多層復(fù)合襯墊界面非線性強(qiáng)度特性的斜面單剪試驗(yàn)

施建勇，錢學(xué)德，3，朱保坤

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098;3.密歇根州環(huán)境保護(hù)廳，密歇根 蘭辛 48933)

垃圾填埋場(chǎng)中垃圾體沿襯墊界面平移破壞的比例較高［1］，如圖1(a)所示。為了研究垃圾體的穩(wěn)定性，保證垃圾填埋場(chǎng)安全，需要開展襯墊界面力學(xué)特性研究。現(xiàn)有的研究以直剪試驗(yàn)為主［2-4］，扭剪和單剪試驗(yàn)也有較好的研究進(jìn)展［5-8］，還有拉拔試驗(yàn)［9-10］等方法可用于襯墊界面力學(xué)特性的研究;但上述試驗(yàn)研究的剪切面都是水平的。對(duì)于沿襯墊界面的平移破壞，滑動(dòng)面同時(shí)沿斜坡和底部襯墊;位于底部的襯墊界面，其力學(xué)特性可由剪切面是水平的研究方法獲得;位于斜坡的襯墊界面，在與界面成某一角度垂直應(yīng)力作用下發(fā)生沿襯墊層面平行方向的相對(duì)位移，如圖1(b)所示;與剪切面水平時(shí)的受力變形特點(diǎn)不同。

圖1 垃圾體沿襯墊系統(tǒng)滑動(dòng)破壞示意圖Fig.1 Sketch map of sliding failure of waste wedge on liner

為了研究位于斜坡上襯墊界面的力學(xué)特性，Muller等［11］研制了坡度1∶2.5的斜面剪切儀，用于土工復(fù)合膨潤(rùn)土襯墊(GCL)長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究。Mizyal等［12］利用斜板儀和傳統(tǒng)直剪儀對(duì)不同紋理的HDPE膜與不同性狀的砂之間的界面特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，斜板儀試驗(yàn)的壓力范圍是5～50 kPa，得到較好的試驗(yàn)結(jié)果。徐超等［13］采用直剪儀和斜板儀研究了不同粗糙程度的HDPE膜分別與砂土、土工布及土工復(fù)合材料之間的界面摩擦特性，直剪試驗(yàn)得到的界面摩擦角小于斜板試驗(yàn)結(jié)果，而直剪試驗(yàn)得到的界面黏聚力大于斜板試驗(yàn)結(jié)果。

在我國(guó)，山谷型垃圾填埋場(chǎng)占相當(dāng)大的比例，此類填埋場(chǎng)大多具有較長(zhǎng)的邊坡，填埋場(chǎng)內(nèi)的邊坡面積大于底部面積。位于斜坡的襯墊系統(tǒng)受到來自上部垃圾體的豎向壓力作用，產(chǎn)生沿斜坡方向剪切變形的趨勢(shì)?，F(xiàn)有的直剪試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)不能模擬位于斜坡上襯墊系統(tǒng)的應(yīng)力狀態(tài)，斜板儀雖然能夠模擬斜面，但無法滿足高應(yīng)力條件。本課題組設(shè)計(jì)制作了一套大型疊環(huán)式斜面剪切儀，在完成標(biāo)準(zhǔn)砂、黏土、黏土與光面土工膜斜面直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上［14］，對(duì)衛(wèi)生填埋場(chǎng)斜坡上含有多種土工合成材料的多層復(fù)合襯墊進(jìn)行加載過程中不同材料界面間的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律以及復(fù)合襯墊整體變形破壞過程的單剪試驗(yàn)進(jìn)行研究，為建立填埋場(chǎng)斜坡上多層復(fù)合襯墊的力學(xué)模型提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 大型疊環(huán)式斜面單剪儀

圖2 斜面單剪儀示意圖Fig.2 Sketch map of inclined ring simple shear apparatus

大型疊環(huán)式斜面單剪儀是在疊環(huán)式水平面單剪儀基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的，其加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有原系統(tǒng)的特性參數(shù)［7，10］。斜面單剪儀系統(tǒng)和橢圓形疊環(huán)見圖2。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大2.8 MPa的垂直加載，可模擬約200 m高垃圾填埋工程中多層復(fù)合防滲襯墊界面的剪切特性;襯墊中的各層材料或用于試驗(yàn)的土工復(fù)合膨潤(rùn)土襯墊(GCL)的土工織物用環(huán)氧膠粘貼在疊環(huán)上，保證剪切過程中柔性材料不褶皺;疊環(huán)厚度1.5 mm，小于襯墊材料的厚度，剪切過程中疊環(huán)不承受法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。斜面上應(yīng)力分析見圖3(α是剪切傾斜面的角度，N是垂直千斤頂施加的荷載，T是水平千斤頂施加的荷載，N'是支座法向反力，T'是作用于下剪切傾斜面的反力，σ是剪切界面上的法向應(yīng)力，τ是剪切界面上的剪切應(yīng)力)。通過改變?chǔ)?，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)不同坡比斜坡上襯墊的界面特性研究。剪切盒結(jié)構(gòu)見圖4，通過一組與各個(gè)疊環(huán)接觸的水平位移傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)多層復(fù)合防滲襯墊各層界面的位移監(jiān)測(cè)。本次試驗(yàn)斜面的坡度為1∶3。

2 復(fù)合襯墊剪切特性的大型疊環(huán)式斜面單剪試驗(yàn)

圖3 剪切面受力分析示意圖Fig.3 Sketch map of forces on shear surface

本次試驗(yàn)是為了研究垃圾填埋場(chǎng)斜坡上多層復(fù)合襯墊的界面剪切特性，屬于單元試驗(yàn)。用于試驗(yàn)的材料與文獻(xiàn)［10］相同，新增復(fù)合排水網(wǎng)的主要土工參數(shù)如下:網(wǎng)芯厚度為5 mm，單位面積質(zhì)量為1400 g/m2，橫向抗拉強(qiáng)度為15 kN/m，縱向抗拉強(qiáng)度為18 kN/m，法向滲透系數(shù)為0.5 cm/s，導(dǎo)水率為1.2×10-3m2/s。

本次試驗(yàn)主要針對(duì)襯墊結(jié)構(gòu):砂-無紡?fù)凉げ?土工網(wǎng)-HDPE膜-黏土，研究多層復(fù)合防滲襯墊界面剪切特性;同時(shí)分析砂-復(fù)合排水網(wǎng)-HDPE膜-黏土、砂-復(fù)合排水網(wǎng)-HDPE膜-復(fù)合排水網(wǎng)-HDPE膜-黏土復(fù)合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果。每一種結(jié)構(gòu)分6級(jí)初始垂直壓力(28 kPa，56 kPa，112 kPa，336 kPa，560 kPa，1000 kPa)進(jìn)行試驗(yàn)。選取剪切速率為0.3 mm/min，剪切位移達(dá)到21 mm后可以結(jié)束試驗(yàn)，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大剪切位移為30 mm。

圖4 斜面單剪儀剪切盒結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fig.4 Sketch map of inclined ring simple shear box(units:mm)

試驗(yàn)時(shí)，先在下剪切盒中按照控制的密實(shí)度裝好砂樣，將固定在疊環(huán)上的土工布、土工網(wǎng)、HDPE膜分別依次疊放，安裝上剪切盒，再裝入一定質(zhì)量配置好含水率的黏土，擊實(shí)到一定厚度以達(dá)到其控制密度;施加垂直力，待垂直位移傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后施加水平力，量測(cè)垂直力、水平力、下剪切盒和各界面的位移，直到試驗(yàn)結(jié)束。圖5是襯墊結(jié)構(gòu)斜面單剪試驗(yàn)的正應(yīng)力～位移曲線;低垂直壓力下的正應(yīng)力～位移曲線在約10 mm剪切位移時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折;高垂直壓力時(shí)，正應(yīng)力～位移曲線在約5 mm剪切位移時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折;轉(zhuǎn)折前后正應(yīng)力～位移曲線近似直線，但轉(zhuǎn)折前斜率大，轉(zhuǎn)折后斜率小。圖6是襯墊結(jié)構(gòu)斜面單剪試驗(yàn)的剪切應(yīng)力～位移曲線。圖6表明:(a)曲線表現(xiàn)出明顯的非線性和硬化特征。(b)剪切應(yīng)力在剪切位移小于5 mm時(shí)增加較快;剪切位移大于5 mm時(shí)剪切應(yīng)力的增加普遍變緩，但保持增加趨勢(shì)，沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

圖5 襯墊結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力～位移關(guān)系Fig.5 Normal stress vs.displacement on liner

圖6 襯墊結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力～位移關(guān)系Fig.6 Shear stress vs.displacement on liner

根據(jù)圖5和圖6，初始垂直壓力為336 kPa的試驗(yàn)中，位移7.4 mm時(shí)可以計(jì)算得到位移面轉(zhuǎn)移的法向應(yīng)力為526.0 kPa，剪切應(yīng)力為174.7 kPa，發(fā)生了破壞面轉(zhuǎn)移;在初始垂直壓力等于560 kPa時(shí)，計(jì)算得到施加水平力前界面的法向應(yīng)力為531.0 kPa，而試驗(yàn)過程中土工膜與黏土界面的位移一直大于其他界面，且是唯一的破壞界面。故可以認(rèn)為法向應(yīng)力526.0kPa是本次試驗(yàn)破壞面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力，當(dāng)界面的法向應(yīng)力小于526.0 kPa時(shí)破壞面為土工網(wǎng)與土工膜界面，當(dāng)界面的法向應(yīng)力大于526.0 kPa時(shí)破壞面為土工膜與黏土界面。

與水平面單剪試驗(yàn)結(jié)果［7，10］對(duì)比可見，斜面單剪試驗(yàn)可以通過位移～時(shí)間曲線在試驗(yàn)過程中直接發(fā)現(xiàn)破壞面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，且能夠計(jì)算出破壞界面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力點(diǎn);水平面單剪試驗(yàn)?zāi)馨l(fā)現(xiàn)破壞面轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，但只能得到破壞界面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力范圍，臨界法向應(yīng)力需要逐步逼近，無法直接確定出破壞界面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力。

由于多層復(fù)合襯墊剪切時(shí)隨法向應(yīng)力增加可能會(huì)發(fā)生破壞面轉(zhuǎn)移，在法向應(yīng)力較低時(shí)破壞面會(huì)發(fā)生在土工網(wǎng)和土工膜界面，法向應(yīng)力較高時(shí)破壞面會(huì)發(fā)生在黏土和土工膜界面，不同的材料界面會(huì)有不同的強(qiáng)度參數(shù)，故在破壞面發(fā)生轉(zhuǎn)移前后，剪切強(qiáng)度包線是不同的。破壞面轉(zhuǎn)移前后的界面強(qiáng)度包線可表示為

式中:τf——界面剪切強(qiáng)度;c1，c2——破壞界面1和破壞界面2的黏聚力;σn——界面的法向應(yīng)力;σnc——破壞面發(fā)生轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力;φ1，φ2——破壞界面1和破壞界面2的摩擦角。

不同破壞面強(qiáng)度參數(shù)列于表1。

表1 不同破壞面強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Strength parameters on different fai lure surfaces

表1結(jié)果表明:土工網(wǎng)-光面膜界面的強(qiáng)度參數(shù)取c1=0.0 kPa，φ1=11°～13°能夠保證工程安全;復(fù)合排水網(wǎng)-光面膜界面的強(qiáng)度參數(shù)取c1=0.0 kPa，φ1=13°～15°是可行的。由于黏土-光面膜界面的破壞是在較高法向應(yīng)力下發(fā)生的，得到的黏聚力較高;通常情況下界面剪切試驗(yàn)法向壓力小于500 kPa［4-5，8］，得到的黏聚力較低，建議在破壞面發(fā)生轉(zhuǎn)移后黏土-光面膜界面的黏聚力取c2=(3～5)c1，黏土-光面膜界面的摩擦角φ2可取低法向壓力下的試驗(yàn)結(jié)果;關(guān)于σnc的取值還沒有規(guī)律可循，建議通過相應(yīng)的試驗(yàn)獲取。文獻(xiàn)［8］測(cè)到的σnc=629 kPa，本文前述試驗(yàn)確定的σnc=526.0 kPa。

破壞界面常與土工膜相關(guān)，為此進(jìn)行了黏土、黏土-土工膜、土工網(wǎng)-土工膜界面斜面剪切試驗(yàn);在法向應(yīng)力較低時(shí)，剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加的幅度較快;在法向應(yīng)力較高時(shí)，剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加的幅度較慢，剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力曲線有趨于水平的特征。雙曲線法是計(jì)算界面剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線的方法之一［18-19］。

式中:a——剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力曲線初始切線斜率;b——剪切強(qiáng)度漸近值。

相關(guān)文獻(xiàn)資料整理得到的a和b見表2。表2中a和b數(shù)值沒有明顯的規(guī)律。黏土-光面土工膜的a值可取0.5，土工網(wǎng)-光面土工膜的a值略高，即在法向應(yīng)力較低時(shí)剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加快于黏土-光面土工膜;b是剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力曲線的漸近值，沒有統(tǒng)一的取值范圍，應(yīng)由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算確定。

表2 土工膜界面剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力雙曲線參數(shù)Table 2 Hyperbolic parameters of shear strength vs.normal stress on geomembrane interface

3 結(jié) 論

a.研制的大型疊環(huán)斜面單剪系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)填埋深度約200 m、位于垃圾填埋場(chǎng)不同坡比斜坡上多層復(fù)合襯墊結(jié)構(gòu)的剪切特性研究，試驗(yàn)過程中能監(jiān)測(cè)各層界面的位移，為分析多層復(fù)合襯墊剪切特性提供新的試驗(yàn)研究方法，且在確定破壞面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力上有其他儀器不具備的便捷性，試驗(yàn)結(jié)果更合理。

b.在砂-土工布-土工網(wǎng)-HDPE膜-黏土復(fù)合襯墊結(jié)構(gòu)的大型斜面單剪試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始垂直壓力小于某一值時(shí)，土工網(wǎng)與土工膜界面為多層復(fù)合襯墊破壞界面;當(dāng)初始垂直壓力大于某一值時(shí)，剪切過程中發(fā)生了破壞界面由土工網(wǎng)與土工膜界面轉(zhuǎn)移到土工膜與黏土的界面的現(xiàn)象;當(dāng)初始垂直壓力更大時(shí)，土工膜與黏土界面的位移明顯大于其他界面，并一直增加到土工膜與黏土界面破壞。

c.在某一初始垂直壓力下，由剪切過程中發(fā)生破壞面轉(zhuǎn)移的位移對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力可以計(jì)算得到位移面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力。當(dāng)界面的法向應(yīng)力小于臨界法向應(yīng)力時(shí)，破壞面為土工網(wǎng)與土工膜界面;當(dāng)界面的法向應(yīng)力大于臨界法向應(yīng)力時(shí)，破壞面為土工膜與黏土界面;臨界法向應(yīng)力的結(jié)論被更大初始垂直壓力下的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。

d.斜面單剪試驗(yàn)得到的界面剪切特性參數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)資料的結(jié)果有一定的可比性，建議破壞面轉(zhuǎn)移前后的界面強(qiáng)度用不同的強(qiáng)度包線來表示，破壞面轉(zhuǎn)移的臨界法向應(yīng)力由試驗(yàn)確定;土工膜與相鄰材料的剪切強(qiáng)度特性可用雙曲線表示。

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