復(fù)合土工膜砂礫料界面摩擦特性研究

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(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

土工膜作為工程防滲處理的一種主要材料[1]，在土石壩的防滲中已廣泛使用。土石壩的土工膜(光面土工膜和復(fù)合土工膜)防滲型式一般分為土工膜防滲斜墻和土工膜防滲心墻2種類型[2]。防滲斜墻是將土工膜鋪設(shè)在大壩的上游面；防滲心墻是將土工膜鋪設(shè)在大壩的中央，作為心墻防滲體使用。當土工膜防滲體位于壩體中央，作為心墻防滲體使用時，對壩坡穩(wěn)定性沒有影響；當土工膜防滲體鋪設(shè)在大壩的上游面，作為防滲斜墻時，對壩坡的穩(wěn)定性將有非常大的影響。采用光面土工膜時，用中粗砂作為其墊層，而當使用復(fù)合土工膜時，可將其直接鋪設(shè)在粗粒料上。在校核壩坡土工膜防滲體的抗滑穩(wěn)定性時，關(guān)鍵是確定土工膜與壩體墊層料之間的界面摩擦參數(shù)，為抗滑穩(wěn)定分析提供必要的參數(shù)。

界面摩擦參數(shù)通常由拉拔試驗和直剪試驗確定?，F(xiàn)有的試驗研究多集中在砂土與土工織物接觸面的摩擦參數(shù)，對于粒徑更大的砂礫料構(gòu)成的接觸面研究較少[3-4]。本文利用Geocomp大型土工合成材料直剪儀(Shear Trac-Ⅱ)開展了砂礫料與土工膜界面直剪摩擦試驗研究，討論了砂礫料級配以及相對密度對界面摩擦特性的影響。最后分析了土工膜與剪切下盒基座間的固定方式對界面摩擦參數(shù)的影響。

1 試驗材料

界面摩擦直剪試驗所用界面摩擦材料為400 g/1.0 mm HDPE/400 g規(guī)格的復(fù)合土工膜。室內(nèi)試驗測得其厚度為2.28 mm，質(zhì)量為468 g/m2；縱向拉伸強度為5.74 kN/m，縱向延伸率為70.71%；橫向拉伸強度為5.81 kN/m，模向延伸率為95.49%。填料利用2種典型的砂礫料M1與M2模擬現(xiàn)場工況，其級配如表1所示。礫石料M1相對密度控制為0.70，礫石料M2相對密度分別控制為0.70和0.75。

2 試驗設(shè)備及方法

考慮到砂礫石墊層顆粒尺寸較大，采用常規(guī)直剪試驗方法將存在較大的尺寸效應(yīng)，本次試驗采用美國Geocomp公司生產(chǎn)的大型土-土工合成材料直剪儀(Shear Trac-Ⅱ)進行試驗，如圖1所示，試樣尺寸為305 mm×305 mm，試樣高度為100 mm。

表1 直剪摩擦試驗?zāi)M砂礫料的材料粒徑組成

圖1 大型土-土工合成材料直剪儀(Shear Trac-Ⅱ)

根據(jù)最新的中華人民共和國水利行業(yè)標準SL235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》，界面直剪摩擦試驗的界面正應(yīng)力分別選取50，100，150，200 kPa，直剪試驗采用應(yīng)變控制方式，水平位移速率選取為0.5 mm/min。試驗過程中采用2種方法固定土工膜與剪切下盒基座：一種是將土工膜底面與基座表面用環(huán)氧樹脂整體粘結(jié)為一體；另一種是利用剛性肋條將土工膜端部壓緊固定在基座上。

表2 砂礫料與復(fù)合土工膜直剪摩擦試驗成果

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 土工膜與粗粒料的界面摩擦特性

3.1.1 土工膜與基座整體粘結(jié)

圖2 土工膜與基座整體粘結(jié)下砂礫料與復(fù)合土工膜界面直剪摩擦試驗曲線

利用直剪儀試驗得到的界面摩擦特性可以表示為σ-τ曲線的形式，直線斜率即為界面摩擦角的正切值tanφ，在縱坐標軸上的截距就是界面黏聚力c。圖2(a)至圖2(f)分別為復(fù)合土工膜(與基座整體粘結(jié))與M1砂礫料(相對密度0.70)、M2砂礫料(相對密度分別為0.70，0.75)的直剪摩擦試驗曲線，包括剪應(yīng)力-水平位移曲線和剪應(yīng)力-正應(yīng)力曲線。試驗界面的峰值強度在剪應(yīng)力-水平位移曲線中非常明顯，當水平位移為40 mm附近時，表現(xiàn)為峰值強度。對試驗數(shù)據(jù)點進行線性回歸即可得到剪應(yīng)力-正應(yīng)力曲線，回歸效果較好。由回歸曲線可知：復(fù)合土工膜與M1砂礫石界面摩擦角為22°，界面黏聚力為24.5 kPa。復(fù)合土工膜與相對密度分別為0.70，0.75的M2砂礫石界面摩擦角為30.1°，30.9°，界面黏聚力分別為21.5，24.5 kPa。

砂礫樣M1，M2在不同干密度下的界面摩擦性狀匯總于表2。試驗結(jié)果表明：砂礫料與復(fù)合土工膜的摩擦因數(shù)范圍為0.404～0.593。且相對密度一定時，粗顆粒含量越高，則摩擦因數(shù)越大；在相同級配條件下，相對密度越高，摩擦因子越大。

3.1.2 土工膜橫肋壓緊固定

圖3 土工膜橫肋壓緊固定下砂礫料與復(fù)合土工膜界面直剪摩擦試驗曲線

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為復(fù)合土工膜(剪切端橫肋壓緊固定)與M1砂礫料(相對密度為0.70)、M2砂礫料(相對密度分別為0.70，0.75)的直剪摩擦試驗剪應(yīng)力-正應(yīng)力回歸曲線。由回歸曲線可知：復(fù)合土工膜與M1砂礫石界面摩擦角為11.8°，界面黏聚力為8.0 kPa。復(fù)合土工膜與相對密度分別為0.70，0.75的M2砂礫石界面摩擦角為13.0°，14.3°，界面黏聚力分別為12.4，1.9 kPa。粗顆粒含量和相對密度越高，摩擦因子越大。

3.2 土工膜固定方式討論

目前各種規(guī)程或規(guī)范對直剪摩擦試驗的要求并不統(tǒng)一，《土工合成材料測試規(guī)程》SL/T235—1999中試樣固定于木質(zhì)下盒基座，然而該規(guī)范并未詳細說明試樣的具體固定方式?！豆饭こ掏凉ず铣刹牧显囼炓?guī)程》中規(guī)定基座可以為土質(zhì)基座、硬木質(zhì)基座、表面粒度為P80的氧化鋁標準摩擦基座或者其他剛性基座。試樣前端夾持在剪切區(qū)的前面。試樣與基座之間用膠粘合。美國ASTM D5321—08在“土工合成材料夾具”一節(jié)中指出，夾具應(yīng)能保持土工合成材料在剪切過程中是平整的，應(yīng)使得夾持時不應(yīng)損壞試樣，基座材料的選擇應(yīng)充分模擬現(xiàn)場工況，使得試驗具有精確性和可重復(fù)性。目前對最合適基座材質(zhì)選擇的研究工作還在進行中。通過分別開展端部錨固以及整體粘結(jié)在基座上的直剪摩擦試驗，得到的界面摩擦角(參見圖2、圖3)相差可達86%～131%。

因此，建議室內(nèi)直剪摩擦試驗應(yīng)根據(jù)實際工況來選擇基座材料及其與土工膜的固定方式。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，筆者認為采用較大摩擦因數(shù)的摩擦基座或者采用與基座整體粘結(jié)的方式得到的界面摩擦角比端部錨固得到的界面摩擦角更為合理。

4 結(jié) 論

通過開展砂礫料與土工膜界面直剪摩擦試驗研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 相對密度一定時，粗顆粒含量越高，摩擦因數(shù)越大；相同級配條件下，相對密度越大，摩擦因數(shù)越大。

(2) 分別采用端部固定、整體粘結(jié)在基座上的直剪摩擦試驗得到的界面摩擦角相差達86%～131%。室內(nèi)直剪摩擦試驗應(yīng)根據(jù)實際工況來選擇基座材料以及其與土工膜的固定方式。

參考文獻：

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