[发明专利]一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪，属于水工结构及材料试验技术领域。

背景技术

由于具有适应差异变形能力强、施工期短、造价低、节约土地及低碳环保等优点，土工膜越来越多地应用在堆石坝上游面作为防渗体。堆石坝面土工膜防渗体一般由垫层、复合土工膜(两布一膜或者一布一膜+土工织物)和保护层等多层材料组成。由于土工膜和土工织物等土工合成材料与土石材料之间界面的抗剪强度较低，所以由多层材料组成的坝面防渗体在不同工况和荷载条件下极易发生失稳破坏。而坝面防渗体不同材料间界面抗剪强度特性及失稳破坏机理是进行坝面土工膜防渗结构设计及稳定性分析与评价的基础。为了深入揭示堆石坝面土工膜防渗体的失稳破坏机理，准确计算和评价防渗体稳定性，并提出经济、有效的抗滑保证措施，需要针对防渗体中不同土工合成材料间以及与垫层及保护层土石材料之间界面的抗剪强度进行试验研究，从而为工程设计和安全评价提供理论基础和科学依据。

此外，对于目前堆石坝防渗主要采用的由长丝针刺土工织物/膜/长丝针刺土工织物复合而成的复合膜，其界面抗剪强度主要由表面的长丝纤维与接触材料之间的摩擦与咬合作用提供。在复合膜与垫层或者保护层发生相互作用时，外层土工织物表面的长丝纤维是处于受力拉伸状态的。由于高分子聚合物纤维在拉伸状态下具有显著的蠕变特征，在与垫层料保持长期接触摩擦和剪切作用下，其表面长丝纤维将经历拉伸、分子链重组进而产生蠕变的过程。这种蠕变效应将使界面应力状态随时间的推移发生变化，界面抗剪强度将随时间衰减。由此可见，采用常规试验得到的界面短期抗剪强度对坝坡设计及坝面防渗体稳定性计算与评价是偏于不安全的。因此，在考虑土工织物纤维蠕变效应下揭示复合土工膜-保护层及垫层材料界面的长期抗剪强度特性及失稳破坏机理对于坝面土工膜防渗体设计及稳定性分析与评价是必要的。

在本发明之前，一般土工合成材料与土石材料之间界面抗剪强度特性试验常采用的方法主要有直剪试验、拉拔试验方法以及国外近年来开始采用的斜板仪试验方法。界面直剪仪试验比较适合界面剪切力和剪切位移为水平方向，且法向压力沿界面恒定且均匀分布的界面抗剪强度特性试验。试验中发生剪切的界面通常是人为设定好的，不能反映包含多层界面结构的整体抗剪强度；而且在低法向压力情况下，直剪试验得到的抗剪强度往往偏高。拉拔试验适合用于土工合成材料锚固部位附近界面抗剪强度特性试验，例如土工膜锚固端部以及加筋挡土墙筋材拔出等工况下界面抗剪强度特性研究，但无法模拟坝面上倾斜的界面力学性状。所以，传统的界面直剪和拉拔试验方法均无法反映坝面防渗体界面应力变形状态和相应的边界条件，且均无法考虑复合土工膜表面土工织物纤维蠕变效应而导致界面长期抗剪强度降低的影响。

斜板仪试验能够再现堆石坝面土工膜防渗体界面应力状态和变形破坏模式，适合用于坝面上土工膜防渗体界面抗剪强度特性试验。这种试验方法在我国相关测试规程中尚未列入，但在相关研究工作中已被采用。在本发明之前，题为“土工合成材料界面摩擦特性的室内剪切试验研究”(徐超等，岩土力学，2008年第29卷第5期)和“GCL与黏土接触面摩擦特性试验研究”(李雪宁等，施工技术，2011年第40卷第2期)的学术论文均研制了用于斜坡上土工合成材料界面抗剪强度特性试验的斜板仪。但这两种斜板仪无法满足坝面土工膜防渗体界面在不同工况和荷载条件下抗剪强度测试的需求，其不足主要表现在以下几个方面：

(1)仪器自动化程度较低，试样界面倾角变化靠手动旋转螺纹杆或手动液压千斤顶将斜板顶起并转动，手动操作会导致斜板的转速不均匀，易发生跳跃式的旋转，试验操作本身会影响试样的稳定性，也影响试验结果的可靠性；

(2)试样界面失稳的判断是靠人为观察试样发生滑动时通过侧面量角器读取斜板与水平面之间的角度来实现，这使得试验结果可靠性降低，也会因不同操作人员的反映速度差异而产生误差；

(3)只能测试单层界面的抗剪强度，但对于包含多层界面坝面土工膜防渗体，在不同法向压力和变形状态下，事前并不知道哪个界面会发生失稳，所以现有斜板仪无法测试坝面土工膜防渗体中多层界面的抗剪强度特性；

(4)只能测试界面的短期抗剪强度，无法测试考虑土工合成材料本身蠕变效应下的界面长期抗剪强度特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有坝面土工膜防渗体界面抗剪强度试验技术的不足，提供了一种既能测试土工合成材料与接触材料界面短期抗剪强度特性，又能进行考虑土工织物表面纤维蠕变效应下界面长期抗剪强度和失稳破坏机理试验的多功能斜板仪。

本发明采用以下技术方案实现：