缺陷和損傷土工膜的拉伸特性試驗

岑威鈞，波蘭汗·開肯，劉鳳茹

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518001)

土工膜是一類由高分子聚合物制成的新型工程防滲材料，具有防水性能好，施工速度快和造價低等特點，已廣泛應(yīng)用于水利、環(huán)境及巖土工程的防滲之中[1]。試驗測試表明，土工膜自身的滲透性很低[2]，在完好無損條件下能達到非常理想的防滲效果。由于土工膜厚度很薄，其抵抗力學變形的能力較弱[3]，一旦出現(xiàn)破損，就會產(chǎn)生可能危害工程安全的缺陷滲漏[4-8]。實際工程采用土工膜防滲時，土工膜兩側(cè)一般都需要設(shè)置墊層(保護層)，且多采用砂土、砂卵石等顆粒材料，此時土工膜的受力行為與兩側(cè)墊層的接觸特性[9-11]、顆?；蛩芩畨旱捻斖凶饔玫扔嘘P(guān)，土工膜會發(fā)生局部變形，從細觀層面可看似為拉伸變形[12]。因此，工程設(shè)計中非常有必要考慮土工膜的局部變形和抵抗受拉破壞的能力。無論是常見的堤壩工程還是垃圾填埋場，土工膜因拉伸、頂破、刺破、液脹等引起的局部變形過大導致的破壞和損傷在所難免[13]。一旦土工膜出現(xiàn)缺陷或損傷，勢必會對其抗拉性能產(chǎn)生影響[14]。因此非常有必要開展相關(guān)試驗，研究缺陷或損傷下土工膜的抗拉特性，為合理開展土工膜防滲設(shè)計時的力學性能復(fù)核提供必要的理論參考。本文對3種厚度的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜試樣分別設(shè)置圓孔、橫縫、豎縫及斜縫，以及不同長度和深度的刻痕，通過拉伸試驗獲得抗拉強度和伸長率等力學指標，并與完好土工膜成果進行比較，確定不同缺陷和損傷(缺陷指貫穿土工膜厚度的孔和縫，損傷為非貫穿性的刻痕)屬性對土工膜拉伸特性的定量影響程度，以供相關(guān)設(shè)計時參考。

1 試驗材料與試驗方案

按照SL 235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》(下文簡稱《規(guī)程》)，土工膜拉伸試驗中試樣形狀為啞鈴狀，其有效拉伸區(qū)域?qū)挾戎挥? mm。由于尺寸很小，不宜在試樣上設(shè)置相關(guān)缺陷或損傷。為此，本文對缺陷和損傷土工膜開展拉伸試驗時按上述《規(guī)程》中的窄樣條法[15]進行試樣制樣，即采用200 mm×50 mm的矩形試樣。其中，土工膜有效拉伸區(qū)域尺寸為100 mm×50 mm，兩端夾具各夾持50 mm長。根據(jù)《規(guī)程》要求，對整卷土工膜按照梯形取樣法進行裁剪，剔除整幅土工膜中靠近邊緣(不小于100 mm)、彎折嚴重、凹凸不平以及有明顯瑕疵或損傷的部位，制成一系列上述尺寸的完好土工膜試樣。其次，在這些試樣中心位置用專門工具制作不同形式的缺陷或損傷。缺陷形式包括圓孔、橫縫、豎縫及與拉伸方向成45°夾角的斜縫，均貫穿整個土工膜厚度；損傷采用橫向和斜向的刻縫，刻縫深度小于土工膜厚度。將刻縫深度與膜厚之比定義為損傷深度比。對于缺陷試樣來說，其損傷深度比為100%。試驗選用膜厚d=1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的3種光面HDPE土工膜，其完好試樣的基本拉伸力學指標見表1。

表1 完好土工膜基本拉伸特性指標

表2給出了不同缺陷和損傷土工膜的拉伸試驗方案。影響因素包含了3種膜厚、4種缺陷類型、3種缺陷尺寸及4種損傷深度比，以盡量反映實際工程中土工膜可能存在的缺陷和損傷形式。試驗拉伸速率為20 mm/min。同一種試樣重復(fù)做5次，結(jié)果取平均值。

表2 土工膜拉伸試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 缺陷形式的影響

方案1主要考察不同類型的缺陷對土工膜拉伸性能的影響。缺陷形式包括橫縫、斜縫、豎縫與圓孔，缺陷尺寸均為15 mm。通過拉伸試驗，可得缺陷土工膜拉力和伸長率關(guān)系曲線(試樣寬50 mm)，見圖1。為提高試驗數(shù)據(jù)分析的可靠性，選用3種厚度土工膜試樣進行平行對照試驗。因完好土工膜試樣的斷裂伸長率很大(大于500%，見表1)，圖1中曲線未完整顯示。圖2給出了不同拉伸階段橫縫、斜縫、豎縫的缺陷變形擴展過程。根據(jù)拉伸試驗曲線，可得到缺陷土工膜的屈服抗拉強度(簡稱抗拉強度)與相應(yīng)的伸長率及斷裂伸長率，見表3，其中屈服抗拉強度為拉伸曲線中峰值拉力與試樣寬度50 mm之比，峰值拉力點對應(yīng)的伸長率為屈服伸長率，簡稱伸長率。

圖1 不同厚度土工膜的拉伸曲線

圖2 1.5 mm厚土工膜缺陷拉伸擴展過程

表3 不同缺陷形式的土工膜拉伸力學指標

由圖1和表3可知，無論完好試樣，還是缺陷試樣，拉伸曲線均存在明顯的峰值點。當拉力超過峰值點后繼續(xù)拉伸試樣，除豎縫試樣外，其他幾類缺陷(圓孔、橫縫及斜縫)試樣在拉伸過程中缺陷不斷擴張，導致拉力顯著降低，直至試樣拉斷破壞。而完好無缺陷試樣，拉力超過峰值點后降低較小，出現(xiàn)一個平緩的過渡性直線段，在試樣斷裂之前拉力再次增大，直至斷裂，斷裂伸長率大于500%(表1)。由于豎縫與拉伸方向一致，豎縫缺陷試樣表現(xiàn)的拉伸特性與完好試樣很接近。由圖2可見，圓孔缺陷在拉伸過程中逐漸擴展為橢圓形，由于有效斷面不斷減小，試樣最終在橢圓兩側(cè)發(fā)生拉伸斷裂。與縫狀缺陷試樣相比，圓孔缺陷試樣拉力在峰值點后下降較緩，斷裂伸長率更大。對于橫縫與斜縫缺陷試樣，變形集中在缺陷附近區(qū)域，縫端應(yīng)力集中，使得試樣撕裂加快，其斷裂伸長率均小于圓孔缺陷試樣。橫縫缺陷試樣抗拉強度總體上小于斜縫，峰值點后拉力下降相對稍快，這是由于橫縫在垂直于拉伸方向的有效尺寸大于斜縫之故。

圖3為完好和缺陷土工膜試樣的抗拉強度和斷裂伸長率與膜厚之間的關(guān)系曲線。由圖3可見，各類土工膜試樣的抗拉強度均隨膜厚的增加顯著增加，近似呈線性關(guān)系。除豎縫缺陷試樣的抗拉強度基本與完好試樣接近外，斜縫、圓孔及橫縫缺陷試樣的抗拉強度相比完好試樣均有不同程度的降低，最大降幅為38.00%。斷裂伸長率總體上隨膜厚的增加有所減小。相比完好土工膜，各類缺陷試樣的斷裂伸長率大幅減小，其值不超過72%(完好樣大于500%)，其中橫縫缺陷試樣降幅最為顯著。由此可見，土工膜一旦出現(xiàn)缺陷，其斷裂伸長率會顯著降低，即破壞前的拉伸變形會大幅減小。

圖3 土工膜抗拉強度和斷裂伸長率與膜厚關(guān)系

圖4 損傷土工膜抗拉強度和斷裂伸長率與損傷深度比的關(guān)系

2.2 損傷深度比的影響

在完好土工膜試樣上分別制作橫向刻痕和斜向刻痕，刻痕長10 mm，損傷深度比分別設(shè)置為25%、50%、75%和100%(方案2)，其中損傷深度比100%意味穿透土工膜，即2.1節(jié)中的橫縫和斜縫缺陷。限于篇幅，不再逐一給出損傷試樣的拉伸曲線。圖4展示了3種厚度的土工膜損傷試樣的抗拉強度和斷裂伸長率隨損傷深度比的衰減關(guān)系，兩圖中同時給出完好試樣(損傷深度比0%)的試驗值。由圖4可見，隨著土工膜試樣損傷深度比的增大，其抗拉強度與斷裂伸長率逐漸減小。對于損傷深度比25%的斜向刻痕試樣，在拉伸過程中損傷部位有一定的擴張變形，但損傷并未發(fā)展成貫穿性的縫狀缺陷，其拉伸曲線形狀與完好試樣比較接近，因此其抗拉強度與斷裂伸長率均略小于完好試樣。而對于損傷深度比為50%和75%的斜向刻痕試樣，在拉伸過程中刻痕均發(fā)生明顯的擴張變形，最終演化為縫狀缺陷，其拉伸特性展現(xiàn)出與縫狀缺陷土工膜相似的特點，抗拉強度降低明顯。3種厚度土工膜的橫向刻痕試樣在25%損傷深度比下，其斷裂伸長率相比斜向刻痕試樣呈現(xiàn)大幅降低，而在50%、75%、100%損傷深度比下兩者之間的差距較小。

圖5 損傷土工膜抗拉強度和斷裂伸長率與刻痕長度的關(guān)系

2.3 刻痕長度的影響

對3種厚度損傷深度比為50%的土工膜試樣，分別設(shè)置長度為5 mm、10 mm和15 mm的橫向和斜向刻痕，測試刻痕長度對土工膜拉伸特性的影響(方案3)。圖5給出了不同厚度損傷土工膜抗拉強度和斷裂伸長率與刻痕長度的關(guān)系曲線。由圖5可見，刻痕長度越長，抗拉強度與斷裂伸長率越小。以橫向刻痕為例，相比完好試樣，刻痕長度分別為5 mm、10 mm和15 mm 時，1.0 mm厚土工膜的抗拉強度分別降低了2.86%、4.76%和7.62%，1.5 mm厚土工膜的抗拉強度分別降低7.68%、11.95%和17.82%，2.0mm厚土工膜的抗拉強度分別降低11.13%、14.19%和13.39%。此外，3種刻痕長度下，橫向刻痕土工膜的抗拉強度均小于斜向刻痕試樣的對應(yīng)值?？梢?，與拉伸方向垂直的橫向刻痕損傷對土工膜抗拉強度降低的影響更大。對于斷裂伸長率，5 mm刻痕長度時，橫向刻痕試樣的斷裂伸長率相比斜向刻痕試樣大幅降低，而10 mm和15 mm刻痕長度時，橫向刻痕試樣的斷裂伸長率相比斜向刻痕試樣的下降幅度較小。

3 結(jié) 論

a. 除豎縫缺陷外，無論是缺陷試樣還是損傷試樣，其拉伸曲線在峰值前的起始段與完好試樣接近，超過峰值后拉力會顯著降低，直至試樣斷裂，相應(yīng)的斷裂伸長率大幅降低?？傮w上，缺陷試樣和損傷試樣的拉伸曲線與完好試樣差異顯著，主要體現(xiàn)在抗拉強度和斷裂伸長率的降低。豎縫由于平行于拉伸方向，其拉伸曲線近似同完好試樣，缺陷對土工膜拉伸特性的影響基本可忽略。

b. 除豎縫缺陷外，圓孔、橫縫和斜縫缺陷在拉伸過程中缺陷逐漸擴展，有效拉伸斷面不斷減小，試樣最終在缺陷兩側(cè)附近發(fā)生斷裂。由于橫縫與斜縫試樣在縫端應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，因此抗拉強度和斷裂伸長率降低更為顯著。相比之下，圓孔缺陷試樣的斷裂伸長率稍大些。由此可見，實際土工膜防滲工程中為土工膜安全計，盡量避免出現(xiàn)與拉伸方向垂直的縫狀缺陷。

c. 隨著土工膜損傷深度比的增大，其抗拉強度及斷裂伸長率均減小，其中橫向刻痕較斜向刻痕降低更為明顯。隨著土工膜刻痕長度的增加，其抗拉強度及斷裂伸長率亦不斷減小。因此，實際工程中應(yīng)盡量保護好土工膜(如采用復(fù)合土工膜)，使土工膜少出現(xiàn)劃痕損傷，以免降低拉伸力學特性。