CN111812004A - 横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法 - Google Patents

横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法，属于水利工程领域，其IPC分类号为E02B 1/00。本发明提出了横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力与长度方向伸长率和土工膜厚度的关系公式，并通过试验和多个公式确定该关系公式的系数，从而建立了横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的数学模型，利用该数学模型，可以根据简单的试验数据直接计算任意横向约束条件下发生弹塑性损伤的土工膜的耐静水压力。本发明的方法与实际工况更接近，可广泛应用于工程设计中，并大大节约设计时间，保证工程安全。

Description

横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法
技术领域
本发明涉及一种在横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法。属于水利工程领域，其IPC分类号为E02B 1/00。
背景技术
耐静水压力指标是防水透湿织物的重要抗渗指标之一。静水压力指水通过织物时所遇到的阻力，在标准大气压条件下，织物承受持续上升的水压，直到织物背面渗出水珠为止，此时，测得的水的压力即为静水压力。织物承受的静水压力越大，抗渗性能越好。
工程应用时土工膜多埋设于土体或结构物中，其变形多受横向约束的影响。土工膜在弹塑性损伤时的物理状态和受力情况发生较大变化，已有研究成果多数不考虑土工膜不受横向约束的影响，与实际工况不符；研究土工膜抗渗性能多只考虑土工膜未拉伸时的抗渗性能，较少开展弹塑性损伤土工膜抗渗性能研究，没有考虑长度方向伸长率、试样计量厚度及其相互作用对土工膜抗渗性能的影响，没有提出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜抗渗性能的解析解或者理论计算公式，目前缺乏一种根据试验实测数据直接得出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜抗渗性能的测算方法。
目前多数研究主要采用未拉伸土工膜的抗渗性能进行土工膜效果分析，如：姜海波采用未拉伸复合土工膜的渗透系数分析高土石坝粘土心墙和复合土工膜防渗性能，此种分析方法在工程分析中应用较多，但与土工膜的应用实际受力情况不符。为此，部分学者采用现场观测的方法估算土工膜实际渗透系数，如：刘方亮提出了根据某水利工程总干渠实际渗漏观测结果估算土工膜实际渗透系数，此法与实际情况较为接近，但需要进行现场观测，工作量大，应用受限。
工程中的土工膜变形多受横向约束的影响，且由于荷载的作用，土工膜多处于拉伸状态，即工程中的土工膜多处于横向约束条件下弹塑性损伤状态。为反映工程中的土工膜损伤状态，部分学者提出采用渗透系数折减法分析受损土工膜的防渗特性，如：姜海波提出了大面积土工膜防渗体渗漏量和渗透系数的计算方法，结合工程实例，由于破损孔洞的影响，土工膜的渗透系数从最初的10-12cm/s～10-13cm/s降低至10-7cm/s～10-8cm/s，计算了土工膜破损孔洞影响下土工膜防渗体的渗漏量和渗透系数。李传奇以山东省清源湖水库为例，假定接触不良条件下土工膜的渗透系数比接触良好条件下扩大1000倍，采用有限元分析与现场实测相结合，对土工膜的防渗效果进行了分析与验证。上述渗透系数折减法的折减系数多凭经验取值，难以反映土工膜的实际受力状态，并没有提出工程实际受力状态下，即横向约束条件下弹塑性损伤土工膜抗渗性能的理论计算公式，因此，需要针对工程中土工膜的实际受力状况，提出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜抗渗性能的计算公式及相应的测试方法。
发明内容
土工膜的抗渗性能常用耐静水压力指标来反映，本发明为了解决现有技术中的不足，提供一种采用试验方法，通过获取计量长度土工膜试样及横向约束条件下弹塑性损伤时土工膜相关物理及水力学特性数据，用于在横向约束条件下确定弹塑性损伤土工膜耐静水压力的方法。本发明的技术方案是：
一种横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法，包括以下步骤：
(一)建立横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的数学模型,包括：
(1)、建立土工膜长度方向伸长率公式：
Figure BDA0002507045210000021
式中：ε1为土工膜长度方向伸长率；L为土工膜未拉伸时的长度(单位：cm)；ΔL为拉伸后土工膜的伸长量(单位：cm)；
(2)、建立未拉伸时土工膜耐静水压力公式：
Pu0＝ρw·Δhu0·g (7)
式中：Pu0为未拉伸土工膜计量长度的耐静水压力(单位：kPa)；Δhu0为未拉伸计量长度试样发生破坏或渗漏时的最大水头差(单位：cm)；ρw为水的密度(单位：g/cm3)；g为重力加速度。
(3)、建立横向约束条件下土工膜耐静水压力公式：：
Pu＝ρw·Δhu·g (8)
式中：Pu为横向约束条件下的耐静水压力(单位：kPa)；Δhu为横向约束条件下试样发生破坏或渗漏时的最大水头差(单位：cm)；
(4)、建立横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu与长度方向伸长率ε1和计量长度试样的厚度D的关系公式：
Pu＝(b1·ε1·D+b2·ε1+b3·D+b4)·Pu0 (19)
式中：b1、b2、b3、b4为横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数(二)开展未拉伸土工膜的耐静水压力试验，通过试验获取土工膜计量长度试样的Δhu0指标，利用公式(7)确定计量长度未拉伸土工膜的耐静水压力Pu0。
(三)开展横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu与长度方向伸长率ε1、计量长度试样的厚度D的关系试验，通过试验获取不同长度方向伸长率ε1、计量长度试样的厚度D组合对应的横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu；然后，利用公式(19)，采用最小二乘法拟合得出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数b1、b2、b3、b4；
(四)测量任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜长度方向伸长率ε1，利用步骤(二)得到的未拉伸土工膜的耐静水压力Pu0和步骤(三)得到的土工膜计量长度试样的厚度D，利用公式(19)计算得出任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜的耐静水压力Pu。
本发明的横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力指标的确定方法，具有以下几项发明点：
(1)针对横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力指标的确定尚无理论计算公式的问题，通过开展土工膜计量长度试样的抗渗性能试验、土工膜耐静水压力与长度方向伸长率、试样计量厚度关系试验，提出了横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜的耐静水压力的计算公式，可以根据试验实测数据直接确定任意横向约束条件下发生弹塑性损伤的土工膜的耐静水压力。
(2)工程中土工膜一般处于受力变形状态，土工膜处于横向约束条件下弹塑性损伤状态更接近实际，本发明的方法考虑了土工膜横向约束的影响，与实际工况更接近。
因此，本发明的方法可应用于工程设计中，并大大节约设计时间，保证工程安全。
具体实施方式
本发明的横向约束条件下确定弹塑性损伤土工膜耐静水压力的方法，包括以下步骤：
(一)建立横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的数学模型
Figure BDA0002507045210000031
Figure BDA0002507045210000032
Figure BDA0002507045210000033
式中：ε1为试样长度方向伸长率；L为试样计量长度(单位：cm)；ΔL为拉伸后试样计量长度的伸长量(单位：cm)；ε2为宽度方向(横向)的伸长率；B为试样计量宽度(单位：cm)；ΔB为拉伸后试样计量宽度的伸长量(单位：cm)；ε3为厚度方向的伸长率；D为试样计量厚度，即试样未拉伸时的厚度(单位：cm)；ΔD为拉伸后试样计量厚度的变化量(单位：cm)；δ为拉伸后试样的厚度(单位：cm)。
横向约束条件下，土工膜宽度方向没有伸长量，即
ε2＝0 (4)
采用标准温度为20℃的水开展试验，当水的温度不是标准温度时，需采用水温修正系数对结果进行修正，水温修正系数根据《土工合成材料测试规程》(SL 235-2012)采用。
当试样承受水压力时，其相应的压力水头值可表示为：
Figure BDA0002507045210000041
P＝ρw·Δh·g (6)
式中：Δh为试样水头差(单位：cm)；P为试样渗透压力(单位：kPa)；ρw为水的密度(单位：g/cm3)；g为重力加速度。
对于计量长度未拉伸试样，其耐静水压力试验中试样破坏或渗漏时，相应的压力水头值可表示为：
Pu0＝ρw·Δhu0·g (7)
式中：Δhu0为未拉伸计量长度试样破坏或渗漏的最大水头差(单位：cm)；Pu0为计量长度试样破坏或渗漏的最大压力(单位：kPa)，即未拉伸土工膜计量长度的耐静水压力。
对于横向约束条件下弹塑性损伤后试样，其耐静水压力试验中试样破坏或渗漏时，相应的压力水头值可表示为：
Pu＝ρw·Δhu·g (8)
式中：Δhu为试样横向约束条件下弹塑性损伤后破坏或渗漏的最大水头差(单位：cm)；Pu为试样横向约束条件下弹塑性损伤后破坏或渗漏时的最大压力(单位：kPa)，即横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力。
经发明人长期研究发现，横向约束时，土工膜的耐静水压力受长度方向伸长率ε1、试样计量厚度D(即未拉伸时试样的厚度)的影响。当长度方向伸长率增加时，土工膜耐静水压力减少且基本呈线性关系。当试样计量厚度增加时，土工膜耐静水压力增加且基本呈线性关系。考虑到二者的交互影响，将两个影响因子按乘法效应进行组合，横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的影响函数可表示为：
b(ε1,D)＝b1·ε1·D+b2·ε1+b3·d+b4 (17)
式中：b(ε1,D)为横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的影响函数，即横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力与长度方向伸长率、试样计量厚度的关系式；b1、b2、b3、b4为横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数。
已知土工膜计量长度试样的耐静水压力Pu0，根据土工膜耐静水压力的影响函数，可得到横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力表达式如下。
Pu＝b(ε1,D)·Pu0 (18)
将式(17)代入式(18)可知：
Pu＝(b1·ε1·D+b2·ε1+b3·D+b4)·Pu0 (19)
横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数率定方法：(1)开展计量长度未拉伸土工膜的耐静水压力试验，利用公式(7)确定计量长度未拉伸土工膜的耐静水压力Pu0。(2)开展横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力与长度方向伸长率、试样计量厚度试验，获取不同长度方向伸长率ε1、试样计量厚度D组合对应的横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu。(3)利用公式(19)，采用最小二乘法拟合得出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数b1、b2、b3、b4。
由公式(19)可知，对于某种土工膜，根据该土工膜计量长度试样的耐静水压力Pu0，以及横向约束条件下弹塑性损伤时该土工膜的长度方向伸长率ε1、试样计量厚度D，即可计算得出任意横向约束条件下弹塑性损伤时该土工膜的耐静水压力。
在开展下面的各项试验前，进行试样制备。参照《土工合成材料测试规程》(SL235-2012)的规定，土工膜试样裁取距所选样品边缘不小于100mm。按梯形取样法，选择有代表性的试样，不同试样避免位于同一纵向和横向位置上。试样受力区规格为长20cm，宽20cm，四周夹持区宽度5cm，夹角处采用圆弧过渡。
(二)开展土工膜计量长度试样的抗渗性能试验，即开展土工膜无拉伸时的试样的耐静水压力试验。具体方法如下：
1.计量长度试样的厚度D，采用YG(B)141D型数字式织物厚度仪，在0.5N压力下对试样拉伸前后的厚度进行测定，测量前，校准厚度仪零点，并在每组试样测量后重新检查其零点。测量时，将试样自然平放在测头和基准板之间，启动仪器，待试样受到规定压力读数稳定后，记录读数。计量长度试样的厚度D取平均值。
2.试验获取计量长度试样的Δhu0，计算Pu0。根据《土工合成材料测试规程》(SL235-2012)中土工膜而静水压力试验方法，获取计量长度土工膜试样渗漏或破坏时的最大渗透水头值Δhu0，利用公式(7)计算Pu0。
Pu0＝ρw·Δhu0·g (7)
(三)开展横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力与长度方向伸长率与试样计量厚度的关系试验，率定横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数。采用正交试验设计方法设计试验方案，设计长度方向伸长率、试样计量厚度与土工膜耐静水压力相关关系的组合试验如表1。
表1土工膜耐静水压力指标与长度方向伸长率、试样计量厚度关系试验设计
Figure BDA0002507045210000061
1.土工膜横向约束条件下弹塑性损伤试验均在CMT4204型微机控制电子万能试验机上进行，设定拉伸速率为100mm/min，采用自制夹具，对宽度方向左右进行固定，仅对长度方向进行拉伸。进行试验时将试样对中放入夹具内夹紧，然后开启试验机，启动记录装置，记录拉力与伸长量曲线。
2.计量长度试样的厚度D，方法同步骤(二)1。
3.将拉伸后的试样开展抗渗性能试验，即开展横向约束条件下弹塑性损伤土工膜的耐静水压力指标试验，具体试验方法同步骤(二)。
4.通过试验获取横向约束条件下弹塑性损伤土工膜的Δhu，计算Pu。根据《土工合成材料测试规程》(SL235-2012)中土工膜而静水压力试验方法，获取计量长度土工膜试样渗漏或破坏时的最大渗透水头值Δhu，利用公式(8)计算Pu。
Pu＝ρw·Δhu·g (8)
5.根据表1试验方案可得到长度方向伸长率、试样计量厚度与土工膜耐静水压力的数据。Pu0已在步骤(二)2得到，利用二元非线性回归分析方法，采用最小二乘法拟合得出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数b1、b2、b3、b4。
(四)横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的计算。横向约束条件下弹塑性损伤土工膜长度方向伸长率、试样计量厚度试验，获取任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜长度方向伸长率，据此计算横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力。
1.测量任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜长度方向伸长率指标ε1，测量方法同步骤(三)1。
2.测量土工膜试样的计量厚度指标D，测量方法同步骤(三)2。
3.利用试验获取的任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜长度方向伸长率指标ε1，土工膜试样的计量厚度指标D、Pu0已在步骤(二)中得到，利用公式(19)计算得出任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜的耐静水压力Pu。
Pu＝(b1·ε1·D+b2·ε1+b3·D+b4)·Pu0 (19)
注：本发明所说的计量长度试样，就是指未拉伸的土工膜试样，所有的计量长度试样指标，就是指土工膜未拉伸时的指标。

Claims (1)

1.一种横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的确定方法，包括以下步骤：
(一)建立横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力的数学模型，包括：
(1)、建立土工膜长度方向伸长率公式：
Figure FDA0002507045200000011
式中：ε1为土工膜长度方向伸长率；L为土工膜未拉伸时的长度(单位：cm)；ΔL为拉伸后土工膜的伸长量(单位：cm)；
(2)、建立未拉伸时土工膜耐静水压力公式：
Pu0＝ρw·Δhu0·g (7)
式中：Pu0为未拉伸土工膜计量长度的耐静水压力(单位：kPa)；Δhu0为未拉伸计量长度试样发生破坏或渗漏时的最大水头差(单位：cm)；ρw为水的密度(单位：g/cm3)；g为重力加速度。
(3)、建立横向约束条件下土工膜耐静水压力公式：：
Pu＝ρw·Δhu·g (8)
式中：Pu为横向约束条件下的耐静水压力(单位：kPa)；Δhu为横向约束条件下试样发生破坏或渗漏时的最大水头差(单位：cm)；
(4)、建立横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu与长度方向伸长率ε1和计量长度试样的厚度D的关系公式：
Pu＝(b1·ε1·D+b2·ε1+b3·D+b4)·Pu0 (19)
式中：b1、b2、b3、b4为横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数
(二)开展未拉伸土工膜的耐静水压力试验，通过试验获取土工膜计量长度试样的Δhu0指标，利用公式(7)确定计量长度未拉伸土工膜的耐静水压力Pu0。
(三)开展横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu与长度方向伸长率ε1、计量长度试样的厚度D的关系试验，通过试验获取不同长度方向伸长率ε1、计量长度试样的厚度D组合对应的横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力Pu；然后，利用公式(19)，采用最小二乘法拟合得出横向约束条件下弹塑性损伤土工膜耐静水压力影响函数的系数b1、b2、b3、b4；
(四)测量任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜长度方向伸长率ε1，利用步骤(二)得到的未拉伸土工膜的耐静水压力Pu0和步骤(三)得到的土工膜计量长度试样的厚度D，利用公式(19)计算得出任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜的耐静水压力Pu。
(四)测量任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜长度方向伸长率ε1，利用步骤(二)得到的未拉伸土工膜的耐静水压力Pu0和步骤(三)得到的土工膜计量长度试样的厚度D，利用公式(19)计算得出任意横向约束条件下弹塑性损伤工况下土工膜的耐静水压力Pu。
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