南水北調(diào)中線工程土工合成材料摩擦特性試驗(yàn)分析

田淑娟

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

南水北調(diào)中線工程土工合成材料摩擦特性試驗(yàn)分析

田淑娟

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

南水北調(diào)中線工程渠道襯砌結(jié)構(gòu)由混凝土板、復(fù)合土工膜、水泥砂漿、聚苯乙烯保溫板等多種材料組成。渠道設(shè)計(jì)中為了計(jì)算渠道邊坡的穩(wěn)定性，通過室內(nèi)摩擦試驗(yàn)、模擬現(xiàn)場試驗(yàn)測得了不同保溫材料與基土、水泥砂漿（預(yù)制、現(xiàn)澆兩種）、復(fù)合土工膜、混凝土之間等摩擦特性參數(shù)。對土工合成材料性能及其與基土、砂漿、混凝土之間的摩擦特性試驗(yàn)方法進(jìn)行了簡述，并對其摩擦特性試驗(yàn)成果進(jìn)行匯總、分析。結(jié)果表明，通過室內(nèi)摩擦試驗(yàn)測得的土工合成材料與各類基土和砂漿之間的摩擦特性指標(biāo)可供渠道邊坡設(shè)計(jì)參考使用。

南水北調(diào)中線工程；保溫材料；復(fù)合土工膜；基土；水泥砂漿；混凝土；摩擦特性參數(shù)

南水北調(diào)中線工程總干渠沿線渠道設(shè)計(jì)中混凝土襯砌防基土凍脹破壞，成為工程中非常關(guān)鍵的問題。采取保溫防凍襯砌結(jié)構(gòu)，是極其有效的設(shè)計(jì)方案之一。為了保證渠道邊坡的穩(wěn)定，要求擬采用的土工合成材料與渠道邊坡的基土、混凝土、水泥砂漿等之間滿足一定的摩擦力。為滿足渠道穩(wěn)定分析的需要，通過室內(nèi)摩擦試驗(yàn)、模擬現(xiàn)場試驗(yàn)測得了不同保溫材料與各類基土、水泥砂漿、復(fù)合土工膜、混凝土在不同組合條件下的摩擦系數(shù)及粘聚力，并對其試驗(yàn)成果進(jìn)行了分析。

1 主要物理性能

1.1 復(fù)合土工膜

復(fù)合土工膜是將土工膜和土工織物復(fù)合在一起的產(chǎn)品。工廠制造時(shí)可以有兩種方法：一是將織物和膜共同壓成；二是可在織物上涂抹聚合物以形成2層、3層、5層的復(fù)合土工膜。

復(fù)合土工膜有許多優(yōu)點(diǎn)：①以織造型土工織物復(fù)合，可以對土工膜加筋，保護(hù)膜不受運(yùn)輸或施工期間的外力損壞；②以非織造型織物復(fù)合，不僅對膜提供加筋和保護(hù)，還可起到排水排氣的作用，同時(shí)提高膜面的摩擦系數(shù)，在水利工程和交通隧洞工程中有廣泛的應(yīng)用。

本次試驗(yàn)采用的復(fù)合土工膜，單位面積質(zhì)量為600g/m2。

1.2 聚苯乙烯保溫板

又稱泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物為原料，加入發(fā)泡劑制成的。它的主要特點(diǎn)是質(zhì)量極輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率小，但也有一定抗壓強(qiáng)度。其單位體積質(zhì)量18.0～40.0kg/m3，為砂和混凝土的1/100～1/50，屬超輕型材料；導(dǎo)熱系數(shù)（λp）在0.03～0.038kcal／mH·℃之間，吸水率為0.10g/100cm3。其導(dǎo)熱系數(shù)低，故在寒冷地帶，可用該材料板塊防止結(jié)構(gòu)物凍害等。由于該材料是新型材料，目前在國內(nèi)水利工程中還沒有應(yīng)用的實(shí)例，與其他材料之間的摩擦性能資料參考。

1.3 基土

根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠土的分布情況，本次摩擦特性共取4類，分別為黃土狀壤土、壤土、砂壤土和中砂，其物理性質(zhì)見表1。

表1 基土的物理性質(zhì)指標(biāo)

2 摩擦特性試驗(yàn)方法及試樣制備

為取得不同材料之間的摩擦特性參數(shù)，擬采用兩種試驗(yàn)方案。

2.1 室內(nèi)摩擦試驗(yàn)

摩擦試驗(yàn)使用的儀器DSJ-4型等應(yīng)變直剪儀，采用自然快剪方法（剪切速率0.6mm/min）取得各種材料之間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)各類粘性土在南水北調(diào)中線總干渠渠段上干密度變化范圍，結(jié)合施工填筑密度綜合確定制樣密度。

黃土狀壤土和壤土試樣的干密度1.65g/cm3；砂壤土試樣的干密度1.68g/cm3；中細(xì)砂按其自然堆積密度制樣；砂漿試塊按灰、砂比為1∶2進(jìn)行配置，試塊養(yǎng)護(hù)28d。試樣面積30cm2。

采用4種方案組合進(jìn)行室內(nèi)摩擦試驗(yàn)：①光面普通保溫板（30kg/m3）與基土、砂漿、復(fù)合土工膜之間摩擦；②糙面普通保溫板（30kg/m3）與基土之間摩擦；③糙面普通保溫板（19.36kg/m3）與基土、砂漿（預(yù)制、現(xiàn)澆）、復(fù)合土工膜之間摩擦；④預(yù)制砂漿與復(fù)合土工膜之間摩擦。

2.2 模擬現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)按3種組合制備成500mm×500mm× 100mm的試塊，利用試塊本身的自重，觀測在不同坡比情況下各種材料間的滑動情況。其坡比分別為1∶3，1∶2.5，1∶2，1∶1.5，1∶1，5個等級。

模具下部采用多層板，為防止底部變形，加龍骨進(jìn)行支撐。混凝土配比采用水泥∶砂∶骨料（按試驗(yàn)要求采用二級配）為1∶3∶3。砂漿配比采用水泥∶砂為1∶4，先將保溫板固定在木制試驗(yàn)臺上，然后根據(jù)不同組合（混凝土與保溫板；混凝土、復(fù)合土工膜與保溫板；混凝土、復(fù)合土工膜、水泥砂漿與保溫板）分別進(jìn)行砂漿抹面（厚30mm）、鋪設(shè)復(fù)合土工膜和現(xiàn)澆混凝土（厚100mm），每種組合制作3個試塊，試塊養(yǎng)護(hù)28d后，進(jìn)行各種組合材料的不同坡比條件下的模擬現(xiàn)場試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果整理與分析

3.1 室內(nèi)摩擦試驗(yàn)成果

按上述4種組合將21組摩擦試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總于表2。

由表2可知，4類土與保溫板之間摩擦系數(shù)，在天然狀態(tài)下隨顆粒的變粗而增大。

尹斌[9]、王海燕[10]在玉米上的研究發(fā)現(xiàn)，隨耕作方式的增加，增產(chǎn)效果越明顯，并表現(xiàn)在粒重的差異上，且在吐絲后36 d內(nèi)深松處理的灌漿速率顯著。本研究結(jié)果表明，深松45 cm的灌漿速率明顯高于深松30 cm、淺旋耕15 cm；灌漿速率在30 000株/hm2時(shí)最快，45 000株/hm2次之，60 000株/hm2時(shí)最慢，且外緣籽粒灌漿速率明顯高于中部籽粒和內(nèi)部籽粒。徐云姬等[11]在玉米的研究發(fā)現(xiàn)，最終粒重表現(xiàn)為果穗上部籽粒最高，中部籽粒次之，下部籽粒最低。這與本研究中的外緣籽粒＞中部籽粒＞內(nèi)部籽粒相一致。

4類土、水泥砂漿、復(fù)合土工膜與保溫板之間的摩擦系數(shù)隨保溫板的密度增大而增大。

表2 室內(nèi)摩擦試驗(yàn)成果匯總

現(xiàn)澆水泥砂漿與保溫板之間的摩擦系數(shù)比預(yù)制水泥砂漿與保溫板之間的摩擦系數(shù)大。其原因是水泥砂漿在與保溫板現(xiàn)澆的過程中，接觸面間有一定的粘結(jié)力。

預(yù)制水泥砂漿與復(fù)合土工膜之間摩擦系數(shù)大于保溫板與復(fù)合土工膜之間的摩擦系數(shù)。

3.2 模擬現(xiàn)場試驗(yàn)成果

本試驗(yàn)按3種主組合、6種亞組合將21組試驗(yàn)成果匯總于表3。

表3 模擬現(xiàn)場試驗(yàn)成果匯總

3.2.1 預(yù)制混凝土與保溫板組合

混凝土為光面的4組試驗(yàn)均在坡比為1∶1.09的情況下產(chǎn)生滑動。而混凝土為糙面的4組試驗(yàn)滑動坡比為1∶0.88。該結(jié)果表明混凝土的粗糙度直接影響滑動坡比，即混凝土表面越糙，滑動坡比越大。

3.2.2 混凝土、復(fù)合土工膜與保溫板組合

由于采用了不同密度的保溫板，滑動時(shí)坡比有所不同：保溫板密度為19.36kg/m3時(shí)，滑動坡比為1∶0.70；保溫板密度為18.11kg/m3時(shí)，滑動坡比為1∶1.33。該試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種組合方式均隨著保溫板密度及表面糙率的增大，滑動坡比也隨之增大。

上部預(yù)制混凝土與復(fù)合土工膜成一體，試驗(yàn)時(shí)再與保溫板組合：采用不同密度的保溫板，滑動時(shí)的坡比有所不同。

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著保溫板密度及表面糙率的增大，滑動時(shí)的坡比也隨之增大。

上部預(yù)制混凝土與中部復(fù)合土工膜和下部保溫板分體組合：當(dāng)坡比為1∶0.85時(shí)，混凝土與復(fù)合土工膜產(chǎn)生滑動。表明復(fù)合土工膜與保溫板的摩擦系數(shù)大于復(fù)合土工膜與預(yù)制混凝土的摩擦系數(shù)。

3.2.3 上部混凝土、中部復(fù)合土工膜和水泥砂漿與下部保溫板組合

該種組合方式進(jìn)行3組試驗(yàn)，在坡比為1∶1的情況下均未發(fā)生滑動。試驗(yàn)結(jié)果表明：現(xiàn)澆的混凝土、復(fù)合土工膜、水泥砂漿與保溫板的整體組合中，各種材料之間有一定的粘結(jié)力，在一定的坡比條件下不會滑動。

4 結(jié)語

（1）通過室內(nèi)摩擦試驗(yàn)測得的土工合成材料與各類基土和砂漿之間的摩擦特性指標(biāo)可供渠道邊坡設(shè)計(jì)參考。

（2）模擬試驗(yàn)表明隨著保溫板密度及表面糙率的增大，材料之間滑動坡比也隨之增大。

（3）模擬試驗(yàn)組數(shù)較少，觀測時(shí)間受到限制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的局限性。為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性，在條件允許的情況下，建議選取幾個試驗(yàn)段進(jìn)行長時(shí)間觀測的現(xiàn)場試驗(yàn)，以使試驗(yàn)參數(shù)更加符合實(shí)際情況。

（4）本次試驗(yàn)中，密度為19.36kg/m3的保溫板在100kPa壓力下，壓縮量為10%；在200kPa壓力下，壓縮量達(dá)30%。密度為30.00kg/m3的保溫板在100kPa壓力下，壓縮量為5%；在200kPa壓力下，壓縮量達(dá)20%。

建議在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮在渠道水位反復(fù)變化時(shí)，由于保溫板的壓縮和復(fù)原性，對其上部剛性混凝土接縫所產(chǎn)生的影響。

（5）在南水北調(diào)渠道設(shè)計(jì)中，復(fù)合土工膜與保溫板采用綜合摩擦系數(shù)：對于1∶2邊坡，要求不小于0.55；對于1∶2.5邊坡，要求不小于0.44。本次模擬現(xiàn)場試驗(yàn)測得復(fù)合土工膜與保溫板之間最小摩擦系數(shù)為0.75，具有一定的安全系數(shù)，可滿足渠道設(shè)計(jì)要求。

［1］本書編委會.土工合成材料工程應(yīng)用手冊（第二版）［K］.北京：中國建筑出版社，2000.

［2］SL237—1999，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］JGJ98—2000，J65—2000，砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［4］JGJ55—2000，J64—2000，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［5］GB50290—98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

Experimental Analysis of Frictional Characteristics of Geosynthetics in the Channel Design of South-north Water Transfer

TIAN Shu-juan
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Channel lining structure of South-North water transfer is made up of concrete board，composite geomembrane，cement mortar，polystyrene insulation board and etc.For calculating the stability of channel slope，the friction coefficients of various heat insulator with from basic soil，cement mortar（cast on the site or precast），composite geomembrane to concrete are tested.The paper sketches performance of geosynthetics and experimental ways of frictional characteristics between it and basic soil，cement mortar&concrete，collects and analyzes experimental results of frictional characteristics.The results of indoor frictional experiment indicate that the frictional characteristics index on geosynthetics and various basic soil& mortar can be for reference of channel slope design.

South-North water transfer；heat insulator；composite geomembrane；basic soil；cement mortar；concrete；frictional characteristics parameter

TV41

A

1672-9900（2012）02-0058-03

2011-11-07

田淑娟（1965-），女（漢族），天津薊縣人，高級工程師，主要從事工程、水文地質(zhì)工作，（Tel）022-26154669。