CN102661897B - 土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置及试验方法，采用本发明的试验装置及其试验方法，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，同时也克服了传统内压薄壁圆筒试验不适用于土工膜这种柔性材料的问题，最终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。

Description

土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及材料的力学性能测量技术领域，具体涉及一种通过内压薄壁圆筒试验来实现大变形柔性土工膜在双向拉伸应力状态下的力学性能测试的试验方法及装置。

背景技术

土工膜是一种柔性的、不透水的膜状高分子防渗材料，被广泛应用于水利工程中。土工膜相比其他防渗材料的最大的特点是适应变形能力强，其延伸率在单向拉伸应力条件下，一般在100%以上，最大可达1000%，但目前最新的工程实践和研究表明，土工膜延伸率在双向拉伸应力条件下，其延伸率较小，往往远未达到同种材料在单向拉伸应力条件下的延伸率就发生破坏，所以对土工膜在双向应力条件下的变形和力学特性做深入研究十分必要。

目前最常见的双向拉伸应力条件下材料的力学性能试验是平面十字形试样双向拉伸试验，其试验的原理是通过在相互垂直的两个方向对十字形试样加载，并通过观测两个方向的变形，来测试材料的力学性能。这种试验最大的优点是原理简单、直观，而且可实现任意比例的加载，但其缺点也很明显，最大的缺点在于试样因被夹具所约束而难以获得理论上的均一应力场。

另一种实现双向拉伸应力状态的试验是内压薄壁圆筒试验，这种试验主要应用于金属等小变形材料的力学性能测试中，其基本原理是通过在薄壁圆筒试样内部施加液压或气压等内部压力，同时在圆筒轴向施加拉力，使得薄壁圆筒试样在轴向和环向两个方向产生应力，试验时通过调整内压与轴向拉力的大小，直至试样破坏，以此来得出材料的强度、本构等力学参数和性能。针对这种内压薄壁圆筒试验的装置和试验方法需要特别说明的有以下三点：其一，这种试验装置的应变测量是通过在试样中部表面贴应变片的方式来实现的，对于金属等小变形刚性材料来说，由于这类材料的变形小，满足应变片的量程和使用条件，所以对于小变形材料来说是可行的，但是土工膜的变形性能远远大于应变片的量测范围，且试样发生大变形后，试样表面曲率过大也无法满足应变片的使用条件，所以该试验装置的应变测量方法对土工膜这种柔性大变形材料来说是不可行的；其二，这种试验形式虽然很好地解决了应力均匀性的问题但由于其双向应力的量测和计算方法是建立在试样小变形的基础上（应力与内压、轴向拉力之间的换算公式中涉及试样尺寸的量均以试验前试样的尺寸为准），所以当试样的变形较大时（试样由圆筒型膨胀为腰鼓型），由于不符合小变形的假定，其双向应力的量测和计算方法不可避免地产生较大的偏差，所以当采用土工膜这种柔性大变形材料作为试验材料时，试样的大变形影响必须予以考虑，即需要确定试样大变形后的形状和尺寸；其三，原有试验装置的夹具在设计上针对的是刚性材料，夹具端部没有设置相应的齿槽来增加夹持的效果，这种夹具在夹持土工膜时，不能提供夹持足够的夹持力，试验时试样往往松动甚至脱离夹具，所以试验装置的夹具设计也需要进一步修改。基于以上三点，必须重新设计内压薄壁圆筒试验的试验装置与试验方法，用于大变形柔性土工膜双向拉伸性能的研究。

故，需要一种新的土工膜双向拉伸试验装置及其试验方法以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对土工膜双向应力条件下力学性能试验方法的欠缺以及原有试验装置在夹持试样时不能提供夹持足够的夹持力的缺陷，提出了一种考虑柔性土工膜试样大变形因素的土工膜内压薄壁圆筒试验装置及试验方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的土工膜内压薄壁圆筒试验装置可采用如下技术方案：

一种土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，包括以下装置：万能拉力机、第一圆盘型密封夹具、第二圆盘型密封夹具、图像拍摄系统、气压加载系统、第一连接装置、第二连接装置，所述第一圆盘型密封夹具通过第一连接装置与所述万能拉力机的活动端连接，所述第二圆盘型密封夹具通过第二连接装置与所述万能拉力机的固定端连接，所述第二圆盘型密封夹具上设置有进气孔和出气孔，所述进气孔设置有进气孔阀门，所述出气孔设置有出气孔阀门，所述气压加载系统连接所述第二圆盘型密封夹具的进气孔，所述第一圆盘型密封夹具的端部和所述第二圆盘型密封夹具的端部均设置有圆形密封箍槽并有与所述圆形密封箍槽相配合的密封箍圈。

有益效果：与现有技术相比，本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置克服了传统内压薄壁圆筒试验装置在夹持土工膜时，不能提供夹持足够的夹持力的缺陷，试验时试样往往松动甚至脱离夹具的不足，通过密封箍圈将试样箍嵌入带有密封橡胶垫片的圆形密封箍槽内，保证试样在拉伸时不松动。本发明的试验装置结构简单可靠，易于实现，与其他复杂设备相比具有很大优势。

优选的，所述气压加载系统为空压机气泵。

优选的，所述密封箍圈为双层箍圈，双层箍圈均具有箍头且所述两层箍圈的箍头错开布置。解决了箍头处的密封问题，使整个试验装置具有良好的气密性。

优选的，所述圆形密封箍槽内设置有密封橡胶垫片。

优选的，所述圆形密封箍槽的槽深为12mm-18mm，所述圆形密封箍槽的槽宽为20mm-30mm。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法可采用如下技术方案：

一种土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法，采用土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，

包括以下步骤：

a、通过第一圆盘型密封夹具和第二圆盘型密封夹具将薄壁圆筒试样固定在万能拉力机上，在距离第一圆盘型密封夹具和第二圆盘型密封夹具相同距离的试样上画出两条平行的标记线，两标记线之内的薄壁圆筒试样作为图像分析的范围；

b、打开进气孔阀门，关闭出气孔阀门，打开气压加载系统，设定气压加载系统的输出气压并等待压力稳定；

c、打开万能拉力机，以小于等于3mm/min的速度进行拉伸，同时打开图像拍摄系统按大于等于20张每秒的频率拍摄图像，所述数据采集系统也按相同的频率采集轴向拉力；

d、利用图像拍摄系统拍摄的图片，分析两标记线之内的薄壁圆筒试样的图像，得出两标记线之内的薄壁圆筒试样在试验过程中的轴向轮廓曲线长度L和最大断面直径D_max，利用下列公式计算得到最大断面处的轴向应变、最大断面处的环向应变、最大断面处的环向应力以及最大断面处的轴向应力，同时画出双向应力应变关系曲线：

最大断面处的轴向应变计算公式：

其中L为轴向轮廓曲线的长度，H₀为初始试样的高度；

最大断面处的环向应变计算公式：

其中D_max是最大断面的直径，D₀为圆盘型密封夹具的直径；

最大断面处的环向应力计算公式：

其中P为内压大小，δ为薄壁圆筒试件厚度，D_max是最大断面的直径；

最大断面处的轴向应力计算公式：

其中P为内压大小，F为轴向拉力，δ为薄壁圆筒试件厚度，D_max是最大断面的直径；

e、试样破坏后，关闭万能拉力机和气压加载系统，打开出气孔阀门泄气至常压，设定气压加载系统处于新的气压值并在同样的新薄壁圆筒试样上重复步骤a至d，确定不同气压下的双向应力应变曲线，并根据这些曲线，得出柔性土工膜在双向应力条件下的力学性能。

有益效果：与现有技术相比，本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法能够对内压薄壁圆筒试验的试样大变形的影响进行了较为准确地量化，进而实现了对柔性土工膜在双向拉伸应力条件下力学性能的测试，本试验方法既避免了平面十字形试样双向拉伸试验应力均匀性问题，又弥补了传统内压薄壁圆筒试验方法只适用于小变形材料的不足，同时，本发明的试验方法采用的装置结构简单可靠，易于实现，与其他复杂设备相比具有很大优势。

附图说明

图1是本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置的示意图；

图2是本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置的圆盘形密封夹具端部结构的剖面示意图；

图3是本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法中试样整体和微段受力分析示意图；

图4是本发明的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法中试样最大断面处受力分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参考图1所示，本发明的试验装置包括万能拉力机一套1，第一圆盘型密封夹具21，第二圆盘型密封夹具22，图像拍摄系统3，空压机气泵4。万能拉力机包括主机、数据采集系统和数据处理系统，空压机气泵4用于调整试样内部压力。第一圆盘型密封夹具21通过连接机构51与万能拉力机1的活动端，第二圆盘型密封夹具22通过连接机构52与万能拉力机1的固定端相连接。第一圆盘型密封夹具的端部和第二圆盘型密封夹具的端部均设置有圆形密封箍槽并有与圆形密封箍槽相配合的密封箍圈7。此种夹具通过密封箍圈7将试样箍嵌入带有密封橡胶垫片的圆形密封箍槽内，保证试样在拉伸时不松动。密封箍圈7为双层箍圈，双层箍圈均具有箍头且两层箍圈的箍头错开布置。双层箍圈的设计可将双层箍圈的箍头错开布置，解决了箍头处的密封问题，使整个试验装置具有良好的气密性。固定端处的第二圆盘型密封夹具22设置有进气孔和出气孔，进气孔设置有进气孔阀门，出气孔设置有出气孔阀门。压力加载系统4连接第二圆盘密封夹具的出气孔。加压时，出气孔处于封闭状态，气体通过进气孔进入薄壁圆筒内部，降压时，气体从出气孔逸出。图像拍摄系统3可将试验过程中的试样形状记录下来，通过分析图像可得出试样在试验中轮廓尺寸的变化过程。

本发明试验方法的理论关键是论证试样膨胀后最大断面为试验的控制截面，并提出其双向应力应变的量测方法，具体过程如下：

请参阅3所示，左半图为沿底面直径的纵剖面，右半图为在其纵剖面取一微段进行的受力分析。其中T为该微段的张力（单位：N/m)，ψ为该处切线与y轴的夹角，S为轴向任意一点沿轮廓方向到最大断面的长度，dS为该微段的长度。根据微段受力平衡原理可得如下方程：

$(T+\mathrm{dT})\cos (\mathrm{\ψ}+\mathrm{d\ψ})-T\cos \mathrm{\ψ}+\mathrm{PdS}\sin (\mathrm{\ψ}+\frac{\mathrm{d\ψ}}{2})=0---\left(1a\right)$

$(T+\mathrm{dT})\sin (\mathrm{\ψ}+\mathrm{d\ψ})-T\sin \mathrm{\ψ}-\mathrm{PdS}\cos (\mathrm{\ψ}+\frac{\mathrm{d\ψ}}{2})=0---\left(1b\right)$

将（1a）、（1b）化简并略去高阶微量后可得：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dS}}=0---\left(2a\right)$

$T\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dS}}-P=0---\left(2b\right)$

分析（2a）式可得轴向张力T大小沿轴向轮廓曲线长度方向不变，若薄壁圆筒试样材料性质均匀，则可知轴向轮廓曲线上各点的轴向应力与轴向应变的大小都相同，所以最大断面处的轴向应变等于试样整体的平均轴向应变，其计算公式可表示为：

其中L为轴向轮廓曲线的长度，H0为初始试样的高度。

对于试样环向应变来说由于最大断面处的环向变形量最大，所以试样在最大断面处的环向应变最大，最大断面处的环向应变的计算公式可表示为：

其中D_max是最大断面的直径，D₀为圆盘型密封夹具的直径。

根据上述的理论推导和结论，薄壁圆筒在试样大变形后，最大断面的环向变形最大，所以最大断面为试验的控制截面。

请参阅图4所示，根据整体受力力平衡原理可发现，最大断面处轴向应力主要是用于平衡气压沿轴向方向对顶面和底面的作用力以及轴向外荷载。最大断面处环向应力用于平衡气压对最大断面的扩张作用。据此可得出最大断面处的环向和轴向应力的计算公式：

其中P为内压大小，F为轴向拉力，δ为薄壁圆筒厚度。

综上所述，可以确定本发明试验所需要测量的物理量一共4个，分别是：轴向轮廓曲线长度L，最大断面直径D_max，轴向拉力F以及内压P，其中轴向拉力F由万能拉力机1的拉力传感器测得，内压P由空压机气泵的调压阀控制。轴向轮廓曲线长度L和最大断面直径D_max均通过图像拍摄系统3所拍摄的图像经过分析得出。

具体试验方法：

土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法，采用土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，包括以下步骤：

a、通过第一圆盘型密封夹具21）和第二圆盘型密封夹具22将薄壁圆筒试样固定在万能拉力机1上，在距离第一圆盘型密封夹具21和第二圆盘型密封夹具22相同距离的试样上画出两条平行的标记线，两标记线之内的薄壁圆筒试样作为图像分析的范围；

b、打开进气孔阀门，关闭出气孔阀门，打开气压加载系统4，设定气压加载系统4的输出气压并等待压力稳定；

c、打开万能拉力机1，以小于等于3mm/min的速度进行拉伸，同时打开图像拍摄系统3按大于等于20张每秒的频率拍摄图像，数据采集系统也按相同的频率采集轴向拉力；

d、利用图像拍摄系统3拍摄的图片，分析两标记线之内的薄壁圆筒试样的图像，得出两标记线之内的薄壁圆筒试样在试验过程中的轴向轮廓曲线长度L和最大断面直径Dmax，利用下列公式计算得到最大断面处的轴向应变、最大断面处的环向应变、最大断面处的环向应力以及最大断面处的轴向应力，同时画出双向应力应变关系曲线：

最大断面处的轴向应变计算公式：其中L为轴向轮廓曲线的长度，H₀为初始试样的高度；

最大断面处的环向应变计算公式：其中D_max是最大断面的直径，D₀为圆盘型密封夹具的直径；

最大断面处的环向应力计算公式：

其中P为内压大小，F为轴向拉力，δ为薄壁圆筒试件厚度，D_max是最大断面的直径；

最大断面处的轴向应力计算公式：

其中P为内压大小，F为轴向拉力，δ为薄壁圆筒试件厚度，D_max是最大断面的直径；

e、试样破坏后，关闭万能拉力机1和气压加载系统4，打开出气孔阀门泄气至常压，设定气压加载系统4处于新的气压值并在同样的新薄壁圆筒试样上重复步骤a至d，确定不同气压下的双向应力应变曲线，并根据这些曲线，得出柔性土工膜在双向应力条件下的力学性能。

其中，气压加载系统4可以为空压机气泵。

如图2所示，第一圆盘型密封夹具21的端部和第二圆盘型密封夹具22的端部均设置有圆形密封箍槽6并有与圆形密封箍槽6相配合的密封箍圈7。此种夹具通过箍圈将试样箍嵌入箍槽内，保证试样在拉伸时不松动圆形密封箍槽内设置有密封垫片。密封箍圈7为双层箍圈，双层箍圈均具有箍头且两层箍圈的箍头错开布置。双层箍圈的箍头错开布置，解决了箍头处的密封问题，使整个试验装置具有良好的气密性。圆形密封箍槽内设置有密封橡胶垫片。密封橡胶垫片的设置能更好的保证实验装置的密封效果。圆形密封箍槽的槽深为12mm-18mm，圆形密封箍槽的槽宽为20mm-30mm，圆形密封箍槽之间的距离为20mm-40mm。

如上所述，本发明的土工膜双向拉伸试验方法能够对内压薄壁圆筒试验的试样大变形的影响进行了较为准确地量化，进而实现了对柔性土工膜在双向拉伸应力条件下力学性能的测试，其设计的试验装置和试验方法既避免了平面十字形试样双向拉伸试验应力均匀性问题，又弥补了传统内压薄壁圆筒试验装置和方法只适用于小变形材料的不足，同时，本发明结构简单可靠，易于实现，与其他复杂设备相比具有很大优势。

Claims (4)

1.一种土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，包括以下装置：万能拉力机（1）、第一圆盘型密封夹具（21）、第二圆盘型密封夹具（22）、图像拍摄系统（3）、气压加载系统（4）、第一连接装置（51）、第二连接装置（52），所述第一圆盘型密封夹具（21）通过第一连接装置（51）与所述万能拉力机（1）的活动端连接，所述第二圆盘型密封夹具（22）通过第二连接装置（52）与所述万能拉力机（1）的固定端连接，所述第二圆盘型密封夹具（22）上设置有进气孔和出气孔，所述进气孔设置有进气孔阀门，所述出气孔设置有出气孔阀门，所述气压加载系统（4）连接所述第二圆盘型密封夹具（22）的进气孔，其特征在于：所述第一圆盘型密封夹具（21）的端部和所述第二圆盘型密封夹具（22）的端部均设置有圆形密封箍槽（6）并有与所述圆形密封箍槽（6）相配合的密封箍圈（7）。

2.如权利要求1所述的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，其特征在于，所述密封箍圈（7）为双层箍圈，双层箍圈均具有箍头且所述两层箍圈的箍头错开布置。

3.如权利要求1所述的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置，其特征在于：所述圆形密封箍槽的槽深为12mm-18mm，所述圆形密封箍槽的槽宽为20mm-30mm。

4.采用权利要求1-3任一项所述的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验装置的土工膜内压薄壁圆筒试样双向拉伸试验方法，包括以下步骤：

a、通过第一圆盘型密封夹具（21）和第二圆盘型密封夹具（22）将薄壁圆筒试样固定在万能拉力机（1）上，在距离第一圆盘型密封夹具（21）和第二圆盘型密封夹具（22）相同距离的试样上画出两条平行的标记线，两标记线之内的薄壁圆筒试样作为图像分析的范围；

b、打开进气孔阀门，关闭出气孔阀门，打开气压加载系统（4），设定气压加载系统（4）的输出气压并等待压力稳定；

c、打开万能拉力机（1），以小于等于3mm/min的速度进行拉伸，同时打开图像拍摄系统（3）按大于等于20张每秒的频率拍摄图像，数据采集系统也按相同的频率采集轴向拉力；

d、利用图像拍摄系统（3）拍摄的图片，分析两标记线之内的薄壁圆筒试样的图像，得出两标记线之内的薄壁圆筒试样在试验过程中的轴向轮廓曲线长度L和最大断面直径D_max，利用下列公式计算得到最大断面处的轴向应变、最大断面处的环向应变、最大断面处的环向应力以及最大断面处的轴向应力，同时画出双向应力应变关系曲线：

最大断面处的轴向应变计算公式：其中L为轴向轮廓曲线的长度，H₀为初始试样的高度；

最大断面处的环向应变计算公式：

其中D_max是最大断面的直径，D₀为圆盘型密封夹具的直径；

最大断面处的环向应力计算公式：

其中P为内压大小，δ为薄壁圆筒试样厚度，D_max是最大断面的直径；

最大断面处的轴向应力计算公式：

其中P为内压大小，F为轴向拉力，δ为薄壁圆筒试样厚度，D_max是最大断面的直径；

e、试样破坏后，关闭万能拉力机（1）和气压加载系统（4），打开出气孔阀门泄气至常压，设定气压加载系统（4）处于新的气压值并在同样的新薄壁圆筒试样上重复步骤a至d，确定不同气压下的双向应力应变曲线，并根据这些曲线，得出土工膜在双向应力条件下的力学性能。

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