土工膜雙向拉伸試驗若干問題探討

吳云云 孟 強

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

1 引言

土工膜具有較低的滲透系數(shù)特性，防滲效果顯著，是水利建筑工程理想的防滲材料，工程實踐中應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)的防水材料相比，土工膜具有滲透系數(shù)低、低溫柔性好、形變適應(yīng)性強、質(zhì)量輕、強度高、整體連接性好和施工方便等特點，是一種以高分子聚合物為基本原料的防水阻隔型材料，主要分為聚乙烯(PE)土工膜、聚氯乙烯(PVC)土工膜、氯化聚乙烯(CFC)土工膜及各種復(fù)合土工膜等。斷裂強度、斷裂伸長率及厚度是土工膜的重要性能指標，性能測試的規(guī)范化與標準化可有效指導(dǎo)工程設(shè)計。在實際應(yīng)用中，土工膜的受力情況非常復(fù)雜，它不是單純的一個方向受力，而是不規(guī)則的各個方向同時受力。關(guān)于土工膜雙向拉伸的標準或規(guī)范，目前國內(nèi)外均未給出統(tǒng)一規(guī)定，應(yīng)用實踐中大多采用單向拉伸試驗測試數(shù)據(jù)及物理性指標，而在實際工程中土工膜至少是雙向受力。在雙軸受力狀態(tài)下的破壞強度較之單軸受力狀態(tài)下的破壞強度必然會產(chǎn)生折減，在設(shè)計中采用單軸受力狀態(tài)下的破壞強度作為材料的強度會產(chǎn)生安全隱患。因此，充分考慮土工膜雙向受拉的工作狀態(tài)，試驗研究具有重要的意義。

本文對目前雙向拉伸試驗做了簡單介紹，并對試驗過程中存在的若干問題做了一定的探討，并提出了一些探索性試驗方案。

2 雙向拉伸試驗器材及試樣選擇

試驗器材及拉伸試樣科學(xué)合理的選擇，對試驗成敗及測試效果具有重要的作用。一般的織物薄膜，日本較早提出膜雙軸試驗方法標準，隨后德國也提出了關(guān)于膜雙軸試驗方法標準，但這些標準和方法主要應(yīng)用于大型飛艇蒙皮材料研究。前人的實踐為我們提供了雙向拉伸試驗的思路，目前我國試驗使用的雙向拉伸儀器主要有：束一鳴、吳海民等研發(fā)的“土工合成材料雙向拉伸蠕變測試儀”，束一鳴、姜曉楨等研制的“土工膜內(nèi)壓薄壁圓筒試樣雙向拉伸試驗裝置”。

2.1 試驗器材介紹

“土工合成材料雙向拉伸蠕變測試儀”提供一種土工合成材料雙向拉伸蠕變測試儀，包括主機架平臺和設(shè)置在所述主機架平臺上的十字形拉伸試驗裝置，十字形拉伸試驗裝置包括夾持裝置、導(dǎo)向裝置、位移傳感器和施力裝置。夾持裝置為四組，夾持放置在十字形拉伸試驗裝置中間的試件四邊，并分別通過鋼索與設(shè)置在十字形拉伸試驗裝置的四個端部的施力裝置連接?！巴凉つ?nèi)壓薄壁圓筒試樣雙向拉伸試驗裝置”實現(xiàn)了雙向拉伸荷載作用下任意復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變加載路徑下的蠕變試驗，一種土工膜內(nèi)壓薄壁圓筒試樣雙向拉伸試驗裝置，解決了土工膜平面十字形試樣在雙向拉伸試驗中的應(yīng)力均勻性問題，克服了傳統(tǒng)內(nèi)壓薄壁圓筒試驗不適用于土工膜柔性材料問題，能夠準確地得出土工膜在雙向應(yīng)力條件下的雙向應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.2 試樣制取與選擇

2.2.1 十字試樣優(yōu)化

土工合成材料雙向拉伸蠕變測試儀采用的試樣為十字形，如圖1所示。按照實驗器材使用方法安裝試樣，在拉伸過程中發(fā)現(xiàn)，II、III部位在I區(qū)域為發(fā)生斷裂之前已經(jīng)發(fā)生斷裂，四個周邊的力未能將所加拉力有效傳至 I區(qū)域的四邊，致使試驗失敗，原因是從II-I-II方向看，III-I-III區(qū)域斷面面積明顯大于II區(qū)域斷面面積，應(yīng)力值較小，致使II區(qū)域先斷裂。為改良I區(qū)域的受力，將試樣圖1中I區(qū)域的斷面尺寸做適當(dāng)縮小如圖2所示，可有效改善試樣傳力。試樣從外端向內(nèi)流線型收攏，形成夾持區(qū)域面積較大，而I區(qū)受力區(qū)域面積較小的形式，保證拉伸過程中應(yīng)力集中在I區(qū)域部位。為避免試樣在拉伸過程中滑移，可在II、III區(qū)域加筋，提高該區(qū)域抗拉伸性能，使得雙向拉伸過程中試樣的四邊變形量很小，保證變形斷裂發(fā)生在I區(qū)域內(nèi)。

2.2.2 薄壁圓筒狀試樣

十字試樣存在中心區(qū)域拉力傳遞缺陷問題，為更科學(xué)合理的實現(xiàn)試驗測試區(qū)域均勻受力，將試樣制作成圓柱狀如圖3所示。將截取的試樣土工膜焊接成圓柱型，上下部位分別用夾具固定在拉伸儀器上下盤上，形成一個密封體，然后通過充氣孔向密閉體內(nèi)充入一定壓力的氣體，充氣完畢后關(guān)閉止氣閥門，將試樣在“土工膜內(nèi)壓薄壁圓筒試樣雙向拉伸試驗裝置”上做拉伸試驗。

將試樣沿圓柱型試樣母線裁開，受力分析型式如圖4所示，實現(xiàn)了拉力均勻分布至試驗測試區(qū)域。由于試樣焊接成型，存在焊接縫，焊接縫的剛度比周圍土工膜大，拉伸試驗結(jié)果顯示最先斷裂部位發(fā)生在焊縫處，為使圓形斷面均勻受力，可與生產(chǎn)廠家定制試驗所需的圓柱型試樣尺寸，避免焊縫存在。

3 拉伸試樣變形量測

斷裂伸長率是土工膜性能測試中的一項指標，試樣雙向變形的量測是試驗重要組成部分，傳統(tǒng)的材料的變形性能是通過在試樣上黏貼應(yīng)變計獲取。土工膜屬于低彈模柔性材料，所選傳感器必須滿足如下兩個基本條件：(1)敏感元件必須能跟隨土工織物變形而變形(即變形跟隨性好)；(2)土工膜應(yīng)變計的核心元件是特種大應(yīng)變計。由于應(yīng)變計一般為金屬結(jié)構(gòu)，其柔性較差，且變形量程較短，很難滿足以上兩個基本條件，并且應(yīng)變計一般要黏貼到土工膜試樣上，其黏度對試樣的拉伸也有一定的影響，所以不建議使用。

通過在試樣上劃分一定尺寸的網(wǎng)格，試驗結(jié)束后量測網(wǎng)格尺寸的變化，可有效實現(xiàn)變形量測。以圓筒型試樣為例，見圖5所示，圓筒試樣外側(cè)預(yù)先劃分等距網(wǎng)格，試樣斷裂破壞后分別量測橫向豎向變形量，可以準確得到測試區(qū)域的變形量。

4 試樣厚度量測

土工膜厚度是土工膜物理特性的重要指標，不同的水頭壓力，采用的土工膜的厚度是不同的，選擇科學(xué)合理的厚度不僅確保工程安全，而且降低工程投資。目前在工程實際應(yīng)用中，鋪在顆粒地層或縫隙上的土工膜受水壓力荷載時厚度主要有以下幾種計算方法：（1）顧淦臣(1985)薄膜理論公式；（2）前蘇聯(lián)全蘇水工科學(xué)研究院的經(jīng)驗公式；（3）P·G i-roud(1982)的鋪在窄縫上的膜近似公式；（4）沈長松（2004）的設(shè)計曲線交會法。方法一：薄膜理論公式是在不同的邊界條件，根據(jù)膜的變位方程式，用積分的方法求得各個方向的伸長量，進而求得應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系；方法二和三是根據(jù)工程經(jīng)驗得出的結(jié)論；方法四是運用有限元法求得土工膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線及彈性模量。以上方法都是建立在不同的伸長率下，膜的厚度是不變的。

雙向拉伸試驗中試樣隨著伸長率的增加，膜的厚度也在不斷變化，在拉力不變的情況下，應(yīng)力也隨著變化，只有量測出不同的伸長率下土工膜的厚度才能準確得到應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。本文根據(jù)光學(xué)及電學(xué)理論提出了量測土工膜的兩種方法。

4.1 薄膜等傾干涉理論應(yīng)用

Hall等通過測量薄膜在紅外的反射和透射譜來計算薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)。Manifaci等用測量薄膜透射譜的方法來計算膜厚和光學(xué)常數(shù)，已經(jīng)有文獻報道了對這種方法的應(yīng)用，并得出了較為可信的結(jié)果。光學(xué)理論的進展，是光學(xué)量測土工膜厚度有力理論支撐。薄膜干涉理論認為：光從光疏媒質(zhì)入射到光密媒質(zhì)，且入射角小于布魯斯特角時，反射光與入射光之間存在半波損。干涉理論模型如圖 6所示，根據(jù)干涉理論，介質(zhì)n1＜n2＞n3及 n1＜n2＜n3時，光線垂直入射薄膜，由公式（k=0，1，2…）可完成土工膜厚度量測。式中：e：土工膜厚度，n2：土工膜介質(zhì)常數(shù)；λ：土工膜內(nèi)光線波長。只要率定不同材料的土工膜波長λ，觀察到屏幕上干涉條紋2個明條紋間距，取k=0時就可得到土工膜的最小厚度。

4.2 電容法量測土工膜厚度探討

電容法測厚是把平行板電容器作為傳感器，使被測物在兩極板間穿過，當(dāng)被測物的厚度發(fā)生變化時，電容值也發(fā)生相應(yīng)的變化，通過檢測電容值C換算出介質(zhì)材料的厚度。見圖7所示，其電容值表示式：

式中：0ε：真空中的介電系數(shù)；lε：空氣的相對介電系數(shù)；rε：被測物質(zhì)的相對介電系數(shù)；S：電容極板的面積；D0：兩極板間的距離；dx：被測物質(zhì)的厚度；CT：傳感器的電容量。

圖7 電容傳感器示意圖

于振生、趙振業(yè)等利用微處理器進行數(shù)據(jù)處理和控制，運用三步測量法，準確、快速、方便地量測出了靜態(tài)測量數(shù)據(jù)。土工膜厚度電容法測量見圖8所示，將兩塊電極板分別置于圓筒試樣內(nèi)外兩側(cè)，并用兩塊磁鐵將極板固定，內(nèi)側(cè)導(dǎo)線可經(jīng)上盤開孔處引出，導(dǎo)線引出后，導(dǎo)線進孔密封，防止漏氣，通過觀測電壓表數(shù)值變化，運用公式（1）分別計算出不同拉伸長度下土工膜的厚度。

圖8 電容法量測土工膜厚度示意圖

5 結(jié)論

本文對土工膜雙向拉伸試驗的若干問題進行了相關(guān)探討，分別論述了試樣制取、拉伸變形量測以及厚度量測的方法，在現(xiàn)有試驗的基礎(chǔ)上提出了試樣的改良方法，分析了拉伸長度量測的兩種不同方法，運用光學(xué)等傾干涉原理以及電容原理探討了土工膜厚度量測的兩種方法：光學(xué)等傾干涉法和電容法。

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2 土工合成材料工程應(yīng)用手冊編寫委員會. 土工合成材料工程應(yīng)用手冊[M] . 北京∶ 中國建筑工業(yè)出版社, 2000.

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6 于振生, 趙振業(yè)等. 介質(zhì)厚度的電容法測量[J]. 電子測量與儀器學(xué)報,1988,2(3)∶51-55.