吳云云 孟 強(qiáng)

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、整體連接性好和施工方便等特點(diǎn)，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(qiáng)度、斷裂伸長率及厚度是土工膜的重要性能指標(biāo)，性能測試的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化可有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。在實(shí)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(gè)方向受力，而是不規(guī)則的各個(gè)方向同時(shí)受力。關(guān)于土工膜雙向拉伸的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，目前國內(nèi)外均未給出統(tǒng)一規(guī)定，應(yīng)用實(shí)踐中大多采用單向拉伸試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及物理性指標(biāo)，而在實(shí)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(qiáng)度較之單軸受力狀態(tài)下的破壞強(qiáng)度必然會(huì)產(chǎn)生折減，在設(shè)計(jì)中采用單軸受力狀態(tài)下的破壞強(qiáng)度作為材料的強(qiáng)度會(huì)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(yàn)研究具有重要的意義。

本文對目前雙向拉伸試驗(yàn)做了簡單介紹，并對試驗(yàn)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(yàn)方案。

2 雙向拉伸試驗(yàn)器材及試樣選擇

試驗(yàn)器材及拉伸試樣科學(xué)合理的選擇，對試驗(yàn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，隨后德國也提出了關(guān)于膜雙軸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)和方法主要應(yīng)用于大型飛艇蒙皮材料研究。前人的實(shí)踐為我們提供了雙向拉伸試驗(yàn)的思路，目前我國試驗(yàn)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(yàn)裝置”。

2.1 試驗(yàn)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(jī)架平臺(tái)和設(shè)置在所述主機(jī)架平臺(tái)上的十字形拉伸試驗(yàn)裝置，十字形拉伸試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)裝置的四個(gè)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(yàn)裝置”實(shí)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(yàn)，一種土工膜內(nèi)壓薄壁圓筒試樣雙向拉伸試驗(yàn)裝置，解決了土工膜平面十字形試樣在雙向拉伸試驗(yàn)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(yàn)不適用于土工膜柔性材料問題，能夠準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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?yàn)榘l(fā)生斷裂之前已經(jīng)發(fā)生斷裂，四個(gè)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(yàn)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(shí)現(xiàn)試驗(yàn)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(gè)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(yàn)裝置”上做拉伸試驗(yàn)。

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(shí)現(xiàn)了拉力均勻分布至試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(xiàng)指標(biāo)，試樣雙向變形的量測是試驗(yàn)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(jì)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(gè)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(jì)的核心元件是特種大應(yīng)變計(jì)。由于應(yīng)變計(jì)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(gè)基本條件，并且應(yīng)變計(jì)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(yàn)結(jié)束后量測網(wǎng)格尺寸的變化，可有效實(shí)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(zhǔn)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(biāo)，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(shí)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(shí)厚度主要有以下幾種計(jì)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(yàn)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(jì)曲線交會(huì)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(gè)方向的伸長量，進(jìn)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(yàn)得出的結(jié)論；方法四是運(yùn)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(yàn)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(zhǔn)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(jì)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(jì)算膜厚和光學(xué)常數(shù)，已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)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(jìn)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(rèn)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(shí)，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(shí)，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(gè)明條紋間距，取k=0時(shí)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(shí)，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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，運(yùn)用三步測量法，準(zhǔn)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(jìn)孔密封，防止漏氣，通過觀測電壓表數(shù)值變化，運(yùn)用公式（1）分別計(jì)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(yàn)的若干問題進(jìn)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(yàn)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(yùn)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。

1 龔履華等. 土工膜應(yīng)變計(jì)的研制及其應(yīng)用(I)∶ 研制[J].巖土力學(xué), 2005, 26(9)∶1502-1507.

2 土工合成材料工程應(yīng)用手冊編寫委員會(huì). 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.

3 佟欣. 復(fù)合土工膜在沈陽青年湖防滲工程中的應(yīng)用[J].遼寧省交通高等專科學(xué)校學(xué)報(bào), 2005, 7 ( 2)∶27- 28.

4 沈長松, 顧淦臣. 復(fù)合土工膜厚度計(jì)算方法研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 32(4)∶395-398.

5 章志鳴, 沈元華, 陳惠芬. 光學(xué). 北京∶ 高等教育出版社,1995.

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(bào),1988,2(3)∶51-55.