土工膜與土工布組合方式對分離式復合土工膜鼓脹變形的影響

普勇檉，衛(wèi)如春，李旺林，薛 霞

(1. 濟南大學水利與環(huán)境學院，山東濟南250022； 2. 山東大學海洋研究院，山東青島266237)

修建平原水庫能促進沿黃地區(qū)經濟發(fā)展并緩解水資源供需矛盾，是我國平原省份水利建設的重要組成部分[1]，但平原水庫的壩基滲漏問題不僅會導致庫區(qū)附近地下水位抬升，而且會造成土地荒漠化、土壤鹽堿化，影響下游生態(tài)環(huán)境及經濟發(fā)展[2]。目前，與傳統(tǒng)工程防滲措施相比，“兩布一膜”復合土工膜防滲工藝因具備適應性強、施工簡單等優(yōu)點被廣泛使用，但是，復合土工膜的防滲效果通常因破損而受到影響[3]。此外，土工膜與土工布(膜布)的熱效應不一樣，在焊接時，容易因焊接溫度不當而造成復合土工膜燙損或虛焊[4]。針對上述缺陷，在水庫建設中通常選擇分離式復合土工膜，以此減少土工膜的損傷。

李旺林等[5-6]以“南水北調工程”東線大屯水庫為原型建造了小型試驗水庫，認為庫區(qū)滲水形成的壓力氣體會導致土工膜鼓脹變形，試驗研究了土工膜鼓脹壓力下的鼓脹過程及破壞機理，并把土工膜鼓脹變形的應力-應變曲線分為線性、強化、弱化和脹破拉斷4個階段。吳海民等[7-8]對土工膜雙向拉伸的力學性質進行試驗研究，自主研發(fā)了土工膜合成材料雙向拉伸多功能試驗機，對比單、雙向拉伸試驗結果后，認為單向拉伸試驗結果不能直接用于實際的工程設計。束一鳴等[9]模擬不同厚度、不同孔徑的土工膜在水壓作用下產生鼓脹變形，并推導出慢速加壓時的鼓脹極限荷載計算公式。

Merry等[10]在研究土工膜單向拉伸的力學性質[11]的基礎上，又研究了土工膜多向拉伸，并推導了土工膜在試驗過程中的應力-應變方程。Giroud等[12]進行了土工膜單向窄條拉伸試驗，試驗中啞鈴狀土工膜試件拉伸應變不均勻，實驗結果與實際受力情況不對應。de Focatiis等[13]通過拉伸試驗，研究了四氟乙烯無織物基材(ETFE)膜的熱響應和力學響應，證明溫度對ETFE膜拉伸應力、應變的影響較大，拉伸速率對ETFE膜拉伸應力、應變的影響較小。

Charalambides等[14]使用預測試驗變量(如應變、壁厚和曲率半徑)的分析程序來推導應力-應變曲線，表明球形鼓脹試驗中，不同曲率半徑、膜厚是影響應力-應變曲線的重要因素。Bacas等[15]通過土工布與土工膜大型直剪試驗，研究了土工布與土工膜的剪切相互作用機理，并驗證了試驗中膜布界面模型的準確性。

本文中利用自主研發(fā)的鼓脹變形試驗設備，研究不同膜布組合方式對分離式復合土工膜破壞時脹破高度、脹破壓力的影響，并探究其復合性能。

1 試驗

1.1 試驗設備

球形鼓脹變形試驗儀主要由加載系統(tǒng)、基礎平臺和測控系統(tǒng)3個部分組成(見圖1)。

圖1 球形鼓脹變形試驗儀

1.1.1 基礎平臺

基礎平臺由控制平臺、操作平臺和不銹鋼法蘭盤組成。上、下法蘭盤均為不銹鋼圓環(huán)，其內徑分別為100、200 mm(見圖2)，在試驗時形成密閉空間并提供環(huán)向約束。加載系統(tǒng)的開關位于控制平臺中，控制設備起閉。壓力傳感器連接顯示器后能實時顯示試樣的鼓脹壓力。

圖2 不銹鋼法蘭盤

1.1.2 測控系統(tǒng)

數顯壓力傳感器記錄試樣鼓脹變形時的鼓脹壓力和脹破時間，激光位移傳感器記錄試樣鼓脹變形時的鼓脹高度，高清錄像設備與計算機連接，實時記錄試樣鼓脹破壞過程中的鼓脹壓力和鼓脹高度。以上3個部分共同構成測控系統(tǒng)。

1.1.3 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由三相異步電機、液壓泵、連桿、液缸和高壓膠管組成(見圖3)。在試驗過程中，加載系統(tǒng)通過高壓膠管向基礎平臺上的試樣提供持續(xù)穩(wěn)定的壓力，可以通過控制平臺調節(jié)加載速率。

1.2 試驗方案

試驗分別使用內徑為100、200 mm的環(huán)形法蘭盤； 選取“兩布一膜”“一布兩膜”“一布一膜”3類組合方式為實驗組，并選取單、雙層土工膜為對照組。試驗數據取其8次試驗的平均值，試驗方案見表1，加載速率均為100 kPa/s。

圖3 加載系統(tǒng)

1.3 試驗材料

選擇大屯水庫水平防滲設計中使用的土工膜和土工布進行分離式復合土工膜球形鼓脹變形試驗，試驗材料參數見表2。

表1 試驗方案

表2 試驗材料參數

2 結果與分析

2.1 試驗結果

不同膜布組合方式試樣發(fā)生鼓脹破壞時的脹破壓力、脹破高度的統(tǒng)計結果見圖4。由圖4(a)可以看出，試樣脹破時，脹破壓力隨組合方式呈現較明顯的分組特征，其中“膜-布-布”的組合方式承受了最大的鼓脹壓力；其余分組如“膜-布-膜”和“膜-膜-布”組、“布-膜-布”和“膜-布”組、“布-膜-膜”和“雙層膜”組以及“布-膜”、“布-布-膜”和“單層膜”組，每組內復合土工膜試樣承受的脹破壓力基本相同。由圖4(b)可以看出，“雙層膜”“布-膜-膜”這2種頂

(a)脹破壓力(b)脹破高度圖4 不同土工膜與土工布組合方式的復合土工膜脹破壓力及脹破高度統(tǒng)計結果

層為雙層土工膜的組合方式在破壞時的脹破高度較大，其余組合方式的復合土工膜試樣的鼓脹高度小于前者的，且數值上相差較小。

2.2 結果分析

環(huán)形約束造成分離式復合土工膜球形鼓脹變形，用分離式復合土工膜長度的增量與變形前的長度之比來表示土工膜試樣的應變，使用根據薄膜理論推導出的張應力計算公式來代替應力計算公式，即

(1)

(2)

式中：ε為球形鼓脹變形產生的應變，%；L為夾具直徑，mm；δ為鼓脹冠頂高度，mm；T為鼓脹變形產生的張應力，kN/m；P為鼓脹壓力，MPa。

不同膜布組合方式復合土工膜試樣發(fā)生鼓脹破壞時的張應力、應變統(tǒng)計結果見圖5。由圖5(a)可以看出，張應力隨著組合方式變化特征與試驗結果中脹破壓力基本對應，其中“膜-布-布”的組合方式承受了最大的張應力；其余組如“膜-布-膜”和“膜-膜-布”組、“布-膜-布”和“膜-布”組、“布-膜-膜”和“雙層膜”組以及“布-膜”“布-布-膜”和“單層膜”組，每組組內土工膜試樣承受的張壓力基本相同。由圖5(b)可以看出，“雙層膜”“布-膜-膜”這2種頂層為雙層土工膜的組合方式在破壞時的應變較大，其余組合方式的土工膜試樣在破壞時的應變較小，且數值上相差較小。

(a)張應力(b)應變圖5 不同土工膜與土工布組合方式的復合土工膜張應力及應變統(tǒng)計結果

1)取法蘭盤內徑為100 mm的試驗數據，對比3組不同組合方式的復合土工膜張應力隨應變的變化及鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化，結果見圖6—8。具體分組如下：第1組為“布-膜”“單層膜”和“布-布-膜”組合，第2組為“膜-布”和“布-膜-布”組合，第3組為“雙層膜”和“布-膜-膜”組合。由圖可以看出，由于液壓能穿透具有滲透性的土工布，因此組內各組合方式的復合土工膜張應力隨應變變化曲線和鼓脹壓力隨鼓脹高度變化曲線變化趨勢一致，曲線基本吻合，可認為直接與壓力介質接觸的土工布基本不影響土工膜試樣的力學性質和鼓脹變形的效果，為無效布。

2)由于土工布抗拉強度很大，因此在干濕狀態(tài)下都能保持充分的強度和拉伸性能。由4(a)、5(a)可看出，當布位于膜上時，能充分發(fā)揮土工布高強的特性，為有效布。試驗中，“膜-布-布”(有效布層數為2)組合方式的脹破壓力、張應力最大，“膜-布”(有效布層數為1)組合方式的次之，“單層膜”(有效布層數為0)組合方式的最小，因此，可以認為隨著鼓脹變形有效布層數的增加，脹破時能承受的脹破壓力、張應力也隨著增加。

“膜-布”“膜-膜-布”2種組合方式的有效布層數相同，均為1，在發(fā)生脹破時，“膜-膜-布”組合方式能承受的脹破壓力、張應力大于“膜-布”組合方式的，因此認為處于有效布層數相同時，土工膜層數越多，脹破時能承受的脹破壓力、張應力越大。

3)由于土工布的塑性低于土工膜的，因此頂層土工布會約束土工膜變形。由圖4(b)可以看出：布在頂層的試樣在破壞時的脹破高度較小，如“膜-布”“膜-布-布”；膜在頂層的復合土工膜試樣在破壞時的脹破高度相對較大，如“布-膜”“布-布-膜”。

(a)鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化(b)張應力隨應變的變化圖6 “布-膜”“單層膜”和“布-布-膜”組合方式的復合土工膜鼓脹壓力隨鼓脹高度及張應力隨應變的變化

(a)鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化(b)張應力隨應變的變化圖7 “膜-布”和“布-膜-布”組合方式的復合土工膜鼓脹壓力隨鼓脹高度及張應力隨應變的變化

(a)鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化(b)張應力隨應變的變化圖8 “雙層膜”和“布-膜-膜”組合方式的復合土工膜鼓脹壓力隨鼓脹高度及張應力隨應變的變化

增加土工膜層數能在一定程度上提高整個分離式復合土工膜的塑性。對于土工膜層數不同的試樣，如“單層膜”試樣的脹破高度低于“雙層膜”，“布-膜”試樣的脹破高度低于“布-膜-膜”，因此可以認為，隨著土工膜層數的增加，復合土工膜試樣的脹破高度增加。

3 結論

通過對比不同土工布與土工膜組合方式的分離式復合土工膜的試驗結果，并分析試驗數據，可得以下結論：

1)由于液壓能穿透具有滲透性的土工布，當壓力介質直接接觸土工布時，土工布不會影響整個復合土工膜試樣鼓脹變形的力學性質，因此可以把位于直接接觸壓力介質一側的土工布稱作“無效布”，把位于不直接接觸壓力介質另一側的土工布稱為“有效布”。

2)有效布層數相同時，復合土工膜試樣的脹破壓力隨著組合方式中膜的層數的增加而增大；膜的層數相同時，復合土工膜試樣的脹破壓力隨著組合方式中有效布的層數的增加而增大；不同組合方式的復合土工膜在鼓脹變形時產生的張應力具有同樣的特點，即不同組合方式下復合土工膜的脹破壓力和張應力隨土工膜和有效布的層數增加而增大，呈正相關。

3)由于頂層土工布約束復合土工膜試樣變形，因此土工膜在最頂層的試樣的脹破高度會大于土工布在最頂層的試樣的脹破高度；隨著土工膜層數的增加，復合土工膜試樣的脹破高度和應變增大。