具有大高宽比肋的多轴格栅或网状结构 相关申请
本申请享有并要求 2008 年 2 月 15 日提出的共同未决的美国临时申请序列号 US61/064102 的优先权。
技术领域 本发明总体涉及在土木工程和建筑工程领域中用于机械稳定或保持的聚合物格 栅及结合的复合网状结构。更具体而言， 本发明涉及具有大高宽比加强肋的聚合物格栅和 复合网状结构， 尤其是整体土工格栅。这些格栅或网状结构具有沿该结构平面内至少两个 不同轴线设置的股或肋。
背景技术
用于解释土工合成材料加强效果的机理仍然有待发展， 该土工合成材料包括设 置在颗粒材料比如土壤或石头上的多轴土工格栅， 例如当使用加强结构来抵抗车辆交通 的车辙效果时。已有研究表明， 例如在 《铺路工程国际期刊》 (International Journal of PavementEngineering， i First article 2007， 1-11) 第一篇文章 2007， 1-11 中 Kwon 等 人的题为 “集料基础剩余应力影响格栅加强柔性路面反应” (Aggregate Base Residual Stresses Affecting Grid Reinforced FlexiblePavement Response) 的文章中所报告的， 不可能基于土工格栅和颗粒材料各自的个性来描述加强效果。 因此有必要引入复合基体或 刚性限制层的概念， 该复合基体或刚性限制层由土工格栅和被土工格栅限制和约束的颗粒 材料构成。 当颗粒材料土木工程结构由适当设计的具有高接合点强度和结构完整性的土工 合成材料加强时， 例如由整体土工格栅加强时， 所得到的复合基体与未加强结构相比能够 耐受增大的负荷和 / 或减少的变形。
能够解释这种复合基体加强效果的一些因素包括 ： (1) 由于土工格栅的限制使颗 粒材料减少滑动和滚动而增加了可承受载荷 ； (2) 由于颗粒材料和土工格栅之间的摩擦力 造成颗粒材料的剪切抵抗性增加 ； (3) 由于具有坚固接合点的刚性土工格栅的约束作用而 增加了防止大量颗粒材料横向膨出的抵抗性 ； 及 (4) 通过形成在颗粒材料和刚性土工格栅 之间的坚固机械接合增加了变形抵抗性。 该机械接合或者互锁作用据信是取决于土工格栅 孔与颗粒材料相比的相对尺寸。
孔稳定性模量 (ASM)， 即平面内土工格栅刚性的相对度量标准， 是这样一种特 性， 它已经被确认为用来对与车辆交通的轮载荷的车辙抵抗性相关的加强效果进行量 化。采用由几种方法制备的土工格栅材料进行实际现场试验， 来比较使用多轴土工格栅 作为基层加强物的柔性路面的交通性能， 即： 通过对平片材冲孔和拉伸形成的整体土工格 栅， 通过挤出和拉伸格栅形成的整体土工格栅， 以及通过缝编织物形成的土工格栅。参见 (Webster， Steve L. ； 轻型飞机用柔性路面的多轴土工格栅加强基层 ： 试验段构造， 交通时 的性能， 实 验室试验， 以及设计标准 ； 报告 DOT/FAA/RD-92 ； 1992 年 12 月 )(Multi-axial geogridReinforced Base Courses for Flexible Pavements for Light Aircraft ：Test Section Construction， Behavior under Traffic， Laboratory Tests， and Design Criteria)。 结果表明， 沥青路面试验段对重型轮载荷车辙的相对抵抗性与用于孔稳定性模 量的提议试验很相关。
孔稳定性模量试验是这样进行的， 即： 将多轴土工格栅样品夹持在夹具中以稳定 该土工格栅， 然后将小夹子附连在接合点周围区域内的肋上。该接合点夹子附连到滑轮和 配重组成的系统， 以便可以对该接合点施加已知扭矩。用来使接合点周围区域转动指定度 数所需的扭矩量被定义为孔稳定性模量。
如果仅在单个接合点进行， 那么孔稳定性模量试验能够很容易将具有整体形成接 合点的整体土工格栅的刚性相对大的接合点与当仅结合在一起时接合点刚性小得多的土 工格栅区分开。孔稳定性模量还提供了土工格栅刚性的相对指标。例如， 通过缝编聚合物 丝构造的土工格栅比通过对聚合物片冲孔且随后定向而形成的整体土工格栅更加柔性。
由于已经在孔稳定性模量和土工格栅性能之间建立了相关性， 因此近来新型土工 格栅结构的设计工作有时致力于使孔稳定性模量最大化。特别地， 由本发明的受让人所拥 有的美国专利 US7001112( 以下称为 ‘112 专利 ) 教导了 ： 通过采用具有三角形孔的六肋结 构， 与具有以克每平方米表示的相似重量的传统双轴土工格栅相比， 孔稳定性模量比提高 了大约 65％。通过引用把 ‘112 专利的主题专门并入本说明书， 就如同是在本文全部提出 ‘112 专利一样。
在保证格栅结构拥有刚性连接接合点或节点之后， 一种提高孔稳定性模量的手段 是提高土工格栅平面内肋的弯曲刚度。肋对平面内剪切力矩或弯曲力矩的抵抗性越高， 那 么肋对孔的表观 “刚度” 贡献就越大， 表观 “刚度” 是通过用于确定孔稳定性模量的技术来 度量的。给定量肋材的最佳平面内剪切和弯曲抵抗性可以通过选择小高宽比肋形获得， 其 中， 高宽比 (AR) 定义为肋横截面厚度或高度与肋横截面宽度之比的最典型值。为使剪切和 弯曲抵抗性最大化， 小高宽比 ( 典型地是 AR 小于 1) 肋因此曾是使孔稳定性模量最大化的 优选肋形。事实上， 为了获得高孔稳定性模量， ‘112 专利的教导采用了高宽比低至 0.38 的 肋。
在美国专利 US5156495 和 US5419659 中已经说明了小高宽比多轴土工格栅。在美 国专利 US5156495 中披露了土木工程结构， 其中， 双轴定向网状结构中定向股的 AR 基本小 于一。最后， 在美国专利 US5419659 中， 披露了采用双轴土工格栅构建土木工程结构的方 法， 其中， 定向股的厚度与宽度之比 AR 基本小于一。
多轴土工格栅可以采用几种不同方法生产， 一些方法已经使用了 25 年以上。通 常， 这种土工格栅由定向塑料材料制成的肋或股构成。多轴整体土工格栅通过挤出整体 浇铸的聚合物材料片制成， 使聚合物材料片形成限定图案的孔或凹陷， 之后对该聚合物材 料进行受控的双轴定向， 以便使这些孔或凹陷形成孔洞或网眼开口。这种多轴土工格栅 和其它整体聚合物格栅结构的生产可以通过公知的技术来完成。如美国专利 US4374798， US4590029， US4743486， US4756946 和 US7001112 中所详细描述的那样， 聚合物片材原料首 先被挤出， 之后被冲孔以形成必要限定图案的孔或凹陷。在美国专利 3252181， 3317951， 3496965， 4470942， 4808358 和 5053264 中， 带有必要图案孔或凹陷的原料在聚合物挤出的 同时形成。 多轴土工格栅的其它已知生产方法包括 ： 例如， 缝编由例如聚酯丝制成的织物并 涂覆柔性涂层比如 PVC 涂层， 或者通过编织或针织， 或者甚至将定向塑料股点焊在一起。本发明预期适用于所有类型的多轴土工格栅， 而不管土工格栅是用何种方法形成的。 但是， 优 选整体土工格栅。
当前在土木工程结构中使用的多轴土工格栅的高宽比小于一。例如， 通过冲孔和 定向塑料片材形成的整体土工格栅 ( 带有整体接合点 ) 的高宽比小于 1， 通常为 0.2 到 0.9。 缝编织物土工格栅通常由通过缝合和 / 或涂覆方法结合起来的多个纱束构成 ； 该多个纱束 并列布置， 以便形成由两个或两个以上相邻纱构成的复合股。这些织物土工格栅的高宽比 通常约为 0.1 至 0.6。通过对挤出网状结构定向而生产的格栅的高宽比通常约为 0.25 至 0.9。 相比较而言， 通过点焊或以其他方式结合的定向塑料条形成的土工格栅通常具有很小 的高宽比， 例如小于或等于约 0.2。
但是仅仅具有高的孔稳定性模量不一定能构建出当被包括在土木工程领域中作 为加强或保持装置时表现最佳的多轴土工格栅。 通过例如将小高宽比定向塑料股点焊或以 其他方式结合在一起而形成的土工格栅拥有非常高的孔稳定性模量值， 但是已表明， 当被 包括到土木工程结构中时， 这种土工格栅与形成有整体接合点的整体土工格栅相比对车辆 交通的车辙效应的抵抗能力有限。
此外， 可以仅仅增加格栅结构的厚度来提高孔稳定性模量， 但是该方法增加了重 量和产品成本。 优选的土工格栅是能获得最大加强效果、 重量最轻和成本最低的土工格栅。 通常， 多轴土工格栅被形成为使得网眼或孔为正方形或长方形并由以直角相交形 成接合点的多个系列的平行肋或股构成。 这些肋或股沿纵向即沿成品的机器方向以及横向 即与纵向股成直角的方向布置。这些股通常由定向聚合物材料构成， 以便获得高拉伸强度 同时重量相对较轻。 这种多轴土工格栅通过将施加的应力分布于纵向肋和横向肋而提供加 强作用。
发明内容
根据前述讨论， 本发明基于令人吃惊的发现， 即， 当把具有大高宽比肋或股横截面 的多轴土工格栅或其它网状结构用作土木工程结构的加强部件时， 比如在道路或飞机跑道 中， 其中一层或多层土工格栅用作地基改善或基层加强， 这种多轴土工格栅或其它网状结 构提供了改善的性能。该发现表明 ： 仅依靠通过孔稳定性模量度量的接合点稳定性不能完 全描述加强结构中多轴土工格栅对车辆交通车辙效应的抵抗能力。虽然并不打算据此被 约束， 但是当前据信， 大高宽比肋增加了对颗粒材料的限制或互锁， 从而有利于得到加强复 合基体或刚性限制层的效果， 并且该加强效果导致土木工程结构更好地抵抗所受的车辆负 载。
本发明的另一个方面是大高宽比肋与改进载荷分布土工格栅几何结构相结合。 例 如， 拥有从每个接合点辐射的六股并因而具有三角形孔的多轴土工格栅将比具有长方形孔 的多轴土工格栅更有效地分配施加的应力。当六股土工格栅形成有大高宽比肋时， 如本发 明所展示的那样， 该土工格栅对车辆交通形成车辙的抵抗性比具有小高宽比肋的类似土工 格栅大大提高。优选的是形成有大体为等边三角形开口或孔的三角形土工格栅。
此外， 与长方形土工格栅相比， 已经发现对三角形土工格栅而言， 随着肋高宽比从 小到大， 对形成车辙的抵抗性的提高量更大。除了大高宽比肋提供了对颗粒材料的增加限 制以外， 三角形孔的布置还提供了能够在土工格栅结构内更有效分配施加应力的极佳加强肋结构。因此， 对长方形土工格栅来说希望有较高的 ASM 值， 而在三角形土工格栅中 ASM 值 看起来不是一个因素。 无论如何， 期望本发明适用于所有多轴土工格栅和网状结构， 不管孔 是三角形的还是长方形的。
此外， 已经被公认的是， 对在滚动轮交通条件下影响颗粒层中土工合成材料 ( 特 别是整体土工格栅 ) 性能的机理的研究是一个复杂的问题。在未受约束的集料内产生 “稳 定层” 是最终目标， 为了达到该目标就需要限制或互锁该未受约束的集料， 限制其运动， 以 便减少由于载荷造成的竖直变形。 正是该竖直变形产生了在很多道路和硬质表面上看见的 有害的常见车辙沟槽。提供稳定性的最重要区域是土工格栅 / 集料界面， 因为该界面是决 定土工格栅与集料互锁程度的主要区域并因而限制集料的运动。因此， 该土工格栅 / 集料 界面对稳定层的性能有主要影响。
传统上， 双轴定向土工格栅被制成为具有简单的长方形或正方形孔， 所有拉伸元 件或肋在它们的接合点或交叉点处形成 90 度角。虽然在特定应用中已经对于与预定集料 的尺寸相关的最佳孔尺寸有一些考虑， 但是到最近为止孔的形状和交叉角还是没变。
如上所述， 与带有长方形或正方形孔的整体土工格栅相比， 根据 ‘112 专利的具有 三角形孔的整体土工格栅已经表明能更有效利用可用的聚合物， 并能够在多种应用中减少 交通变形。 与根据本发明的大高宽比肋相结合， 相信孔的形状也是一个实测改进的因素。 由 于等边三角形孔在肋之间只有 60 度的夹角， 而不是以前长方形或正方形孔的 90 度夹角， 因 此这种较小角度的 “楔入作用” 可以更大程度并可能更牢固地限制集料， 尤其是与土工格栅 接触但也从该区域朝表面向上延伸的集料。 全面的交通试验已经表明， 试验结束之后， 从土 工格栅表面挖掘和去除集料对于等边三角形孔要比对于长方形或正方形孔更困难， 因为集 料看起来被紧密地楔入到 60 度角的三角形孔内。 根据本发明的多轴土工格栅的大 AR 肋的高宽比应当大于 1.0。目前据信， 本发明 的三角形土工格栅的高宽比应当优选为约 1.4 至约 2.2， 但是可以低至大于 1.0 和高至约 2.5， 或更高。目前据信， 根据本发明的长方形土工格栅的高宽比应当为大于 1.0 至约 4.0， 并且伴随的孔稳定性模量为在施加 20kg-cm 的扭矩时大于约 0.3Nm/ 度， 更优选为在施加 20kg-cm 的扭矩时大于约 0.45Nm/ 度。这些优选的 AR 尺寸和 ASM 值可以根据不同结构和不 同类型多轴土工格栅的生产方法进行变化， 尺寸的变化可以由本领域技术人员通过试验来 开发。此外， 本发明的大 AR 肋的横截面不必是精确长方形的， 例如也可以具有凹边。
因此， 本发明的目的是提供一种多轴格栅或网状结构， 其具有基本均匀的一系列 大体平直定向的横向股或肋， 它们通过接合点相互连接， 从而在间隔开的行内横向跨过格 栅或网状结构延伸， 该格栅或网状结构还具有多个大体平直定向的连接股或肋， 它们将相 邻行内的接合点相互连接， 以在相邻定向股或肋和接合点之间形成孔或开口， 其中， 股或肋 的高宽比大于 1.0。
本发明的另一个目的是提供一种根据前一目的的格栅或网状结构， 其中， 格栅或 网状结构是三角形土工格栅的形式， 并且定向股或肋的高宽比为大于 1.0 至约 2.5， 优选为 约 1.4 至约 2.2， 孔或开口的形状优选为等边三角形。
本发明的又一个目的是提供一种根据第一目的的格栅或网状结构， 其中， 格栅或 网状结构是长方形土工格栅的形式， 并且定向股或肋的高宽比为大于 1.0 至约 4.0。
本发明的又一个目的是提供一种根据前一目的的格栅或网状结构， 其中， 在施
加 20kg-cm 扭矩时该格栅或网状结构的孔稳定性模量为大于约 0.3Nm/ 度， 优选为大于约 0.45Nm/ 度。
本发明的又一个目的是提供一种根据上述任何目的的格栅或网状结构， 其中， 格 栅或网状结构是整体土工格栅。
本发明的又一个目的是提供一种加强颗粒材料的方法， 通过在颗粒材料内嵌入上 述任何一种多轴格栅或网状结构来加强。
本发明的又一个目的是提供一种由大量颗粒材料构成的地质工程结构， 通过在颗 粒材料中嵌入根据上述任何一种格栅或网状结构的多轴土工格栅或网状结构来加强颗粒 材料。
本发明的又一个目的是提供一种保持颗粒材料的方法， 通过在颗粒材料中嵌入上 述任何一种多轴格栅或网状结构， 以便至少部分将颗粒材料互锁在格栅或网状结构的孔或 开口内。
本文提出的最后一个目的是提供一种利用塑料片原料制造双轴定向塑料材料整 体土工格栅的方法， 使孔布置在基本相同形状和尺寸的阵列中， 选择原料厚度、 孔尺寸、 阵 列的间距结构， 以便形成高宽比大于 1.0 的整体土工格栅的定向股。 本文所用术语的定义
术语 “多轴” 指的是由在结构平面内沿至少两个不同的轴线布置的股或肋构成的 格栅或网状结构。
术语 “土工格栅” 将指 “多轴土工格栅” ， 除非该词 “土工格栅” 前缀有词 “单轴” 或 “单轴的” 。
术语 “三角形土工格栅” 指具有大体为三角形孔或开口的多轴土工格栅。
术语 “长方形土工格栅” 指具有大体为长方形孔或开口的多轴土工格栅。
术语 “整体土工格栅” 将指通过对具有确定图案的孔或凹陷的原料片材进行双轴 拉伸而制成的定向多轴土工格栅， 其中， 所述确定图案的孔或凹陷在最终的多轴土工格栅 中形成孔。
术语 “厚” 、 “薄” 、 “厚度” 、 “深” 、 “深度” 和 “浅” 指原料或网状结构平面的法向尺寸， 术语 “宽” 、 “窄” 和 “宽度” 指原料或网状结构平面内的适当尺寸。
术语 “高宽比” 被定义为相互连接肋的厚度与宽度之比的最具代表性的度量。厚 度和宽度通常在肋中点即接合点之间的中间处测得， 假定肋尺寸相对均匀。从用于确定高 宽比的测量中排除了肋或股与节点交叉的那些区域。如果肋尺寸不均匀， 那么高宽比应为 沿在交叉的接合点之间的肋长度最频繁出现的值， 例如通过构建沿格栅结构内每组平行肋 长度的高宽比的直方图来确定最频繁出现的值。 肋或股的厚度和宽度以及高宽比的值都可 以沿肋或股的长度变化， 尤其当它们通过连接接合点或节点时。
术语 “孔稳定性模量” 、 ASM 或 “扭转刚度” 指通过本文提到的试验程序所确定的包 括有肋或股以及接合点的土工格栅孔的相对刚度， 其中， 肋或股以及接合点在多轴土工格 栅内相互交叉。
术语 “车辆交通” 指土木工程结构将要承受的载荷， 该载荷是由于有轮车辆在结构 表面上通过所产生的动态载荷而导致的。
术语 “定向” 指分子定向。通常， 当提到定向股时， 该定向的方向平行于股的纵轴
线。 “孔” 指土工格栅结构内的开口区域， 即由用作约束颗粒材料的肋或股确定边界的 开口区域。
“单轴” 和 “双轴” 分别指单轴定向和双轴定向。
相对于网状结构而言， “双轴定向” 指该网状结构已经在大致彼此成直角的两个方 向上拉伸。
原料内的孔可以是通孔或盲孔。如果孔是盲孔， 那么孔内的薄膜或隔膜将在拉 伸时破裂， 或者可保持仍为薄的隔膜。这些孔可以通过在原料上冲孔形成， 例如美国专利 4374798 所披露的， 或者也可以通过挤出而形成， 如美国专利 5053264 所披露的， 或者可以 通过适当的模压加工而形成， 或者利用任何其它适当方式形成。
“MD” 是机器方向， 或者在试验工作中是预期的机器方向， 通常是土工格栅的长度 方向。
“TD” 是横向， 或者在试验工作中是预期的横向， 基本与 MD 成直角。
术语 “颗粒材料” 包括岩石、 石头、 砂砾、 沙子、 泥土、 粘土、 用粘合剂例如沥青或水 泥保持的集料、 混凝土， 或者用于土木技术工程或建筑中的任何其它粒状或内聚性材料。 本 文所用的术语 “土壤” 或集料与 “颗粒材料” 有相同的含义。
“可比的传统双轴土工格栅” 是一种传统的双轴整体土工格栅， 其具有小高宽比 ( 小于 1.0) 的肋， 该土工格栅通过拉伸塑料片原料和双轴拉伸制成， 该原料是相同的塑料 材料， 该土工格栅具有相同的单位面积的重量。
除非上下文中还有其它明确要求， 否则整个说明书和权利要求书中的词 “包括” 之 类用于表示包含的含义， 而不是排他或穷举的含义， 也就是说含义是 “包括但不限于” 。
附图说明
通过参考下面结合附图的详细描述， 本发明的目的及其很多预计优点将变得更加清楚。 图 1 是带有成六边形图案的孔的第一原料一部分的平面图。
图 2 对应于图 1， 但是用字母 a， b， c 代表孔间隔尺寸。
图 3 是图 1 和 2 所示原料沿机器方向 (MD) 单轴拉伸后的平面图。
图 4 是沿横向 (TD) 拉伸图 3 所示材料而形成的具有三角形孔的多轴土工格栅的 平面图。
图 5 的曲线图给出了根据交通模拟试验获得的结果， 其中绘出了包含具有三角形 孔的多轴土工格栅的加强结构的车辙抵抗性与具有可变高宽比的肋横截面之间的关系。
图 6 是带有成长方形图案的孔的第二原料一部分的平面图。
图 7 是图 6 所示原料沿机器方向单轴拉伸后的平面图。
图 8 是通过沿横向拉伸图 7 所示材料而形成的具有长方形孔的多轴土工格栅的平 面图。
具体实施方式
本发明的进一步应用范围从下面给出的详细描述和实例中将变得清楚。但是， 应当理解， 尽管表示了本发明的优选实施例， 但这些详细描述和具体实例仅作为示例， 因为从 该详细描述中， 本领域的技术人员将明白在本发明精神和范围内的各种变化和改进。 此外， 在描述这些优选实施例时， 为了清楚起见将使用上面定义的特定术语。 应当理解， 每个特定 术语包括以类似方式工作以实现类似目的的所有技术上的等同物。
在图 1-4 所示第一优选实施例中， 用图 1 所示的原料 1 制备图 4 所示的三角形土 工格栅 10。尽管也可以使用其它片材， 但是该原料优选是具有平坦平行表面的单平面挤出 塑料材料片。 孔 2 被冲出或形成为一系列形状和尺寸基本相同的六边形 3， 以便基本上每个 孔 2 都位于三个六边形 3 中每个六边形的角上。为了用冲孔片生产三角形土工格栅 10， 对 原料 1 加热， 并沿概念 MD 进行第一次拉伸， 也就是沿与图 1 所示六边形 3 的 MD 侧基本平行 的方向。随后把得到的图 3 所示的单轴定向格栅 5 沿 TD 拉伸， 以便制出图 4 所示的双轴定 向三角形土工格栅 10。所得到的多轴土工格栅 10 由带有肋或股 14 的三角形孔 12 构成， 这 些肋或股 14 在每个接合点 16 以大约 60 度角相汇。
如图 4 所示， 格栅或网状结构 10 包括大体均匀的一系列基本平直定向的横向股或 肋 18， 这些横向股或肋 18 被接合点 16 相互连接成直线， 从而在间隔开的横向延伸的行 ( 大 体上用附图标记 20 表示 ) 中横向跨过格栅或网状结构延伸。多个基本平直定向的连接股 或肋 22 把相邻行 20 中的接合点 16 相互连接， 它们与横向延伸的股或肋 18 一起形成多个 基本为等边三角形的孔或开口 12。 根据本发明， 选择原料 1 的厚度以及冲孔 2 的间隔尺寸 ( 即冲孔间距， 在图 2 中用 a、 b、 c 表示 )， 以便三角形土工格栅 10 的肋或股 14 的高宽比大于 1.0， 优选在约 1.4 至约 2.2 的范围， 但是也可以改变为高达约 2.5 或大于 2.5。
更具体而言， 如果孔间隔即冲孔间距保持恒定， 那么肋或股的高宽比将随原料片 厚度增加而增大。 但是， 在起始的冲孔间距与片厚之间有相互影响的效果， 该效果决定了最 后得到的土工格栅的最终肋高宽比， 因为间距和厚度都可以独立变化。
在图 6-8 所示的第二优选实施例中， 用图 6 所示的原料 32 制备图 8 所示的长方形 土工格栅 30。如美国专利 4374798 所述， 图 6 所示原料 32 优选是具有平坦平行表面的单 平面挤出塑料材料片 36。但是， 也可以使用其它挤出原料。孔或凹陷 34 被冲出或形成为 正方形或长方形阵列 38， 以便用冲孔或成形后的原料片 32 制成多轴土工格栅 30。对原料 片 32 加热， 并沿概念 MD 即沿与图 6 中长方形孔图案的 MD 侧基本平行的方向进行第一次拉 伸。 随后沿 TD 拉伸所获得的图 7 所示的单轴定向土工格栅 40， 以便制成双轴定向的最终产 品 30， 如图 8 所示。得到的多轴土工格栅 30 由带有肋或股 44 的多个正方形或长方形孔 42 构成， 这些肋或股 44 在每个接合点 46 以几乎 90 度角相汇。
如图 8 所示， 该格栅或网状结构 30 包括大体均匀的一系列基本平直定向的横向股 或肋 48， 这些横向股或肋 48 被接合点 46 相互连接， 从而在间隔开的横向行 ( 大体上用附图 标记 52 表示 ) 中横向地跨过格栅或网状结构延伸。多个基本平直定向的连接股或肋 54 把 相邻行 52 中的接合点 46 相互连接， 它们与横向延伸的股或肋 50 一起形成多个大致为长方 形的孔或开口 42。
根据本发明， 选择原料片 32 的厚度以及孔或凹陷 34 的尺寸和间隔， 以便使所得到 的长方形土工格栅 30 的肋或股的高宽比大于 1.0 且小于约 4.0， 并且在施加 20kg-cm 的扭 矩时， 伴随的孔稳定性模量 (ASM) 大于 0.3Nm/ 度， 更优选大于 0.45Nm/ 度。
实例试验方法
用于测量实例的孔稳定性模量 (ASM) 的一般方法概述在 “GRI 试验方法 GG9， 双向 土工格栅在经受平面内转动时扭转行为的标准试验方法” (GRI Test Method GG9， Standard Test Method for TorsionalBehavior of Bidirectional Geogrids when Subjected to In-PlaneRotation)， 土工合成材料研究院 (Geosynthetic Research Institute)， 2004 年 3 月 10 日。对于这里所述的 ASM 试验， 用正方形夹持框或封闭盒夹紧多轴土工格栅样品的整 个周边， 该多轴土工格栅样品的尺寸大约为 350mm×350mm， 接合点或节点正好位于框中央。 对于股或肋以 90 度角或几乎 90 度角相交的传统双轴土工格栅产品， 用四个螺栓把由一套 匹配板构成的扭转装置固定在试验样品上。
为了使该试验方法适应六股土工格栅几何形状， 例如， 扭转装置被改进成使得在 施加扭矩时螺栓将直接支承在样品的肋或股上。在此情况下， 采用了这样一种扭转装置， 在该装置周围有以 60 度间隔开的六个螺栓。为了进行该试验， 通过施加不断增大量的扭 矩来使扭转装置相对于周边的夹具转动， 以便确定平面内的扭转刚度， 正如上述提到的试 验方法所述， 不同之处在于只进行一个加载循环。在 ‘112 专利的教导中， 孔稳定性模量试 验结果表示为施加 4.5Nm 的扭矩时附接在样品上的接点夹具转动的度数。对于给定扭矩 值， 转动度数越小， 则 ASM 或扭转刚度值越大。该惯例适用于本说明书中的三角形土工格 栅。对于带有长方形孔的土工格栅， 报告 ASM 试验结果的另一个测量单位是在施加扭矩值 为 20kg-cm 时的 Nm/ 度 ( 牛顿 - 米每度 )。Nm/ 度值越高， 样品的扭转刚度越大。对于本说 明书中的长方形孔土工格栅， 采用在施加扭矩为 20kg-cm 时的 Nm/ 度来报告 ASM 值。 采用例如 Webster( 如上所述 ) 描述的新的小规模试验来模拟已确立的现场试验， 以便评估多轴土工格栅对由于车辆交通造成的车辙的抵抗性能。 该小规模试验设计成能够 再现对多轴土工格栅交通性能的已确立现场试验的结果， 并且包括由底层泥土地基、 单层 土工格栅以及颗粒材料压实颗粒底基构成的试验段。该试验段承受单个加重轮的载荷。该 轮沿单个水平路径横越该试验段， 从该试验段的一端到另一端不断地逆转方向。在这种试 验中， 不带土工格栅的控制试验段将迅速损坏。例如， 轮在非加强试验段上通过 1000 次后， 将形成深的车辙。 通过使用适当设计的多轴土工格栅作为加强件， 与未加强试验段相比， 对 于给定的轮通过次数， 车辙深度将减小。 该减小的车辙深度对土木工程结构的寿命有影响， 并且能够把该寿命延长为未加强结构寿命的达 50 倍。因此， 根据本发明加强的道路或其它 土木工程结构将具有延长的使用寿命和减少的维护需求。
实例
图 1 至 5 和表 1 ： 第一组大高宽比的样品
在根据本发明构造的第一组大高宽比肋样品中， 这些样品是采用优选完全一致的 原料按照图 1-4 所述实施例制备的。冲孔间隔或间距 ( 在图 2 中用 a， b， c 表示 ) 的尺寸是 可变化的。 在这些样品中， 所获得的多轴土工格栅由带有肋或股的三角形孔构成， 肋或股在 每个接合点处以大约 60 度角相汇。
表 1 根据本发明带有三角形孔的第一组土工格栅样品
样品片厚， mm尺寸 a， mm尺寸 b， mm尺寸 c， mm肋高宽比11102066668 A CN 102066678说4.7 4.7 3.2 3.4 3.4 3.4 3.4 3.6 3.8 4 4 4 4 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 9.5 10.63 6.19 6.19 5.41 4.64 3.86 6.19 6.19 6.19 5.41 4.64 3.86 7.74 6.19 5.41 4.64 3.86 7.74 6.19 5.41 4.64 3.86明书10.5 11.52 6.71 6.71 5.86 5.03 4.19 6.71 6.71 6.71 5.86 5.03 4.19 8.35 6.71 5.86 5.03 4.19 8.35 6.71 5.86 5.03 4.19 4 4.43 2.58 2.58 2.26 1.94 1.61 2.58 2.58 2.58 2.26 1.94 1.61 3.22 2.58 2.26 1.94 1.61 3.22 2.58 2.26 1.94 1.61 0.63 0.38 1.06 ＊ 0.97 1.02 1.19 1.88 1.19 ＊ 1.2 1.26 1.39 1.56 2.19 1.27 ＊ 1.4 1.81 ＊ 2.1 ＊ 2.55 ＊ 1.53 ＊ 2.01 2.18 ＊ 2.54 ＊ 3.08 ＊9/12 页C1 C2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2112102066668 A CN 102066678说6.8 6.19明书6.71 2.58 2.210/12 页22
＊预测
表 1 提供了土工格栅样品 1 到 22， 用于表示采用三角形孔的本发明 ( 一些样品来 自实际试验， 其它样品是代表性的 )， 以及取自 ‘112 专利中给出数据的对照实例 C1 和 C2。 与 ‘112 专利相比， 为了制造较大高宽比的肋形状， 如图 2 中尺寸 a， b， c 所示孔的间隔或间 距在本发明中已经减少了。如表 1 所示， 通过改变孔间距和原料片厚， 能够获得宽范围的大 于一的肋高宽比值。例如， 采用小的孔间距， 即紧密的孔间隔， 即使在原料片厚小于对照实 例的原料片厚时， 肋高宽比也显著大于对照实例的肋高宽比。
在 ‘112 专利中， 主要目的是获得与基于 Webster 的发现以前确立的商品相比更大 的孔稳定性模量值。从 ‘112 专利的图 13 取得的对照实例 C2 的孔稳定性模量是在 4.5Nm 扭矩时转动 6.7 度。对于 4.5Nm 的特定扭矩值， 转动度数越小， 则 ASM 值越大。 ‘112 专利表 明， 相对于可比的传统双轴土工格栅， 在相同的试验条件下 ASM 提高了 65％。( 见 ‘112 专 利的图 13 及说明书中的相关描述 )。在那时， 据信土工格栅 ASM 的这种提高将有益于改进 加强结构对车辆交通导致的车辙的抵抗性。
但是， 为了提高对车辙的抵抗性， 本发明的目的是提高三角形土工格栅的肋高宽 比， 而不是最大化 ASM。已经观察到， 与 ‘112 专利的试验样品相比， 本发明样品的 ASM 实际 上是减少的， 即， 本发明试验的三角形土工格栅样品的 ASM 值为在 4.5Nm 扭矩时转动 16 至 21 度。与根据 ‘112 专利的加强结构相比， 尽管 ASM 显著减小， 但是加强结构的车辙抵抗性 大大提高了。即使本发明样品的 ASM 值低于 ‘112 专利的样品， 然而 ASM 值是表示带有刚性 接合点的刚性多轴土工格栅。 足够刚性的土工格栅孔与大高宽比肋形状的结合在该加强结 构中形成了极佳的性能， 即车辙抵抗性。 此外， 这些第一组样品把上述刚性和大高宽比肋与 在 ‘112 专利中展示的改善载荷分布的优点结合起来， 改善载荷分布的优点是源自以 60 度 角附连到每个接合点的六肋以及三角形孔的几何布置。
图 5 以曲线图的形式表示包含具有本文所述三角形孔的多轴土工格栅的加强结 构对车辙的抵抗性与变化高宽比的肋横截面的关系。图 5 给出了在上述 “试验方法” 下进 行的交通模拟试验的结果。 这些结果表明 ： 随着土工格栅肋的高宽比增大， 对车辙的抵抗性 大大提高。图 5 比较了具有如上所述三角形孔的一体接合点的土工格栅， 其肋高宽比的范 围为 0.38 至 2.2。对应于对照实例 C2 的小高宽比样品是利用 ‘112 专利的教导制成的， 而 高宽比大于一的样品是根据本发明制成的。
如表 1 中实例所表明， 在需要的时候通过采用更厚塑料片作为原料， 或者通过进 一步改进冲孔条件， 例如孔尺寸、 形状和间隔， 或者通过采用本领域技术人员开发的其它技 术， 可以增加肋的高宽比。
塑料片原料的种类、 用于形成成品的孔或凹陷性质、 可用的生产方法、 以及最终土 工格栅或网状结构的其它所需特征已经在现有技术中描述过了， 包括 ‘112 专利以及上文 引用的其他专利， 对本领域技术人员来说不需要进一步的解释了。
图 6-9 和表 2- 第二组大高宽比样品
在根据本发明构造的第二组大高宽比肋样品中， 图 6 所示原料 11 是具有平坦平行 表面的严格意义上的单平面挤出塑料材料片。孔或凹陷 12 被冲出， 以形成一系列正方形或长方形。为了用冲孔片制成多轴土工格栅产品， 如上所述， 将原料 11 加热并双轴拉伸。在 这些样品中， 得到的多轴土工格栅由带有的肋或股的正方形或长方形孔构成， 这些肋或股 在每个接合点以大约 90 度角相汇。
表 2. 带有长方形孔的本发明的第二组土工格栅样品
上述表 2 提供了土工格栅样品 23 至 28， 用于说明采用长方形孔的本发明。 对照实 例 C3 是带有正方形孔的双轴土工格栅， 商业销售名称为 Tensar 型 SS-30， C4 是用类似方法 生产的带有长方形孔的商品， 商业销售名称为 Tensar BX1100。 样品 23 至 25 是另外的对照 实例， 其 AR 小于 1.0， 也在此包括作为参考。样品 26 至 28 是根据本发明生产的， 具有大高 宽比肋横截面。为了提高样品 26 至 28 的肋高宽比， 原料片厚度、 冲孔尺寸以及孔间隔以类 似表 1 中样品 1 至 22 所述的方式改变。如所示， 样品 26， 27 和 28 表示通过控制原料片厚 度、 冲孔间距以及孔尺寸获得大于一的肋高宽比的能力。
表 2 表明， 对于生产出的有限数量的样品而言， 最佳性能， 即最小车辙深度值 39.2mm， 出现在肋高宽比为 1.22 时。表明了对于肋高宽比大于 1.0 的样品而言对性能即 ， 它定义为试验样品达到特定 对车辙抵抗性的预期改进。表 2 还表示出了 “交通改善系数” 车辙深度所用时间与无格栅加强时达到相同车辙深度所用时间之比值。注意， 肋高宽比为 1.22 的样品 26 的交通改善系数 (TIF) 为 23.5， 即与未加强土壤相比， 寿命是 23.5 倍。 样品 26 至 28 的车辙深度基本上显著低于对照实例 C4 以及实例 23 至 25。肋高宽比小于 1 的四 种样品即 C4 和样品 23 至 25 的平均车辙深度是 51.9mm。肋高宽比大于 1 的样品 26 至 28 的平均车辙深度是 43.2mm。与肋高宽比小于 1.0 的样品相比， 本发明 ( 肋高宽比大于 1.0) 车辙深度平均减少 17％。看交通改善系数， 从高宽比小于 1.0 的样品到高宽比大于 1.0 的 样品， 平均 TIF 从 3.08 增加到 14.6。 因此可见， 从交通改善系数的角度而言， 本发明提高了 土木工程结构的使用寿命。
可以看到， 虽然样品 28 拥有最大肋高宽比， 但是， 就车辙深度或 TIF 的测量而 言， 它并没有表现出最好的性能。已经进行了进一步的研究， 并且还考虑了孔稳定性模量 (ASM)。表 2 表明， 样品 28 具有较小的 ASM 值， 使得肋高宽比大的优点略微被较低的 ASM 值 抵消了。
构造了多元线性模型以便检查长方形土工格栅的肋高宽比和 ASM 的影响。对于表 2 中的实例， 通过进行最小二乘回归产生下述模型 ：
10000 次通过时的车辙深度＝ 62.4-1.83 ＊肋高宽比 -31.4 ＊孔稳定性模量 (Nm/ 度， 在施加 20kg-cm 扭矩时 )。
因此， 据观察， 长方形土工格栅的车辙深度受到两种土工格栅特性即肋高宽比和 ASM 的联合影响。 如本发明背景技术所述， 这与长方形孔土工格栅性能和 ASM 的公知相关性 是一致的。如从表 2 的实例和根据数值模型可知， 可以改变高宽比和孔稳定性模量， 以便获 得最佳产品性能。对于长方形土工格栅， 在施加 20kg-cm 扭矩时， 优选的 ASM 大于 0.3Nm/ 度， 更优选大于 0.45Nm/ 度。
如上所述， 利用第一和第二组样品中描述的方法制成的大高宽比肋土工格栅可以 用宽范围厚度的原料片制成， 厚度为约 3.0mm 到至少约 9.0mm。 聚合物格栅或网也已经用于各种商业和土工技术应用， 比如围栏 ( 美国专利 5409196)、 格室围护 ( 美国专利 5320455)、 矿井阻隔 ( 美国专利 5934990)， 以及其它商业封 闭、 屏蔽和屏障的应用。与这些应用领域的已知产品相比， 本发明有一些优点。例如， 在矿 井阻隔领域， 将密封物例如喷射混凝土喷射到网状结构上用以防止空气流。小高宽比格栅 的问题在于 ： 密封料倾向于反弹离开较宽的肋表面， 因此也不能粘附， 和 / 或需要更多的密 封物。 而采用本发明的较大高宽比产品， 喷上的材料将更容易粘附， 并且从而获得所需的阻 挡效果需要较少量的喷射材料。
替代实施例
根据本发明的教导， 通过对土工格栅的现有生产方法进行相对简单的改进， 同样 可以获得生产具有大高宽比肋的多轴土工格栅的其它方法， 例如 ： 通过缝编由例如聚酯丝 制成的织物并涂覆柔性涂层例如 PVC 涂层， 或者通过编织或针织， 通过将定向塑料股点焊 在一起， 通过将未拉伸的平行丝挤出成为网状结构并且随后拉伸该结构， 或者通过本领域 技术人员公知的多轴土工格栅的其它生产方法。 只需要采用本发明教导的提高肋尺寸高宽 比的原理。这种多轴土工格栅可以具有由纵向和横向股或肋构成的长方形孔， 或者这些股 可以布置成在接合点处以不等于 90 度的角度相汇。刚性的接合点优选作为希望的条件， 但 不是唯一的条件， 以便有利于使车辆交通的车辙效果最小化。
对本发明已经做了描述， 但是显然可以以很多方式对本发明进行变化。这些变化 不应被看成是脱离本发明的精神和范围， 并且本领域技术人员认识到的所有这些改进都将 包含在下述权利要求书的范围之内。