土工膜/GCL界面多級(jí)加荷剪切性能的試驗(yàn)研究

徐天杰，劉斌云,1b，李維朝，蔡 紅

(1.北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院； b.北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100037)

土工膜/GCL界面多級(jí)加荷剪切性能的試驗(yàn)研究

徐天杰1a，劉斌云1a,1b，李維朝2，蔡 紅2

(1.北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院； b.北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100037)

土工膜作為一種防滲材料已廣泛應(yīng)用于工程和環(huán)保領(lǐng)域，但在施工鋪設(shè)過(guò)程中的損傷會(huì)降低其抗剪強(qiáng)度。利用大型直剪儀進(jìn)行土工膜(GM)與膨潤(rùn)土防水毯(GCL)界面多級(jí)加荷剪切與直接剪切試驗(yàn),探究加載對(duì)土工膜抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：多級(jí)加荷剪切峰值強(qiáng)度較小于直接剪切峰值強(qiáng)度，2種剪切方式界面均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性；正應(yīng)力為7.1～52.1 kPa時(shí)，多級(jí)加荷剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度分別與直接剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均較為接近；大正應(yīng)力下的重復(fù)剪切對(duì)土工膜損傷有較大影響，當(dāng)正應(yīng)力大于102.1 kPa，多級(jí)加荷剪切峰值摩擦角降低了7.05°，殘余摩擦角降低了3.09°。

土工膜；GCL；多級(jí)加荷；剪切強(qiáng)度；應(yīng)變軟化

1 研究背景

現(xiàn)在的衛(wèi)生填埋場(chǎng)越建越大，一旦失穩(wěn)，不僅會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。復(fù)合襯墊系統(tǒng)作為現(xiàn)代填埋場(chǎng)的重要組成部分，一般由土工復(fù)合排水網(wǎng)、土工膜(GM)、膨潤(rùn)土防水毯(GCL)、壓實(shí)黏土等材料組成，可以起到很好的防滲作用。但由于復(fù)合襯墊系統(tǒng)分層組成，各層材料界面之間的剪切強(qiáng)度較弱，容易導(dǎo)致填埋場(chǎng)沿襯墊系統(tǒng)平移而產(chǎn)生破壞[1-4]。因此研究以土工合成材料為主要組成的復(fù)合襯墊系統(tǒng)界面剪切特性，對(duì)于分析填埋場(chǎng)穩(wěn)定性具有重要的工程意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[5-9]對(duì)土工膜/GCL界面特性進(jìn)行了大量的直剪試驗(yàn)研究，分析了正應(yīng)力大小、剪切速率、材料性質(zhì)、尺寸大小、邊界條件、試驗(yàn)條件等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。但是在實(shí)際工程中，土工膜的鋪設(shè)很容易受到施工機(jī)械和其他工具的刮擦，破損處會(huì)得到修補(bǔ)，擦痕損傷往往被忽視，而鋪設(shè)過(guò)程中擦痕損傷幾乎是難免的。

本文是在現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)大型直剪儀，進(jìn)行土工膜與GCL多級(jí)加荷剪切與直接剪切之間的摩擦特性試驗(yàn)研究，比較多級(jí)加荷剪切與直接剪切之間的結(jié)果，得到一些有價(jià)值的結(jié)論。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用到土工合成材料為：①由加拿大索瑪國(guó)際土工材料有限公司生產(chǎn)的雙糙面2.0 mm HDPE土工膜，加糙方式為噴著法；②GCL是有無(wú)紡?fù)凉た椢?單位面積質(zhì)量105 g/m2)與有紡?fù)凉た椢?單位面積質(zhì)量200 g/m2)之間夾封鈉基膨潤(rùn)土顆粒(單位面積質(zhì)量4 500 g/m2)通過(guò)針刺縫合而成，由泰安宏源土工材料有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用大型直剪儀，該儀器由Geocomp公司制造，主要用于土工合成材料之間界面和土體本身的剪切試驗(yàn)以及土工合成材料/土體間的剪切試驗(yàn)，其剖面圖如圖1所示。

圖1 大型直剪儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shear apparatus

圖1中，上剪切盒尺寸為305 mm×305 mm×100 mm。下剪切盒可放置剛性鋼板以用來(lái)支撐土工合成材料。同時(shí)為保持在剪切過(guò)程中界面接觸面積的恒定，下剪切盒沿剪切方向比上剪切盒長(zhǎng)100 mm。豎向壓力和豎向位移可由垂直傳感器量測(cè)，剪切應(yīng)力和水平位移由水平傳感器量測(cè)。所有的數(shù)據(jù)均可在儀器控制面板實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過(guò)儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電腦上顯示以及存儲(chǔ)。剪切動(dòng)力裝置帶有微步馬達(dá)，可以保持儀器頻率穩(wěn)定,滿足試驗(yàn)的精度要求。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟主要參照土工合成材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(ASTM) D5321規(guī)范，并結(jié)合具體大型直剪儀的操作規(guī)程進(jìn)行。土工膜沿儀器剪切方向切成500 mm×350 mm長(zhǎng)方形，通過(guò)下剪切盒錨固系統(tǒng)固定于下剪切盒上。GCL切成350 mm×305 mm的長(zhǎng)方形，通過(guò)上剪切盒錨固系統(tǒng)固定于上剪切盒上。

每組試驗(yàn)的豎向正應(yīng)力一般選7.1～402.1 kPa。先施加豎向正應(yīng)力使砂樣固結(jié)，固結(jié)完成后剪切。為了避免剪切過(guò)程中土工合成材料界面與剪切盒產(chǎn)生摩擦而影響試驗(yàn)結(jié)果，剪切開(kāi)始前開(kāi)縫。試驗(yàn)的剪切速率保持在3 mm/min。最大剪切位移70 mm。試驗(yàn)結(jié)束后，觀測(cè)并記錄土工膜界面損傷情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

土工膜/GCL界面直接剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖2所示。

由圖2(a)可知，各曲線出現(xiàn)了峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，有明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。剪應(yīng)力-剪切位移曲線大致分3個(gè)階段：①在剪切位移0～2 mm內(nèi)，剪應(yīng)力隨著剪切位移增加而迅速增加，基本上成線性關(guān)系；②隨著剪切位移的增大，剪應(yīng)力增速變緩直至峰值出現(xiàn)；③隨著剪切位移的繼續(xù)增大，剪應(yīng)力逐漸降低，直至出現(xiàn)殘余強(qiáng)度。當(dāng)剪切位移在60 mm左右時(shí)，不同正應(yīng)力下的剪應(yīng)力都已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

由圖2(b)可知，土工膜/GCL界面多級(jí)加荷界面。應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律與土工膜/GCL界面直接剪切較為相似，有明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，出現(xiàn)峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度。當(dāng)剪切位移在50 mm時(shí)，剪應(yīng)力減小幅度基本穩(wěn)定。

(b) 多級(jí)加荷剪切

3.2 剪切強(qiáng)度

土工膜/GCL界面多級(jí)加荷剪切與直接剪切的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度破壞包線如圖3所示。強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

圖3 土工膜/GCL界面強(qiáng)度破壞包線Fig.3 Strength envelopes of GM/GCL interface

表1 土工膜/GCL界面強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Shear strength parameters of GM/GCLinterface

圖4 土工膜/GCL界面殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度比值Fig.4 Ratio of residual strength to peak shear strength for GM/GCL interface

由圖3可知，直接剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度破壞包線成良好的線性關(guān)系。峰值摩擦角為21.09°，殘余摩擦角為13.64°，殘余強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度的63%～74%(圖4)。多級(jí)加荷剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度破壞包線則形成雙線性關(guān)系，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在正應(yīng)力為102.1 kPa時(shí)。當(dāng)正應(yīng)力為7.1～102.1 kPa時(shí)，峰值摩擦角為18.68°，與直接剪切峰值摩擦角差值為2.41°；殘余強(qiáng)度摩擦角為13.73°,與直接剪切殘余摩擦角差值僅為0.09°。當(dāng)正應(yīng)力為102.1～402.1 kPa時(shí)，峰值摩擦角為14.04°，與直接剪切峰值摩擦角相差7.04°，殘余強(qiáng)度摩擦角為10.58°，與直接剪切殘余強(qiáng)度摩擦角相差3.06°。殘余強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度的71%～ 73%。隨著正應(yīng)力的增大，不論是峰值摩擦角還是殘余摩擦角都開(kāi)始減小，這是由于正應(yīng)力的增大以及反復(fù)剪切的重復(fù)作用，已經(jīng)對(duì)土工膜表面造成很大損傷。

圖5 土工膜/GCL界面峰值強(qiáng)度比值和殘余強(qiáng)度比值Fig.5 Ratio of peak strength and ratio of residual strength for GM/GCL interface

3.3 土工膜重復(fù)剪切的影響

在正應(yīng)力7.1～52.1 kPa范圍內(nèi)，土工膜/GCL界面多級(jí)加荷剪切峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度和直接剪切基本接近，二者峰值強(qiáng)度之比在94%以上，殘余強(qiáng)度之比在95%以上,見(jiàn)圖5。在正應(yīng)力102.1～202.1 kPa范圍內(nèi)，二者峰值強(qiáng)度差值和殘余強(qiáng)度差值隨著正應(yīng)力的增大而逐漸增大。這是因?yàn)樵谛≌龖?yīng)力下，土工膜表面損傷較小，對(duì)土工膜/GCL界面強(qiáng)度的影響較小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)小正應(yīng)力剪切作用下的土工膜依然有使用價(jià)值；隨著正應(yīng)力的增大，重復(fù)剪切作用使土工膜表面損傷加劇，對(duì)土工膜/GCL界面的強(qiáng)度影響隨之變大。

4 結(jié) 論

(1) 多級(jí)加荷剪切峰值強(qiáng)度較直接剪切峰值強(qiáng)度小，但二者殘余強(qiáng)度較為接近，土工膜/GCL界面都表現(xiàn)出明顯應(yīng)變軟化特性。

(2) 直接剪切殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度比值在63%～74%范圍內(nèi)。多級(jí)加荷剪切殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度比值在71%～73%范圍內(nèi)。

(3) 在正應(yīng)力為7.1～52.1 kPa，多級(jí)加荷剪切與直接剪切峰值摩擦角差值為2.41°，殘余摩擦角差值僅為0.06°，二者峰值強(qiáng)度比值在94%以上，殘余強(qiáng)度比值在95%以上，說(shuō)明在小正應(yīng)力作用下剪切過(guò)的土工膜仍然具有使用價(jià)值。

(4) 多級(jí)加荷剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度破壞包線成雙線性關(guān)系，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在正應(yīng)力為102.1 kPa時(shí)。隨著正應(yīng)力的增大，重復(fù)剪切造成土工膜/GCL界面峰值摩擦角降低了7.04°，殘余摩擦角降低了3.06°。可見(jiàn)在工程鋪設(shè)中要盡量減少土工膜與其他儀器、材料之間摩擦，才能保障土工膜/GCL界面強(qiáng)度滿足填埋場(chǎng)的穩(wěn)定要求。

[1] 錢學(xué)德,郭志平. 填埋場(chǎng)復(fù)合襯墊系統(tǒng)[J]. 水利水電科技進(jìn)展,1997,17(5): 64-68. (QIAN Xue-de, GUO Zhi-ping. Landfill Lining System[J]. Advances in Water Science, 1997, 17(5): 64-68. (in Chinese))

[2] KOERNER R M, SOONG T Y. Stability Assessment of Ten large Landfill Failures [C]//Proceedings of Sessions of GeoDenver：Advances in Transportation and Geoenvironmental Systems Using Geosynthetics. Denver: ASCE Geotechnical Special Publication, August 5-8, 2000: 1-38.

[3] 錢學(xué)德,施建勇,劉 慧,等.垃圾填埋場(chǎng)多層復(fù)合襯墊的破壞面特征[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(6):840-845. (QIAN Xue-de，SHI Jian-yong，LIU Hui，etal. Failure Interface Behavior of Multilayer Landfill Liner System[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011, 33(6):840-845.(in Chinese))

[4] 包承綱. 關(guān)于環(huán)境巖土工程的若干問(wèn)題[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2003, 20(3): 32-34. (BAO Cheng-gang. Some Problems on Geoenvironmental Engineering[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20(3): 32-34.(in Chinese) )

[5] JONES D R V, DIXON N. Shear Strength Properties of Geomembrane/Geotextile Interfaces[J]. Geotextiles and Geomembranes, 1998,16(1):45-71.

[6] TRIPLETT E J,FOX P J.Shear Strength of HDPE Geomembrane/Geosynthetic Clay Liner Interfaces[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering, ASCE, 2001，127(6): 543-552.

[7] BERGADO D T, RAMANA G V. Evaluation of Interface Shear Strength of Composite Liner System and Stability Analysis for a Landfill Lining System in Thailand[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2006, 24(6):371-393.

[8] VUKELIC A，SZAVITS-NOSSAN A，KVASNICKA P．The Influence of Bentonite Extrusion on Shear Strength of GCL/Geomembrane Interface[J]. Geotextiles and Geomembranes，2008，26(1): 82-90.

[9] 張宏偉,林偉岸,詹良通,等. 土工膜/GCL界面剪切強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2013,(2):123-130. (ZHANG Hong-wei, LIN Wei-an，ZHAN Liang-tong，etal. Experiment Study on Shear Strength of GM/GCL Interface[J]. China Civil Engineering Journal, 2013, (2):123-130.(in Chinese))

(編輯：黃 玲)

長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所獲得一項(xiàng)實(shí)用新型專利

2015年7月8日，長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所研發(fā)的“一種具有人工比測(cè)功能的多通道復(fù)用信號(hào)自動(dòng)采集裝置”獲得中華人民共和國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實(shí)用新型專利證書(shū)。

該裝置通過(guò)多通道復(fù)用及嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)同一裝置自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、傳輸及人工比測(cè)多路不同類型傳感器信號(hào)，解決工程監(jiān)測(cè)設(shè)備采集形式單一、通道數(shù)較少、智能化程度低的問(wèn)題，具有可靠性高、功能強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)。

(摘自：長(zhǎng)江水利科技網(wǎng))

Shear Properties of GM/GCL Interface under Multilevel Loading

XU Tian-jie1，LIU Bin-yun1,2，LI Wei-chao3，CAI Hong3

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China;2.Beijing Key Lab of Water Quality Science and Water Environmental Restoration, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China; 3.Department of Geotechnical Engineering，China Institute of Water Resources and Hydropower,Beijing 100037,China)

As an impermeable material, geomembrane (GM) has been widely used in engineering and environmental fields, but the damage during construction will reduce its shear strength. In view of this we conducted multilevel loading and direct shear tests on GM/GCL (geosynthetic clay liner) interfaces using a large size direct shear apparatus. Results show that the peak shear strength under multilevel loading is much lower than that under direct shear, and obvious strain softening of the interface occurs under both shear modes; the peak shear strength and residual strength under multilevel loading are close to those under direct shear when the normal stress is from 7.1 to 52.1kPa; repeated shearing under large normal stress has great damage on geomembrane which leads to a loss of 7.05 ° in terms of peak friction angle and 3.09 ° in terms of residual friction angle when the normal stress is greater than 102.1kPa under multilevel loading.

geomembrane; GCL; multilevel loading；shear strength；strain softening

2014-03-12；

2014-04-21

徐天杰(1988-),男，河南周口人，碩士研究生，主要從事地下防滲材料方面的研究，(電話)15138913103(電子信箱)chinaxtj@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.011

TU411

A

1001-5485(2015)08-0061-04

2015,32(08):61-64