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苯板與土工膜的摩擦特性試驗研究

2013-10-20 08:06侍克斌
水力發(fā)電 2013年5期
關鍵詞:粘聚力測定儀光面

張 軍,侍克斌

(1.新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052)

在寒冷地區(qū),襯砌渠道、土石壩普遍存在凍脹問題,凍脹可能造成渠道、土石壩邊坡的襯砌表面出現(xiàn)開裂、變形、滑塌、破碎等破壞。防止凍脹的措施較多,傳統(tǒng)方法多采用砂礫石層排水保溫,近些年,有不少工程采用苯板進行保溫,并取得了良好的效果。采用砂礫石層保溫,工序較復雜,施工速度慢,并要求工程附近砂石料豐富,否則工程造價較高。采用苯板保溫,厚度一般為砂礫石保溫層的1/10,大大節(jié)省了換填工作量,且施工方便,保溫效果好,尤其是在缺乏砂礫石料的地區(qū),其經(jīng)濟優(yōu)越性明顯[1-5]。

渠道采用苯板保溫,其邊坡結構一般采用混凝土面板+防滲材料+苯板+墊層材料的襯砌形式,因此苯板與防滲體、墊層材料的摩擦特性決定了渠道邊坡淺層的穩(wěn)定性,而國內對苯板與防滲材料、墊層的摩擦特性試驗研究較少。到目前為止,土工合成材料試驗規(guī)程中還沒有關于苯板的界面摩擦特性試驗方法,采用何種儀器測定苯板的界面摩擦特性也未具體說明。本文采用TZY-1土工合成材料綜合測定儀與非散粒體摩擦角測定儀 (該儀器是新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院自行研發(fā)的具有國家發(fā)明專利的測試儀器)測定苯板與土工膜的摩擦特性,分析兩種試驗結果,為苯板在實際工程應用提供設計參數(shù)。

1 試驗設備

1.1 TZY-1土工合成材料綜合測定儀

該儀器主要用于土工合成材料的力學特性試驗和土與合成材料相互作用特性試驗。垂直荷載采用高精度調壓閥和滾動隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng);水平荷載采用應變控制加荷方式,由電機驅動變速箱均勻施加;數(shù)據(jù)處理由8031單片微機控制,采樣速度10次/s,數(shù)字顯示應力-時間,自動判斷峰值,打印應力-應變或應力-時間數(shù)據(jù)表格及相應的應力-應變曲線或應力-時間關系曲線。

1.2 非散粒體摩擦角測定儀

該儀器由支座、調平螺母、支座平臺、工作臺、放大鏡、摩擦角度盤、升降螺旋、固定標尺、坡度測盤、材料盒幾部分組成。摩擦角的測定范圍是0~90°,工作平臺長35.5 cm,寬10 cm,角度盤的精度為30 s,材料盒長 30 cm,寬10 cm,高9 cm,材料盒主要用于裝散粒料。

2 試驗材料

苯板即聚苯乙烯泡沫板,性能參數(shù):密度≥20 kg/m3;抗壓強度≥150 kPa;彎曲強度≥220 kPa;在40~70℃尺寸變形<±0.5%;導熱系數(shù)≤0.04 W/(m·℃); 吸水性<80 g/m2; 耐熱性>80℃。 土工膜為光面膜、一布一膜、兩布一膜,性能參數(shù)見表1。

表1 土工膜的物理力學參數(shù)

3 試驗方法

3.1 TZY-1土工合成材料綜合測定儀

(1)試驗采用應變控制,剪力盒大小為20 cm×20 cm×5 cm,剪切速率取1.60 mm/min。在25、50、75、100 kPa不同的垂直壓力作用下,得出相應的相對位移-剪應力曲線,再由這些曲線得出相應的最大剪應力,然后將試驗結果點繪成τ-p曲線,從而求的似粘聚力Ca和似摩擦角或f值。

(2)剪切盒下放置硬木塊,將土工膜置于硬木塊上并用螺栓固定。

3.2 非散粒體摩擦角測定儀

(1)試驗時將儀器放在較平的平面上,用調平螺母調整支座,使得支座平臺上的水準氣泡居中,保證支座、支座平臺處于同一水平面,避免施加的豎向荷載產(chǎn)生偏心的作用,引起試驗誤差。

(2)將土工膜固定在工作臺上,苯板 (長20 cm,寬8 cm,厚5 cm)放在土工膜上面,再在苯板上施加1.25、2.5、3.75、5.0 kPa 4種不同的豎向荷載,通過升降螺母逐漸增加工作臺的角度,直到苯板與土工膜開始發(fā)生相對滑動,停止擰動升降螺旋,通過放大鏡讀出角度盤的度數(shù),該角即為苯板與土工膜的摩擦角。為了減少試驗結果的誤差,更加貼近實際工程,每做一次試驗,必須更換土工膜和苯板。

4 試驗成果及分析

4.1 試驗成果

利用土工合成材料綜合測定儀測定苯板與土工膜的試驗結果如圖1、2所示。

圖1 苯板與土工膜ΔL-T曲線

圖2 苯板與土工膜σ-τ曲線

利用非散粒體材料摩擦角測定儀測定苯板與光面土工膜的試驗結果見表2。

表2 苯板與光面土工膜試驗成果

4.2 結果分析

4.2.1 土工合成材料綜合測定儀的試驗結果分析

(1)從圖1可以看出,ΔL-T曲線分為3個階段:①隨著剪應力增加,位移不變,說明上下剪切盒沒有發(fā)生相對位移,主要是因為苯板與土工膜之間產(chǎn)生了咬合力和嵌固力,兩種材料之間的界面作用是靜摩擦力,即粘聚力;②隨著剪應力增加,位移也在增加,但是剪應力的增長速度比位移的增速快,此階段產(chǎn)生了摩擦力和粘聚力,但它們之間的界面作用主要表現(xiàn)為粘聚力;③隨著剪應力增加,位移增加,但是位移的增速比剪應力快,增幅大,此階段兩種材料之間的界面作用是滑動摩擦力,即摩擦角的大小。隨著位移的增加,苯板與兩布一膜的剪應力增長速度最慢。

(2)從σ-τ曲線可以看出,隨著膜的粗糙程度增大,粘聚力增大,摩擦角減小。苯板與兩布一膜的粘聚力最大,摩擦角最??;苯板與光面土工膜的粘聚力最小,摩擦角最大。

(3)做苯板與土工膜的試驗時發(fā)現(xiàn),苯板發(fā)生了豎向與水平方向的變形,上剪切盒發(fā)生了不同程度的翹起。當施加豎向應力為25 kPa時,靠近施加水平力方向的苯板,水平變形為0.5~1 mm,垂直變形為1~2 mm,上剪切盒翹起2 mm;當施加的豎向應力為50 kPa時,苯板的水平變形為1~2 mm,垂直變形為2~3 mm,上剪切盒翹起3 mm;當施加的豎向應力為75 kPa時,苯板的水平變形為2~3 mm,垂直變形為3~4 mm,上剪切盒翹起3~4 mm;當施加的豎向應力為100 kPa時,苯板的水平變形為3~5 mm,垂直變形為 4~5 mm,上剪切盒翹起 4~5 mm。苯板的水平變形是由苯板與土工膜的剪應力引起的;隨著正應力增大,苯板與土工膜的剪應力增加,水平變形增大,水平變形導致垂直變形增大,上剪切盒翹起越嚴重。苯板變形增大,使得兩種材料之間不能充分接觸,試驗誤差大。

(4)做苯板與光面土工膜、一布一膜的試驗時,建議當剪切位移達到6 mm即可停止試驗,這樣可以節(jié)約時間,剪應力也可達到峰值及穩(wěn)定值。做苯板與兩布一膜、不同含水率的粗、細砂、粘土的試驗時,建議當剪切位移達到10 mm即可停止試驗。

4.2.2 非散粒體摩擦角測定儀的試驗結果分析

從表2可以看出:

(1)苯板與光面土工膜摩擦角平均值為20.02°,隨著土工膜的含水率增加,苯板與其之間的摩擦角變化很小,可以忽略不計。只有摩擦角時,邊坡穩(wěn)定計算公式簡單。

(2)隨著正應力增加,苯板與光面土工膜的摩擦角不變,這說明它們之間的摩擦角大小與豎向應力無關,摩擦角只與它們之間接觸面的粗糙程度有關,接觸面越粗糙,它們之間的摩擦角越大。

(3)在試驗過程中發(fā)現(xiàn),施加不同正應力時,苯板不發(fā)生垂直及水平方向的變形,也不發(fā)生翹起,苯板能與光面土工膜完全接觸,這樣測出的結果更加準確,更加貼近工程實際情況。

(4)采用該儀器測定苯板與一布一膜、兩布一膜的摩擦角時,隨著施加的豎向荷載不斷增大,摩擦角變化較大,主要是因為它們之間的粘聚力較大,從而導致滑動不明顯,測的摩擦角誤差較大。

5 結論

(1)采用土工合成材料綜合測定儀進行試驗時,隨著膜的粗糙程度增大,粘聚力增大,摩擦角減小。苯板與兩布一膜的粘聚力最大,摩擦角最??;苯板與光面土工膜的粘聚力最小,摩擦角最大。

(2)采用非散粒體摩擦角測定儀進行試驗時,苯板與光面土工膜摩擦角基本不變,結果規(guī)律性較好;只有摩擦角,邊坡穩(wěn)定計算公式簡單,結果準確;但不能得到苯板與一布一膜、兩布一膜之間的穩(wěn)定摩擦角。

(3)采用土工合成材料綜合測定儀進行試驗時,苯板會產(chǎn)生豎直方向及水平方向的變形,試驗結果存在一定的誤差;采用非散粒體摩擦角測定儀進行苯板與光面土工膜的試驗時,苯板不產(chǎn)生變形,試驗結果較準確。

(4)非散粒體材料摩擦角測定儀構思新穎,構造簡單,便于操作,可進行現(xiàn)場試驗,可直接測定出苯板與光面土工膜的摩擦角和臨界坡度。但當兩種物體之間的粘聚力過大時,不能得到穩(wěn)定的摩擦角,故該儀器仍需進一步改進研究。

[1]《土工合成材料工程應用手冊》編寫委員會.土工合成材料工程應用手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[2]張文智.聚苯乙烯泡沫塑料板在渠道防凍脹中的應用[J].水利與建筑工程學報, 2003(2):56-57.

[3]陳立國,周玲,等.寧夏渠道襯砌防凍脹試驗研究[J].中國農村水利水電, 2008(9):102-107.

[4]張彥武.聚苯乙烯泡沫板在渠道防凍脹中的運用[J].甘肅水利水電技術, 2009(1):7-9.

[5]張漢軍.聚苯乙烯保溫板在渠道襯砌中防凍脹應用技術 [J].甘肅水利水電技術, 2003(4):294-295.

[6]新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院.非散粒體材料摩擦角測定儀: 中國, ZL20051007935.17[P].2007-07-25.

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