摘要：土工膜是一种由高分子材料制成的新型工程防渗材料。具有防水性能好、施工速度快、成本低等特点。它已广泛应用于水利、环境和岩土工程领域。试验结果表明，土工膜的渗透性很低，在完整条件下可以达到非常理想的防渗效果。由于土工膜厚度较薄，其抗机械变形能力较弱，一旦出现损坏，就会出现缺陷渗漏，可能会危害工程安全。实际工程中使用的防渗土工膜，一般需要在土工膜的两侧设置垫层（保护层），并使用粒状材料，如砂、砂卵石等，对土工膜的力学性能和现在及两侧的垫层、颗粒、混凝土的接触特性进行研究，或者通过水力顶升等作用，土工膜发生局部变形，可以从细观层面上看似拉伸变形。因此，在工程设计中必须考虑土工膜的局部变形及其抗拉力破坏能力。无论是普通的筑坝工程还是填埋工程，土工膜由于受拉、破顶、刺穿、膨胀造成的局部变形和过度破坏都是不可避免的。因此，有必要开展相关试验，研究土工膜在缺陷或损伤情况下的拉伸性能，为合理的防渗设计中审查土工膜的力学性能提供必要的理论参考。

关键词：缺陷和损坏;土工膜。拉伸性能;测试;分析研究

1试验材料和试验计划

根据《土工合成材料试验规程SL235-2012》（以下简称《规程》），土工合成材料拉伸试验的试样形状为哑铃形，有效拉伸区宽度仅为6mm。由于尺寸较小，不适合在样品上设置缺陷或损坏。因此，在有缺陷和损坏的土工膜拉伸试验中，样品制备按照上述规范中的窄样条法进行，即使用200mm×50mm的矩形样品。其中土工膜有效拉伸面积尺寸为100mm×50mm，两端夹钳长50mm。根据《规定》要求，按梯形取样法对整卷土工膜进行切割，并将接近整卷土工膜边缘（不小于100mm）、严重弯曲、不均匀和明显缺陷或损伤的部分清除，并制作了一系列完整的上述尺寸的土工膜样品。第二，在这些样品的中心使用专用工具制造不同形式的缺陷或损坏。缺陷形式包括圆孔、横向裂缝、垂直裂缝和与拉伸方向成45°角的斜裂缝，贯穿土工膜的整个厚度;损伤采用横向和斜向切口，切口深度小于土工膜厚度。裂缝深度与膜厚之比定义为损伤深度比。对于缺陷样品，损伤深度比为100%。

2测试结果和分析

2.1缺陷形式的影响

方案1主要研究了不同类型的缺陷对土工膜拉伸性能的影响。缺陷形式包括横缝、斜缝、竖缝和圆孔，缺陷尺寸为15mm。通过拉伸试验，得到了土工膜拉伸力与伸长率的关系曲线（试样宽度50mm）。为了提高试验数据分析的可靠性，选择了三种不同厚度的土工膜样品进行平行对照试验。

根据拉伸试验曲线，可以得到缺陷几何体的屈服拉伸强度（简称拉伸强度）以及相应的伸长率和断裂伸长率，其中屈服拉伸强度是拉伸曲线中的峰值张力与50mm样品宽度的比值，与峰值张力点对应的伸长率是屈服伸长率，称为伸长率。

无论是完整样品还是缺陷样品，拉伸曲线都有明显的峰值。当拉伸力超过峰值点时，具有多个缺陷（圆孔、横缝和斜缝）的试样继续拉伸。除了垂直缝试样，其他缺陷（圆孔、横向缝和斜缝）的缺陷在拉伸过程中继续扩展，导致拉伸力显著降低，直到试样断裂。然而，对于完整和缺陷样品，拉伸力在超过峰值后略有下降，并出现平缓的过渡直线段。试样断裂前，拉伸力再次增加，直至断裂，断裂伸长率大于500%。由于垂直接头的拉伸方向相同，带有垂直接头的缺陷试样的拉伸性能与完整试样的拉伸性能接近。在拉伸过程中，圆孔缺陷逐渐扩展为椭圆，由于有效截面的减小，椭圆两侧出现拉伸断裂。与狭缝缺陷试样相比，圆孔缺陷试样的拉伸力在峰值后下降更慢，断裂伸长率更大。对于有横向裂纹和斜向裂纹的试样，变形集中在缺陷附近，裂纹端应力集中，加速了试样的撕裂，断裂伸长率低于有圆孔的试样。横向裂缝缺陷试样的抗拉强度一般小于倾斜裂缝，峰值后抗拉强度下降稍快，因为垂直于拉伸方向的横向裂缝的有效尺寸大于倾斜裂缝的有效尺寸。

各种土工膜试件的抗拉强度均随膜厚的增加而显著增加，近似呈线性关系。除垂直裂纹试样的抗拉强度几乎接近完整试样外，斜裂纹、圆孔和横向裂纹试样的抗拉强度均有不同程度的降低，最大降低38.00%。随着薄膜厚度的增加，断裂伸长率降低。与完整土工膜相比，各种缺陷试样的断裂伸长率显著降低，且小于72%（成品试样的断裂伸长率大于500%），其中横向断裂试样的断裂伸长率降低最为显著。可以看出，土工膜一旦出现缺陷，其断裂伸长率将显著降低，即破坏前的拉伸变形将大大降低。

2.2损伤深度比的影响

在完整的样品中，分别制作了横向切口和斜切口，切口长度为10mm，损伤深度比分别设置为25%、50%、75%和100%（方案2），其中100%的损伤深度比意味着样品的穿透，即第2.1节中的横向裂纹和斜裂纹缺陷。由于空间限制，未逐一给出受损试样的拉伸曲线。土工膜试件的抗拉强度和断裂伸长率随损伤深度比的增加而降低。对于损伤深度比为25%的斜切口试样，损伤部位在拉伸过程中有一定的膨胀变形，但损伤不会发展为穿透性狭缝缺陷。拉伸曲线的形状接近于完整试样的形状，因此其拉伸强度和断裂伸长率略小于完整试样的拉伸强度和断裂伸长率。而对于损伤深度比分别为50%和75%的斜缺口试样，缺口在拉伸过程中有明显的膨胀变形，最终发展为裂缝缺陷。试件的拉伸特性与有裂缝缺陷的土工膜相似，拉伸强度明显降低。在损伤深度比为25%时，三种横向切口土工膜的断裂伸长率显著低于倾斜切口土工膜，而在损伤深度比为50%、75%和100%时，两者之间的差异很小。

2.3切口长度的影响

对于厚度损伤深度比为50%的三种土工膜样品，分别设置长度为5mm、10mm和15mm的横向和倾斜缺口，以测试缺口长度对土工膜拉伸性能的影响（方案3）。缺口长度越长，拉伸强度和断裂伸长率越小。以横向缺口为例，当缺口长度为5mm、10mm和15mm时，1.0mm厚土工膜的抗拉强度分别比完整试样降低2.86%、4.76%和7.62%，1.5mm厚土工膜的抗拉强度分别降低7.68%、11.95%和17.82%。2.0mm土工膜的抗拉强度分别降低了11.13%、14.19%和13.39%。此外，在三种切口长度下，横向切口土工膜的抗拉强度均小于斜切口土工膜的抗拉强度。可以看出，垂直于拉伸方向的横向缺口损伤对土工膜拉伸强度的降低有较大影响。

3结论

（1） 除垂直裂纹缺陷外，缺陷和损伤试样的初始拉伸曲线均接近峰值前的完整试样。超过峰值后，拉伸力显著降低，直至试样断裂，相应的断裂伸长率显著降低。一般而言，缺陷和损伤试样的拉伸曲线与完整试样的拉伸曲线存在显著差异，这主要反映在拉伸强度和断裂伸长率的降低上。由于垂直接缝平行于拉伸方向，其拉伸曲线与完整试样的拉伸曲线大致相同，缺陷对土工膜拉伸特性的影响基本可以忽略。

（2） 除垂直裂纹外，圆孔、横向裂纹和斜裂纹等缺陷在拉伸过程中逐渐扩展，有效拉伸截面不断减小。最后，样品在缺陷两侧附近断裂。由于横向和斜向试样的裂纹端存在明显的应力集中，拉伸强度和断裂伸长率下降更为明显。相比之下，圆孔缺陷样品的断裂伸长率稍大。由此可见，实际的土工膜防渗工程为土工膜安全计量，尽量避免出现垂直拉伸方向的裂缝缺陷。

（3） 随着损伤深度比的增加，土工膜的抗拉强度和断裂伸长率降低，横向切口的降低比斜切口的降低更明显。土工膜的抗拉强度和断裂伸长率随切口长度的增加而降低。因此，在实际工程中，应尽可能保护土工膜（如使用复合土工膜），使土工膜少划伤损伤，以免降低拉伸力学性能。

参考文献

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