下和水平流动。在安装步骤中现有技术的土工格室的形变显著更高，通常为6％或更大。此外，在现有技术的土工格室中高穿孔区域(特征为严重的塑性屈服)之后可能在使用过程中会发生灾难性的破坏。在这方面，应当，注意测试了格室条带，而且为了方便起见所述格室条带的性能也归因于所述土工格室。
图3是箱室的图，所述箱室包括两个由土工格室切下的格室条带，所述条带被安装并夹紧。对从下夹具向下延伸的臂施加载荷。在所述箱室的框架上装有精确的挠度计，且其计量端触及由载荷延伸的板。在载荷测试的变形过程中，可在特定时段在挠度计读出所述形变。
图4是已经测试安装中的形变的三个不同格室条带的图。左边的条带和中间的条带为现有技术的条带。所述左边的条带厚度为1.5mm且由HDPE制得。所述中间的条带厚度为1.6mm且也由HDPE制得。目测可见明显形变，且穿孔发生不可逆形变。还在穿孔的附近观察到明显的屈服和冷流标志。这两种土工格室经历了塑性屈服，且不推荐在底层或基层中长期使用。这是因为下列事实：已知聚合物在塑性屈服之后产生开裂(在载荷下不可预测的灾难性破坏)。仅在90分钟内的这种形变是不可接受的，且这些现有技术的土工格室不适用于底层增强。
最右边的条带是根据本发明所述的格室条带，其厚度为1.4mm。所述土工格室由HDPE和聚酰胺的低蠕变共混物制得，且优化了穿孔图案以避免局部塑性屈服。其形变低得多，且穿孔未发生变化，所述条带未发生塑性屈服。因此，推荐在底层或基层中长期使用这种条带。
有利地，本发明所述的土工格室适用于增强和加固道路底层、道路基层、工业地板、在膨胀黏土上的铺装路面、铁路底层或经受中等车流和高车流的铁路基层。所述土工格室在使用时具有低形变。使用以下方法可测试给定土工格室在使用时的形变。首先，从所述土工格室获得格室条带。这种条带基本上是图1中由接缝16延伸至接缝16(非接缝32)的格室壁。所述条带的长度为所述接缝之间的距离，且所述条带的宽度等于所述格室的高度(图2中的方向42)。所述格室条带在上夹具和下夹具之间夹紧，所述夹具沿着所述接缝设置，使得所述条带的长度在所述夹具之间延伸。所述上夹具不动且连到框架上。相反，所述下夹具不受限制且能摆动。通常将所述格室条带置于箱室内，所述箱室能够加热并保持温度在±1℃(即，箱室内空气的温度)的范围内。在下夹具上施加载荷，且在测试时载荷用于使格室条带变形。然后施加6.1千牛/米的载荷至下夹具，所述载荷垂直于所述格室条带的所述接缝。在环境温度下(23℃±3℃)施加所述载荷达90分钟以使所述条带产生形变。
在90分钟完成后，将所述箱室加热至44℃。经过15分钟周期后使所述条带达到均匀的温度。将所述挠度计重置为零。然后在44℃下施加6.1千牛/米的载荷达167分钟。然后在167分钟后，测量并记录所述格室条带在44℃下的形变。目测检查所述格室条带是否有局部塑性形变迹象和局部应力集中。
然后，将所述箱室加热至51℃。经过15分钟周期后使所述格室条带达到均匀的温度。将所述挠度计重置为零。然后在51℃下施加6.1千牛/米的载荷达167分钟。然后在167分钟后，测量并记录所述格室条带在51℃下的形变。目测检查所述格室条带是否有局部塑性形变迹象和局部应力集中。
然后，将所述箱室加热至58℃。经过15分钟周期后使所述格室条带达到均匀的温度。将所述挠度计重置为零。然后在58℃下施加6.1千牛/米的载荷达167分钟。然后在167分钟后，测量并记录所述格室条带在58℃下的形变。目测检查所述格室条带是否有局部塑性形变迹象和局部应力集中。
然后将总形变除以所述条带的原始长度即可得到形变的百分比。如上所述，将所述格室条带在44℃下的形变、所述格室条带在51℃下的形变、和所述格室条带在58℃下的形变相加得到所述总形变。累计的应变称为使用应变。本发明所述的土工格室的使用应变为至多3％。所述格室条带还不应出现局部塑性屈服迹象(当目测观察时)。在具体实施方式中，当需要提高稳定性时，所述格室条带的使用应变为至多2.5％。
应当注意的是：温度44℃、51℃、和58℃指所述箱室被加热到的温度，即所述箱室中的空气的温度。通常，所述条带在循环开始后的约15分钟内与所述箱室的温度达到平衡。
这个方法是根据ASTM D6992修正的，且得到了称作阶梯等温法(SIM)的方法的支持。对步骤的数量和持续时间进行计算以模拟在典型的中度和中度-重度车流下的交通通行状况。
如上所述，在与新的更高温度达到平衡过程中，所述载荷不会被移除。
仍如上所述，当所述箱室被设至新的更高温度时，重置所述挠度计。在某些实施方式中，未重置所述挠度计，且所述总形变为加热至58℃后测量的形变。
图5是表示在44℃加热步骤中的两个格室条带的图，其代表约10％的使用寿命的时间。右边的条带为现有技术的条带，其具有严重的塑性形变。在该阶段，所述形变大于25％。左边的条带为本发明的格室条带，其形变小于0.2％，且目测未表现出扭曲迹象。这种行为保留至测试结束，且左边的条带的总形变为夹具之间原始距离的1.4％。未看到左边的条带扭曲的视觉迹象。
参照示例性实施方式描述了本发明。显然，他人通过阅读和理解之前的详细描述可进行修改和改变。本发明应解释为包括在所附权利要求或其等同方式的范围内的所有这些修改和改变。

Claims (10)

1.一种土工格室，所述土工格室由多个聚合物条带形成，当在垂直于所述条带表面的方向上拉伸时，相邻的条带沿接缝结合在一起从而形成多个具有格室壁的格室；
其中所述土工格室的格室条带的特征在于安装应变为至多3.5％。
2.根据权利要求1所述的土工格室，其中所述土工格室的格室条带的特征在于安装应变为至多3.0％。
3.根据权利要求1所述的土工格室，其中所述土工格室的格室条带的特征在于安装应变为至多2.5％。
4.一种土工格室，所述土工格室由多个聚合物条带形成，当在垂直于所述条带表面的方向上拉伸时，相邻的条带沿接缝结合在一起从而形成多个具有格室壁的格室；
其中所述土工格室的格室条带的使用应变为至多3.0％。
5.根据权利要求4所述的土工格室，其中所述土工格室的格室条带的使用应变为至多2.5％。
6.根据权利要求4所述的土工格室，其中所述使用应变是根据以下方法测量的：
从格室壁的一条接缝至所述格室壁的另一条接缝进行切割以获得所述格室条带，所述格室条带的长度为所述接缝之间的距离，且所述格室条带的宽度等于所述格室的高度；
将所述格室条带在上夹具和下夹具之间夹紧，其中所述上夹具不动并连到框架上，所述下夹具不受限制并能载重，将所述夹具置于允许进行温度调节的箱室内；
在环境温度下，将6.1千牛/米的载荷施加至所述下夹具持续90分钟，所述载荷垂直于所述格室条带的所述接缝；
将所述箱室加热至44℃并等待15分钟以使所述格室条带达到均匀的温度；
在44℃下施加6.1千牛/米的载荷至所述下夹具持续167分钟，所述载荷垂直于所述格室条带的所述接缝；
测量所述格室条带在44℃下的形变；
将所述箱室加热至51℃并等待15分钟以使所述格室条带达到均匀的温度；
在51℃下施加6.1千牛/米的载荷至所述下夹具持续167分钟，所述载荷垂直于所述格室条带的所述接缝；
测量所述格室条带在51℃下的形变；
将所述箱室加热至58℃并等待15分钟以使所述格室条带达到均匀的温度；
在58℃下施加6.1千牛/米的载荷至所述下夹具持续167分钟，所述载荷垂直于所述格室条带的所述接缝；且
测量所述格室条带在58℃下的形变；且
将所述格室条带的总形变除以所述上夹具和所述下夹具之间的原始距离从而得到使用应变。
7.根据权利要求6所述的土工格室，其中当所述箱室加热至44℃时、当所述箱室加热至51℃时、和当所述箱室加热至51℃时，将所述6.1千牛/米的载荷从所述下夹具移除。
8.根据权利要求6所述的土工格室，其中当所述箱室加热至44℃时、当所述箱室加热至51℃时、或者当所述箱室加热至51℃时，所述6.1千牛/米的载荷不从所述下夹具移除。
9.根据权利要求6所述的土工格室，其中所述使用应变为在58℃时测量所述格室条带的形变之后所得到的数值。
10.根据权利要求6所述的土工格室，其中使用挠度计测量所述使用应变；
其中在44℃下施加6.1千牛/米的载荷达167分钟之前，将所述挠度计重置为零；
其中在51℃下施加6.1千牛/米的载荷达167分钟之前，将所述挠度计重置为零；且
其中在58℃下施加6.1千牛/米的载荷达167分钟之前，将所述挠度计重置为零；且
其中，通过将所述条带在44℃、51℃和58℃下的形变相加得到所述总形变。
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