一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，包括步骤为：通过开展水压作用下不同颗粒粒径垫层上土工膜受压局部变形破坏试验，建立土工膜颗粒垫层允许最大粒径与上覆压力关系式；绘制颗粒垫层允许最大粒径与上覆水压的关系曲线，确定土工膜免受局部水压顶破的颗粒垫层粒径的安全区和破坏区；利用绘制的关系曲线，根据实际工程中土工膜承受的水压力，确定土工膜免受破坏的垫层颗粒允许最大粒径，进而按照级配连续要求选配颗粒垫层合理粒径组成。本发明专利技术对指导土工膜避免受压局部变形破坏时的垫层设计具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

A reasonable selection method of particle size for Geomembrane to avoid damage

【技术实现步骤摘要】
一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法
本专利技术涉及水利工程施工领域，特别是一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法。
技术介绍
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，土工膜常铺设于颗粒垫层料之上。不同类型的土工膜防渗工程，对垫层料的要求有所不同。一般地，膜后垫层通常采用砂砾料和砂卵石料等颗粒材料。当土工膜蓄水后，颗粒垫层上的土工膜会在垫层颗粒之间的空隙内发生局部下凹变形。垫层颗粒粒径越大，土工膜局部下凹变形越大。若该变形超过土工膜变形允许值，则土工膜被顶破，导致防渗失效。可见，土工膜抵抗水压顶破变形能力与下垫层颗粒粒径有显著关系。因此，基于水压作用下不同颗粒粒径垫层上土工膜受压局部变形破坏试验，建立土工膜破坏时下垫层颗粒粒径与上覆压力的数学模型，根据数学模型可对土工膜颗粒垫层粒径进行合理取值，对指导土工膜合理垫层设计具有重要的科学研究意义和工程应用价值。现有技术存在如下不足：1.现有SL/T235-1999《土工合成材料测试规程》中土工膜顶破标准试验采用固定尺寸的单一圆球或圆柱形顶杆，不能模拟水压作用下颗粒垫层上土工膜的局部变形行为，与实际工程中土工膜的工作性态完全不符。2.现有技术中的一些含垫层的土工膜顶破试验，未考虑水压作用下垫层形状和大小对土工膜受压局部变形破坏特性的影响，不能有效反映真实垫层颗粒作用。同时现有技术仅测试土工膜的局部受压破坏强度，试验结果单一，不能用于土工膜上覆压力已知情况下垫层合理粒径的选择。3.目前尚无数学模型可用于土工膜垫层颗粒最大允许粒径的选择，确保运行期水压作用下颗粒垫层上土工膜局部水压顶破。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，该土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法通过不同颗粒粒径垫层上土工膜受压局部变形破坏试验，建立土工膜颗粒垫层允许最大粒径与上覆压力关系式；绘制颗粒垫层允许最大粒径与上覆水压的关系曲线，确定土工膜免受破坏的颗粒垫层粒径的安全区和破坏区；利用绘制的关系曲线，根据实际工程中土工膜承受的水压力，确定土工膜免受局部水压顶破的垫层颗粒允许最大粒径，进而按照级配连续要求选配颗粒垫层合理粒径组成。本专利技术对指导土工膜避免受压局部变形破坏时的垫层设计具有重要的科学研究意义和工程应用价值。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，建立土工膜下垫层颗粒允许最大粒径Ds与上覆压力p的数学模型：针对设定厚度的土工膜，开展水压作用下土工膜受压局部变形试验。在土工膜受压局部变形试验时，通过改变土工膜下垫层颗粒允许最大粒径Ds值，获得不同垫层颗粒允许最大粒径Ds与对应上覆压力p的定量关系，从而建立Ds与p的数学模型。步骤2，绘制Ds与p关系曲线图：根据步骤1建立的Ds与p的数学模型，绘制Ds与p的关系曲线图。由于实际工程中，上覆压力p不会超过3MPa，因此具有实际工程意义的Ds与p的关系曲线图始终位于3MPa左侧。步骤3，特性分区：将步骤2绘制完成的Ds与p的关系曲线图，分为安全区和破坏区。假设二维坐标点(Ds，p)为Ds与p关系曲线图中的某点，则：安全区为二维坐标点(Ds，p)位于Ds与p关系曲线及以下的区域。在安全区内，在设定上覆压力作用下，通过选择土工膜垫层级配的最大粒径，从而使得土工膜免受破坏。破坏区为二维坐标点(Ds，p)位于Ds与p关系曲线以上的区域。在破坏区内，土工膜在下垫层和上覆压力作用下必然会发生破坏。步骤4，选配土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径，具体选配方法，包括如下步骤。步骤41，计算最大上覆压力pmax：根据实际工程设计资料，得到土工膜承受的设计水深，并根据设计水深，计算得到最大上覆压力pmax。步骤42，计算下垫层颗粒粒径上限Dsmax：将上覆压力pmax代入Ds与p的数学模型中，并根据步骤3的特性分区，得到土工膜在最大上覆压力pmax下免受破坏的下垫层颗粒粒径上限Dsmax。步骤43，选配土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径：在实际工程中，土工膜下的垫层料，具有不同大小的颗粒粒径。当垫层上的土工膜受水压作用时，与垫层中的大粒径颗粒接触处的土工膜更容易发生破坏，故从安全角度考虑，将步骤42确定的免受破坏的下垫层颗粒粒径上限Dsmax作为实际工程下垫层上限粒径的指导依据。因此，在确保选配颗粒垫层的最大粒径应不超过Dsmax的前提下，具有连续级配。步骤1中，建立的土工膜下垫层颗粒允许最大粒径Ds与上覆压力p的数学模型为：式中，Ds为垫层颗粒允许最大粒径，m；Fp为土工膜的CBR顶破强度，N；Zεpeak为土工膜的屈服应变因子；p为上覆压力，Pa；dCBR为CBR试验的顶杆直径，固定取值为0.05m；α、β为拟合参数。步骤1中，公式(1)中参数α、β的确定方法，包括如下步骤。步骤11，土工膜试样的裁剪：将土工膜裁剪成设定大小。步骤12，垫层料等效：选取实际工程中预备使用的不同粒径不同形状的砂卵石垫层料，通过几何特性的归类分析将选取的砂卵石颗粒分为类圆球颗粒和类椭圆球颗粒。挑选包括三种不同代表粒径的砂卵石颗粒，并简化成直径为Ds1、Ds2和Ds3的等效圆球颗粒。其中，Ds1、Ds2和Ds3互不相等。步骤13，安装垫层室：将垫层室固定在基座上。步骤14，等效圆球颗粒垫层料的填充：在垫层室内填充粒径为Ds1的等效圆球颗粒，并按预设相对密度压实，形成垫层料。然后，在垫层料的上表面放置一张锡箔纸。步骤15，铺设土工膜及固定压力室：将步骤11裁剪的土工膜试样铺设在步骤14的锡箔纸上表面，然后将压力室同轴设置在垫层室上方，并通过夹具将土工膜固定在压力室与垫层室之间。步骤16，加压装置组装：对压力室进行气密性检测，气密性检测合格后，通过加压管将压力室与加压装置相连接，加压装置中的压力传感器与计算机相连接。步骤17，水压作用下土工膜受压局部变形试验的开展：启动加压装置，通过向压力室中注入的水体对土工膜施加压力，压力传感器实时监测压力室中的水压力并传输给计算机。试验过程中，计算机实时绘制上覆压力与时间的关系曲线A，当观察到关系曲线A发生骤降，表明土工膜发生受压局部变形破坏，记录土工膜的破坏上覆压力p1。步骤18，计算土工膜屈服应变因子Z1，计算方法包括如下步骤：步骤18a)计算土工膜竖向位移h1：取出压力室内锡箔纸，测量锡箔纸凸起顶点至凸起下边缘的垂直距离，即锡箔纸竖向位移。由于锡箔纸和土工膜贴合紧密，故锡箔纸竖向位移即为土工膜竖向位移，记为h1。步骤18b)计算土工膜破坏时与圆球垫层接触区域对应的直径Dc1，Dc1的计算公式为：步骤18c)计算土工膜屈服应变因子Z1：将Ds1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1，建立土工膜下垫层颗粒允许最大粒径D

【技术特征摘要】
1.一种土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，建立土工膜下垫层颗粒允许最大粒径Ds与上覆压力p的数学模型：针对设定厚度的土工膜，开展水压作用下土工膜受压局部变形试验；在土工膜受压局部变形试验时，通过改变土工膜下垫层颗粒允许最大粒径Ds值，获得不同垫层颗粒允许最大粒径Ds与对应上覆压力p的定量关系，从而建立Ds与p的数学模型；
步骤2，绘制Ds与p关系曲线图：根据步骤1建立的Ds与p的数学模型，绘制Ds与p的关系曲线图；由于实际工程中，上覆压力p不会超过3MPa，因此具有实际工程意义的Ds与p的关系曲线图始终位于3MPa左侧；
步骤3，特性分区：将步骤2绘制完成的Ds与p的关系曲线图，分为安全区和破坏区；假设二维坐标点(Ds，p)为Ds与p关系曲线图中的某点，则：
安全区为二维坐标点(Ds，p)位于Ds与p关系曲线及以下的区域；在安全区内，在设定上覆压力作用下，通过选择土工膜垫层级配的最大粒径，从而使得土工膜免受破坏；
破坏区为二维坐标点(Ds，p)位于Ds与p关系曲线以上的区域；在破坏区内，土工膜在下垫层和上覆压力作用下必然会发生破坏；
步骤4，选配土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径：具体选配方法，包括如下步骤：
步骤41，计算最大上覆压力pmax：根据实际工程设计资料，得到土工膜承受的设计水深，并根据设计水深，计算得到最大上覆压力pmax；
步骤42，计算下垫层颗粒粒径上限Dsmax：将上覆压力pmax代入Ds与p的数学模型中，并根据步骤3的特性分区，得到土工膜在最大上覆压力pmax下免受破坏的下垫层颗粒粒径上限Dsmax；
步骤43，选配土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径：在实际工程中，土工膜下的垫层料，具有不同大小的颗粒粒径；当垫层上的土工膜受水压作用时，与垫层中的大粒径颗粒接触处的土工膜更容易发生破坏，故从安全角度考虑，将步骤42确定的免受破坏的下垫层颗粒粒径上限Dsmax作为实际工程下垫层上限粒径的指导依据；因此，在确保选配颗粒垫层的最大粒径应不超过Dsmax的前提下，具有连续级配。


2.根据权利要求1所述的土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，其特征在于：步骤1中，建立的土工膜下垫层颗粒允许最大粒径Ds与上覆压力p的数学模型为：



式中，Ds为垫层颗粒允许最大粒径，m；Fp为土工膜的CBR顶破强度，N；Zεpeak为土工膜的屈服应变因子；p为上覆压力，Pa；dCBR为CBR试验的顶杆直径，固定取值为0.05m；α、β为拟合参数。


3.根据权利要求2所述的土工膜免受破坏的颗粒垫层合理粒径选配方法，其特征在于：步骤1中，公式(1)中参数α、β的确定方法，包括如下步骤：
步骤11，土工膜试样的裁剪：将土工膜裁剪成设定大小；
步骤12，垫层料等效：选取实际工程中预备使用的不同粒径不同形状的砂卵石垫层料，通过几何特性的归类分析将选取的砂卵石颗粒分为类圆球颗粒和类椭圆球颗粒；挑选包括三种不同代表粒径的砂卵石颗粒，并简化成直径为Ds1、Ds2和Ds3的等效圆球颗粒；其中，Ds1、Ds2和Ds3互不相等；
步骤13，安装垫层室：将垫层室固定在基座上；
步骤14，等效圆球颗粒垫层料的填充：在垫层室内填充粒径为Ds1的等效圆球颗粒，并按预设相对密度压实，形成垫层料；然后，在垫层料的上表面放置一张锡箔纸；
步骤15，铺设土工膜及固定压力室：将步骤11裁剪的土工膜试样铺设在步骤14的锡箔纸上表面，然后将压力室同轴设置在垫层室上方，并通过夹具将土工膜固定在压力室与垫层室之间；
步骤16，加压装置组装：对压力室进行气密性检测，气密性检测合格后，通过加压管将压力室与加压装置相连接，加压装置中的压力传感器与计算机相连接；
步骤17，水...

【专利技术属性】
技术研发人员：岑威钧，都旭煌，文震宇，王辉，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32