復(fù)合土工膜-墊層材料界面摩擦特性試驗研究

楊 武， 劉 亮， 吳遠(yuǎn)鵬， 李亞運， 張鳳超， 李文浩

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆興農(nóng)建筑材料檢測有限公司， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

復(fù)合土工膜由土工膜和土工織物組成，具有優(yōu)越的延展性及防滲性，不僅能夠適應(yīng)壩體的大變形，而且可以發(fā)揮很好的防滲效果，主要應(yīng)用于水利工程[1-4]及垃圾填埋場等的防滲工程[5]。在工程應(yīng)用中，復(fù)合土工膜-墊層材料的界面摩擦特性將直接影響工程的穩(wěn)定性及安全可靠性。因此，復(fù)合土工膜類型與墊層材料的選擇，以及尋求能夠準(zhǔn)確評價界面性能的試驗方法對工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。

根據(jù)已有的報道，目前對界面摩擦角的測試大多是采用室內(nèi)直剪摩擦試驗的方法[6]。如：徐超等[7]、童軍等[8]、杜常博[9]、Dembicki等[10]、何水清等[11]在室內(nèi)通過直剪摩擦試驗及斜板試驗兩種不同的試驗方法，對復(fù)合土工膜與墊層材料的界面摩擦特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同的試驗方法得出的界面摩擦性能并不相同。一般來說，室內(nèi)試驗較為簡單、重現(xiàn)性較好，測試結(jié)果往往比較有規(guī)律[12-13]，研究成果也已在較多工程中應(yīng)用。室內(nèi)試驗受試樣尺寸、結(jié)合面特性的限制，對試驗結(jié)果有一定影響。而現(xiàn)場原位試驗在工程現(xiàn)場進(jìn)行，雖然試驗難度大、耗費高，但其試驗結(jié)果基本是工程現(xiàn)場情況的真實反映[14-16]。因此，對試驗研究而言，現(xiàn)場原位試驗的結(jié)果更加具有參考價值和實際意義。

在大量實際工程設(shè)計中，下墊層材料以砂漿墊層及散粒體墊層材料最為常見[17-20]，復(fù)合土工膜常用一布一膜和二布一膜，位于其上部的混凝土護(hù)坡的穩(wěn)定性將受控于復(fù)合土工膜與下墊層間的摩擦特性。例如，2018年新建的新疆維吾爾族自治區(qū)某水庫工程，下部為砂漿墊層材料，復(fù)合土工膜為一布一膜，在混凝土護(hù)坡板施工后不久，護(hù)坡板連同復(fù)合土工膜發(fā)生大面積下滑，造成防滲復(fù)合土工膜被拉斷而失去防滲功能。

為研究復(fù)合土工膜類型、墊層材料及試驗方法對摩擦性能的影響，采用4種試驗方法進(jìn)行不同界面的摩擦性能測定，分析膜-砂漿墊層界面、布-砂漿墊層界面、膜-砂礫石墊層界面以及布-砂礫石墊層界面的摩擦特性，通過對比試驗結(jié)果，選擇更加符合實際工程情況的試驗方法，為復(fù)合土工膜作為防滲結(jié)構(gòu)在土石壩斜墻中的工程穩(wěn)定性分析提供科學(xué)合理的依據(jù)。

2 試驗材料與研究方法

2.1 試驗材料

本次試驗采用的復(fù)合土工膜一布一膜為SN/PE-16.0-300-0.6、二布一膜為SN2/PE-22.0-600-0.6，其基本力學(xué)性能見表1。為真實反映出實際施工情況，砂漿試塊取樣自某施工現(xiàn)場砂漿墊層，為濕拌砌筑砂漿，其強(qiáng)度等級為M10，按照剪切盒內(nèi)部尺寸進(jìn)行切割制樣。砂礫石材料取自新疆某水利工程料場，最大粒徑為20 mm，干燥狀態(tài)，密度為1.88 g/cm3，顆粒相對密度為2.60 g/cm3，粒徑組成見表2。

表1 試驗用復(fù)合土工膜的基本力學(xué)性能

表2 試驗用砂礫石材料的物理性質(zhì)

2.2 試驗方法

2.2.1 室內(nèi)試驗 在試驗結(jié)果的處理中，為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性、消除復(fù)合土工膜材料本身帶來的不均勻性，每種界面的試驗結(jié)果均采用10組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。本次試驗根據(jù)質(zhì)量控制的基本形式，認(rèn)為上、下警告線內(nèi)的數(shù)值為有效數(shù)值，取有效數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果。

(1)直剪摩擦試驗。直剪摩擦試驗在TZY-1型土工合成材料綜合測定儀上進(jìn)行，剪切盒內(nèi)部尺寸為20 cm×20 cm×5 cm(長×寬×高)，直剪摩擦試驗的砂漿試塊取自工程現(xiàn)場中的砂漿墊層，按照剪切盒內(nèi)部尺寸進(jìn)行切割加工制得，并放置于上剪切盒內(nèi)，下剪切盒內(nèi)為C20的混凝土試塊，復(fù)合土工膜放置在剪切盒中部，并將其固定于下剪切盒上。法向應(yīng)力選擇50、100、150、200 kPa，剪切材料在上覆垂直力的作用下產(chǎn)生的法向應(yīng)力σ均勻分布。剪切速率為5 mm/min，試驗溫度為(20±2) ℃。分別進(jìn)行復(fù)合土工膜-砂漿、復(fù)合土工膜-砂礫石的界面摩擦試驗。直剪摩擦試驗裝置示意圖見圖1。

圖1 直剪摩擦試驗裝置示意圖

(2)斜板試驗。斜板試驗裝置示意圖如圖2所示，其工作平臺長度為50 cm，寬度為20 cm，摩擦角的測定范圍為0～90°，角度盤的精度為30′，為了與直剪摩擦試驗具有可比性，將材料剪切盒尺寸取為20 cm×20 cm×10 cm(長×寬×高)，試驗過程中可保證接觸面積不發(fā)生改變，豎向荷載由砝碼施加。試驗時將儀器放在水平的臺面上，用調(diào)平支座進(jìn)行調(diào)平。將試驗材料裝入試驗盒內(nèi)，砂礫石材料采用分層擊實的方法填入試驗盒。勻速轉(zhuǎn)動升降螺桿使工作臺緩慢傾斜，轉(zhuǎn)動速率控制為(1°～3°)/min。試樣滑動時立即停止轉(zhuǎn)動，觀測角度測盤上的讀數(shù)，即為土工膜與剪切材料的摩擦角。

圖2 斜板試驗裝置示意圖

(3)室內(nèi)拖板試驗。室內(nèi)拖板試驗裝置示意圖見圖3所示，其下部為矩形金屬試驗框架，矩形框尺寸為1 m×1 m×0.1 m(長×寬×高)，固定于水平操作臺上，框架內(nèi)均勻填滿細(xì)砂作為試驗墊層材料。上剪切盒為大型直剪試驗盒，尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m(長×寬×高)，上剪切盒與下部試驗框架之間放置復(fù)合土工膜并固定于下部試驗框架上。當(dāng)受剪切材料為砂礫石墊層時，將砂礫石均勻填入上剪切盒內(nèi)，試驗時拖動上部試驗盒；當(dāng)受剪切材料為砂漿墊層時，則移除上部剪切盒，將鋼絲繩套在砂漿試塊上進(jìn)行牽引。剪切材料在上覆豎向荷載的作用下產(chǎn)生的法向應(yīng)力σ為均勻分布，可通過在上剪切盒或砂漿試塊上部放置不同數(shù)量的砝碼來改變豎向荷載的大小，試驗等同于將實際工程的各結(jié)構(gòu)倒置進(jìn)行。試驗過程中上剪切盒或砂漿試塊由鋼絲繩施加牽引力勻速在復(fù)合土工膜上滑動，滑動速率控制為5 mm/min。

圖3 拖板試驗裝置示意圖

2.2.2 現(xiàn)場原位試驗 原位試驗選擇新疆某水庫在建壩坡工程，在混凝土護(hù)坡板未進(jìn)行施工時進(jìn)行，將已鋪設(shè)完成的砂漿墊層表面清理干凈，再將砂礫石墊層沿斜面壓實、平整，試驗位置為混凝土試塊上邊緣沿壩坡距壩頂5 m處。在坡度為1∶2.5的壩坡墊層上分別鋪設(shè)一布一膜及二布一膜(當(dāng)復(fù)合土工膜采用一布一膜時，將塑膜面分別與砂漿墊層、砂礫石墊層接觸)，并在復(fù)合土工膜上立模板現(xiàn)澆混凝土試驗塊，模板的內(nèi)部尺寸為1.0 m×1.0 m×0.2 m(長×寬×高)，內(nèi)部布設(shè)一根Ф12 mm的U型鋼筋，鋼筋與四周間距為100 mm，在上部兩端鋼筋露出部位焊接彎頭，用作試驗時牽引，混凝土試塊強(qiáng)度為C25，待澆筑7 d后進(jìn)行試驗。

布設(shè)位移傳感器(600 mm，精度為0.05mm)用于試驗中的位移監(jiān)測；剪切力由電機(jī)提供，并配置兩臺轉(zhuǎn)速比為1∶40的減速機(jī)配合使用，通過外接數(shù)顯控制器的頻率調(diào)節(jié)進(jìn)行剪切速率的控制；牽引力設(shè)備布置在壩頂，將混凝土試塊沿壩面斜向上牽引，同時配備ZL50CN輪式裝載機(jī)一臺，進(jìn)行壩頂部位牽引設(shè)備的控制及配重，剪切速率為5 mm/min，試驗現(xiàn)場環(huán)境氣溫為20～24 ℃。以混凝土試塊發(fā)生位移時的牽引力作為界面摩擦特性計算標(biāo)準(zhǔn)。原位試驗現(xiàn)場見圖4。

圖4 原位試驗現(xiàn)場

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1 室內(nèi)試驗結(jié)果 目前，界面摩擦強(qiáng)度特性大多參照摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，將黏聚力及內(nèi)摩擦角作為界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究，以(σ，τ)曲線的形式表示，界面摩擦角φ及黏聚力c可通過直線的斜率和截距求出；正應(yīng)力由施加的砝碼質(zhì)量與剪切面面積的關(guān)系換算而來；斜板摩擦角測定儀試驗結(jié)果處理按照滑塊理論進(jìn)行。

以復(fù)合土工膜-砂漿界面的直剪摩擦試驗為例，其不同正應(yīng)力下位移(s)-剪切力(F)關(guān)系曲線及正應(yīng)力(σ)-抗剪強(qiáng)度(τ)關(guān)系線如圖5所示。由圖5可以看出，不同正應(yīng)力下對應(yīng)的位移-剪切力關(guān)系曲線變化趨勢大致相同，均具有明顯的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度(圖5(a))，隨著正應(yīng)力的不斷增大，峰值強(qiáng)度相應(yīng)的位移也在不斷增加；達(dá)到峰值強(qiáng)度后，剪切力值開始減小并逐漸趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為殘余強(qiáng)度，且正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度的降低幅度越明顯，殘余強(qiáng)度大致為峰值強(qiáng)度的70 %～80 %。對不同正應(yīng)力下的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度的試驗數(shù)據(jù)點(σ，τ)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度線的線性擬合(圖5(b))，其擬合效果較為理想。

圖5 復(fù)合土工膜-砂漿界面直剪摩擦試驗結(jié)果

以膜-砂漿、布-砂漿、膜-砂礫石和布-砂礫石4種界面進(jìn)行斜扳試驗，得出各界面斜扳試驗的正應(yīng)力(σ)-抗剪強(qiáng)度(τ)關(guān)系線如圖6所示。由圖6可以看出，各界面試驗數(shù)據(jù)點(σ，τ)的直線回歸結(jié)果均非常理想；黏聚力的大小取決于兩界面間的粗糙程度，其大小排序為布-砂礫石>膜-砂礫石>布-砂漿>膜-砂漿，總體反映出布與墊層材料界面的黏聚力大于塑膜與墊層材料界面的黏聚力。

圖6 4種界面正應(yīng)力(σ)-抗剪強(qiáng)度(τ)關(guān)系的斜板試驗結(jié)果

以拖板試驗中復(fù)合土工膜的布-砂礫石界面為例，不同正應(yīng)力下的位移(s)-剪應(yīng)力(τ)關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可以看出，各關(guān)系曲線變化趨勢大致相同，均具有較為明顯的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度，峰值強(qiáng)度發(fā)生在水平位移為10～20 mm時；隨著剪切位移的繼續(xù)增大，剪應(yīng)力開始減小并逐漸趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出了穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的60 %～70 %。

圖7 布-砂礫石界面不同正應(yīng)力下位移(s)-剪應(yīng)力(τ)關(guān)系的拖板試驗結(jié)果

通過室內(nèi)各試驗方法測定的4種不同界面的黏聚力(c)及摩擦角(φ)見表3。其中直剪摩擦試驗的測試結(jié)果與文獻(xiàn)[7]～[10]的研究成果相近，表明該試驗結(jié)果較為可靠。由表3可以看出，復(fù)合土工膜與砂礫石墊層的界面摩擦性能優(yōu)于與砂漿墊層的界面摩擦性能，對于相同的試驗方法，復(fù)合土工膜與砂礫石的界面摩擦角比與砂漿的界面摩擦角增大了2.9°～8.1°，黏聚力增大了3.0～5.8 kPa；直剪摩擦試驗結(jié)果與斜板試驗結(jié)果相近，而拖板試驗測得的界面摩擦角與黏聚力遠(yuǎn)大于直剪摩擦試驗，直剪摩擦試驗與拖板試驗相比界面摩擦角減小了2.2°～8.3°，黏聚力減小了1.8～4.3 kPa；二布一膜布界面的摩擦性能優(yōu)于一布一膜膜界面的摩擦性能，當(dāng)砂漿作為墊層材料時，布-砂漿比膜-砂漿界面摩擦角增大了2.4°～4.1°，當(dāng)砂礫石作為墊層材料時，直剪摩擦試驗和斜板試驗測得的布-砂礫石界面摩擦角比膜-砂礫石界面摩擦角僅增大了0.3°，相應(yīng)的黏聚力分別增大了2.1和1.5 kPa，而拖板試驗相應(yīng)的界面摩擦角增大了5.1°，黏聚力增大了3.9 kPa。

表3 不同界面的黏聚力(c)及摩擦角(φ)的室內(nèi)各類試驗結(jié)果

3.1.2 現(xiàn)場試驗結(jié)果 為提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，原位試驗每種界面的混凝土試塊設(shè)置為3塊(分別標(biāo)為1#、2#、3#)，各混凝土試塊間隔一定的距離，以保證在試驗過程中相互不受干擾。試塊滑動破壞標(biāo)準(zhǔn)以發(fā)生初始位移時的牽引力作為界面摩擦特性的測定標(biāo)準(zhǔn)。以復(fù)合土工膜二布一膜為例，試驗過程中位移(s)-剪應(yīng)力(τ)關(guān)系曲線見圖8。

圖8 原位試驗位移(s)-剪應(yīng)力(τ)關(guān)系曲線(二布一膜)

由圖8可以看出，在試驗條件相同的情況下，各試塊發(fā)生初始位移時的剪應(yīng)力基本在同一水平，在剪應(yīng)力未達(dá)到峰值時，位移已經(jīng)開始發(fā)生，而剪應(yīng)力達(dá)到峰值后出現(xiàn)快速下降的情況，隨著位移的不斷增加，剪應(yīng)力逐漸減小穩(wěn)定為殘余(滑動)應(yīng)力，其與發(fā)生初始位移時的剪應(yīng)力大小相近。對現(xiàn)場原位試驗監(jiān)測得到的不同界面的剪應(yīng)力及位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各界面的黏聚力(c)及摩擦角(φ)如表4所示。

表4 各界面的黏聚力(c)及摩擦角(φ)原位試驗結(jié)果

通過比較表4中的原位試驗結(jié)果可知，黏聚力和摩擦角數(shù)據(jù)均體現(xiàn)出二布一膜的布界面摩擦性能優(yōu)于一布一膜的膜界面摩擦性能，布與砂漿界面的摩擦角比膜與砂漿界面的摩擦角增大了4.4°，相應(yīng)的黏聚力增大了2.2 kPa，布與砂礫石界面的摩擦角比膜與砂礫石界面的摩擦角增大了6.4°，相應(yīng)的黏聚力增大了2.6 kPa；砂礫石與復(fù)合土工膜界面的摩擦角比砂漿與復(fù)合土工膜界面的摩擦角增大了13.3%～18.1%。原位試驗結(jié)果與室內(nèi)拖板試驗結(jié)果基本相同，表明拖板試驗更加符合現(xiàn)場實際情況。

3.2 討 論

在試驗過程中，復(fù)合土工膜與墊層材料界面隨著剪切位移的增大而發(fā)生相對位移，界面之間的作用力從單一的靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動摩擦力及復(fù)合土工膜與材料間的咬合力。徐超等[7]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因是試驗原理與試驗環(huán)境的差別，包括試樣的鋪設(shè)形式、正應(yīng)力的大小、試樣尺寸以及界面的不平整度。不同試驗方法與不同界面類型組合的黏聚力(c)及摩擦角(φ)見圖9。

圖9 不同試驗方法與不同界面類型組合的黏聚力(c)及摩擦角(φ)

如圖9(a)所示，各界面下不同試驗方法黏聚力的大小排序為拖板試驗>直剪摩擦試驗>斜板試驗，拖板試驗與原位試驗結(jié)果較為接近，不同試驗方法黏聚力最大差值反映在布-砂礫石界面上，差值為6.9 kPa。如圖9(b)所示，同一試驗方法得出的膜-砂漿墊層界面的摩擦角小于布-砂漿墊層界面的摩擦角，膜-砂礫石墊層界面的摩擦角小于布-砂礫石墊層界面的摩擦角，參考童軍等[8]的研究成果分析認(rèn)為，破壞面主要發(fā)生在復(fù)合土工膜與下墊層材料之間，土工布增強(qiáng)了復(fù)合土工膜與建筑材料分子鏈間的作用力，布界面與建筑材料間存在部分交織作用，具有一定的咬合力，從而增大了黏著摩擦力，反映出材料表面越粗糙，則界面摩擦角越大，布-墊層材料的界面剪應(yīng)力表現(xiàn)為摩擦應(yīng)力、部分剪切應(yīng)力以及織物的剝離應(yīng)力。

直剪摩擦試驗、拖板試驗和原位試驗均表現(xiàn)出穩(wěn)定的殘余應(yīng)力，拖板試驗與原位試驗的殘余應(yīng)力約為其峰值強(qiáng)度的60%～70%，應(yīng)力下降幅度大于直剪摩擦試驗結(jié)果。拖板試驗與原位試驗對界面摩擦角與黏聚力的測試結(jié)果均大于直剪摩擦試驗結(jié)果，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從試驗的方法及界面的作用關(guān)系來解釋，由于原位試驗的試塊尺寸相對較大，因而墊層材料的不平整度及粗糙程度的影響作用明顯，在復(fù)合土工膜鋪設(shè)完成后，上部為現(xiàn)澆混凝土，在振搗過程中可適應(yīng)并調(diào)節(jié)混凝土下部與下墊層完全貼合，試驗過程中的峰值應(yīng)力實際上包含了部分摩擦應(yīng)力以及由于墊層結(jié)構(gòu)面的不平整而產(chǎn)生的咬合力，這與文獻(xiàn)[16]、[19]的研究結(jié)論一致。室內(nèi)拖板試驗與現(xiàn)場原位試驗類似，下部為剪切材料，上部試驗框中的細(xì)砂可較為靈活地自行調(diào)整，來適應(yīng)下墊層表面的不平整程度，在試驗過程中，剪切面面積維持恒定，較好地反映了實際的工程情況，因而拖板試驗是模擬復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)界面較為合理的試驗技術(shù)手段。直剪摩擦試驗與斜板試驗由于試塊尺寸較小，而且并不能適應(yīng)剪切材料表面的不平整度，在剪切面中很可能僅有部分接觸，屬于點荷載作用或少部分面荷載作用，另外，由于直剪摩擦試驗盒邊界的影響，隨著復(fù)合土工膜與剪切材料間相對位移的增大，剪切面逐漸減小，會引起界面法向條件的變化。

4 結(jié) 論

(1)在與復(fù)合土工膜形成的防滲結(jié)構(gòu)中，復(fù)合土工膜-砂礫石墊層形成的“軟結(jié)構(gòu)”界面的摩擦性能優(yōu)于復(fù)合土工膜-砂漿墊層形成的“硬結(jié)構(gòu)”界面的摩擦性能。

(2)塑膜表面較為光滑，界面摩擦強(qiáng)度較低，因此，復(fù)合土工膜采用二布一膜對防滲結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性更為有利。

(3)不同試驗方法的測定結(jié)果表明，直剪摩擦試驗與斜板試驗相當(dāng)，室內(nèi)拖板試驗與原位試驗基本一致。

(4)大型現(xiàn)場原位試驗反映的是工程現(xiàn)場的實際情況，試驗結(jié)果更加具有參考價值和實際意義。但現(xiàn)場原位試驗難度大、耗費高、投入多，因此，建議采用室內(nèi)拖板試驗結(jié)果進(jìn)行土石壩斜墻防滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計驗算。