一种能控温的水环境中土工膜蠕变性能测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种能控温的水环境中土工膜蠕变性能测试装置及方法，包括温度控制系统、拉伸试验系统和位移采集系统；温度控制系统包括输入模块、主控模块、加热模块、制冷模块、保温箱、温度采集模块和显示模块；拉伸试验系统包括主机架平台、固定夹具、土工膜、活动夹具、轨道、钢索、制动装置、定滑轮和砝码；土工膜沿水平方向夹在固定夹具和活动夹具之间；位移采集系统包括位移传感器、数据采集仪和计算机。本发明能实时测试和记录在恒温和变温水环境中，不同拉伸荷载时土工膜的蠕变变形量，得到不同水温和不同荷载条件下土工膜的蠕变曲线，用于分析土工膜的蠕变特性。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程中防渗土工膜的变形检测领域，特别是一种能控温的水环境中土工膜蠕变性能测试装置及方法。

背景技术

土工膜因具有防渗性能好、适应变形能力强、工程造价低等优点，已广泛应用于堤坝、库盘、渠道等防渗工程。当土工膜铺设于堤坝上游面作为防渗体时，在库水压力的作用下，坝面土工膜会呈现受拉特性。土工膜在一定的拉力作用下，其变形会随时间不断增长，即产生蠕变。当土工膜蠕变量达到一定时，土工膜会发生撕裂，从而破坏了堤坝防渗结构的完整性。因此，土工膜的蠕变特性直接关系到土工膜防渗工程能否长期安全运行。

我国地缘辽阔，一些土工膜防渗工程所在地区温度变化差异小，土工膜长期工作于相对恒温的水环境中，而一些土工膜防渗工程所在地区昼夜温差大或冬夏温差，土工膜工作于变温的水环境中。土工膜属于温度敏感型材料，其力学性质随温度变化差异大，因而探究恒温和变温的水环境中土工膜蠕变特性具有重要的工程应用价值。

现有技术中，通常采用土工合成材料蠕变试验仪测试开展常温下土工膜蠕变特性。目前已有的蠕变试验仪未考虑试验温度对土工膜蠕变特性的影响，无法测试特定恒温和变温的水环境中土工膜蠕变变形随时间的变化规律。因此，有必要研制一种可进行温度调节的水环境中土工膜蠕变性能测试装置和方法。

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，而提供一种能控温的水环境中土工膜蠕变性能测试装置，该能控温的水环境中土工膜蠕变性能测试装置通过实时测试和记录恒温及变温的水环境下，不同拉伸荷载时土工膜的蠕变变形量，得到在恒温和变温的水环境条件下，不同拉伸荷载时不同水温和不同荷载条件下土工膜的蠕变曲线，用于分析土工膜的蠕变特性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种能控温的土工膜蠕变性能测试装置，包括温度控制系统、拉伸试验系统和位移采集系统。

温度控制系统包括输入模块、主控模块、加热模块、制冷模块、保温箱、温度采集模块和显示模块；主控模块与输入模块、热处理模块、冷处理模块及温度采集模块连接；保温箱与加热模块、制冷模块、温度采集模块及显示模块连接。

拉伸试验系统用于对土工膜施加水平拉伸载荷，拉伸试验系统包括固定夹具、活动夹具和水平加载装置；固定夹具和活动夹具均设置在保温箱内，固定夹具与保温箱底板或侧壁固定连接，活动夹具能在水平加载装置的作用下沿保温箱底板滑动连接；土工膜的两端分别装夹在固定夹具和活动夹具中。

水平加载装置包括钢索、制动装置、定滑轮和砝码；钢索的一端与活动夹具相连接，钢索的另一端依次穿过保温箱、制动装置和定滑轮后，形成悬挂端，用于悬挂不同重量的砝码；钢索在保温箱上的穿孔利用密封塞密封，保温箱内充满水；制动装置开启时，能将钢索锁紧固定。

位移采集系统包括位移传感器、数据采集仪和计算机；位移传感器设置在钢索上，用于测量土工膜的蠕变量；位于传感器与数据采集仪相连接，数据采集仪与计算机相连接。

还包括主机架平台，保温箱、制动装置和定滑轮均固定在主机架平台上，定滑轮的顶部与土工膜位于同一高度。

拉伸试验系统还包括设置在保温箱底板上的轨道，活动夹具的顶部设置有滚轮，滚轮与轨道滑动配合。

温度控制系统通过输入模块将恒定温度值或温度历时曲线传给主控模块；主控模块根据输入的恒定温度值或温度历时曲线控制加热模块和制冷模块；加热模块和制冷模块通过协调工作实时调节保温箱内水温，调温范围为-10℃到80℃；温度采集模块实时采集保温箱内水温并反馈给主控模块，进一步控制加热模块和制冷模块；显示模块实时显示保温箱内水温。

温度历时曲线为昼夜温差大（昼夜温差超过15℃）的土工膜防渗工程所在区域一天内温度历时曲线及冬夏温差大（冬夏温差超过30℃）的土工膜防渗工程所在区域的若干月内温度历时曲线；温度历时曲线根据土工膜防渗工程所在区域的气象资料获得。

固定夹具和活动夹具的夹口表面均设有波纹形凹槽，并均通过螺栓将土工膜锚固夹紧。

本发明还提供一种能控温的土工膜蠕变性能测试方法，该能控温的土工膜蠕变性能测试方法通过实时测试和记录恒温及变温条件下，不同拉伸荷载时土工膜的蠕变变形量，得到在恒温和变温条件下，不同拉伸荷载时不同温度和不同荷载条件下土工膜的蠕变曲线，用于分析土工膜的蠕变特性。

一种能控温的土工膜蠕变性能测试方法，包括如下步骤。

步骤1，土工膜试样的裁剪：按试验设计尺寸裁剪若干张厚度为t的土工膜试样。

步骤2，土工膜蠕变荷载的选定：根据土工膜的极限拉力，按20%、40%和60%的极限拉力选定三种大小的拉伸荷载G₁、G₂和G₃。

步骤3，土工膜试样的安装：将步骤1中土工膜试样两端分别水平固定于固定夹具和活动夹具之内。

步骤4，土工膜拉伸荷载的施加：启动制动装置，在钢索的竖直末端悬挂质量为G₁的砝码。

步骤5，位移采集系统的安装：将数据采集仪通过数据线与位移传感器电连，计算机通过数据线与数据采集仪电连，运行位移采集系统检查各部件是否处在正常工作状态。

步骤6，水环境的施加：当土工膜蠕变试验温度高于2℃时，在保温箱内注满水；反之，则在保温箱内注入配比浓度为40%的丙三醇水溶液，提供低温液体环境；利用密封塞密封钢索在保温箱上的穿孔。

步骤7，开始蠕变试验：蠕变试验包括恒温水环境中蠕变试验和变温水环境中蠕变试验。

其中，恒温水环境中土工膜蠕变试验包括如下步骤。

步骤711，土工膜蠕变试验温度的设定：开启温度控制系统，设定土工膜蠕变试验温度为T₁，利用温度控制系统调节水环境温度，当观察到保温箱内水温稳定在T₁时，控温工作完成。

步骤712，恒温水环境中土工膜蠕变试验：关闭制动装置，活动夹具在水平拉力作用下开始移动，带动土工膜发生蠕变变形；在土工膜蠕变过程中，数据采集仪自动实时采集位移传感器测量的土工膜蠕变量，并将数据传输给计算机；当土工膜蠕变变形稳定时，启动制动装置，卸除砝码G₁，关闭温度控制系统，打开保温箱，待土工膜温度升（降）至室温时卸下土工膜；整理得到土工膜在水温为T₁和拉伸荷载为G₁时的蠕变曲线。

步骤713，不同大小拉伸荷载下土工膜的蠕变试验：将步骤4中的砝码质量分别更换为G₂和G₃，重复步骤3至步骤712，整理得到试验温度为T₁时，不同拉伸荷载G₂和G₃作用下土工膜蠕变曲线。

步骤714，不同大小水温下土工膜的蠕变试验：将步骤711中的土工膜蠕变试验温度分别调节为T₂和T₃，重复步骤3至步骤713，整理得到不同水环境温度T₁、T₂和T₃时，不同荷载G₁、G₂和G₃作用下土工膜的蠕变曲线。

变温水环境中土工膜蠕变试验包括如下步骤。

步骤721，温度历时曲线采集：根据土工膜防渗工程所在区域的气象资料，获得昼夜温差大（昼夜温差超过15℃）的土工膜防渗工程所在区域一天内温度历时曲线，或冬夏温差大（冬夏温差超过30℃）的土工膜防渗工程所在区域的若干月内温度历时曲线。

步骤722，开始变温条件下土工膜蠕变试验：计算机将步骤721中采集的温度历时曲线，并传输给温度控制系统；打开温度控制系统，温度控制系统开始根据输入的温度历时曲线实时控制土工膜所处水环境温度变化，同时关闭制动装置，活动夹具在水平拉力作用下开始移动，带动土工膜发生蠕变变形；在土工膜蠕变过程中，数据采集仪自动实时采集位移传感器测量的土工膜蠕变量，并将数据传输给计算机；当土工膜按照设定的温度历时曲线完成蠕变试验时，启动制动装置，卸除砝码，关闭温度控制系统，打开保温箱，待土工膜温度升（降）至室温时卸下土工膜；整理得到土工膜在变温的水环境下，拉伸荷载为G₁时的蠕变曲线；

步骤723，不同大小拉伸荷载下土工膜的蠕变试验：将步骤4中的砝码质量分别更换为G₂和G₃，重复步骤3至步骤6，以及步骤721至722，整理得到在变温条件下，不同拉伸荷载G₁、G₂和G₃作用下土工膜的蠕变曲线。

还包括步骤8，土工膜厚度选择：根据步骤7得到的土工膜蠕变曲线计算土工膜蠕变应变值；若土工膜的蠕变应变值不超过极限应变的20%，则认为土工膜蠕变不会出现拉伸破坏，不影响土工膜防渗体系的安全性；反之，需增加土工膜的厚度，重复步骤1至步骤7的蠕变试验，直至土工膜蠕变应变值满足小于极限应变20%的要求。

G₁、G₂和G₃分别为5kg、10kg和15kg；T₁、T₂和T₃分别为低温0℃、常温20℃和高温40℃。

土工膜试样的长×宽尺寸为200mm×100mm。

本发明具有如下有益效果：

1.土工膜属于温度敏感型材料，其蠕变性能随温度变化差异大。本发明通过温度控制系统使蠕变土工膜处于恒温或变温的水环境中，用于模拟土工膜实际所处的水环境温度，并采用三种不同大小的拉伸荷载，实现了在恒温和变温的水环境中，不同拉伸荷载下土工膜蠕变性能的测试，得到相应的土工膜蠕变曲线。

2.与现有技术相比，本发明中温度控制系统不仅可以实施加热还可以实施制冷。另外，本发明中温度控制系统根据输入的温度历时曲线控制加热模块和制冷模块协调工作，可调节温度实时变化。本发明中温度控制系统控温方法精确性高、开放性强且操作简单易行。

3.本发明可以通过控制保温箱内水环境的溶解氧、PH值等参数，进一步探究在不同水环境下土工膜的蠕变特性；

4.本发明利用砝码施加拉伸荷载，而不是用液压或电机驱动应力加载，这样在长时间的蠕变试验中保证拉伸荷载具有较高的稳定性和可靠性，且成本低廉。

5.本发明中土工膜夹具夹口表面设有波纹形凹槽，与表面光滑或表面尖锐的夹具夹口相比，这样既防止土工膜试样受拉时在夹口内打滑，又防止试样在法向紧固力作用下在夹口内破坏。

6.本发明试验过程中，土工膜试验温度的设定和蠕变量的采集都是通过计算机设置自动完成，操作方便易行。

附图说明

图1显示了本发明一种能控温的土工膜蠕变性能测试装置及测试方法的结构示意图。

图2显示了温度控制系统的结构示意图。

图3显示了在恒定温度下各级拉伸荷载下土工膜蠕变曲线图。

其中有：1、主机架平台，2、固定夹具，3、活动夹具，4、滚轮，5、螺栓，6、轨道，7、土工膜，8、位移传感器，9、钢索，10、温度控制系统，10-1、温度输入模块，10-2、主控模块，10-3、加热模块，10-4、制冷模块，10-5、保温箱，10-6、温度采集模块，10-7、显示模块，11、密封塞，12、制动装置，13、定滑轮，14、砝码，15、数据采集仪，16、计算机。

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，一种能控温的土工膜蠕变性能测试装置，包括温度控制系统10、拉伸试验系统和位移采集系统。

如图2所示，温度控制系统包括输入模块10-1、主控模块10-2、加热模块10-3、制冷模块10-4、保温箱10-5、温度采集模块10-6和显示模块10-7；主控模块10-2与输入模块10-1、加热模块10-3、制冷模块10-4及温度采集模块10-6连接；保温箱10-5与加热模块10-3、制冷模块10-4、温度采集模块10-6及显示模块10-7连接。

温度控制系统10通过输入模块10-1将恒定温度值或温度历时曲线传给主控模块10-2；主控模块10-2根据输入的恒定温度值或温度历时曲线控制加热模块10-3和制冷模块10-4；加热模块10-3和制冷模块10-4通过协调工作实时调节保温箱10-5内水温，调温范围为-10℃到80℃；温度采集模块10-6实时采集保温箱10-5内的温度并反馈给主控模块10-2，进一步控制加热模块10-3和制冷模块10-4；显示模块10-7实时显示保温箱10-5内水温。

温度历时曲线为昼夜温差大（昼夜温差超过15℃）的土工膜防渗工程所在区域一天内温度历时曲线或冬夏温差大（冬夏温差超过30℃）的土工膜防渗工程所在区域的若干月内温度历时曲线，优选为昼夜温差大（昼夜温差超过15℃）的土工膜防渗工程所在区域一天内温度历时曲线；温度历时曲线根据土工膜防渗工程所在区域的气象资料获得。

拉伸试验系统用于对土工膜施加水平拉伸载荷。

拉伸试验系统包括主机架平台1、固定夹具2、土工膜7、活动夹具3、轨道6、钢索9、制动装置12、定滑轮13和砝码14。

上述钢索、制动装置、定滑轮和砝码构成水平加载装置。本发明中，水平加载装置的设置，利用砝码施加拉伸荷载，而不是用液压或电机驱动应力加载，这样在长时间的蠕变试验中保证拉伸荷载具有较高的稳定性和可靠性，且成本低廉。

上述保温箱10-5置于主机架平台1上表面，固定夹具2、土工膜7、活动夹具3和轨道6均位于保温箱10-5内，且均具有良好的耐热和抗冻性能。

固定夹具与保温箱底板或侧壁固定连接，活动夹具能在水平加载装置的作用下沿保温箱底板滑动连接；土工膜的两端分别装夹在固定夹具和活动夹具中。

活动夹具3底面通过滚轮4与沿水平方向平行布置的两条轨道6连接，减小活动夹具3与轨道6之间的摩擦力。通过螺栓5的锚固作用将土工膜7水平夹在固定夹具2和活动夹具3之间，土工膜夹具夹口表面设有波纹形凹槽，这样既防止土工膜试样受拉时在夹口内打滑，又防止试样在法向紧固力作用下在夹口内破坏。钢索9沿水平方向与活动夹具3一端连接，并沿水平方向穿过固定在主机架平台1上的制动装置12。钢索9绕过从主机架平台1端部挑出的定滑轮13后竖直向下，在钢索9的末端悬挂砝码14。钢索9在保温箱10-5上的穿孔利用密封塞11密封，保温箱10-5内充满水。制动装置12打开时，活动夹具3不承受钢索9传递的水平拉力作用，制动装置12关闭时，活动夹具3承受钢索9传递的水平拉力作用。砝码14有1kg、5kg、10kg、和20kg等数个，以组合试验中要求的各级拉伸荷载。

位移采集系统包括位移传感器、数据采集仪和计算机；位移传感器设置在钢索上，用于测量土工膜的蠕变量；位于传感器与数据采集仪相连接，数据采集仪与计算机相连接。

一种能控温的土工膜蠕变性能测试方法，具有如下两个优选实施例。

实施例1：恒定温度条件下土工膜蠕变试验，包括如下步骤。

步骤1，土工膜试样的裁剪：选用厚度t为1.0mm的土工膜，按尺寸（长×宽）200mm×100mm至少裁剪9张土工膜试样。

步骤2，土工膜拉伸荷载的选定：根据土工膜的极限拉力，按20%、40%和60%的极限拉力选定三种大小的拉伸荷载G₁（5kg）、G₂（10kg）和G₃（15kg）。

步骤3，土工膜试样的安装：将步骤1中土工膜试样水平放置在固定夹具和活动夹具之间，土工膜试样两端分别固定于夹具之内。

步骤4，土工膜拉伸荷载的施加：启动制动装置，在钢索的竖直末端悬挂质量为G₁（5kg）的砝码。

步骤5，位移采集系统的安装：将数据采集仪通过数据线与位移传感器电连，计算机通过数据线与数据采集仪电连，运行位移采集系统检查各部件是否处在正常工作状态。

步骤6，水环境的施加：当土工膜蠕变试验温度高于2℃时，在保温箱内注满水；反之，则在保温箱内注入配比浓度为40%的丙三醇水溶液，提供低温液体环境；利用密封塞密封钢索在保温箱上的穿孔。

步骤7，恒温水环境中蠕变试验，包括如下步骤。

步骤711，土工膜蠕变试验温度的设定：开启温度控制系统，设定土工膜蠕变试验温度为T₁（0℃），利用温度控制系统调节水环境温度，当观察到保温箱内水温稳定在T₁（0℃）时，控温工作完成。

步骤712，恒温水环境中土工膜蠕变试验：关闭制动装置，活动夹具在水平拉力作用下开始移动，带动土工膜发生蠕变变形；在土工膜蠕变过程中，数据采集仪自动实时采集位移传感器测量的土工膜蠕变量，并将数据传输给计算机；当土工膜蠕变变形稳定时，启动制动装置，卸除砝码，关闭温度控制系统，打开保温箱，待土工膜温度升（降）至室温时卸下土工膜；整理得到土工膜在试验水温为T₁（0℃）和拉伸荷载为G₁（5kg）时的蠕变曲线。

步骤713，不同大小拉伸荷载下土工膜的蠕变试验：将步骤4中的砝码质量分别变更换为G₂（10kg）、和G₃（15kg），重复步骤3至步骤712，整理得到试验温度为T₁（0℃）时，不同大小拉伸荷载作用下土工膜的蠕变曲线。

步骤714，不同大小水温下土工膜的蠕变试验：将步骤711中的土工膜蠕变试验温度分别调节为T₂（20℃）和T₃（40℃），重复步骤3至步骤713，整理得到不同水环境温度（0℃、20℃和40℃）时，不同大小拉伸荷载（5kg、10kg和15kg）作用下土工膜的蠕变曲线，如图3所示。由图3可知，土工膜蠕变变形量与拉伸荷载的大小和水温的高低有关，当拉伸荷载越大或水温越高时，土工膜蠕变变形量越大。

步骤8，土工膜厚度选择：根据步骤7得到的土工膜蠕变曲线计算土工膜蠕变应变值；若土工膜的蠕变应变值不超过极限应变的20%，则认为土工膜蠕变不会出现拉伸破坏，不影响土工膜防渗体系的安全性；反之，需增加土工膜的厚度，重复步骤1至步骤7的蠕变试验，直至土工膜蠕变应变值满足小于极限应变20%的要求。

实施例2：变温水环境中土工膜蠕变试验，包括如下步骤。

步骤1，土工膜试样的裁剪：按试验设计尺寸至少裁剪3张厚度t为1.0mm的土工膜试样，土工膜试样的长×宽尺寸优选为200mm×100mm。

步骤2，土工膜蠕变荷载的选定：根据土工膜的极限拉力，按20%、40%和60%的极限拉力选定三种大小的拉伸荷载G₁（5kg）、G₂（10kg）和G₃（15kg）。

步骤3，土工膜试样的安装：将步骤1中土工膜试样两端分别水平固定于固定夹具和活动夹具之内。

步骤4，土工膜拉伸荷载的施加：启动制动装置，在钢索的竖直末端悬挂质量为G₁（5kg）的砝码。

步骤5，位移采集系统的安装：将数据采集仪通过数据线与位移传感器电连，计算机通过数据线与数据采集仪电连，运行位移采集系统检查各部件是否处在正常工作状态。

步骤6，水环境的施加：当土工膜蠕变试验温度高于2℃时，在保温箱内注满水；反之，则在保温箱内注入配比浓度为40%的丙三醇水溶液，提供低温液体环境；利用密封塞密封钢索在保温箱上的穿孔。

步骤7，变温水环境中蠕变试验，包括如下步骤。

步骤721，温度历时曲线采集：根据土工膜防渗工程所在区域的气象资料获得昼夜温差大（昼夜温差超过15℃）的土工膜防渗工程所在区域一天内温度历时曲线。

步骤722，开始变温条件下土工膜蠕变试验：计算机按照步骤721中采集的温度历时曲线，并传输给温度控制系统；打开温度控制系统，温度控制系统开始根据输入的温度历时曲线实时控制土工膜所处水环境温度变化，同时关闭制动装置，活动夹具在水平拉力作用下开始移动，带动土工膜发生蠕变变形；在土工膜蠕变过程中，数据采集仪自动实时采集位移传感器测量的土工膜蠕变量，并将数据传输给计算机；当土工膜按照设定的温度历时曲线完成蠕变试验时，启动制动装置，卸除砝码，关闭温度控制系统，打开保温箱，待土工膜温度升（降）至室温时卸下土工膜；整理得到土工膜在变温的水环境中，拉伸荷载为G₁（5kg）时的蠕变曲线。

步骤723，不同大小拉伸荷载下土工膜的蠕变试验：将步骤4中的砝码质量分别更换为G₂（10kg）和G₃（15kg），重复步骤3至步骤6，以及步骤721至722，整理得到在变温条件下，不同拉伸荷载G₁、G₂和G₃（5kg、10kg和15kg）作用下土工膜的蠕变曲线。

步骤8，土工膜厚度选择：根据步骤7得到的土工膜蠕变曲线计算土工膜蠕变应变值；若土工膜的蠕变应变值不超过极限应变的20%，则认为土工膜蠕变不会出现拉伸破坏，不影响土工膜防渗体系的安全性；反之，需增加土工膜的厚度，重复步骤1至步骤7的蠕变试验，直至土工膜蠕变应变值满足小于极限应变20%的要求。

本发明测试方法实施例1通过恒温条件下土工膜蠕变试验模拟防渗工程中土工膜在恒定低温（0℃）、常温（20℃）和高温（40℃）水环境中的蠕变。本发明测试方法实施例2通过变温水环境中土工膜蠕变试验模拟昼夜温差大的土工膜防渗工程所在地区的土工膜蠕变。另外，将测试方法步骤2中的温度历时曲线选为冬夏温差大的土工膜防渗工程所在区域的若干月内温度历时曲线，还可模拟冬夏温差大的水环境中土工膜防渗工程所在地区的土工膜蠕变。

以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。