高密度聚乙烯土工膜與固體廢物界面接觸強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

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(1. 中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081； 2. 南京水利科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210029； 3. 東南大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 211102)

高密度聚乙烯(HDPE)土工膜是一種強(qiáng)度較高的防水阻隔型材料，具有較好的耐低溫、抗腐蝕性能[1]，經(jīng)常被作為防滲材料應(yīng)用于生活垃圾、工業(yè)固體廢物填埋等防滲工程。 HDPE土工膜與土樣直接剪切的摩擦特性是工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性必須考慮的因素。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2-3]的要求，堆存第Ⅱ類一般工業(yè)固廢及危險廢物的渣場均需進(jìn)行防滲，防滲結(jié)構(gòu)一般采用HDPE土工膜或含HDPE土工膜的復(fù)合材料。

HDPE土工膜作為一種韌性材料， 雙面與固體廢物、 黏土、 混凝土或砂層接觸， 且絕大部分HDPE土工膜鋪設(shè)于邊坡上。 在庫存填料沉降變形的影響下， HDPE土工膜本身多處于拉剪狀態(tài)。 如何采取措施保證土工膜在運(yùn)行過程中不被拉壞和不發(fā)生沿土工膜的滑動， 是山谷型固廢渣場要考慮的重要問題。 目前， 國內(nèi)外對于HDPE土工膜與各種固體廢棄物界面接觸強(qiáng)度的試驗(yàn)研究主要有直接剪切、 拉拔、 三軸、 扭剪等形式。Ling等[4]通過100 mm×100 mm(長度×寬度)的直剪儀測量了土工膜與黏土接觸界面的摩擦強(qiáng)度特性，分析了接觸界面上剪切位移和最大剪應(yīng)力之間的關(guān)系。林偉岸等[5]通過使用砂袋加載模擬廢棄物填埋過程，分析了土工膜襯墊系統(tǒng)內(nèi)部剪力的傳遞機(jī)理。高俊麗等[6]通過大量的界面直接剪切試驗(yàn)，研究了不同正應(yīng)力作用下加肋HDPE土工膜與砂土之間的界面強(qiáng)度特性?？傮w來看，國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)對各種固體廢棄渣場在各種運(yùn)行狀態(tài)下防滲土工膜的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行的研究較少，各渣場防滲體系設(shè)計及施工僅參照個別工程經(jīng)驗(yàn)而定，不利于渣場防滲系統(tǒng)的安全，因此有必要開展專門研究[7-10]。

本文中采用直接剪切儀對光面、糙面HDPE土工模和各種工業(yè)固體廢物或土樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，模擬實(shí)際工程建筑結(jié)構(gòu)中它們之間的相互作用過程，測定2種HDPE土工膜與各種固體廢物接觸面的摩擦強(qiáng)度參數(shù)(界面摩擦角、表觀黏聚力)，在此基礎(chǔ)上，評價分析2種HDPE土工膜與各種工業(yè)固體廢物或土樣接觸界面的剪切特性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器為南京水利科學(xué)研究院和西安力創(chuàng)材料檢測技術(shù)有限公司合作研發(fā)的裂隙剪切 -滲流耦合試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)儀器的技術(shù)參數(shù)如下：上剪切盒有效剪切尺寸為210 mm×210 mm×130 mm(長度×寬度×高度，以下同)，將原下剪切盒改裝為一個有效尺寸為250 mm×250 mm×10 mm的實(shí)心剛性長方體，將它作為水平基座。水平基座長邊尺寸較上剪切盒有效尺寸大40 mm， 可確保在試驗(yàn)過程中剪切面積保持不變。儀器水平加載系統(tǒng)最大靜負(fù)荷可達(dá)1 000 kN，作動器行程達(dá)100 mm。壓頭采用球頭結(jié)構(gòu)，可有效補(bǔ)償試樣形位誤差引起的試驗(yàn)力偏載，保證水平方向變形中心與試樣中心重合。儀器的垂直加載系統(tǒng)最大靜負(fù)荷可達(dá)500 kN，作動器行程達(dá)100 mm。負(fù)荷傳感器由美國世銓公司生產(chǎn)，位移和變形分別采用高精度磁致伸縮位移傳感器、線性可變差動變壓器(LVDT)位移傳感器進(jìn)行測量，可實(shí)現(xiàn)荷載、位移數(shù)據(jù)的精確測量和傳輸。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 HDPE土工膜

試驗(yàn)選用厚度為2.5 mm的光面、糙面2種HDPE土工膜，如圖1所示。土工膜的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

(a)光面

(b)糙面圖1 高密度聚乙烯(HDPE)土工膜實(shí)物照片

表1 高密度聚乙烯(HDPE)土工膜物理性質(zhì)

1.2.2 填料

選用填料為貴州省內(nèi)5種主要工業(yè)固體廢物(脫硫石膏、粉煤灰、錳渣、汞渣、鉛鋅渣)以及黏土、砂土2種土樣。

1.2.3 試驗(yàn)步驟

采用4個土工膜試樣，根據(jù)庫侖剪切準(zhǔn)則，在逐級增大的4級垂直豎向荷載下，施加水平剪切力，測得土工膜試樣與土體的接觸界面破壞時的剪應(yīng)力，然后確定土工膜與土樣接觸界面的摩擦角和表觀黏聚力。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11]，具體步驟如下：

1)將光面(糙面)土工膜試樣平鋪在位于剪切盒下邊部分內(nèi)的剛性水平基座上中， 前端夾持在剪切區(qū)的前面并用4個螺栓固定。 土工膜試樣表面保持平整、沒有折疊和褶皺， 試驗(yàn)中試樣與基座之間無相對滑移。 安裝剪切盒， 填充土樣， 保持土樣厚度均勻。

2)安裝傳壓板，對土樣施加50 kPa的法向壓力。

3)施加水平荷載，使上、下剪切盒之間作速率為1 mm/min的相對位移，儀器量測系統(tǒng)自動記錄每秒的剪應(yīng)力τ和對應(yīng)的相對位移ΔL，間隔時間為1 s，直至橫負(fù)荷不再增加，即說明試樣已經(jīng)剪破，如橫負(fù)荷一直緩慢增加，則試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行至達(dá)到剪切面長度的16.5%時結(jié)束試驗(yàn)。

4)卸下土工膜，除去土工膜上的土樣，檢查試樣是否發(fā)生伸長、褶皺或損壞。

5)另裝土工膜，重復(fù)步驟1)—4)，在其他3種法向壓力(100、 150、 200 kPa)作用下測量接觸界面的摩擦特性。

2 結(jié)果及分析

2.1 接觸界面剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

分別以剪切位移、 剪應(yīng)力作為橫、 縱坐標(biāo)， 繪制剪切位移與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線。 該曲線上剪應(yīng)力的峰值即為最大剪應(yīng)力， 當(dāng)沒有峰值時， 取剪切位移達(dá)到剪切面積長度的10%(2 cm)時的剪應(yīng)力作為最大剪應(yīng)力。 光面、 糙面土工膜與各種土樣的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖2所示。 由于篇幅限制， 因此本文中僅列出脫硫石膏剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線的結(jié)果， 其余土樣的曲線形狀與脫硫石膏的類似。

從圖中可以看出，在4種法向荷載的作用下，土工膜與脫硫石膏接觸界面上的剪應(yīng)力 -剪切位移曲線近似呈斜率逐漸減小的拋物線狀。剪應(yīng)力發(fā)展經(jīng)過2個階段：第1階段約在剪切位移的1 ～3 mm，這一階段剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而快速增大；隨后進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，當(dāng)剪切位移增大到一定程度后，土工膜與土樣界面之間的剪應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。一般當(dāng)剪切位移達(dá)到10～12 mm時，剪應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度。

(a)光面

(b)糙面圖2 土工膜與脫硫石膏的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

通過對光面、糙面土工膜的剪應(yīng)力 -剪切位移曲線對比可知，隨著法向壓力的增大，剪應(yīng)力的峰值強(qiáng)度也明顯增大，而糙面土工膜與土樣界面之間最大剪應(yīng)力的增加幅度明顯大于光面土工膜與土樣界面之間的。法向壓力越大，兩者與土樣界面之間的最大剪應(yīng)力差別越大。這是因?yàn)椴诿嫱凉つさ谋砻娲植?，與土樣之間的摩擦力更大，具有更強(qiáng)的擠密作用，所以糙面土工膜與土樣接觸界面之間具有更大的峰值剪切強(qiáng)度。

2.2 最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)2.1節(jié)中的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線求得最大剪應(yīng)力， 然后繪制最大剪應(yīng)力和對應(yīng)的法向應(yīng)力的關(guān)系曲線。 首先以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)， 以對應(yīng)的剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)給出4個應(yīng)力點(diǎn)， 然后采用線性回歸方法畫出各點(diǎn)的最佳擬合直線， 直線與法向壓力軸之間的夾角即為土工膜和土樣的接觸界面摩擦角γ， 最大剪應(yīng)力軸上的截距為土工膜和土樣的接觸界面表觀黏聚力。 光面、 糙面土工膜與各種土樣的最大剪應(yīng)力 -法向應(yīng)力關(guān)系如圖3所示。

(a)脫硫石膏(b)粉煤灰(c)錳渣(d)汞渣(e)鉛鋅渣(f)黏土(g)砂土圖3 土工膜與不同土樣接觸面的最大剪應(yīng)力-法向應(yīng)力關(guān)系

從圖中可以看出，當(dāng)法向應(yīng)力較小時，光面土工膜和糙面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度非常接近并且沒有確定的大小關(guān)系，但隨著法向應(yīng)力的逐漸增加，糙面土工膜與土樣之間的界面抗剪強(qiáng)度開始明顯大于光面土工膜與土樣之間的。這是因?yàn)椴诿嫱凉つぴ诜ㄏ驊?yīng)力較大(如150、200 kPa)的情況下，糙面土工膜表面的摩擦系數(shù)較大， 與土樣填料之間的摩擦力也較大，所以當(dāng)承受較大的法向應(yīng)力時，糙面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度的增加幅度遠(yuǎn)大于光面土工膜的，說明與光面土工膜相比，糙面土工膜的抗剪強(qiáng)度和斷裂性能均顯著增大和改善。

2.3 光面、糙面土工膜摩擦比

為了更好地分析和比較不同法向應(yīng)力條件下光面、糙面土工膜與不同土樣的界面摩擦強(qiáng)度，引入光面、糙面土工膜試樣摩擦比f的概念，定義為在相同法向應(yīng)力條件下光面、糙面土工膜與相同土樣接觸界面的抗剪強(qiáng)度(剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))的比值，即

(1)

式中：τmax為光面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度；τs, max為在相同法向應(yīng)力條件下的糙面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度。

按照式(1)計算得到各種土樣與光面、糙面土工膜接觸界面的摩擦比，如表2所示。

表2 不同法向應(yīng)力條件下各土樣與光面、 糙面土工膜接觸面的摩擦比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著法向應(yīng)力的增大，幾乎所有土樣的摩擦比都不斷減小，這同樣說明法向應(yīng)力越大，糙面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度相對于光面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度越大。此外，在法向應(yīng)力較小(50、 100 kPa)的情況下，黏土、砂土2種普通土樣的摩擦比為0.65～0.78，明顯小于其他工業(yè)固體廢物。當(dāng)正應(yīng)力較大(150、 200 kPa)時，幾乎所有土樣的摩擦比都在0.6～0.8范圍內(nèi)。這是因?yàn)楣I(yè)固體廢物的顆粒較大，在法向應(yīng)力較小的條件下與土工膜沒有完全接觸或接觸面積不均勻，糙面土工膜的界面摩擦特性沒有得到充分發(fā)揮，所以光面、糙面土工膜的界面抗剪強(qiáng)度差別不明顯。

3 結(jié)論

1)隨著剪切位移的增加， HDPE土工膜與工業(yè)固體廢物之間的界面剪應(yīng)力的增長幅度并不是線性的， 當(dāng)剪切位移達(dá)到一定程度后，界面剪應(yīng)力將保持穩(wěn)定狀態(tài)， 因此， 在設(shè)計固體廢物渣場的防滲結(jié)構(gòu)時， 土工膜與固體廢物之間的剪應(yīng)力取值應(yīng)慎重考慮。

2)在法向應(yīng)力較小的條件下，糙面土工膜與固體廢物之間的界面抗剪強(qiáng)度與光面土工膜與固體廢物的界面抗剪強(qiáng)度比較接近，當(dāng)法向應(yīng)力較大時，糙面土工膜與固體廢物之間的界面抗剪強(qiáng)度明顯大于光面土工膜與固體廢物的，糙面土工膜具有更好的抗拉裂、抗剪切性能。

3)土樣與土工膜的接觸面積會影響它們接觸界面的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)兩者充分接觸時，糙面土工膜的界面摩擦特性才能夠充分發(fā)揮。