[发明专利]考虑下垫层含水率影响的土工膜顶破强度预测装置及方法

权利要求书

1.一种考虑下垫层含水率影响的土工膜顶破强度预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，土工膜顶破强度预测模型的建立：根据不同含水率下垫层上不同厚度土工膜顶破强度的分布特点，建立土工膜顶破强度的指数模型，其计算公式如下：

F_P＝(Kwⁿt+Ce^Dw)(1-e^-(Aw+B)t) (1)

其中，F_P为土工膜顶破强度，t为土工膜厚度，w为下垫层含水率，K、n、A、B、C和D为六个待确定的未知参数；

步骤2，未知参数K和n的确定，包括如下步骤：

步骤21、土工膜试样的裁剪：将厚度t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆的土工膜裁剪成所需要的大小；其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆的厚度依次递增；

步骤22、下垫层的填充：在垫层室内填充含水率为w₁，相对密度为D_r的下垫层；

步骤23、试验装置的组装：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垫层室、保护层室和夹具；

垫层室用于填充不同含水率的下垫层；

保护层室同轴设置在垫层室顶部，土工膜铺设在垫层室和保护层室之间，夹具用于将保护层室、土工膜和垫层室可拆卸式夹紧固定；

加压系统包括顶杆、压力传感器和加压装置；顶杆能在加压装置的驱动下，向土工膜直接或间接施加压力，压力传感器能对顶杆传递的压力进行实时监测，并与计算机相连接；

顶杆底端指向土工膜的中心，顶杆类型包括平头顶杆、半弧形顶杆和平板顶杆；不同顶杆类型用于模拟不同施工作业类型；

将步骤21准备的厚度t₁的土工膜试样铺设在垫层室中下垫层的上表面，并通过夹具将土工膜固定；

步骤24、土工膜顶破试验：启动加压系统，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，压力传感器实时监测顶杆反力并传输给计算机，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，表明土工膜发生顶破，记录土工膜的顶破强度F₁₁；

步骤25，不同厚度土工膜的顶破试验：将步骤23中的土工膜分别更换为厚度t₂、t₃、t₄、t₅和t₆的土工膜，重复步骤24，记录下垫层含水率为w₁时厚度为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆土工膜的顶破强度F₁₂、F₁₃、F₁₄、F₁₅和F₁₆，绘制垫层含水率为w₁时土工膜顶破强度F_P和厚度t的关系曲线；

步骤26，不同含水率的下垫层时土工膜的顶破试验：将步骤22中含水率为w₁的下垫层分别更换成含水率为w₂和w₃的下垫层，重复步骤22至步骤25；其中，w₁、w₂和w₃依次递增；最终获得：

含水率为w₁的下垫层时，厚度为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆土工膜的顶破强度依次为F₁₁、F₁₂、F₁₃、F₁₄、F₁₅和F₁₆；

含水率为w₂的下垫层时，厚度为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆土工膜的顶破强度依次为F₂₁、F₂₂、F₂₃、F₂₄、F₂₅和F₂₆；

含水率为w₃的下垫层时，厚度为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆土工膜的顶破强度依次为F₃₁、F₃₂、F₃₃、F₃₄、F₃₅和F₃₆；

通过观察下垫层含水率为w₁、w₂和w₃时土工膜顶破强度F_P和厚度t的关系曲线，可知，关系曲线前半段为曲线，后半段近似为直线；

步骤27，公式转换：令a＝Kwⁿ，b＝Aw+B，c＝Ce^Dw代入公式(1)中，则

F_P＝(at+c)(1-e^-bt) (2)

步骤28，中间参数a、b和c的确定：由公式(2)可知，当t趋于无穷大时，F_P＝at+c；对步骤26中获得的下垫层含水率为w₁时土工膜顶破强度F_P和厚度t的关系曲线的后半段进行线性拟合，求得下垫层含水率为w₁时参数a＝a₁，c＝c₁；对公式(2)两边同时求导，则F_P'＝b(at+c)e^-bt+a(1-e^-bt)，当t＝0时，F_P'＝bc；通过计算获得下垫层含水率为w₁时土工膜顶破强度F_P和厚度t的关系曲线在(0,0)点处的切线斜率为b₁c₁，则bc＝b₁c₁，求得下垫层含水率为w₁时参数b＝b₁；同样可获得下垫层含水率w₂时参数a＝a₂、b＝b₂和c＝c₂，下垫层含水率w₃时参数a＝a₃、b＝b₃和c＝c₃；

步骤29，未知参数K和n的确定：对表达式a＝Kwⁿ两边同时进行对数转换，可得到Log(a)与Log(w)的线性关系式：

Log(a)＝nLog(w)+Log(K) (3)

结合公式(3)，对步骤28中得到的3组数据(Log(w₁)，Log(a₁))、(Log(w₂)，Log(a₂))和(Log(w₃)，Log(a₃))进行对数转换并线性拟合，由此可确定未知参数K和n；

步骤3，未知参数A和B的确定：由表达式b＝Aw+B可知b与w呈线性关系，对步骤28中得到的3组数据(w₁，b₁)、(w₂，b₂)和(w₃，b₃)进行线性拟合，确定未知参数A和B；

步骤4，未知参数C和D的确定：对表达式c＝Ce^Dw两边同时进行对数转换，可得到Ln(c)与w的线性关系式

Ln(c)＝Dw+Ln(C) (4)

结合公式(4)，对步骤28中得到的3组数据(w₁，Ln(c₁))、(w₂，Ln(c₂))和(w₃，Ln(c₃))进行对数转换并线性拟合，确定未知参数C和D；

步骤5，实际工程土工膜顶破强度的预测：在工程现场测量土工膜的厚度t；测定下垫层的含水率w；将厚度t和下垫层含水率w代入六个未知参数已确定的公式(1)中，得出的顶破强度值即为实际工程中不同含水率下垫层时土工膜的顶破强度预测值。