CN112525702B - 土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法 - Google Patents

土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置及方法，包括非等轴椭圆形夹具、变形量测装置、气压加载与反馈控制装置和数据记录与处理装置，测量方法主要基于非等轴试样中心标记部位在气压作用下的变形轨迹的量测，本发明可以准确计算出外力对标记部位所做的功，并通过标记部位的受力平衡与能量守恒两个方程联立，从而解出两个未知的正交双向不等应力，试验结果可用于检测土工膜在非等轴双向拉伸条件下的强度和延伸率，同时也可用于土工膜在非等轴双向拉伸条件下应力应变本构关系的研究。

Description

土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法
技术领域
本发明涉及土工膜应力测量方法，具体涉及一种土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法。
背景技术
土工膜因具有防渗性能好、适应变形能力强、工程造价低及施工速度快等优点，已广泛应用于大坝、库盘、蓄水池、垃圾填埋场等防渗工程。土工膜在工程中做为防渗结构，受到水压力作用势必产生拉伸变形，所以土工膜的拉伸变形特性是人们最为关心的材料特性之一。目前，土工膜拉伸变形特性测试的试验方法主要有单向条带拉伸试验与等轴气胀试验两种。单向条带拉伸试验中，试样为单向拉伸应力状态，试样变形无侧向限制，这与土工膜在工程真实工作中应力应变状态相差较大，同时拉伸时容易出现“颈缩”现象而导致材料的延伸率被高估；等轴气胀试验是采用土工膜圆形试样，周边用环形夹具固定，在试样一侧施加气压，使试样在气压的作用下逐渐膨胀直到破坏的试验方法。虽然等轴气胀试验中试样处于正交双向应力应变状态，但是由于等轴气胀试验试样为圆形故其双向应力应变均相等，所以无法进行双向不等拉伸条件下土工膜的拉伸特性试验。目前已有不少学者采用长短轴不等的椭圆土工膜试样进行非等轴气胀试验，但是由于试样长短轴不同，所以两个正交方向上的应力应变也均不同，虽然试样应变可以采用数字图像分析等手段测得，但是由于两个正交方向上的应力大小不同，仅依靠一个力平衡方程建立的气压与两个方向未知应力的关系，是无法得出每个方向上应力的大小。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，解决目前无法测量非等轴土工膜试样正交双向不等应力的问题。
技术方案：本发明所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置，包括立柱，所述立柱上固定有非等轴椭圆夹具，所述非等轴椭圆夹具包括可拆卸连接的上夹片和下夹片，所述下夹片中心开设有气孔，所述气孔通过气管连接气压加载和反馈控制装置，所述上夹片和下夹片之间放置有土工膜试样，所述土工膜试样中心设有标记图形，所述非等轴椭圆夹具上方通过支架固定有位移计和第一摄像头，所述位移计的探针头部与所述土工膜试样中心标记图形对应相同，土工膜试样的长轴和短轴对应的位置设置有第二摄像头和第三摄像头，所述位移计、第一摄像头、第二摄像头和第三摄像头均与数据记录与处理装置信号连接。
其中，所述上夹片为空心椭圆环，下夹片为实心椭圆片。
所述气压加载和反馈控制装置包括气压泵和气压控制反馈器，所述气压泵和气压控制反馈器电连接。
所述标记图形为正四边形，所述位移计探针头部为与标记图形相同的正四边形金属片。
所述数据记录与处理装置由计算机和数据记录模块构成。
本发明所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)将土工膜试样(2)通过非等轴椭圆夹具(1)固定，下夹片中心的气孔通过气管与气压加载和反馈控制装置中的气压泵(9-1)连接；
(2)移动支架的位置，使得位移计的探针(5)头部的金属片与土工膜试样标记图形相互重合；
(3)气压加载与反馈控制装置对土工膜试样缓慢加载气压，并根据位移计(4)记录的土工膜试样中心点升高的速率来控制气压的加载速率，气压加载速率应使得试样中心点升高的速率不大于2mm/min，第一摄像头记录标记四边形四个顶点在水平面上的位置变化轨迹，第二摄像头(8)记录垂直长轴方向上标记四边形两个顶点在垂直长轴的平面上的位置变化轨迹，第三摄像头(7)记录垂直短轴方向上标记四边形两个顶点在垂直短轴的平面上的位置变化轨迹，位移计(4)记录试样中心点的鼓起高度，上述数据均通过数据线传输到数据记录与处理装置；
(4)数据记录与处理装置根据对试样标记四边形顶点轨迹得出试样标记四边形在外力作用下在空间中运动所掠过的体积，并绘制出该体积随气压变化的过程线图，根据过程线图得到气压对试样标记四边形所做的功，将气压做功的能量转化为试样标记四边形形变后所产生的应变能，建立试样标记四边形的应变能与气压做功相等的能量守恒方程；
(5)根据试样在某个气压下试样标记四边形的双向应力与气压压力平衡的关系建立双向应力与气压压力的力平衡方程，联立步骤(4)中的能量守恒方程和双向应力与气压压力的力平衡方程确定双向应力。
其中，所述步骤(4)具体为：
将试验过程中的气压过程分解成若干端，每段气压增量为ΔP，设某一段起始气压为P，增加ΔP后，气压升为P+ΔP，根据体积随气压变化的过程线图，计算出该段过程线与横坐标轴围成的面积，该值即为该段过程气压所做的功ΔW，根据能量守恒定律该部分气压做功完全转化为标记四边形的应变能的增量，可得下式
Figure GDA0003641939920000031
其中，La为标记四边形初始边长，T为膜的初始厚度，Δσx和Δσy分别为试样非等轴双向应力的在气压增量ΔP下的应力增量，ΔLx和ΔLy分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上边长的变化量。
所述步骤(5)具体为：
根据力平衡方程在P+ΔP的时刻，σx+Δσx和σy+Δσy在竖直z轴方向上与气压P+ΔP平衡，可得双向应力与气压压力的力平衡方程，如下：
Figure GDA0003641939920000032
其中，气压为P时刻的应力σx和σy，曲率半径Rx和Ry，标记四边形的长短轴方向的边长Lx和Ly，以及ΔP已知的情况下，联立步骤(4)中的能量守恒方程和双向应力与气压压力的力平衡方程，求解出Δσx和Δσy，进而求出σx+Δσx和σy+Δσy，ΔRx和ΔRy分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上曲率半径的变化量。
有益效果：本发明基于非等轴试样中心标记部位在气压作用下的变形轨迹的量测，准确地计算出外力对标记部位所做的功，并通过标记部位的受力平衡与能量守恒两个方程联立，从而解出两个未知的正交双向不等应力，试验结果可用于检测土工膜在非等轴双向拉伸条件下的强度和延伸率。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为图1中A-A截面俯视图；
图3为土工膜试样标记四边形变形轨迹示意图；
图4为标记四边形变形过程中沿长轴(图3中X-X截面)和短轴(图3中Y-Y截面)的受力分析图；
图5为试样标记四边形在外力作用下在空间中运动所掠过的体积V与气压P变化过程线示意图；
图6为试样标记四边形长轴方向边长Lx与气压P的变化过程线示意图；
图7为试样标记四边形短轴方向边长Ly与气压P的变化过程线示意图；
图8为试样标记四边形长轴方向曲率半径Rx气压P的变化过程线示意图；
图9为试样标记四边形短轴方向曲率半径Ry气压P的变化过程线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-2所示，土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置，包括非等轴椭圆形夹具、变形量测装置、气压加载与反馈控制装置和数据记录与处理装置。非等轴椭圆形夹具1，由上下两块非等轴椭圆形的夹片组成，上夹片为空心椭圆环，下夹片为中心带气孔的实心椭圆片，下夹片底部带有四条立柱，可稳定地水平放置在地面上，上下夹片中间放置与可以覆盖下夹片的土工膜试样2，通过螺栓将土工膜试样2、上下夹片锚固在一起，并保证能够在下夹片与土工膜试样之间的气密性，土工膜试样需在其中心标注一个正四边形做为标记四边形11，四边形中心与试样中心重合，四边形面积为整个椭圆夹片面积的土分之一与五分之一之间，非等轴椭圆形夹具1包含16个锚固螺栓，可保证锚固的密封性，土工膜试样中心由与土工膜材料颜色不同的彩笔绘制的试样标记四边形11；变形量测装置包括支架3、位移计4、第一摄像头6、第二摄像头7和第三摄像头8，位移计与第一摄像头6一同固定在支架顶部中心，其中位移计的探针5头部为一个面积与土工膜试样中心标记四边形相同的金属片，第二摄像头7和第三摄像头8分别放置在土工膜椭圆试样的长轴和短轴方向上，其高度与土工膜试样平面持平；气压加载和反馈控制装置包括由气压反馈控制器(9-2)和气压泵(9-1)构成，气压泵和气压控制反馈器电连接，气压泵通过气管与下架片的气孔连通，数据记录与处理装置由计算机10-2和数据记录模块10-1构成。
采用本发明的装置进行测量时，包括以下步骤：
(1)将土工膜试样2通过非等轴椭圆形夹具1固定，夹具的下夹片中心的气孔通过气管与气压加载和反馈控制系统中的气压泵9-1连接，并保证其气密性；
(2)在土工膜中心绘制一个标记正四边形11，移动变形测量系统支架3的位置，使得变形测量系统中位移计的探针5头部的四边形金属片与土工膜试样标记的四边形11相互重合；
(3)通过气压加载与反馈控制装置9对土工膜试样缓慢加载气压，用位移计4记录的试样中心点升高的速率来控制气压的加载速率，气压加载速率应使得试样中心点升高的速率不大于2mm/min，第一摄像头记录标记四边形四个顶点在水平面上的位置变化轨，。试样长轴方向上的第二摄像头8记录垂直长轴方向上标记四边形两个顶点在垂直长轴的平面上的位置变化轨迹。试样短轴方向上的第三摄像头7记录垂直短轴方向上标记四边形两个顶点在垂直短轴的平面上的位置变化轨迹，位移计4记录试样中心点的鼓起高度，上述数据均通过数据线传输到数据记录与处理装置；
(4)通过数据记录分析软件对试样标记四边形11顶点轨迹的处理得出试样标记四边形11在外力作用下在空间中运动所掠过的体积如图3所示，并绘制出该体积随气压变化的过程线图如图5所示，该过程线与横坐标气压所围成的面积即为气压对试样标记四边形所做的功，由于标记四边形所受到的周边土工膜试样对其的拉力方向在试样加载拉伸变形的过程中始终与位移方向垂直如图4所示，故可知仅有气压做功的能量转化为试样标记四边形形变后所产生的应变能，据此可建立试样标记四边形11的应变能与气压做功相等的能量守恒方程，方程如下：
Figure GDA0003641939920000051
其中，将试验过程中的气压过程分解成若干端，每段气压增量为ΔP，设某一段起始气压为P，增加ΔP后，气压升为P+ΔP，此时在图5的P-V过程线中，计算出该段过程线与横坐标轴围成的面积，即图5中的阴影面积，该值即为该段过程气压所做的功ΔW，La为标记四边形初始边长，T为膜的初始厚度，Δσx和Δσy分别为试样非等轴双向应力的在气压增量ΔP下的应力增量，ΔLx和ΔLy分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上边长的变化量；
(5)根据试样在某个气压下试样标记四边形的双向应力与气压压力平衡的关系，可以建立双向应力与气压压力的力平衡方程，该方程中也仅有双向应力2个未知量，联立(4)中的能量守恒方程与本步骤中的力平衡方程即能确定双向应力的大小，具体为：
据力平衡方程在P+ΔP的时刻，σx+Δσx和σy+Δσy在竖直z轴方向上与气压P+ΔP平衡，故可得下式：
Figure GDA0003641939920000061
其中，当气压为P时刻的应力σx和σy，曲率半径Rx和Ry，标记四边形的长短轴方向的边长Lx和Ly，以及ΔP已知的情况下，必然可以通过联立式1和式2，求解出Δσx和Δσy，进而求出σx+Δσx和σy+Δσy。而增加气压ΔP后的ΔLx和ΔLy，以及Rx+ΔRx和Ry+ΔRy均可通过图6-9中的曲线获得，且已知在初始时刻σx、σy、P均为0，故可从初始时刻开始对每一段ΔP重复上述操作，并累加即可得出双向应力σx和σy随着气压P变化的过程线。

Claims (5)

1.一种土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置包括立柱，所述立柱上固定有非等轴椭圆夹具(1)，所述非等轴椭圆夹具(1)包括可拆卸连接的上夹片和下夹片，所述下夹片中心开设有气孔，所述气孔通过气管连接气压加载和反馈控制装置，所述气压加载和反馈控制装置包括气压泵(9-2)和气压控制反馈器(9-1)，所述气压泵(9-2)和气压控制反馈器(9-1)电连接；所述上夹片和下夹片之间放置有土工膜试样(2)，所述土工膜试样(2)中心设有标记图形，所述非等轴椭圆夹具(1)上方通过支架(3)固定有位移计(4)和第一摄像头(6)，所述位移计的探针(5)头部与所述土工膜试样(2)中心标记图形对应相同，所述标记图形为正四边形，所述位移计的探针头部为与标记图形相同的正四边形金属片；土工膜试样的长轴和短轴对应的位置设置有第二摄像头(8)和第三摄像头(7)，所述位移计(4)、第一摄像头(6)、第二摄像头(8)和第三摄像头(7)均与数据记录与处理装置信号连接，其特征在于，所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，包括以下步骤：
(1)将土工膜试样(2)通过非等轴椭圆夹具(1)固定，下夹片中心的气孔通过气管与气压加载和反馈控制装置中的气压泵(9-1)连接；
(2)移动支架的位置，使得位移计的探针(5)头部的金属片与土工膜试样标记图形相互重合；
(3)气压加载与反馈控制装置对土工膜试样缓慢加载气压，并根据位移计(4)记录的土工膜试样中心点升高的速率来控制气压的加载速率，气压加载速率应使得试样中心点升高的速率不大于2mm/min，第一摄像头记录标记四边形四个顶点在水平面上的位置变化轨迹，第二摄像头(8)记录垂直长轴方向上标记四边形两个顶点在垂直长轴的平面上的位置变化轨迹，第三摄像头(7)记录垂直短轴方向上标记四边形两个顶点在垂直短轴的平面上的位置变化轨迹，位移计(4)记录试样中心点的鼓起高度，上述数据均通过数据线传输到数据记录与处理装置；
(4)数据记录与处理装置根据对试样标记四边形顶点轨迹得出试样标记四边形在外力作用下在空间中运动所掠过的体积，并绘制出该体积随气压变化的过程线图，根据过程线图得到气压对试样标记四边形所做的功，将气压做功的能量转化为试样标记四边形形变后所产生的应变能，建立试样标记四边形的应变能与气压做功相等的能量守恒方程；
(5)根据试样在某个气压下试样标记四边形的双向应力与气压压力平衡的关系建立双向应力与气压压力的力平衡方程，联立步骤(4)中的能量守恒方程和双向应力与气压压力的力平衡方程确定双向应力。
2.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述上夹片为空心椭圆环，下夹片为实心椭圆片。
3.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述数据记录与处理装置由计算机(10-2)和数据记录模块(10-1)构成。
4.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：
将试验过程中的气压过程分解成若干端，每段气压增量为ΔP，设某一段起始气压为P，增加ΔP后，气压升为P+ΔP，根据体积随气压变化的过程线图，计算出该段过程线与横坐标轴围成的面积，该值即为该段过程气压所做的功ΔW，根据能量守恒定律该部分气压做功完全转化为标记四边形的应变能的增量，可得下式
Figure FDA0003641939910000021
其中，La为标记四边形初始边长，T为膜的初始厚度，Δσx和Δσy分别为试样非等轴双向应力的在气压增量ΔP下的应力增量，ΔLx和ΔLy分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上边长的变化量。
5.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：
根据力平衡方程在P+ΔP的时刻，σx+Δσx和σy+Δσy在竖直z轴方向上与气压P+ΔP平衡，可得双向应力与气压压力的力平衡方程，如下：
Figure FDA0003641939910000022
其中，气压为P时刻的应力σx和σy，曲率半径Rx和Ry，标记四边形的长短轴方向的边长Lx和Ly，以及ΔP已知的情况下，联立步骤(4)中的能量守恒方程和双向应力与气压压力的力平衡方程，求解出Δσx和Δσy，进而求出σx+Δσx和σy+Δσy，ΔRx和ΔRy分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上曲率半径的变化量。
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