土工膜焊缝剪切强度与充气时间和充气压强的关系

褚智超， 魏军扬

(1.江苏镇江建筑科学研究院集团有限公司，江苏 镇江 212000；2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063)

土工膜作为由高分子聚合物制成的工程防渗材料，与黏土、混凝土、沥青混凝土等传统的防渗材料相比，有着更为优越的防渗性能，且具有工程施工速度快、造价低廉等优点[1,2]。随着土工膜在工程中的不断应用，国内外做了大量的相关研究工作，概括起来主要有：土工膜防渗、施工方面研究，设计计算等方面研究和土工膜接缝问题相关研究。土工膜焊缝剪切强度是整个防渗结构可靠性保障的关键因素之一，在土工膜施工工艺方面，我国学者束一鸣等对土工膜焊接和胶接等拼接工艺进行了室内和现场试验研究[3,4]，束一鸣等在施工工艺对膜的力学特性方面验证了复杂施工环境下保持焊接部位清洁、干燥对保证焊接质量的重要性[5]并结合实际工程对常用的PE和PVC土工膜的焊接、黏结、槽中拼接、周边锚固、顶部连接及铺设工艺进行系统研究和总结[6]；蒋学行等[7]对PE复合土工膜快速粘结技术在防渗工程施工中的应用做了研究；Wesseloo J等在单轴拉伸下，通过HDPE的试验数据和模型数据对比，并用FLAC3D分析得出：在一定应变率下，应力应变曲线之间双曲函数和指数函数模型[8]；膜的叠加会使焊缝在单轴拉伸时焊缝的两面不在同一平面[9]。

目前土工膜焊缝检测分为有损检测与无损检测两大类，室内试验一般进行有损检测，比如剪切强度试验；而现场试验通常要求无损检测。无损检测的方法很多，实际工程中大多依据SL/T 231-1998《聚乙烯(PE)土工膜防渗工程技术规范》和SL 18-2004《渠道防渗工程技术规范》采用充气法检测。目前采用的规范方法存在三个方面的问题：一是对于充气压力和充气时间等规定有很大的任意性，不利于检测人员的实际操作；二是对于不同厚度的土工膜采用同一充气压力欠妥当，对于厚度较小的土工膜，在0.2 MPa的充气压力作用下，已经产生鼓胀现象，变形较大，此时所谓的无损检测已经变成有损检测；三是不同厚度焊缝强度判断的依据没有量化，致使判定结果往往具有主观性。

为了提高土工膜焊缝强度的检测水平，本文选择七种不同厚度的HDPE土工膜在不同充气时间和充气压强条件下进行焊缝强度试验，得到土工膜焊缝剪切强度质量与充气时间和充气压强之间的关系。为土工膜充气检测和相关工程提供参考借鉴。

1 试验方案

进行无充气状态下HDPE土工膜的焊缝剪切强度试验。

选择七种不同厚度的HDPE土工膜进行焊缝强度试验，土工膜厚度分别为 0.25、0.35、0.5、0.75、1.00、1.50、2.00 mm，对应母材拉伸强度分别为185、292、506、710、923、1616、2387 (N/50 mm)。

充气方案选用以下四种状态，分别是：(1)充气压力0.1 MPa，充气时间3 min；(2)充气压力0.1 MPa，充气时间10 min；(3)充气压力0.2 MPa，充气时间3 min；(4)充气压力0.2 MPa，充气时间10 min。对充气检测后的HDPE土工膜焊缝进行剪切试验，并与无充气状态下的焊缝剪切强度进行对比，分析研究充气时间、充气压力对焊缝强度质量的影响及其之间的变化规律。

2 试验方法原理

土工膜焊缝结构示意图如图1所示。土工膜焊缝剪切试验基本等同于拉伸试验，即按照规范本应采用哑铃法，为便于与焊缝强度的比较，本文在对土工膜原材拉伸亦采用条带拉伸，宽度为50 mm，把试样两端用夹具固定，夹持长度为100 mm，以50 mm/min的速率进行拉伸直到破坏，绘制应力-应变曲线，分别记录土工膜焊缝的屈服强度及屈服伸长率、断裂强度及断裂伸长率，并做5组试样，计算其平均值。与拉伸试验不同的是土工膜焊缝剪切试验只是夹持中间含有土工膜焊缝部分，主要区别在于要观察和记录试样的破坏现场，比如原材断裂、焊缝滑脱。该试验采用微机控制电子万能试验机操作，并按照SL 235-2012《土工合成材料测试规程》 相关规定执行。

图1 土工膜焊缝结构示意

3 试验结果及分析

所有试验组剪切强度试验结果见表1，土工膜焊缝剪切强度与土工膜厚度关系曲线见图2。

表1 各个试验组剪切强度试验结果

图2 所有试验组土工膜焊缝剪切强度与土工膜厚度关系曲线

3.1 充气压力对焊缝剪切强度影响的试验研究

该试验研究可以分为：焊缝充气3 min，不同压力0.1 MPa和0.2 MPa试验条件；焊缝充气10 min，不同压力0.1 MPa和0.2 MPa试验条件两类。

首先, 对焊缝充气3 min试验条件下结果分析：取无充气试验组、充气0.1 MPa,3 min试验组、充气0.2 MPa,3 min试验组试验结果(参照表1和图2)进行对比分析，可以得出，在焊缝充气3min试验条件下，三试验组焊缝剪切强度随着土工膜厚度的增加而增加，且曲线变化趋势及数值大小较为一致，这是因为土工膜焊缝母材的厚度对焊缝的剪切强度起决定作用。

其次，对焊缝充气10 min试验条件下结果分析，会得出与焊缝充气3 min试验条件非常相似的结论。

由以上分析可以得出充气压力对土工膜焊缝剪切强度的影响很小。

3.2 充气时间对焊缝剪切强度影响的试验研究

该试验研究可以分为：焊缝充气压力0.1 MPa，不同时间3 min和10 min试验条件；焊缝充气压力0.2 MPa，不同时间3 min和10 min试验条件两类。

首先对焊缝充气0.1 MPa试验条件下结果分析：取无充气试验组、充气0.1 MPa,3 min试验组、充气0.1 MPa,10 min试验组试验结果(参照表1和图2)进行对比分析。其次对焊缝充气0.2 MPa试验条件下结果分析：取无充气试验组、充气0.2 MPa,3 min试验组、充气0.2 MPa,10 min试验组试验结果(参照表1和图2)进行对比分析。可以得出与3.1相似的结论：即充气时间对土工膜焊缝剪切强度的影响很小。

相同厚度土工膜焊缝剪切强度变化系数为相同厚度土工膜各试验组的剪切强度最大值与最小值的差值与相同厚度土工膜各试验组剪切强度最小值的比值。则通过计算可以得出土工膜厚度分别为 0.25、0.35、0.5、0.75、1.00、1.50、2.00 mm的焊缝强度变化系数分别为6.72%、4.38%、4.00%、0.82%、1.50%、0.81%和1.42%。可以得出，剪切强度变化系数最大为6.72%，最小为0.81%。

综上所述，所有试验组在不同充气压力，充气时间下，焊缝剪切强度随着土工膜厚度的增加而增加，且曲线变化几乎一致，相同土工膜厚度试验条件下所有试验组的焊缝剪切强度值大小及其变化相近，充气压力对土工膜焊缝剪切强度影响很微小，试验观察发现主要是在焊缝边缘与土工膜母材连接处发生破坏。分析其机理主要是因为在土工膜焊缝形成过程中(图1)，由于之前对土工膜的热焊会使热焊部位材料内部分子结构发生变化，宏观表现为材料变软，并且略微变薄，从而在焊缝边缘与土工膜母材连接处存在材料薄弱区，见图3，充气压强和充气时间对此区域作用很小。热焊形成的焊缝区域由土工膜母材热化粘结在一起，强度较大，远离焊缝区域的土工膜母材在热焊过程中强度几乎没有变化。因此，在土工膜焊缝剪切过程中，焊缝边缘与土工膜母材连接处的材料薄弱区便首先达到屈服进而破坏。在土工膜焊缝工程中应对此引起重视。

图3 土工膜焊缝剪切试验示意

4 结 论

(1)本研究中，所有试验组在相同充气时间和充气压强条件下，焊缝剪切强度随着土工膜厚度的增加而增加，且曲线变化几乎一致。

(2)热焊法对不同厚度的HDPE土工膜在焊缝剪切强度方面表现出良好的稳定性，无论充气压力多少，充气时间长短，相同土工膜厚度试验条件下所有试验组的焊缝剪切强度值大小及其变化相近，充气压力和充气时间对土工膜焊缝剪切强度影响很小，剪切强度变化系数最大为6.72%，最小仅为0.81%。

(3)土工膜焊缝剪切破坏主要发生在焊缝区域与土工膜母材连接处的薄弱部位，在土工膜焊缝施工中应当引起重视。

[1] 《土工合成材料工程应用手册》编写委员会.土工合成材料工程应用手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2000.

[2] 顾淦臣. 复合土工膜土石坝的设计和计算[J]. 水利规划设计，2000，(4)：49-56.

[3] 束一鸣，顾淦臣，向大润，等. 长江三峡二期围堰土工膜防渗结构前期研究[J]. 河海大学学报，1997，25(5)：71-77.

[4] 束一鸣，顾淦臣. 土工薄膜防渗新结构及其深水施工可行性研究[J]. 河海大学学报，1988，16(s1)：58-62.

[5] 束一鸣，张利新，袁全义，等. 西霞院反调节水库土石坝膜防渗工艺[J]. 水利水电科技进展，2009,29(6)：70-73.

[6] 束一鸣. 土工膜的施工工艺及其经验教训[J]. 水利水电技术，2002，33(4)：19-21.

[7] 蒋学行，杜 明，尹向东. PE复合土工膜快速粘结技术在防渗工程施工中的应用研究[C]//全国第六届土工合成材料会议论文集. 西安：现代知识出版社,2004：407-411.

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[9] Soderman K L，Giroud J P. Relationships between uniaxial and biaxial stresses and strains in geosynthetics[J]. Geosynthetics International，1995，2(2)：495-504.