[發明專利]具有感測功能的土工合成材料及其制備和使用方法

有效

• 申請號: 201180071627.0
• 申請日: 2011-07-12
• 公開（公告）號: CN103718014A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 基亞努什·哈特米;布萊恩·格雷迪
• 申請（專利權）人: 俄克拉何馬大學董事會
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 臧建明

關于聯邦資助的研究或開發聲明

不適用。

相關申請的交叉參引

本申請是2009年1月16日提交的美國序列號為12/354,828的部分繼續申請，該申請的全部內容通過引用納入本文。

技術領域

本發明涉及用于構造土工合成結構（geosynthetic?structure）（即涉及土工合成材料的巖土結構（geotechnical?structure））的具有感測功能的（sensor-enabled）土工合成材料，及制備所述具有感測功能的土工合成材料的方法。另外，具有感測功能的土工合成材料的機械應變可以無需常規儀器而進行測量或監測。

背景技術

土工合成材料是專門制造的在土木工程及環境工程中有廣泛應用的聚合物基產品，所述土木及環境工程包括土壤的穩固和加強，分離和過濾，排水和封閉（containment）。土工合成技術的出現和發展對土木工程的設計和施工有顯著影響。巖土工程的數量越來越多，包括應用土工合成材料作為當代環境問題的解決方案，經證實在基礎設施的施工和改造方面具有優勢，包括：施工的難易和速度、在難以進入的位置施工、在靜態和地震荷載條件下的卓越性能、更低的成本、降低的結構尺寸及由此提供的更大的可用空間、美觀的外觀，和與環境的融合。在一些情況下（如危險垃圾和城市垃圾填埋中的土工膜），土工合成材料的使用是由法律強制規定的。

在過去的幾十年里，土工合成工程及相關制造業和建筑業經歷了巨大的增長，現已是成熟的技術，在美國和世界各地涉及數十億美元的項目。同時，由于與土工合成有關的結構及設施變得無處不在，因此重要的是，通過健康監測和及時的措施來防止由于場所狀況、材料性能和行為、施工操作、環境效應和負載條件的不確定性導致的結構性能不足所引起的災難性故障和昂貴的維修費用，來確保這些結構不僅是安全的，而且能提供令人滿意的可用水平。當這些結構支撐城市地區和交通沿線的關鍵基礎設施時或保護環境免于有害廢物、燃料泄漏或其他污染物時，尤其如此。基礎設施的儀器和健康監測的重要性日益被認識到，以應對這些挑戰和不確定性，從而確保項目相對于其安全性和成本而言是成功的。對于土工合成結構而言，健康監測的一個重要方面是監測土工合成材料在使用壽命和/或極端（如地震）事件中的應變。

土工合成材料已成為基礎設施發展和企業更新中不可或缺的一部分。遺憾的是，可持續發展的一個重要方面，即，它們的儀器和健康監測受到的關注較少，產生的后果代價高昂。在土工合成結構性能監測中的一個顯著的困境是由于這樣的事實，即儀器（如應變計）的安裝通常繁瑣且昂貴，后果卻無法預知。目前對不同的土工合成結構的設計方針主要依據經驗和傳統（如極限平衡）方法，沒有對重要因素（如峰值應變（peak?strain））的影響和土工合成材料在土壤中的性質進行適當評估和深入了解。結果，過于保守的設計過程和減少的因素通常會影響土工合成材料的強度，從而引起有關其耐用性和蠕變性方面的問題。這使得在許多情況下這些結構的成本遠大于所需，背離了（counter）它們固有的成本效益。可從可靠的健康監測系統明顯受益的其他重要應用包括垃圾填埋場，使得能遠在發生泄漏之前（在使用情況下或例如在地震事件之后），檢測土工膜在它們的溝槽錨、蓋或其他位置處（如埋在幾百英尺下的廢物的土工膜內）是否存在過度應力。目前的技術僅涉及泄漏檢測系統，該系統只能檢測更前期的階段的問題。類似的益處可以在污水池及其他土壤穩固、封閉和存儲應用中的土工合成管、土工合成平臺中實現。

此外，目前，用于測量土工合成材料的應變的現有技術需要復雜昂貴的數據采集系統。用于土工合成材料儀器的現有技術主要是需要將應變計和拉伸計附著至土工合成材料，所述土工合成材料是在它們的隔離測試中針對偏離十字頭位移的平均應變來校準。然而，這些校準因素由于至少三個下述重要原因而無法真正應用于嵌在土壤中的土工合成層：1）由于圍壓和互鎖作用，與土工合成材料的隔離值相比，土工合成材料土壤中的機械性能（如拉伸模量）不同，2）并發狀況，如由于機械干擾以及應變計與其接合組件（例如，粘合劑和保護套）和局部土壤的相互作用而產生的土拱（soil?arching），3）接合組件的未知的局部剛化效應。這些因素在現場應用中在測量土工合成材料的應變時可能引起明顯誤差。將隔離校準因素應用于在土壤中讀出讀取數據可能導致對強化應變和軸向負荷的估計明顯過低，可能對穩定性和性能產生影響。最近的研究包括對在土工合成材料強化中用以評估整體應變的主題的討論，所述主題例如應變計的校準、局部應變與整體應變、由于附著技術和矯正因素而產生的對應變的漏登(under-registration)。