堆石壩防滲土工膜界面力學(xué)特性的直剪試驗方法探索

陳 丹，王 軍，夏姝珺

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院責(zé)任有限公司，南京 210006；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210006)

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堆石壩防滲土工膜界面力學(xué)特性的直剪試驗方法探索

陳 丹1，王 軍2，夏姝珺1

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院責(zé)任有限公司，南京 210006；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210006)

堆石壩的土工膜與面板聯(lián)合防滲結(jié)構(gòu)中，土工膜與相接觸的墊層材料之間的界面力學(xué)特性是關(guān)系壩體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。首先介紹了傳統(tǒng)的土工膜界面力學(xué)特性直剪試驗設(shè)備、試驗原理及方法，并指出其在界面接觸摩擦真實應(yīng)力計算過程中的不足之處；然后，對傳統(tǒng)的試驗設(shè)備進行了改進，并對比分析了多種不同工況條件下2種試驗設(shè)備的測試結(jié)果；最后，通過理論推導(dǎo)給出了傳統(tǒng)試驗測試方法中土工膜與界面之間真實剪切應(yīng)力的修正計算公式，并進行了試驗驗證。結(jié)果表明：新的土工膜接觸剪切應(yīng)力計算公式，能夠在不改變傳統(tǒng)試驗測試方法的基礎(chǔ)上，給出土工膜界面剪切作用下的真實應(yīng)力結(jié)果。

堆石壩；土工膜；界面力學(xué)特性；直剪試驗；剪切應(yīng)力

1 研究背景

自20世紀(jì)80年代以來，土工膜由于具有防滲性能好、適應(yīng)變形能力強、施工便利、造價低廉等一系列優(yōu)點，在國內(nèi)外眾多的水利工程尤其是堆石壩防滲工程中開始得到廣泛的推崇[1]。面板堆石壩與土工膜聯(lián)合防滲這種新型的防滲方式，不僅充分利用堆石壩的穩(wěn)定性能好、設(shè)計斷面小、施工導(dǎo)流便利等優(yōu)點，而且充分繼承了土工膜的一系列優(yōu)點[2-3]。

然而，在堆石壩工程運用過程中發(fā)現(xiàn)，土工膜在壩基和岸坡等局部錨固部位由于受到壩體傳遞的荷載作用，導(dǎo)致土工膜與其下部的墊層材料之間發(fā)生界面剪切錯動位移，這種錯動位移帶動土工膜產(chǎn)生張拉變形，從而導(dǎo)致土工膜“夾具效應(yīng)”的產(chǎn)生乃至發(fā)生破壞[4-6]；而土工膜的完整性往往是決定工程成敗的核心要素，其局部的破壞極有可能導(dǎo)致壩體發(fā)生滲漏乃至破壞[7-9]。因此，很有必要從根源上針對堆石壩面土工膜防滲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機理進行深入的研究，以探究土工膜及其接觸墊層之間發(fā)生剪切位移時土工膜的力學(xué)特性。

2 試驗設(shè)備及試驗原理

2.1 傳統(tǒng)的土工膜直剪試驗設(shè)備

為了探究土工膜及其接觸墊層材料之間的力學(xué)特性，筆者利用傳統(tǒng)的土工膜直剪試驗測試系統(tǒng)對土工膜在界面剪切作用下的力學(xué)特性進行了分析，該測試系統(tǒng)主要由土工膜的剪切系統(tǒng)、豎向應(yīng)力施加系統(tǒng)、剪切位移施加系統(tǒng)以及力和位移采集系統(tǒng)4個部分組成。其中，土工膜剪切系統(tǒng)由上下2個剪切盒組成，上部剪切盒內(nèi)放置混凝土面板材料，下部剪切盒中放置無砂混凝土墊層材料，二者中間放置土工膜以此模擬工程中土工膜的真實布設(shè)方式。

此外，應(yīng)力施加系統(tǒng)通過底板向混凝土面板施加豎向應(yīng)力σz，剪切位移施加系統(tǒng)用以使土工膜及其墊層材料之間產(chǎn)生剪切位移，采集系統(tǒng)用于記錄土工膜與墊層材料之間的剪切力F及剪切位移u。

傳統(tǒng)的土工膜直剪試驗設(shè)備的試驗原理及其試驗過程示意圖如圖1所示。當(dāng)土工膜與墊層材料之間產(chǎn)生剪切位移u時，通過采集的數(shù)據(jù)可以得到對應(yīng)時刻土工膜中的豎向應(yīng)力σz及膜表面的剪切應(yīng)力τ的值，即：

(1)

(2)

式中：G為土工膜受到的豎向荷載；A0為土工膜剪切面的面積；F為土工膜與墊層材料之間的剪切力。由此可以得到不同豎向應(yīng)力σz作用下土工膜的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線τ-u。

圖1 傳統(tǒng)的土工膜直剪試驗示意圖Fig.1 Sketch of direct shear test for traditional geomembrane

這種傳統(tǒng)的土工膜直剪試驗測試系統(tǒng)，能夠較好地模擬土工膜在不同豎向水頭作用下土工膜的界面剪切力學(xué)特性。但是，該試驗設(shè)備在試驗數(shù)據(jù)處理過程中，假定土工膜在界面剪切過程中接觸表面的面積A0始終保持不變，而實際的剪切過程中土工膜與無砂混凝土墊層材料之間的接觸表面的面積是逐漸減小的(如圖1所示)，這使得數(shù)據(jù)處理得到的土工膜中剪應(yīng)力τ的值比膜表面的真實剪應(yīng)力值偏小，進而低估了土工膜在工程運用過程中的受力情況，不利于指導(dǎo)工程設(shè)計。

2.2 改進的土工膜直剪試驗設(shè)備

為了真實地反映土工膜在工程應(yīng)用過程中的剪切力學(xué)特性，筆者對傳統(tǒng)的土工膜直剪試驗測試系統(tǒng)進行了修正與改進。

改進后的試驗設(shè)備如圖2所示，增加了土工膜直剪儀下部剪切盒的長度，這一改變彌補了傳統(tǒng)試驗設(shè)備中下部剪切長度過短，導(dǎo)致土工膜接觸面面積逐漸減小的不足，能夠保證整個試驗過程中土工膜與墊層材料之間的接觸面積保持不變，進而通過理論公式可以計算得出土工膜的真實剪切應(yīng)力τt為

(3)

由式(3)可以得到土工膜在不同豎向應(yīng)力σz作用下的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線τt-u。

圖2 改進后土工膜直剪試驗示意圖Fig.2 Sketch of direct shear test for modified geomembrane

2.3 試驗結(jié)果對比分析

為了很好地驗證改進前后的土工膜直剪試驗設(shè)備對土工膜剪切力學(xué)特性測試結(jié)果的差異性，筆者利用這2種試驗設(shè)備對工程中常用的HDPE復(fù)合土工膜進行了試驗測試。試驗時，上部剪切盒均放置一塊混凝土面板并在底部錨固土工膜，下部剪切盒均放置無砂混凝土墊層。試驗過程中，通過砝碼分別施加25，50，75，100 kPa 4種不同的豎向應(yīng)力，并固定上部剪切盒且保持下部剪切盒的剪切速率為1 mm/min恒定不變。通過各種不同工況下的試驗數(shù)據(jù)處理分析，可以得到土工膜在傳統(tǒng)直剪儀和改進直剪儀中的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，如圖3所示。為了便于區(qū)分，在此定義傳統(tǒng)直剪儀測得的剪應(yīng)力值為名義剪切應(yīng)力，改進直剪儀測得的剪應(yīng)力為真實剪切應(yīng)力。

圖3 不同豎向應(yīng)力作用下τ-u及τt-u關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves of τ-u and τt-u under different vertical stress

由圖3可知，在單一工況條件下，HDPE復(fù)合土工膜無砂混凝土之間的τ-u曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特性，且伴隨著剪切位移的增長,剪切應(yīng)力的增速逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。就不同工況而言，在相同的剪切位移條件下，土工膜上部面板受到的豎向應(yīng)力值越大，其對應(yīng)的土工膜與墊層材料之間的剪切應(yīng)力值越大，最終達(dá)到的峰值也越大。就名義應(yīng)力值與真實應(yīng)力值而言，相同的豎向應(yīng)力條件下傳統(tǒng)的直剪儀測得的名義應(yīng)力值比改進后的直剪儀測得的真實應(yīng)力值明顯偏低，這是由于傳統(tǒng)的試驗設(shè)備在試驗過程中土工膜與墊層的材料的接觸面積A0逐漸減小，而在數(shù)據(jù)處理過程中并未考慮其變化所導(dǎo)致的結(jié)果。

3 傳統(tǒng)剪切應(yīng)力計算公式的修正及其驗證

3.1 傳統(tǒng)剪切應(yīng)力計算公式的修正

由試驗數(shù)據(jù)對比分析可知，傳統(tǒng)直剪儀的測試結(jié)果由于未考慮土工膜接觸面積的變化，進而明顯低估了土工膜的真實剪切應(yīng)力狀態(tài)，不利于指導(dǎo)工程實際，因此在工程應(yīng)用中很有必要采用剪切應(yīng)力的真實值作為指導(dǎo)。而國內(nèi)大部分科研機構(gòu)仍然采用傳統(tǒng)的試驗設(shè)備進行土工膜與墊層材料之間的剪切力學(xué)特性測試，但是通過改裝試驗設(shè)備等方法實現(xiàn)真實剪切應(yīng)力的測試顯然很不現(xiàn)實，因此亟需對傳統(tǒng)試驗方法中土工膜剪切應(yīng)力的計算方法進行修正，進而可以在不改變傳統(tǒng)試驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過修正公式得到土工膜與相應(yīng)的墊層材料之間的真實剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。

假定土工膜表面的剪切力為Ft，土工膜與墊層材料之間的初始接觸面積為A0，真實接觸面積為At，則由式(2)及式(3)計算可得土工膜與墊層材料直剪此刻的剪切應(yīng)力名義值及真實值，分別為

名義應(yīng)力：

τ=Ft/A0。

(4)

真實應(yīng)力：

τt=Ft/At。

(5)

其中：

式中：B為土工膜與墊層直剪的接觸面寬度；l0為初始狀態(tài)時接觸面的真實長度；lt為對應(yīng)時刻接觸面的長度。則當(dāng)剪切位移為u時，接觸面的長度lt=l0-u，將A0，At的表達(dá)式分別代入式(4)及式(5)整理并聯(lián)立可得

(6)

由式(6)推導(dǎo)出在任意時刻土工膜與墊層之間的剪切應(yīng)力計算的修正公式，即

(7)

則由傳統(tǒng)直剪儀測量得到的名義剪切應(yīng)力值代入修正公式(7)，即可得到土工膜在界面剪切作用下的剪切真實應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。

3.2 試驗驗證

為了驗證所得到的傳統(tǒng)試驗測試方法中土工膜真實剪切應(yīng)力計算修正公式的有效性，筆者利用傳統(tǒng)的土工膜直剪儀對HDPE復(fù)合土工膜進行了豎向應(yīng)力為125 kPa時的界面試驗，并利用修正公式(7)對試驗測試結(jié)果進行了修正，然后與改進后的試驗設(shè)備在同種工況下的測試結(jié)果進行了對比分析，如圖4所示。

圖4 豎向荷載125 kPa時真實應(yīng)力理論值與試驗值對比Fig.4 Comparison between theoretical value and test value for real shear stress at vertical load of 125 kPa

由圖4可以看出，通過剪切應(yīng)力計算修正公式推導(dǎo)得到土工膜界面剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線與試驗測試結(jié)果規(guī)律一致且基本吻合，進一步證明了傳統(tǒng)試驗測試方法中該修正公式所處理的結(jié)果的正確性與有效性。

4 結(jié) 語

本文針對堆石壩面土工膜在應(yīng)用過程中出現(xiàn)夾具效應(yīng)乃至破壞的結(jié)構(gòu)機理進行了探究，并借助土工膜直剪試驗設(shè)備對其界面力學(xué)特性進行了研究。首先，筆者對傳統(tǒng)的土工膜直剪儀的試驗原理做了詳細(xì)的說明，并指出了其在數(shù)據(jù)處理中的不足之處；然后，針對傳統(tǒng)試驗設(shè)備中存在不足進行了改進，并對比分析了2種不同的試驗設(shè)備的測試結(jié)果，結(jié)果表明傳統(tǒng)設(shè)備測得的土工膜的名義剪切應(yīng)力值比改進設(shè)備測得的真實剪切應(yīng)力值偏低；最后，借助相關(guān)理論推導(dǎo)給出了傳統(tǒng)試驗測試方法中土工膜真實剪切應(yīng)力的修正公式，并通過試驗驗證了這一理論關(guān)系的正確性。

結(jié)果表明：改進后的試驗方法不僅指出了土工膜名義剪切應(yīng)力與真實剪切應(yīng)力之間的差異性，而且在此基礎(chǔ)上所提出的修正公式，使得在不改變傳統(tǒng)試驗設(shè)備的基礎(chǔ)上測試土工膜的真實剪切應(yīng)力得以實現(xiàn)。

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(編輯：黃 玲)

Exploration to Test Method of Direct Shear for Mechanical Propertiesof Geomembrane Contact Interface in Rockfill Dam

CHEN Dan1，WANG Jun2，XIA Shu-jun1

(1.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co., Ltd.，Nanjing 210006，China； 2.Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Limited Company，Nanjing 210006，China)

In the rockfill dam’s united anti-seepage system, the mechanical properties of the interface between geomembrane and cushion material have important influence on the stability of the dam. Firstly，we introduce the test equipment, test principle and method of geomembrane’s interface mechanical properties, and point out the deficiency in the process of calculating the real stress of its contact friction at the interface. Then, the traditional test equipment is modified, and a comparative analysis of results by the two test equipments was conducted under different working conditions. Finally, the real shear stress of geomembrane in the traditional test method is modified through the theoretical derivation, which has been verified by the test experiment. The verification result shows that the shear stress formula can really describe the mechanical properties of the interface between geomembrane and cushion material under shear force.

rockfill dam；geomembrane；mechanical properties of the interface；direct shear test；shear stress

2014-07-21；

2014-09-22

陳 丹(1983-)，女，江蘇靖江人，工程師，主要從事水工、港口航道等設(shè)計工作，(電話)13913830159(電子信箱)34810764@qq.com。

10.11988/ckyyb.20140604

2016,33(01):130-133

TV223.4

A

1001-5485(2016)01-0130-04