CN107655760A - 颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置及试验方法，装置包括压力容器、变形量测系统和气压加载与控制系统，其中变形量测系统设置在压力容器内，变形量测系统包括环向导轨，两个环向导轨滑块、直线导轨和直线导轨滑块，直线导轨两端分别与两个环向导轨滑块连接以使直线导轨可通过两个环向导轨滑块滑动来转动，直线导轨上设置有转动角度测试装置和直线距离检测器，直线导轨滑块上设置有位移计和带激光标点的摄像装置，试验方法为气压加载与控制系统对压力容器加压然后采用变形量测系统进行测试，本发明真实还原实际颗粒垫层上土工膜承受不同水头时的受压变形特性，测量结果准确，测试过程操作简便。

Description

颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于土石坝膜防渗结构试验装置及方法，具体涉及一种颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置及试验方法。

背景技术

水库大坝是水资源开发领域的重要建筑物，因筑坝材料不同主要分为混凝土坝和土石坝两种，土石坝由于具有采用当地材料、对坝址地基要求低的特点而居大多数。土石坝的防渗体主要采用黏性土心墙或钢筋混凝土面板，钢筋混凝土面板对变形的适应性较差，对坝基的要求较高，黏土心墙土石坝需在坝址附近采集黏土，少则几十万立方米，多则上百万立方米，不仅征地代价高，而且造成地表植被破坏，影响生态环境。

以高分子聚合物制成的柔性土工膜作为土石坝的防渗体较传统的混凝土和粘土材料来说具有防渗性能优越、适应坝体变形能力强、造价低廉、施工简捷等优点，在采用土工膜作为防渗体的土石坝中，膜下部铺设的垫层较为关键。垫层除做为传力层外，还必须具有良好的渗透性，以便能在水位骤降等条件下及时有效地排出膜下积水，提高防渗结构的稳定性。颗粒材料由于具有多孔的特性，所以其渗透性能很好，非常适合用来作为堆石坝面膜防渗结构的垫层，但是由于材料表面存在孔隙，在水压力作用下，土工膜会向垫层的颗粒间隙压陷进去，当水压力过大或垫层颗粒较尖锐时，土工膜的顶胀变形过大而破坏，从而导致防渗结构出现渗漏现象。

围绕土工膜在工程中所存在顶胀变形破坏的现象，目前使用的《土工合成材料测试规程》SL/T235-1999提出了胀破试验、CBR顶破试验和刺破试验来定性地衡量土工膜抵抗顶胀变形破坏的能力，由于是标准试验，所以试验中规定采用的夹具及顶杆的形状和尺寸均是固定的，并以此条件下土工膜发生顶破时顶杆的作用力或水压力来定义土工膜抵抗顶胀变形破坏的强度。如此则得出的土工膜抵抗顶胀变形的强度只与该试验条件所对应，测得的土工膜抵抗顶胀变形的强度只能用来定性地比较不同土工膜之间抵抗顶胀变形能力的优劣，而不能被实际的工程设计所采用，这给实际工程设计中土工膜的选型带来了极大的困扰。事实上，颗粒垫层上土工膜顶破现象的发生除了与土工膜承受的水压力、土工膜自身物理力学特性有关外，垫层颗粒粒径、级配、形状等是更为关键的影响因素，所以非常有必要采用实际的颗粒垫层进行试验，试验结果可直接验证工程设计中所选土工膜强度是否满足要求。另外，当采用实际颗粒垫层进行试验时，由于垫层颗粒形状、排布位置是随机且不规则的，所以土工膜受压后发生变形的位置和大小也是随机和不规则的，所以无法准确地预先判断土工膜的顶起或凹陷的部位，给试验中土工膜变形的量测带来了极大的困难，曾有学者采用非接触式的激光扫描量测方法对土工膜在颗粒垫层上的变形进行测量，但是由于激光扫描测量时需穿透透明压力容器，激光穿透容器的过程对测量结果影响很大，且从压力容器空间大小及气密性的角度来看，难以在容器内设置激光扫描量测装置，所以只能通过采用膜下垫一层薄铝片的方法，并通过试验结束后扫描变形后的铝片，得出铝片的起伏变形，以此来作为土工膜的变形。这种方法的弊端在于铝片只能记录某一时刻或某一压力下的土工膜变形，无法对变形随着压力增大的发展过程进行全面的量测；其次，该法只能测得铝片的起伏变形即竖向位移，而不能测得水平向的位移；最后，由于铝片与土工膜在受压变形过程无法做到协调同步，量测出的铝片变形势必与土工膜的实际变形存在无法消除的误差。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，解决无法真实还原实际颗粒垫层上土工膜承受不同水头时的受压变形特性，测量结果误差大的问题。

本发明的另一目的是提供一种颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置的试验方法，解决颗粒垫层上土工膜顶破变形发展变化全过程的量测和记录试验方法操作复杂，量测结果误差大的问题。

技术方案：本发明所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，包括：

压力容器，其内以可调节上下位置的方式设置有底盘，所述底盘上固定有空心圆台；

变形量侧系统，其设置在压力容器内，所述变形量测系统包括环向导轨，两个环向导轨滑块、直线导轨和直线导轨滑块，两个环向导轨滑块均卡设在环向导轨里，所述直线导轨滑块套接在直线导轨上，所述直线导轨两端分别与两个环向导轨滑块连接以使直线导轨可通过两个环向导轨滑块滑动来转动，直线导轨上设置有转动角度测试装置和直线距离检测器，直线导轨滑块上设置有位移计和带激光标点的摄像装置；

气压加载与控制系统，其与所述压力容器相通以对压力容器内部气压进行加载。

为了方便拆卸且安装土工膜试样，所述压力容器包括上腔室和下腔室，两个腔室之间相通且以法兰固定在一起，所述上腔室顶部为封闭结构，下腔室底部为敞开结构。

为了方便调节底盘位置，所述下腔室内壁设置有螺纹，所述底盘外壁设置与所述下腔室螺纹相适配的螺纹。

为了测量直线导轨转动角度和直线导轨滑块滑动直线距离，所述转动角度测试装置包括角度传感器和角度传感器拨动杆，所述角度传感器与角度传感器拨动杆电连接，直线距离检测器为拉线传感器。

为了控制环向导轨滑块和直线导轨滑块的运动，所述环向导轨滑块和直线导轨滑块的运动均通过步进电机进行驱动。

为了连接收纳步进电机及传感器的电源线及数据传输线，所述压力容器内还设置有供电与数据集线装置，其与步进电机、角度传感器和拉线传感器电连接。

为了实现对压力容器进行气压加载，所述气压加载与控制系统包括气压反馈控制器和气压泵，两者通过塑料气管相连。

本发明所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置的试验方法，包括：

(a)将设计的垫层颗粒填充至空心圆台内，并使得颗粒表面与圆台面平齐或略高出圆台顶，将下腔体套在底盘上并调节底盘高度，使得底盘上的空心圆台顶部与下腔室的法兰盘位置平齐；

(b)制作土工膜圆形试样，在其表面绘制辐射同心圆型网格，网格交点处用蓝色的圆点标记，将土工膜放置在上下腔室之间并锚固在法兰盘内，使土工膜与空心圆台外侧壁贴合被顶起张紧；

(c)开启变形量测系统，调节环向导轨及直线导轨上的滑块位置，使得摄像装置射出的激光标点，位于土工膜试样网格的圆心处，并拍摄一张土工膜受压前的初始图像，通过气压加载与控制系统逐步增加压力容器内的压力直至试验设计值，气压加载后保持摄像装置射出的激光标点位于土工膜试样网格的圆心处，并拍摄一张土工膜受压后的变形图像，然后调节环向导轨及直线导轨上滑块的位置，使得位移计的探针依次沿着网格上同心圆滑动，并通过角度传感器、拉线传感器、位移计，记录滑动过程中的角度、拉线长度、土工膜竖向位移的变化过程曲线。每一级气压加载后重复上述过程，直至气压加载至试验设计值；

(d)通过角度传感器、拉线传感器、位移计，记录的滑动过程中角度、拉线长度、土工膜竖向位移的变化过程曲线确定土工膜试样上网格上每个交点的竖向位移，通过摄像装置拍摄的土工膜受压变形前后的图像，分析图像中网格上每个交点的位置变化，可确定每个交点的水平向位移，从而获得土工膜的真实变形。

其中，所述步骤(b)中格尺寸可为垫层颗粒的平均粒径的1.5倍，所述步骤(c)中气压加载与控制系统按每一级10％的递增速率增加压力容器内的压力。

有益效果：本发明真实还原实际颗粒垫层上土工膜承受不同水头时的受压变形特性，测量结果准确，测试过程操作简便。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为图1中A-A截面俯视图；

图3为本发明土工膜试样网格示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明试验装置的压力容器由上下两个腔室组成，两个腔室均为空心圆柱体容器，上腔室1顶部全封闭，侧壁设有一个带压力传感器的进气孔用于和气压加载与反馈控制系统17相连，上腔室1底部无盖，并通过法兰与下腔室2连接。下腔室顶部无盖，四周设有法兰用于和上腔室1相连，内壁设置有螺纹，且上、下腔室内径均为500mm，高400mm，设计允许压力均为2.2MPa，下腔室2内设置有底盘3，底盘3为一个固定在固定底座19上的圆盘，圆盘外壁设置有螺纹与下腔室2内壁的螺纹相匹配，可使底盘3在下腔室2内调节上下位置，底盘3上固定连接一个空心圆台4，顶部开口，内部用于放置颗粒垫层试样21，圆形的土工膜试样5放置与上腔室1和下腔室2之间，并通过法兰将土工膜试样3锚固在上腔室1和下腔室2之间，其中下腔室内壁螺纹凸起3mm，牙距2mm，底盘直径494mm，高度50mm，底盘上的空心圆台顶部外径为400mm，底部外径494mm，壁厚5mm，高度100mm。在上腔室1内壁设置有一圈环向导轨15和两个环向导轨滑块11，两个环向导轨滑块11分别卡设在环向导轨15内，并能沿环向导轨15滑动，两个环向导轨滑块11之间通过直线导轨12连接固定，环向导轨滑块11由环向导轨滑块步进电机8驱动，上腔室1顶部中心安装有一个角度传感器13，通过固定在直线导轨12上的角度传感器拨动杆16，可测量直线导轨转动的角度，直线导轨12上套接有一个直线导轨滑块14，并由直线导轨滑块步进电机9驱动，使得直线导轨滑块14可沿直径方向做直线运动，并由一个拉线传感器10，记录该滑块滑动的直线距离，在直线导轨滑块14上竖直方向安置一个位移计6与一个带有激光标点的高清摄像头7，在上腔室1、下腔室器2及土工膜试样5通过法兰盘连接固定后，该位移计6的探针可与土工膜试样5表面接触。气压加载与控制系统由气压反馈控制器17-1与气压泵17-2组成，两者通过塑料气管相连，并通过上腔室1侧壁上的进气孔对其内部加载气压，上腔室1左侧侧壁上设置有步进电机及传感器供电与数据集线装置18，用于连接收纳所有的步进电机及传感器的电源线及数据传输线，并与外部数据处理电脑20相连。

如图2所示，环向导轨15固定在上腔室1内壁上，直线导轨12的两端安装有两块环向导轨滑块11，并嵌入环向导轨内，通过环向导轨滑块步进电机8，可驱动整个直线导轨12在上腔室1内转动，直线导轨12从直线导轨滑块14中穿过，直线导轨滑块顶部安装有直线导轨滑块步进电机9，驱动直线导轨滑块沿直线导轨12做直线运动，并通过安装在直线导轨12上的拉线传感器10记录滑动的直线距离。角度传感器拨动杆16竖直立于拉线传感器10的旁边，当直线导轨12转动时，带动角度传感器记录直线导轨12旋转的角度。如图3所示，为土工膜试样上绘制的辐射同心圆型网格，网格交点处标有标点，网格用不同与土工膜试样本身颜色的彩色笔绘制而成。

使用本发明的试验装置进行模拟实验时，将设计的垫层颗粒21填充至空心圆台4内，并使得颗粒表面与圆台面平齐或略高出圆台顶，将下腔室2套在底盘3上，旋转下腔室2，调节底盘3高度，使得底盘3上的空心圆台4顶部与下腔室2的法兰盘位置平齐；制作土工膜试样5，在其表面绘制辐射同心圆型网格，网格交点处用圆点标记，网格尺寸可为垫层颗粒的平均粒径的1.5倍左右，可根据实际情况加密网格；安装上腔室1，同时土工膜试样5放置与上下两个空心圆柱体之间并锚固在法兰盘内；旋转整个压力容器，调整底盘3高度，使得空心圆台升入上空心圆柱体内，直至土工膜与圆台外侧壁贴合，此时土工膜被顶起而张紧，从而能够将底盘3上空心圆台4内的颗粒垫层21紧紧覆盖起来；开启变形量测系统，首先调节环向导轨15及直线导轨12上的滑块位置，使得高清摄像头7射出的激光标点，位于土工膜试样5网格的圆心处，并拍摄一张土工膜受压前的初始图像，其次，通过气压加载与反馈控制系统按每一级10％的递增速率增加上腔室1内的压力直至试验设计值，每一级气压加载后，通过气压反馈控制器17-1可保持上腔室内压力变化在5％以内，此时，保持高清摄像头7射出的激光标点位于土工膜试样5网格的圆心处，并拍摄一张土工膜受压后的变形图像，然后调节环向导轨15及直线导轨12上滑块的位置，使得位移计6的探针依次沿着网格上同心圆滑动，并通过角度传感器13、拉线传感器10、位移计6，记录滑动过程中的角度、拉线长度、土工膜竖向位移的变化过程曲线。每一级气压加载后重复上述过程，直至气压加载至试验设计值；通过角度传感器13、拉线传感器10、位移计6，记录的滑动过程中角度、拉线长度、土工膜竖向位移的变化过程曲线，可确定土工膜试样上网格上每个交点的竖向位移，通过高清摄像头拍摄的土工膜受压变形前后的图像，采用Matlab软件分析图像中网格上每个交点的位置变化，可确定每个交点的水平向位移，从而获得土工膜的真实变形。

Claims (10)

1.一种颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，包括：

压力容器，其内以可调节上下位置的方式设置有底盘(3)，所述底盘(3)上固定有空心圆台(4)；

变形量侧系统，其设置在压力容器内，所述变形量测系统包括环向导轨(15)，两个环向导轨滑块(11)、直线导轨(12)和直线导轨滑块(14)，两个环向导轨滑块(11)均卡设在环向导轨(15)里，所述直线导轨滑块(14)套接在直线导轨(12)上，所述直线导轨(12)两端分别与两个环向导轨滑块(11)连接以使直线导轨(14)可通过两个环向导轨滑块(11)滑动来转动，直线导轨(12)上设置有转动角度测试装置和直线距离检测器(10)，直线导轨滑块(14)上设置有位移计(6)和带激光标点的摄像装置(7)；

气压加载与控制系统，其与所述压力容器相通以对压力容器内部气压进行加载。

2.根据权利要求1所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述压力容器包括上腔室(1)和下腔室(2)，两个腔室之间相通且以法兰固定在一起。

3.根据权利要求2所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述下腔室(2)内壁设置有螺纹，所述底盘(3)外壁设置与所述下腔室(2)螺纹相适配的螺纹。

4.根据权利要求2所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述上腔室(1)顶部为封闭结构，下腔室(2)底部为敞开结构。

5.根据权利要求1所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述转动角度测试装置包括角度传感器(13)和角度传感器拨动杆(16)，所述角度传感器(13)与角度传感器拨动杆(16)电连接，直线距离检测器(10)为拉线传感器。

6.根据权利要求5所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述环向导轨滑块(11)和直线导轨滑块(14)的运动均通过步进电机进行驱动。

7.根据权利要求6所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述压力容器内还设置有供电与数据集线装置(18)，其与步进电机、角度传感器(13)和拉线传感器(10)电连接。

8.根据权利要求1所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置，其特征在于，所述气压加载与控制系统包括气压反馈控制器(17-1)和气压泵(17-2)，两者通过塑料气管相连。

9.如权利要求1所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

(a)将设计的垫层颗粒填充至空心圆台(4)内，将下腔体(2)套在底盘(3)上并调节底盘(3)高度，使得底盘(3)上的空心圆台(4)顶部与下腔室(2)的法兰盘位置平齐；

(b)制作土工膜圆形试样(5)，在其表面绘制辐射同心圆型网格，网格交点处用蓝色的圆点标记，将土工膜试样(5)放置在上下腔室之间并锚固在法兰盘内，使土工膜(5)与空心圆台(4)外侧壁贴合被顶起张紧；

(c)开启变形量测系统，调节环向导轨(15)及直线导轨(12)上的滑块位置，使得摄像装置(7)射出的激光标点，位于土工膜试样(5)网格的圆心处，并拍摄一张土工膜受压前的初始图像，通过气压加载与控制系统逐步增加压力容器内的压力直至试验设计值，气压加载后保持摄像装置(7)射出的激光标点位于土工膜试样(5)网格的圆心处，并拍摄一张土工膜受压后的变形图像，然后调节环向导轨(15)及直线导轨(12)上滑块的位置，使得位移计(6)的探针依次沿着网格上同心圆滑动，并通过角度传感器(13)、拉线传感器(10)、位移计(6)，记录滑动过程中的角度、拉线长度、土工膜竖向位移的变化过程曲线。每一级气压加载后重复上述过程，直至气压加载至试验设计值；

(d)通过角度传感器(13)、拉线传感器(10)、位移计(6)，记录的滑动过程中角度、拉线长度、土工膜竖向位移的变化过程曲线确定土工膜试样上网格上每个交点的竖向位移，通过摄像装置(7)拍摄的土工膜受压变形前后的图像，分析图像中网格上每个交点的位置变化，可确定每个交点的水平向位移，从而获得土工膜的真实变形。

10.根据权利要求9所述的颗粒垫层上土工膜顶破模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤(b)中格尺寸可为垫层颗粒的平均粒径的1.5倍，所述步骤(c)中气压加载与控制系统按每一级10％的递增速率增加压力容器内的压力。