一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法

摘要

本发明公开了一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法，包括步骤为：土工膜试样的裁剪：下垫层料的填充；土工膜局部受压破坏试验装置的组装；土工膜局部受压试验模拟；不同厚度土工膜的局部受压试验；采用不同相对密度下垫层料时土工膜的局部受压试验；土工膜破坏压力计算公式的建立；公式计算参数的确定；实际工程中土工膜局部受压破坏的预判；土工膜受压破坏预判结果应用。本发明根据建立的双曲线数学模型，预判上保护层施工过程中土工膜是否发生局部受压破坏，进而调整土工膜上的施工荷载；也可根据最大施工压力，用于指导土工膜厚度和下垫层料相对密度设计值的合理选择，确保上保护层施工时土工膜不受破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程中土工膜的检测领域，特别是一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法。

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。

在土工膜防渗结构中，土工膜埋设于上保护层和下垫层料之间。不同类型的土工膜防渗工程，采用不同厚度的土工膜，且对下垫层料的密实程度要求也有所不同。

在土工膜上保护层施工时，压实机械、运输车辆、作业人员等会对土工膜产生碾压作用并使其发生局部变形。当土工膜下垫层较密实时(相对密度大)，土工膜局部变形较小；反之下垫层较疏松时(相对密度小)，土工膜变形较大。当土工膜局部变形过大时，土工膜会发生局部受压破坏，产生缺陷孔洞，对工程防渗安全造成隐患。

已有统计资料表明，施工破坏占土工膜破坏的97％，是土工膜破坏的主要形式，其中上部保护层施工造成的破坏高达73％。

因此，基于不同密实度垫层上土工膜的局部受压试验强度，预判上保护层施工时土工膜是否发生局部受压破坏，对指导土工膜上保护层施工具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

现有技术中，SL/T235-1999《土工合成材料测试规程》中的圆球顶破试验和CBR顶破试验用于测试单一土工膜的局部顶破力。现有技术存在如下不足：

1.现有技术仅对无下垫层料的单一土工膜开展局部受压破坏试验，没有考虑下垫层料对土工膜的支撑作用。实际工程中土工膜铺设在下垫层料之上，垫层的支撑作用很大程度上决定了土工膜的局部抗压强度，其中垫层的相对密度是重要影响因素，因此现有技术无法真实反映实际工程中土工膜的工作状态。

2.现有标准试验装置采用固定尺寸的圆柱形顶杆对土工膜施加局部压力，无法合理模拟实际工程中压实机械、运输车辆、作业人员等对土工膜的局部施压条件。

3.现有标准试验装置仅测试单一土工膜的局部受压破坏强度，试验结果不能用于预判上保护层施工时土工膜是否会发生局部受压破坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法，该预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法能根据建立的双曲线数学模型，预判上保护层施工过程中土工膜是否发生局部受压破坏，进而调整土工膜上的施工荷载；也可根据最大施工压力，用于指导土工膜厚度和下垫层料相对密度设计值的合理选择，确保上保护层施工时土工膜不受破坏。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法，包括如下步骤。

步骤1，土工膜试样的裁剪：将厚度t₁、t₂、t₃和t₄的土工膜裁剪成所需要的大小；其中，t₁、t₂、t₃和t₄互不相等。

步骤2，下垫层料的填充：在垫层室内填充相对密度为D_r1的下垫层料。

步骤3，土工膜局部受压破坏试验装置的组装，包括如下步骤：

步骤31，土工膜铺设及固定：将步骤1准备的厚度t₁的土工膜试样铺设在步骤2中垫层室中下垫层料的上表面，通过夹具将土工膜固定在垫层室上。

步骤32，加压系统组装：根据上保护层的击实施压方式，选择相对应的顶杆；将选择的顶杆安装在步骤31铺设的土工膜的中心上方，顶杆上端与加压装置相连接。

步骤4，土工膜局部受压试验模拟：加压装置带动顶杆按照设定的加压速率在竖直方向对土工膜施加压力，采用压力传感器实时监测顶杆作用力并传输给计算机，采用位移传感器实时测量顶杆的竖向位移并传输给计算机；试验过程中，计算机实时绘制顶杆的作用力和竖向位移的关系曲线，当观察到曲线发生骤降，表明土工膜受压破坏，记录厚度t₁的土工膜的破坏压力F₁₁。

步骤5，不同厚度土工膜的局部受压试验：将步骤3中厚度t₁的土工膜分别更换为厚度t₂、t₃和t₄的土工膜，重复步骤3至步骤4，记录下垫层料相对密度为D_r1时，厚度为t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力F₁₂、F₁₃和F₁₄。

步骤6，采用不同相对密度下垫层料时土工膜的局部受压试验：将步骤2中相对密度D_r1的下垫层料分别更换成相对密度为D_r2和D_r3的下垫层料，其中，D_r1、D_r2和D_r3互不相等；重复步骤2至步骤5，得到：相对密度为D_r2的下垫层料时，厚度为t₁、t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力依次为F₂₁、F₂₂、F₂₃和F₂₄；相对密度为D_r3的下垫层料时，厚度为t₁、t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力依次为F₃₁、F₃₂、F₃₃和F₃₄。

步骤7，土工膜破坏压力计算公式的建立：根据不同相对密度下垫层料上不同厚度土工膜的破坏压力的分布特点，建立土工膜破坏压力的双曲线模型，计算公式如下：

其中，F_P为土工膜的破坏压力，t为土工膜厚度，D_r为下垫层料相对密度，K、α、β和n为公式计算参数。

步骤8，公式计算参数的确定：将步骤4至步骤6获得的下垫层料相对密度、土工膜厚度以及土工膜破坏压力数据代入公式(1)中，并进行数学运算，得到K、α、β和n的具体数值。

步骤9，实际工程中土工膜局部受压破坏的预判，包括如下步骤：

步骤91，实际工程中土工膜厚度t和下垫层料相对密度D_r的获取：在工程现场测量土工膜的厚度t和下垫层料相对密度D_r。

步骤92，土工膜破坏压力的计算：将步骤91中获得的土工膜厚度t和下垫层料相对密度D_r代入公式计算参数已确定的公式(1)中，计算得到土工膜的破坏压力F_P。

步骤93，土工膜受压破坏的预判：根据工程的设计和施工资料，获取上保护层施工过程中对土工膜施加的最大局部压力F_实；比较F_实与步骤92中计算的F_P，若F_P大于或等于F_实，则预判为：上保护层施工时土工膜不会受压破坏；若F_P小于F_实，则预判为：上保护层施工时土工膜会受压破坏。

还包括步骤10，土工膜受压破坏预判结果应用：当步骤9中预判结果为上保护层施工时土工膜会受压破坏时，采用如下两种方式中的一种，确保土工膜在上保护层施工时不会受压破坏。其中：

方式一：通过调整上保护层的施工荷载，减小对土工膜作用力，使得施工过程中F_实小于F_P；方式二：当上保护层的施工荷载不易调整时，根据最大施工压力，通过选择土工膜厚度和下垫层料的相对密度，确保土工膜在上保护层施工时不会受压破坏。

步骤8中，公式计算参数的确定方法，包括如下步骤：

步骤81，线性转换：令a＝KD_rⁿ，b＝αD_r+β，代入步骤7中的公式(1)，则

通过转换得到与t的线性表达式：

步骤82，不同下垫层料相对密度D_r时参数a和b的确定：对步骤4至5中测试得到的下垫层料相对密度为D_r1时的4组数据和代入公式(2)，拟合得到下垫层料相对密度D_r1时的线性参数a＝a₁和b＝b₁；同样获得下垫层料相对密度为D_r2时的线性参数a＝a₂和b＝b₂以及下垫层料相对密度为D_r3时的线性参数a＝a₃和b＝b₃。

步骤83，公式计算参数K和n的确定：对表达式a＝KD_rⁿ两边同时进行对数转换，得到Log(a)与Log(D_r)的线性关系式：

Log(a)＝Log(K)+nLog(D_r)>

将步骤82中得到的3组数据(Log(D_r1)，Log(a₁))、(Log(D_r2)，Log(a₂))和(Log(D_r3)，Log(a₃))，代入公式(3)，拟合得出参数K和n。

步骤84，公式计算参数α和β的确定：由表达式b＝αD_r+β可知b与D_r呈线性关系，将步骤82中得到的3组数据(D_r1，b₁)、(D_r2，b₂)和(D_r3，b₃)，代入b＝αD_r+β中，拟合得到参数α和β。

步骤91中，采用灌水法测定下垫层料相对密度D_r。

通过计算选取下垫层料，并将下垫层料分层压实，全部充满于垫层室内；其中，充填的下垫层料质量的计算公式如下：

其中，m为下垫层料质量；D_r为下垫层料的相对密度；ρ_{d>为下垫层料的最大干密度；ρd>为下垫层料的最小干密度；V为垫层室体积。}

下垫层料的最大干密度ρ_{d>采用振击法测定；下垫层料的最小干密度ρd>采用漏斗法测定。}

步骤32中，顶杆的形式有平头顶杆和半弧形顶杆，其中，平头顶杆用于模拟压实机械或作业人员的平面接触对土工膜的施压条件；半弧形顶杆用于模拟施工过程中运输车辆的轮胎类弧形接触对土工膜的施压条件。

保护层室填充上保护层材料，通过压力板对上保护层施加压力，模拟上保护层颗粒材料对土工膜的局部受压破坏作用。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明能简单便捷地预判上保护层施工时铺设于不同相对密度垫层上的土工膜局部受压破坏，并根据预判结果调整土工膜上的施工荷载，确保上保护层施工过程中土工膜不受破坏。

2.本发明根据预期的施工最大荷载，用于合理选择土工膜厚度和垫层相对密度的设计值，以避免上保护层施工对土工膜造成的破坏。

3.本发明考虑了不同相对密度垫层对土工膜局部受压的影响，能真实反映土工膜的实际工作状态。

4.本发明采用平头顶杆和半弧形顶杆，能真实模拟实际工程中压实机械、运输车辆、作业人员等对土工膜的局部施压条件。

5.本发明通过在土工膜上方保护层室中填充上保护层材料，并对上保护层施加压力，模拟上保护层材料对土工膜的受压破坏，进而预判施工过程中上保护层颗粒是否对土工膜产生顶刺破坏。

附图说明

图1显示了本发明一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏试验装置的示意图。

图2显示了本发明中三种不同形式顶杆所对应的三种不同加压方式。

图3显示了细砂垫层料的颗粒级配曲线。

图4显示了顶杆的作用力和竖向位移的关系曲线。

图5显示了下垫层料相对密度为0.19、0.58和0.93时土工膜破坏强度随土工膜厚度变化的计算曲线。

其中有：1、反力架，2、基座，3、垫层室，4、下垫层料，5、土工膜，6、夹具，7、顶杆，8、压力传感器，9、螺杆，10、电动机，11、挡板，12、位移传感器，13、计算机，14、上保护层室，15、上保护层，16、压力板。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏试验装置，包括土工膜装配系统、加压系统、位移测量系统和计算机。

土工膜装配系统包括反力架1、基座2、垫层室3、保护层室14和夹具6。

反力架包括底板、顶板和将底板和顶板相连接的立柱。

基座设置在反力架的底板上，垫层室优选采用螺栓等固定在基座上，垫层室用于填充下垫层料4。

保护层室同轴设置在垫层室顶部，土工膜5铺设在垫层室和保护层室之间，夹具用于将保护层室、土工膜和垫层室夹紧固定。

加压系统包括顶杆7、压力传感器8和加压装置。

顶杆底端指向土工膜的中心，顶杆的形式如图2所示，优选有三种类型。

如图2(a)所示，顶杆的形式为平头顶杆，当选择平头顶杆时，平头顶杆底部的平头直接与土工膜相接触，用于模拟施工过程压实机械、作业人员等平面接触对土工膜的施压条件。

如图2(b)所示，顶杆的形式为半弧形顶杆，当选择半弧形顶杆时，半弧形顶杆底部的半弧形结构直接与土工膜相接触，用于模拟施工过程运输车辆的轮胎等弧形接触对土工膜的施压条件。

如图2(c)所示，顶杆的形式为平板顶杆(平头顶杆的一种特殊形式，也称压力板)；当选择平板顶杆时，保护层室内填充上保护层颗粒材料，平板顶杆底部的压力板16与上保护层颗粒材料的顶部相接触，优选平板顶杆底部的压力板尺寸与垫层室的内腔面积相等。在土工膜上方的保护层室填充上保护层材料，通过对上保护层施加压力，模拟上保护层颗粒材料对土工膜的局部受压破坏作用。

顶杆顶端与压力传感器可拆卸连接，压力传感器顶端与加压装置的输出轴相连接。

加压装置优选为安装在反力架中顶板上的电动机10，电动机的螺杆9底端与压力传感器相连接。

位移测量系统包括挡板11和位移传感器12，挡板水平布置并与压力传感器侧壁固定连接；位移传感器与挡板在竖向垂直连接；位移传感器实时测量顶杆竖向位移并传递给计算机。

上述压力传感器和位移传感器均与计算机13相连接。

一种预判上保护层施工时土工膜局部受压破坏的方法，包括如下步骤。

步骤1，土工膜试样的裁剪：将厚度t₁、t₂、t₃和t₄的土工膜裁剪成所需要的大小；其中，t₁、t₂、t₃和t₄互不相等。进一步，t₁、t₂、t₃和t₄优选依次分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm。

步骤2，下垫层料的填充：在垫层室内填充相对密度为D_r1＝0.19的下垫层料。

下垫层料优选为细砂，细砂颗粒级配曲线如图3所示。采用振击法测定细砂的最大干密度为1.81g/cm³，通过漏斗法测定细砂最小干密度为1.43g/cm³。

通过计算选取合适质量的下垫层料，并将下垫层料分层压实，全部充满于垫层室内，可获取试验中所需相对密度的下垫层料，下垫层料质量的计算公式如下：

其中，m为下垫层料质量；D_r为下垫层料的相对密度；ρ_{d>为下垫层料的最大干密度，优选采用振击法测定；ρd>为下垫层料的最小干密度，优选采用漏斗法测定；V为垫层室体积。}

通过上述下垫层料质量的计算公式，可以计算得出，为获取试验过程中需要的相对密度D_r为0.19、0.58和0.93的细砂垫层料，分别需预备质量为2632g、2877g和3140g的细砂料。

步骤3，土工膜局部受压破坏试验装置的组装，包括如下步骤。

步骤31，土工膜铺设及固定：将步骤1准备的厚度t₁＝0.5mm的土工膜试样铺设在步骤2中垫层室中下垫层料的上表面，通过夹具将土工膜固定在垫层室上。

步骤32，加压系统组装：根据上保护层的击实施压方式，选择相对应的顶杆；将选择的顶杆安装在步骤31铺设的土工膜的中心上方，顶杆上端与加压装置相连接。

步骤4，土工膜局部受压试验模拟：加压装置带动顶杆按照设定的加压速率(优选为5mm/min)在竖直方向对土工膜施加压力，采用压力传感器实时监测顶杆作用力并传输给计算机，采用位移传感器实时测量顶杆的竖向位移并传输给计算机；试验过程中，计算机实时绘制顶杆的作用力和竖向位移的关系曲线，如图4所示，当观察到曲线发生骤降，表明土工膜受压破坏，记录厚度t₁的土工膜的破坏压力F₁₁，关闭加压系统和位移测量系统，清理土工膜和垫层料。

步骤5，不同厚度土工膜的局部受压试验：将步骤3中厚度t₁的土工膜分别更换为厚度t₂(1.0mm)、t₃(1.5mm)和t₄(2.0mm)的土工膜，重复步骤3至步骤4，记录下垫层料相对密度为D_r1(0.19)时，厚度为t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力F₁₂、F₁₃和F₁₄。

步骤6，采用不同相对密度下垫层料时土工膜的局部受压试验：将步骤2中相对密度D_r1的下垫层料分别更换成相对密度为D_r2(优选0.58)和D_r3(优选0.93)的下垫层料，其中，D_r1、D_r2和D_r3互不相等；重复步骤2至步骤5，得到：相对密度为D_r2的下垫层料时，厚度为t₁、t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力依次为F₂₁、F₂₂、F₂₃和F₂₄；相对密度为D_r3的下垫层料时，厚度为t₁、t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力依次为F₃₁、F₃₂、F₃₃和F₃₄。

相对密度为D_r1、D_r2和D_r3的下垫层料时，厚度为t₁、t₂、t₃和t₄土工膜的破坏压力，如下表1所示。

表1土工膜的破坏压力(kN)

步骤7，土工膜破坏压力计算公式的建立：根据不同相对密度下垫层料上不同厚度土工膜的破坏压力的分布特点，建立土工膜破坏压力的双曲线模型，计算公式如下：

其中，F_P为土工膜的破坏压力，t为土工膜厚度，D_r为下垫层料相对密度，K、α、β和n为公式计算参数。

步骤8，公式计算参数的确定：将步骤4至步骤6获得的下垫层料相对密度、土工膜厚度以及土工膜破坏压力数据代入公式(1)中，并进行数学运算，得到K、α、β和n的具体数值。

步骤8中，公式计算参数的确定方法，包括如下步骤：

步骤81，线性转换：令a＝KD_rⁿ，b＝αD_r+β，代入步骤7中的公式(1)，则

通过转换得到与t的线性表达式：

步骤82，不同下垫层料相对密度D_r时参数a和b的确定：对步骤4至5中测试得到的下垫层料相对密度为D_r1(0.19)时的4组数据和也即：和代入公式(2)，拟合得到下垫层料相对密度D_r1时的线性参数a＝a₁＝0.1077和b＝b₁＝0.042；同样获得下垫层料相对密度为D_r2(0.58)时的线性参数a＝a₂＝0.05和b＝b₂＝0.031以及下垫层料相对密度为D_r3(0.93)时的线性参数a＝a₃＝0.0247和b＝b₃＝0.017。

步骤83，公式计算参数K和n的确定：对表达式a＝KD_rⁿ两边同时进行对数转换，得到Log(a)与Log(D_r)的线性关系式：

Log(a)＝Log(K)+nLog(D_r)>

将步骤82中得到的3组数据(Log(D_r1)，Log(a₁))、(Log(D_r2)，Log(a₂))和(Log(D_r3)，Log(a₃))，也即：(Log(0.19)，Log(0.1077))、(Log(0.58)，Log(0.05))和(Log(0.93)，Log(0.0247))，代入公式(3)，拟合得出参数K和n，也即为：n＝-0.8841；Log(K)＝-1.5836，则K＝0.026。

步骤84，公式计算参数α和β的确定：由表达式b＝αD_r+β可知b与D_r呈线性关系，将步骤82中得到的3组数据(D_r1，b₁)、(D_r2，b₂)和(D_r3，b₃)，也即：(0.19，0.042)、(0.58，0.031)和(0.93，0.017)，代入b＝αD_r+β中，拟合得到参数α和β，也即α＝-0.0337和β＝0.049。

如图5所示，将参数值代入步骤7中计算公式可绘制出下垫层相对密度为0.19、0.58和0.93时土工膜破坏强度随土工膜厚度变化的计算曲线。计算曲线和试验点非常吻合，表明利用步骤7中公式(1)计算不同相对密度下垫层时土工膜的破坏强度是合理的。

步骤9，实际工程中土工膜局部受压破坏的预判。

在上保护层施工过程中，运输机械、压实机械、操作人员等会对土工膜产生局部压力，为了避免施工对土工膜造成的局部受压破坏，在施工前，根据上保护层施工过程中土工膜上施加的最大施工压力，对土工膜的局部受压破坏进行预判。

预判方法，优选包括如下步骤。

步骤91，实际工程中土工膜厚度t和下垫层料相对密度D_r的获取：在工程现场测量土工膜的厚度t和优选采用灌水法测定的下垫层料相对密度D_r。

步骤92，土工膜破坏压力的计算：将步骤91中获得的土工膜厚度t和下垫层料相对密度D_r代入公式计算参数已确定的公式(1)：中，计算得到土工膜的破坏压力F_P。

步骤93，土工膜受压破坏的预判：根据工程的设计和施工资料，获取上保护层施工过程中对土工膜施加的最大局部压力F_实；比较F_实与步骤92中计算的F_P，若F_P大于或等于F_实，则预判为：上保护层施工时土工膜不会受压破坏；若F_P小于F_实，则预判为：上保护层施工时土工膜会受压破坏。

步骤10，土工膜受压破坏预判结果应用：当步骤9中预判结果为上保护层施工时土工膜会受压破坏时，采用如下两种方式中的一种，确保土工膜在上保护层施工时不会受压破坏。

其中：

方式一：通过调整上保护层的施工荷载，减小对土工膜作用力，使得施工过程中F_实小于F_P。

方式二：当上保护层的施工荷载不易调整时，根据最大施工压力，通过选择土工膜厚度和下垫层料的相对密度，确保土工膜在上保护层施工时不会受压破坏。

上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。