[发明专利]土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法

权利要求书

1.一种土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量装置包括立柱，所述立柱上固定有非等轴椭圆夹具(1)，所述非等轴椭圆夹具(1)包括可拆卸连接的上夹片和下夹片，所述下夹片中心开设有气孔，所述气孔通过气管连接气压加载和反馈控制装置，所述气压加载和反馈控制装置包括气压泵(9-2)和气压控制反馈器(9-1)，所述气压泵(9-2)和气压控制反馈器(9-1)电连接；所述上夹片和下夹片之间放置有土工膜试样(2)，所述土工膜试样(2)中心设有标记图形，所述非等轴椭圆夹具(1)上方通过支架(3)固定有位移计(4)和第一摄像头(6)，所述位移计的探针(5)头部与所述土工膜试样(2)中心标记图形对应相同，所述标记图形为正四边形，所述位移计的探针头部为与标记图形相同的正四边形金属片；土工膜试样的长轴和短轴对应的位置设置有第二摄像头(8)和第三摄像头(7)，所述位移计(4)、第一摄像头(6)、第二摄像头(8)和第三摄像头(7)均与数据记录与处理装置信号连接，其特征在于，所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，包括以下步骤：

(1)将土工膜试样(2)通过非等轴椭圆夹具(1)固定，下夹片中心的气孔通过气管与气压加载和反馈控制装置中的气压泵(9-1)连接；

(2)移动支架的位置，使得位移计的探针(5)头部的金属片与土工膜试样标记图形相互重合；

(3)气压加载与反馈控制装置对土工膜试样缓慢加载气压，并根据位移计(4)记录的土工膜试样中心点升高的速率来控制气压的加载速率，气压加载速率应使得试样中心点升高的速率不大于2mm/min，第一摄像头记录标记四边形四个顶点在水平面上的位置变化轨迹，第二摄像头(8)记录垂直长轴方向上标记四边形两个顶点在垂直长轴的平面上的位置变化轨迹，第三摄像头(7)记录垂直短轴方向上标记四边形两个顶点在垂直短轴的平面上的位置变化轨迹，位移计(4)记录试样中心点的鼓起高度，上述数据均通过数据线传输到数据记录与处理装置；

(4)数据记录与处理装置根据对试样标记四边形顶点轨迹得出试样标记四边形在外力作用下在空间中运动所掠过的体积，并绘制出该体积随气压变化的过程线图，根据过程线图得到气压对试样标记四边形所做的功，将气压做功的能量转化为试样标记四边形形变后所产生的应变能，建立试样标记四边形的应变能与气压做功相等的能量守恒方程；

(5)根据试样在某个气压下试样标记四边形的双向应力与气压压力平衡的关系建立双向应力与气压压力的力平衡方程，联立步骤(4)中的能量守恒方程和双向应力与气压压力的力平衡方程确定双向应力。

2.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述上夹片为空心椭圆环，下夹片为实心椭圆片。

3.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述数据记录与处理装置由计算机(10-2)和数据记录模块(10-1)构成。

4.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：

将试验过程中的气压过程分解成若干端，每段气压增量为ΔP，设某一段起始气压为P，增加ΔP后，气压升为P+ΔP，根据体积随气压变化的过程线图，计算出该段过程线与横坐标轴围成的面积，该值即为该段过程气压所做的功ΔW，根据能量守恒定律该部分气压做功完全转化为标记四边形的应变能的增量，可得下式

其中，L_a为标记四边形初始边长，T为膜的初始厚度，Δσ_x和Δσ_y分别为试样非等轴双向应力的在气压增量ΔP下的应力增量，ΔL_x和ΔL_y分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上边长的变化量。

5.根据权利要求1所述的土工膜非等轴气胀试验双向不等应力测量方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：

根据力平衡方程在P+ΔP的时刻，σ_x+Δσ_x和σ_y+Δσ_y在竖直z轴方向上与气压P+ΔP平衡，可得双向应力与气压压力的力平衡方程，如下：

其中，气压为P时刻的应力σx和σ_y，曲率半径R_x和R_y，标记四边形的长短轴方向的边长L_x和Ly，以及ΔP已知的情况下，联立步骤(4)中的能量守恒方程和双向应力与气压压力的力平衡方程，求解出Δσ_x和Δσ_y，进而求出σ_x+Δσ_x和σ_y+Δσ_y，ΔR_x和ΔR_y分别为该段气压增量ΔP下试样标记四边形两个方向上曲率半径的变化量。