土工膜双向拉伸试验若干问题探讨

2014-05-04吴云云

水利规划与设计 2014年4期

吴云云孟强

（吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021）

1 引言

土工膜具有较低的渗透系数特性，防渗效果显著，是水利建筑工程理想的防渗材料，工程实践中应用广泛。与传统的防水材料相比，土工膜具有渗透系数低、低温柔性好、形变适应性强、质量轻、强度高、整体连接性好和施工方便等特点，是一种以高分子聚合物为基本原料的防水阻隔型材料，主要分为聚乙烯(PE)土工膜、聚氯乙烯(PVC)土工膜、氯化聚乙烯(CFC)土工膜及各种复合土工膜等。断裂强度、断裂伸长率及厚度是土工膜的重要性能指标，性能测试的规范化与标准化可有效指导工程设计。在实际应用中，土工膜的受力情况非常复杂，它不是单纯的一个方向受力，而是不规则的各个方向同时受力。关于土工膜双向拉伸的标准或规范，目前国内外均未给出统一规定，应用实践中大多采用单向拉伸试验测试数据及物理性指标，而在实际工程中土工膜至少是双向受力。在双轴受力状态下的破坏强度较之单轴受力状态下的破坏强度必然会产生折减，在设计中采用单轴受力状态下的破坏强度作为材料的强度会产生安全隐患。因此，充分考虑土工膜双向受拉的工作状态，试验研究具有重要的意义。

本文对目前双向拉伸试验做了简单介绍，并对试验过程中存在的若干问题做了一定的探讨，并提出了一些探索性试验方案。

2 双向拉伸试验器材及试样选择

试验器材及拉伸试样科学合理的选择，对试验成败及测试效果具有重要的作用。一般的织物薄膜，日本较早提出膜双轴试验方法标准，随后德国也提出了关于膜双轴试验方法标准，但这些标准和方法主要应用于大型飞艇蒙皮材料研究。前人的实践为我们提供了双向拉伸试验的思路，目前我国试验使用的双向拉伸仪器主要有：束一鸣、吴海民等研发的“土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪”，束一鸣、姜晓桢等研制的“土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置”。

2.1 试验器材介绍

“土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪”提供一种土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪，包括主机架平台和设置在所述主机架平台上的十字形拉伸试验装置，十字形拉伸试验装置包括夹持装置、导向装置、位移传感器和施力装置。夹持装置为四组，夹持放置在十字形拉伸试验装置中间的试件四边，并分别通过钢索与设置在十字形拉伸试验装置的四个端部的施力装置连接。“土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置”实现了双向拉伸荷载作用下任意复杂应力应变加载路径下的蠕变试验，一种土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，解决了土工膜平面十字形试样在双向拉伸试验中的应力均匀性问题，克服了传统内压薄壁圆筒试验不适用于土工膜柔性材料问题，能够准确地得出土工膜在双向应力条件下的双向应力应变曲线。

2.2 试样制取与选择

2.2.1 十字试样优化

土工合成材料双向拉伸蠕变测试仪采用的试样为十字形，如图1所示。按照实验器材使用方法安装试样，在拉伸过程中发现，II、III部位在I区域为发生断裂之前已经发生断裂，四个周边的力未能将所加拉力有效传至 I区域的四边，致使试验失败，原因是从II-I-II方向看，III-I-III区域断面面积明显大于II区域断面面积，应力值较小，致使II区域先断裂。为改良I区域的受力，将试样图1中I区域的断面尺寸做适当缩小如图2所示，可有效改善试样传力。试样从外端向内流线型收拢，形成夹持区域面积较大，而I区受力区域面积较小的形式，保证拉伸过程中应力集中在I区域部位。为避免试样在拉伸过程中滑移，可在II、III区域加筋，提高该区域抗拉伸性能，使得双向拉伸过程中试样的四边变形量很小，保证变形断裂发生在I区域内。

2.2.2 薄壁圆筒状试样

十字试样存在中心区域拉力传递缺陷问题，为更科学合理的实现试验测试区域均匀受力，将试样制作成圆柱状如图3所示。将截取的试样土工膜焊接成圆柱型，上下部位分别用夹具固定在拉伸仪器上下盘上，形成一个密封体，然后通过充气孔向密闭体内充入一定压力的气体，充气完毕后关闭止气阀门，将试样在“土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置”上做拉伸试验。

将试样沿圆柱型试样母线裁开，受力分析型式如图4所示，实现了拉力均匀分布至试验测试区域。由于试样焊接成型，存在焊接缝，焊接缝的刚度比周围土工膜大，拉伸试验结果显示最先断裂部位发生在焊缝处，为使圆形断面均匀受力，可与生产厂家定制试验所需的圆柱型试样尺寸，避免焊缝存在。

3 拉伸试样变形量测

断裂伸长率是土工膜性能测试中的一项指标，试样双向变形的量测是试验重要组成部分，传统的材料的变形性能是通过在试样上黏贴应变计获取。土工膜属于低弹模柔性材料，所选传感器必须满足如下两个基本条件：(1)敏感元件必须能跟随土工织物变形而变形(即变形跟随性好)；(2)土工膜应变计的核心元件是特种大应变计。由于应变计一般为金属结构，其柔性较差，且变形量程较短，很难满足以上两个基本条件，并且应变计一般要黏贴到土工膜试样上，其黏度对试样的拉伸也有一定的影响，所以不建议使用。

通过在试样上划分一定尺寸的网格，试验结束后量测网格尺寸的变化，可有效实现变形量测。以圆筒型试样为例，见图5所示，圆筒试样外侧预先划分等距网格，试样断裂破坏后分别量测横向竖向变形量，可以准确得到测试区域的变形量。

4 试样厚度量测

土工膜厚度是土工膜物理特性的重要指标，不同的水头压力，采用的土工膜的厚度是不同的，选择科学合理的厚度不仅确保工程安全，而且降低工程投资。目前在工程实际应用中，铺在颗粒地层或缝隙上的土工膜受水压力荷载时厚度主要有以下几种计算方法：（1）顾淦臣(1985)薄膜理论公式；（2）前苏联全苏水工科学研究院的经验公式；（3）P·G i-roud(1982)的铺在窄缝上的膜近似公式；（4）沈长松（2004）的设计曲线交会法。方法一：薄膜理论公式是在不同的边界条件，根据膜的变位方程式，用积分的方法求得各个方向的伸长量，进而求得应力与应变的关系；方法二和三是根据工程经验得出的结论；方法四是运用有限元法求得土工膜的应力应变关系曲线及弹性模量。以上方法都是建立在不同的伸长率下，膜的厚度是不变的。

双向拉伸试验中试样随着伸长率的增加，膜的厚度也在不断变化，在拉力不变的情况下，应力也随着变化，只有量测出不同的伸长率下土工膜的厚度才能准确得到应力应变的变化规律。本文根据光学及电学理论提出了量测土工膜的两种方法。

4.1 薄膜等倾干涉理论应用

Hall等通过测量薄膜在红外的反射和透射谱来计算薄膜厚度和光学常数。Manifaci等用测量薄膜透射谱的方法来计算膜厚和光学常数，已经有文献报道了对这种方法的应用，并得出了较为可信的结果。光学理论的进展，是光学量测土工膜厚度有力理论支撑。薄膜干涉理论认为：光从光疏媒质入射到光密媒质，且入射角小于布鲁斯特角时，反射光与入射光之间存在半波损。干涉理论模型如图 6所示，根据干涉理论，介质n1＜n2＞n3及 n1＜n2＜n3时，光线垂直入射薄膜，由公式（k=0，1，2…）可完成土工膜厚度量测。式中：e：土工膜厚度，n2：土工膜介质常数；λ：土工膜内光线波长。只要率定不同材料的土工膜波长λ，观察到屏幕上干涉条纹2个明条纹间距，取k=0时就可得到土工膜的最小厚度。

4.2 电容法量测土工膜厚度探讨

电容法测厚是把平行板电容器作为传感器，使被测物在两极板间穿过，当被测物的厚度发生变化时，电容值也发生相应的变化，通过检测电容值C换算出介质材料的厚度。见图7所示，其电容值表示式：

式中：0ε：真空中的介电系数；lε：空气的相对介电系数；rε：被测物质的相对介电系数；S：电容极板的面积；D0：两极板间的距离；dx：被测物质的厚度；CT：传感器的电容量。

图7 电容传感器示意图

于振生、赵振业等利用微处理器进行数据处理和控制，运用三步测量法，准确、快速、方便地量测出了静态测量数据。土工膜厚度电容法测量见图8所示，将两块电极板分别置于圆筒试样内外两侧，并用两块磁铁将极板固定，内侧导线可经上盘开孔处引出，导线引出后，导线进孔密封，防止漏气，通过观测电压表数值变化，运用公式（1）分别计算出不同拉伸长度下土工膜的厚度。