， ，，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

土工膜作為工程防滲處理的一種主要材料[1]，在土石壩的防滲中已廣泛使用。土石壩的土工膜(光面土工膜和復(fù)合土工膜)防滲型式一般分為土工膜防滲斜墻和土工膜防滲心墻2種類型[2]。防滲斜墻是將土工膜鋪設(shè)在大壩的上游面；防滲心墻是將土工膜鋪設(shè)在大壩的中央，作為心墻防滲體使用。當(dāng)土工膜防滲體位于壩體中央，作為心墻防滲體使用時(shí)，對(duì)壩坡穩(wěn)定性沒(méi)有影響；當(dāng)土工膜防滲體鋪設(shè)在大壩的上游面，作為防滲斜墻時(shí)，對(duì)壩坡的穩(wěn)定性將有非常大的影響。采用光面土工膜時(shí)，用中粗砂作為其墊層，而當(dāng)使用復(fù)合土工膜時(shí)，可將其直接鋪設(shè)在粗粒料上。在校核壩坡土工膜防滲體的抗滑穩(wěn)定性時(shí)，關(guān)鍵是確定土工膜與壩體墊層料之間的界面摩擦參數(shù)，為抗滑穩(wěn)定分析提供必要的參數(shù)。

界面摩擦參數(shù)通常由拉拔試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)確定?，F(xiàn)有的試驗(yàn)研究多集中在砂土與土工織物接觸面的摩擦參數(shù)，對(duì)于粒徑更大的砂礫料構(gòu)成的接觸面研究較少[3-4]。本文利用Geocomp大型土工合成材料直剪儀(Shear Trac-Ⅱ)開(kāi)展了砂礫料與土工膜界面直剪摩擦試驗(yàn)研究，討論了砂礫料級(jí)配以及相對(duì)密度對(duì)界面摩擦特性的影響。最后分析了土工膜與剪切下盒基座間的固定方式對(duì)界面摩擦參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)材料

界面摩擦直剪試驗(yàn)所用界面摩擦材料為400 g/1.0 mm HDPE/400 g規(guī)格的復(fù)合土工膜。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得其厚度為2.28 mm，質(zhì)量為468 g/m2；縱向拉伸強(qiáng)度為5.74 kN/m，縱向延伸率為70.71%；橫向拉伸強(qiáng)度為5.81 kN/m，模向延伸率為95.49%。填料利用2種典型的砂礫料M1與M2模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，其級(jí)配如表1所示。礫石料M1相對(duì)密度控制為0.70，礫石料M2相對(duì)密度分別控制為0.70和0.75。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

考慮到砂礫石墊層顆粒尺寸較大，采用常規(guī)直剪試驗(yàn)方法將存在較大的尺寸效應(yīng)，本次試驗(yàn)采用美國(guó)Geocomp公司生產(chǎn)的大型土-土工合成材料直剪儀(Shear Trac-Ⅱ)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示，試樣尺寸為305 mm×305 mm，試樣高度為100 mm。

表1 直剪摩擦試驗(yàn)?zāi)M砂礫料的材料粒徑組成

圖1 大型土-土工合成材料直剪儀(Shear Trac-Ⅱ)

根據(jù)最新的中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL235—2012《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》，界面直剪摩擦試驗(yàn)的界面正應(yīng)力分別選取50，100，150，200 kPa，直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制方式，水平位移速率選取為0.5 mm/min。試驗(yàn)過(guò)程中采用2種方法固定土工膜與剪切下盒基座：一種是將土工膜底面與基座表面用環(huán)氧樹(shù)脂整體粘結(jié)為一體；另一種是利用剛性肋條將土工膜端部壓緊固定在基座上。

表2 砂礫料與復(fù)合土工膜直剪摩擦試驗(yàn)成果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 土工膜與粗粒料的界面摩擦特性

3.1.1 土工膜與基座整體粘結(jié)

圖2 土工膜與基座整體粘結(jié)下砂礫料與復(fù)合土工膜界面直剪摩擦試驗(yàn)曲線

利用直剪儀試驗(yàn)得到的界面摩擦特性可以表示為σ-τ曲線的形式，直線斜率即為界面摩擦角的正切值tanφ，在縱坐標(biāo)軸上的截距就是界面黏聚力c。圖2(a)至圖2(f)分別為復(fù)合土工膜(與基座整體粘結(jié))與M1砂礫料(相對(duì)密度0.70)、M2砂礫料(相對(duì)密度分別為0.70，0.75)的直剪摩擦試驗(yàn)曲線，包括剪應(yīng)力-水平位移曲線和剪應(yīng)力-正應(yīng)力曲線。試驗(yàn)界面的峰值強(qiáng)度在剪應(yīng)力-水平位移曲線中非常明顯，當(dāng)水平位移為40 mm附近時(shí)，表現(xiàn)為峰值強(qiáng)度。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸即可得到剪應(yīng)力-正應(yīng)力曲線，回歸效果較好。由回歸曲線可知：復(fù)合土工膜與M1砂礫石界面摩擦角為22°，界面黏聚力為24.5 kPa。復(fù)合土工膜與相對(duì)密度分別為0.70，0.75的M2砂礫石界面摩擦角為30.1°，30.9°，界面黏聚力分別為21.5，24.5 kPa。

砂礫樣M1，M2在不同干密度下的界面摩擦性狀匯總于表2。試驗(yàn)結(jié)果表明：砂礫料與復(fù)合土工膜的摩擦因數(shù)范圍為0.404～0.593。且相對(duì)密度一定時(shí)，粗顆粒含量越高，則摩擦因數(shù)越大；在相同級(jí)配條件下，相對(duì)密度越高，摩擦因子越大。

3.1.2 土工膜橫肋壓緊固定

圖3 土工膜橫肋壓緊固定下砂礫料與復(fù)合土工膜界面直剪摩擦試驗(yàn)曲線

圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為復(fù)合土工膜(剪切端橫肋壓緊固定)與M1砂礫料(相對(duì)密度為0.70)、M2砂礫料(相對(duì)密度分別為0.70，0.75)的直剪摩擦試驗(yàn)剪應(yīng)力-正應(yīng)力回歸曲線。由回歸曲線可知：復(fù)合土工膜與M1砂礫石界面摩擦角為11.8°，界面黏聚力為8.0 kPa。復(fù)合土工膜與相對(duì)密度分別為0.70，0.75的M2砂礫石界面摩擦角為13.0°，14.3°，界面黏聚力分別為12.4，1.9 kPa。粗顆粒含量和相對(duì)密度越高，摩擦因子越大。

3.2 土工膜固定方式討論

目前各種規(guī)程或規(guī)范對(duì)直剪摩擦試驗(yàn)的要求并不統(tǒng)一，《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》SL/T235—1999中試樣固定于木質(zhì)下盒基座，然而該規(guī)范并未詳細(xì)說(shuō)明試樣的具體固定方式?！豆饭こ掏凉ず铣刹牧显囼?yàn)規(guī)程》中規(guī)定基座可以為土質(zhì)基座、硬木質(zhì)基座、表面粒度為P80的氧化鋁標(biāo)準(zhǔn)摩擦基座或者其他剛性基座。試樣前端夾持在剪切區(qū)的前面。試樣與基座之間用膠粘合。美國(guó)ASTM D5321—08在“土工合成材料夾具”一節(jié)中指出，夾具應(yīng)能保持土工合成材料在剪切過(guò)程中是平整的，應(yīng)使得夾持時(shí)不應(yīng)損壞試樣，基座材料的選擇應(yīng)充分模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，使得試驗(yàn)具有精確性和可重復(fù)性。目前對(duì)最合適基座材質(zhì)選擇的研究工作還在進(jìn)行中。通過(guò)分別開(kāi)展端部錨固以及整體粘結(jié)在基座上的直剪摩擦試驗(yàn)，得到的界面摩擦角(參見(jiàn)圖2、圖3)相差可達(dá)86%～131%。

因此，建議室內(nèi)直剪摩擦試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況來(lái)選擇基座材料及其與土工膜的固定方式。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為采用較大摩擦因數(shù)的摩擦基座或者采用與基座整體粘結(jié)的方式得到的界面摩擦角比端部錨固得到的界面摩擦角更為合理。

4 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展砂礫料與土工膜界面直剪摩擦試驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

(1) 相對(duì)密度一定時(shí)，粗顆粒含量越高，摩擦因數(shù)越大；相同級(jí)配條件下，相對(duì)密度越大，摩擦因數(shù)越大。

(2) 分別采用端部固定、整體粘結(jié)在基座上的直剪摩擦試驗(yàn)得到的界面摩擦角相差達(dá)86%～131%。室內(nèi)直剪摩擦試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況來(lái)選擇基座材料以及其與土工膜的固定方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì).土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.(Compilation Committee of the Engineering Application of Geosynthetics. The Engineering Application of Geosynthetics[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2000.(in Chinese))

[2] 王 琦，臧光文.橫山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的安全論證——土工膜與結(jié)構(gòu)面摩擦試驗(yàn)[J].巖土力學(xué)，2003,24(增刊)：83-85.(WANG Qi, ZANG Guang-wen. Safety Evaluation for Reinforcement for Hengshan Reservoir: Friction Test Between Geomembrane and Interface [J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(Sup.):83-85. (in Chinese))

[3] 張廣禹, 李振靈.西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)復(fù)合土工膜摩擦因數(shù)研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2007,28(1)：32-35.(ZHANG Guang-yu, LI Zhen-ling. Study of the Friction Coefficient of the Composite Geomembrane Core in Xixiayuan Balancing Reservoir[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, 2007, 28(1):32-35.(in Chinese))

[4] 魏紅衛(wèi)，喻澤紅，鄒銀生.土工合成材料加筋土抗剪作用的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2005，(5)：555-562.(WEI Hong-wei, YU Ze-hong, ZOU Yin-sheng. Shear Characteristics of Soil Reinforced with Geosynthetic Material [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005,(5):555-562.(in Chinese))