堆石壩防滲土工膜薄壁圓筒雙向拉伸性能測(cè)試方法

任澤棟 姜曉楨 滿曉磊 蔣善平 烏景秀

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210098）

堆石壩防滲用土工膜具有較高的抗?jié)B性、延展性、耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)良性能.我國從20世紀(jì)80年代在巖土和土石壩工程中開始應(yīng)用土工膜作為基礎(chǔ)防滲材料.隨著土工膜性能的提高，土工膜作為新型防滲材料在堆石壩工程中得到更加廣泛的應(yīng)用.土工膜是一種柔性材料，在大部分工程應(yīng)用中，土工膜是通過其抗拉強(qiáng)度來承受荷載以發(fā)揮工程作用的.尤其在堆石壩工程中，防滲土工膜一般需要大面積的布設(shè)，地基的沉降、外部荷載的變化、溫度的變化往往使土工膜整體或者局部處于拉伸狀態(tài)，局部的拉伸破壞容易導(dǎo)致壩體滲透破壞乃至失穩(wěn)，因此很有必要對(duì)土工膜拉伸性能測(cè)試方法進(jìn)行探究.此外，隨著土工膜現(xiàn)場(chǎng)拼接工藝的提高，土工膜拼接部位的抗拉強(qiáng)度和抗?jié)B性能已經(jīng)能夠達(dá)到甚至超過母材的性能，因此土工膜母材的拉伸性能成為決定工程成敗的關(guān)鍵因素.

1 規(guī)范中的拉伸測(cè)試方法

土工膜在抗拉強(qiáng)度與延伸率測(cè)定時(shí)，其測(cè)定值與試樣寬度、形狀、約束條件有關(guān)，因此為了對(duì)土工膜的材料性能給予統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此必須在規(guī)定的條件下測(cè)定.土工膜拉伸性能測(cè)試方法大致可以分為條樣法拉伸試驗(yàn)和液脹試驗(yàn)2種方法［1］.

1.1 條樣法單向拉伸試驗(yàn)

條樣法拉伸試驗(yàn)是最傳統(tǒng)的土工膜拉伸性能測(cè)試方法.目前，條樣法拉伸試驗(yàn)的試樣分為窄條和寬條兩種，窄條試樣尺寸為寬50mm、長100mm；寬條試樣寬200mm、長100mm［2］.

條樣拉伸法能夠簡便的測(cè)試出土工膜的抗拉強(qiáng)度、延伸率和應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，但是這種無側(cè)限條件下的性能參數(shù)與工程實(shí)際中土工膜的受力狀況差別較大，很難對(duì)材料的真實(shí)抗拉強(qiáng)度和延伸率給予準(zhǔn)確的反映.尤其是窄條試樣拉伸法，受土工膜拉伸變形量較大的性能的影響，在拉伸過程中試樣往往會(huì)發(fā)生明顯的“頸縮”現(xiàn)象，因此很難對(duì)材料的拉伸性給予準(zhǔn)確的衡量.寬條試樣拉伸法在一定程度上減少了“頸縮”現(xiàn)象，但是隨著試樣寬度的增加，在試驗(yàn)過程中往往由于夾具的夾持強(qiáng)度不足，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象.

1.2 液脹試驗(yàn)

液脹試驗(yàn)是將直徑不小于55mm 的土工膜平鋪地覆蓋在高彈性的薄膜上，周邊用內(nèi)徑為30.5mm的環(huán)形夾具固定，如圖1所示［3］，在試樣一側(cè)施加液壓，使薄膜連同試樣在液壓的作用下逐漸膨脹直到破壞的試驗(yàn)方法.

圖1 液脹試驗(yàn)設(shè)備

由于土工膜在液脹作用下的形態(tài)從平面狀態(tài)變形為球形狀態(tài)，因此試樣過程中的土工膜的應(yīng)力和應(yīng)變值很難測(cè)定.雖然Charalambides M N［4］用等人用圖像處理的方式得到了液脹試驗(yàn)過程中的應(yīng)變值，但是儀器布設(shè)以及處理過程過于復(fù)雜，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少.

2 國內(nèi)外的一些研究成果

Bray J D 和Merry S M［5］通過將單向拉伸試驗(yàn)和液脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)方法所得到的土工膜的抗拉強(qiáng)度、延伸率等材料性能存在較大的差別.因此，為了更加準(zhǔn)確、簡便的反應(yīng)土工膜的拉伸性能，很多國內(nèi)外的學(xué)者在傳統(tǒng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了許多的探究.

2.1 基于單向拉伸的十字形拉伸試驗(yàn)

基于單向拉伸的試驗(yàn)方法即在傳統(tǒng)單向拉伸萬能試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)夾具進(jìn)行新的設(shè)計(jì)或改進(jìn)，使試驗(yàn)夾具在單向軸力的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)土工膜試樣進(jìn)行雙向拉伸的試驗(yàn)方法.Brieu M、Diani J 和Bhatnagar N［6］設(shè)計(jì)了如圖2 所示的試驗(yàn)夾具，該夾具通過連桿實(shí)現(xiàn)對(duì)土工膜的雙向拉伸，可以通過調(diào)節(jié)桿件的夾角來調(diào)整土工膜橫向和豎向的拉伸速率.

圖2 基于單向拉伸的十字形拉伸夾具及試驗(yàn)圖片

這種試驗(yàn)方法不僅可以實(shí)現(xiàn)等速率和不等速率下的土工膜的雙向拉伸試驗(yàn)，而且可以直接在原有單向拉伸試驗(yàn)儀器上通過自身改進(jìn)實(shí)現(xiàn).但是，該種試驗(yàn)方法由于采用連桿裝置的聯(lián)動(dòng)作用來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中橫向和豎向的拉力隨著桿件的夾角而變化，因此很難通過拉伸機(jī)直接測(cè)量，需要通過理論推導(dǎo)或者附加檢測(cè)設(shè)備才能實(shí)現(xiàn).

2.2 十字形雙向拉伸試驗(yàn)

雙向拉伸試驗(yàn)即在十字形試樣的交叉方向上分別設(shè)定兩對(duì)獨(dú)立的拉伸軸，以此保證兩個(gè)方向上均能實(shí)現(xiàn)自由拉伸和相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)檢測(cè).十字形試樣的具體形式尤其是交叉區(qū)域的有效面積多種多樣，尺寸大致從160mm×160mm 到300mm×300mm 不等［7－8］.如圖3所示［9］，十字形試樣在橫向力Fx的作用下實(shí)現(xiàn)橫向拉伸，同時(shí)在縱向力Fy的作用下實(shí)現(xiàn)縱向拉伸，并且試驗(yàn)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變等均可直接測(cè)得.

圖3 十字形雙向拉伸試驗(yàn)儀器

雙向拉伸試驗(yàn)方法，不僅能夠簡便地測(cè)得等速率和變速率條件下試樣的延伸率和抗拉強(qiáng)度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且易求得試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系.但是，對(duì)于十字形試樣而言，在拉伸過程中角點(diǎn)位置極易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，試樣往往會(huì)沿著角點(diǎn)向試樣內(nèi)側(cè)撕裂（如圖4所示），導(dǎo)致試驗(yàn)失敗.

圖4 十字形試樣角點(diǎn)破壞

3 薄壁圓筒雙向拉伸試驗(yàn)

由于液脹試驗(yàn)存在應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)問題，以及十字形雙向拉伸試驗(yàn)方法存在無效區(qū)域應(yīng)力集中、角點(diǎn)處提前破壞等諸多問題，課題組姜曉楨博士在參考其他材料的試驗(yàn)方法以及結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際的基礎(chǔ)上，提出了一種新的測(cè)試方法，即薄壁圓筒雙向拉伸試驗(yàn)方法，該種試驗(yàn)方法的試樣制備和試驗(yàn)原理分述如下.

3.1 試樣尺寸及制備方法

在試樣制備方面，該試驗(yàn)與以往傳統(tǒng)的土工膜拉伸試驗(yàn)不同，采用圓筒狀試樣，由于市場(chǎng)銷售的土工膜中沒有現(xiàn)成的試樣，因此需要自行制備.本實(shí)驗(yàn)采用的土工膜采用進(jìn)口焊機(jī)參照夾具環(huán)向尺寸沿軸向焊接而成（如圖5所示），經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)試，土工膜焊接部位性能良好，拉伸試驗(yàn)過程中無任何破損現(xiàn)象.

圖5 薄壁圓筒雙向拉伸試樣和設(shè)備

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)原理

薄壁圓筒雙向拉伸試驗(yàn)是在基于單向拉伸萬能試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示.由萬能試驗(yàn)機(jī)和兩個(gè)圓盤式的上下夾具組成，其中圓盤夾具上均有有兩個(gè)齒槽和氣孔，分別為止氣槽和防滑槽，圓盤端部套有一層橡膠圈.

試驗(yàn)前，將上下夾具固定在萬能試驗(yàn)機(jī)上，利用柔性鋼箍將制作好的土工膜筒狀試樣固定在上下夾具上，上夾具上的進(jìn)氣孔通過調(diào)壓閥與氣泵相連，下夾具上的出氣孔與與精密氣壓表相連.試驗(yàn)過程中（如圖5所示），利用氣泵向圓筒內(nèi)供氣，實(shí)現(xiàn)土工膜的環(huán)向拉伸，通過出氣口處的氣壓表量測(cè)內(nèi)部氣壓，由進(jìn)氣口處的調(diào)壓閥進(jìn)行反饋調(diào)控，以此保證試樣內(nèi)部氣壓恒定；同時(shí)由電腦控制萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)軸向拉伸，直到試樣達(dá)到屈服破壞試驗(yàn)停止.試驗(yàn)可以通過調(diào)整試樣尺寸、拉伸速率、筒內(nèi)氣壓來測(cè)試不同工況條件下的土工膜的雙向拉伸性能.

4 試驗(yàn)數(shù)值模擬對(duì)比分析

為了與其它拉伸試驗(yàn)測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析，利用有限元模型對(duì)窄條、寬條、圓形、十字形以及薄壁圓筒試樣在各自拉伸條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值分析.計(jì)算中，條帶法試驗(yàn)、十字形雙向拉伸試驗(yàn)以及薄壁圓筒試驗(yàn)均設(shè)定拉伸位移為30mm，液脹試驗(yàn)、薄壁圓筒試驗(yàn)設(shè)定液壓（氣壓）值為1 000Pa.由于土工膜在拉伸模擬中施加的位移或者壓力均很小，因此可以假定土工膜在小荷載情況下發(fā)生線彈性變形，所以采用彈性模量為1E6、泊松比為0.3的線彈性模型，各組試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表1所示.由于試樣具有雙重軸對(duì)稱的特點(diǎn)，在建立有限元模型的過程中可以根據(jù)對(duì)稱性原理，選取各種試樣的1／4（薄壁圓筒為1／8）進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6～8所示.

表1 各種試驗(yàn)方法參數(shù)設(shè)定值

圖8 薄壁圓筒試樣雙向拉伸大主應(yīng)力云圖

根據(jù)數(shù)值模擬分析的結(jié)果，以各種試樣拉伸變形后的大主應(yīng)力為基礎(chǔ)，選取大主應(yīng)力最值比UNI和離散系數(shù)CV兩個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)試樣拉伸過程中應(yīng)力分布均勻性的主要依據(jù)，分別對(duì)各種試驗(yàn)方法的大主應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析.各種不同試驗(yàn)方法下的不同試樣數(shù)據(jù)指標(biāo)見表2.

表2 各種試樣數(shù)值模擬結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知：在同樣的位移荷載條件下，同種土工膜的單向拉伸（寬條與窄條）大主應(yīng)力的最大值σmax與最小值σmin以及均值μ 均大于雙向拉伸（圓形、十字形與圓筒）條件下相對(duì)應(yīng)的大主應(yīng)力值，而雙向拉伸狀況更接近工程中土工膜的實(shí)際受力狀態(tài)，這說明規(guī)范中規(guī)范中的單向拉伸測(cè)試方法很難對(duì)土工膜的特性給予真實(shí)的評(píng)價(jià).另外，單向拉伸情況下的大主應(yīng)力最值比UNI分別為1.96、2.93，由此可判斷單向拉伸條件下試樣中的應(yīng)力分布比較均勻，雙向拉伸中的液脹試驗(yàn)和十字形雙向拉伸UNI 分別為15.87、4.96，應(yīng)力分布極不均勻，結(jié)合大主應(yīng)力云圖可知2種試樣在邊緣位置和角點(diǎn)位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，薄壁圓筒拉伸UNI值為2.33，與單向拉伸UNI值想接近，應(yīng)力分布比較均勻.此外，由大主應(yīng)力CV值可知，薄壁圓筒拉伸下的CV值為0.08與單向拉伸下的0.06、0.07十分接近，說明試樣中的大主應(yīng)力離散度很小，應(yīng)力分布均勻，試驗(yàn)效果較好，而液脹試驗(yàn)與十字形雙向拉伸試驗(yàn)的CV值為0.55、0.21則相對(duì)比較大，大主應(yīng)力分布離散度較大，應(yīng)力分布不均，試驗(yàn)效果較差.

5 結(jié) 語

堆石壩防滲用土工膜的拉伸性能測(cè)試方法多種多樣，文章通過對(duì)各種拉伸試驗(yàn)方法對(duì)比分析，指出了各種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了單向測(cè)試方法的對(duì)土工膜拉伸性能評(píng)價(jià)的局限性，同時(shí)詳細(xì)描述了國內(nèi)外有關(guān)土工膜雙向拉伸試驗(yàn)的研究成果；進(jìn)而在此基礎(chǔ)上詳述了薄壁圓筒雙向拉伸試驗(yàn)法的優(yōu)劣.最后，利用有限元軟件對(duì)各種測(cè)試方法在相同的位移荷載條件下的試驗(yàn)效果進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過對(duì)比分析，可以初步得出以下結(jié)論：

1）在線彈性階段與單向拉伸相比，相同的位移荷載下，單向拉伸的試樣中應(yīng)力值比雙向拉伸應(yīng)力值明顯偏大，單向測(cè)試的結(jié)果與雙向拉伸試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果之間存在較大的偏差.

2）薄壁圓筒試驗(yàn)的大主應(yīng)力的最值比和離散系數(shù)均比液脹試驗(yàn)和十字形雙向拉伸小，與應(yīng)力分布比較均勻的單向拉伸試驗(yàn)值相接近，說明薄壁圓筒拉伸試驗(yàn)試樣中的應(yīng)力分布比較均勻，可以初步判定該方法試驗(yàn)效果相對(duì)較好.

3）雙向拉伸試驗(yàn)中，在線彈性階段的小位移條件下，3種試驗(yàn)方法的所測(cè)得的大主應(yīng)力的最值與均值相差不大，說明薄壁圓筒雙向拉伸試驗(yàn)在該條件下能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)土工膜在雙向拉伸條件下的力學(xué)特性.

［1］ 《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》編寫委員會(huì).土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：1－4.

［2］ 中華人民共和國水利部.土工合成材料測(cè)試規(guī)程（SL／T 235－2011）［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

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