徐天杰，劉斌云,1b，李維朝，蔡 紅

(1.北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院； b.北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京 100124；2. 中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100037)

土工膜/GCL界面多級加荷剪切性能的試驗研究

徐天杰1a，劉斌云1a,1b，李維朝2，蔡 紅2

(1.北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院； b.北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京 100124；2. 中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100037)

土工膜作為一種防滲材料已廣泛應(yīng)用于工程和環(huán)保領(lǐng)域，但在施工鋪設(shè)過程中的損傷會降低其抗剪強度。利用大型直剪儀進行土工膜(GM)與膨潤土防水毯(GCL)界面多級加荷剪切與直接剪切試驗,探究加載對土工膜抗剪強度的影響。試驗結(jié)果表明：多級加荷剪切峰值強度較小于直接剪切峰值強度，2種剪切方式界面均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性；正應(yīng)力為7.1～52.1 kPa時，多級加荷剪切峰值強度和殘余強度分別與直接剪切峰值強度和殘余強度均較為接近；大正應(yīng)力下的重復(fù)剪切對土工膜損傷有較大影響，當(dāng)正應(yīng)力大于102.1 kPa，多級加荷剪切峰值摩擦角降低了7.05°，殘余摩擦角降低了3.09°。

土工膜；GCL；多級加荷；剪切強度；應(yīng)變軟化

1 研究背景

現(xiàn)在的衛(wèi)生填埋場越建越大，一旦失穩(wěn)，不僅會嚴(yán)重污染環(huán)境，還會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。復(fù)合襯墊系統(tǒng)作為現(xiàn)代填埋場的重要組成部分，一般由土工復(fù)合排水網(wǎng)、土工膜(GM)、膨潤土防水毯(GCL)、壓實黏土等材料組成，可以起到很好的防滲作用。但由于復(fù)合襯墊系統(tǒng)分層組成，各層材料界面之間的剪切強度較弱，容易導(dǎo)致填埋場沿襯墊系統(tǒng)平移而產(chǎn)生破壞[1-4]。因此研究以土工合成材料為主要組成的復(fù)合襯墊系統(tǒng)界面剪切特性，對于分析填埋場穩(wěn)定性具有重要的工程意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者[5-9]對土工膜/GCL界面特性進行了大量的直剪試驗研究，分析了正應(yīng)力大小、剪切速率、材料性質(zhì)、尺寸大小、邊界條件、試驗條件等因素對試驗結(jié)果的影響。但是在實際工程中，土工膜的鋪設(shè)很容易受到施工機械和其他工具的刮擦，破損處會得到修補，擦痕損傷往往被忽視，而鋪設(shè)過程中擦痕損傷幾乎是難免的。

本文是在現(xiàn)有文獻資料的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)大型直剪儀，進行土工膜與GCL多級加荷剪切與直接剪切之間的摩擦特性試驗研究，比較多級加荷剪切與直接剪切之間的結(jié)果，得到一些有價值的結(jié)論。

2 試驗材料、設(shè)備及試驗方法

2.1 試驗材料

本文試驗所用到土工合成材料為：①由加拿大索瑪國際土工材料有限公司生產(chǎn)的雙糙面2.0 mm HDPE土工膜，加糙方式為噴著法；②GCL是有無紡?fù)凉た椢?單位面積質(zhì)量105 g/m2)與有紡?fù)凉た椢?單位面積質(zhì)量200 g/m2)之間夾封鈉基膨潤土顆粒(單位面積質(zhì)量4 500 g/m2)通過針刺縫合而成，由泰安宏源土工材料有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗設(shè)備

試驗采用大型直剪儀，該儀器由Geocomp公司制造，主要用于土工合成材料之間界面和土體本身的剪切試驗以及土工合成材料/土體間的剪切試驗，其剖面圖如圖1所示。

圖1 大型直剪儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shear apparatus

圖1中，上剪切盒尺寸為305 mm×305 mm×100 mm。下剪切盒可放置剛性鋼板以用來支撐土工合成材料。同時為保持在剪切過程中界面接觸面積的恒定，下剪切盒沿剪切方向比上剪切盒長100 mm。豎向壓力和豎向位移可由垂直傳感器量測，剪切應(yīng)力和水平位移由水平傳感器量測。所有的數(shù)據(jù)均可在儀器控制面板實時顯示，同時通過儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電腦上顯示以及存儲。剪切動力裝置帶有微步馬達，可以保持儀器頻率穩(wěn)定,滿足試驗的精度要求。

2.3 試驗方法

試驗步驟主要參照土工合成材料測試標(biāo)準(zhǔn)(ASTM) D5321規(guī)范，并結(jié)合具體大型直剪儀的操作規(guī)程進行。土工膜沿儀器剪切方向切成500 mm×350 mm長方形，通過下剪切盒錨固系統(tǒng)固定于下剪切盒上。GCL切成350 mm×305 mm的長方形，通過上剪切盒錨固系統(tǒng)固定于上剪切盒上。

每組試驗的豎向正應(yīng)力一般選7.1～402.1 kPa。先施加豎向正應(yīng)力使砂樣固結(jié)，固結(jié)完成后剪切。為了避免剪切過程中土工合成材料界面與剪切盒產(chǎn)生摩擦而影響試驗結(jié)果，剪切開始前開縫。試驗的剪切速率保持在3 mm/min。最大剪切位移70 mm。試驗結(jié)束后，觀測并記錄土工膜界面損傷情況。

3 試驗結(jié)果

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

土工膜/GCL界面直接剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖2所示。

由圖2(a)可知，各曲線出現(xiàn)了峰值強度和殘余強度，有明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。剪應(yīng)力-剪切位移曲線大致分3個階段：①在剪切位移0～2 mm內(nèi)，剪應(yīng)力隨著剪切位移增加而迅速增加，基本上成線性關(guān)系；②隨著剪切位移的增大，剪應(yīng)力增速變緩直至峰值出現(xiàn)；③隨著剪切位移的繼續(xù)增大，剪應(yīng)力逐漸降低，直至出現(xiàn)殘余強度。當(dāng)剪切位移在60 mm左右時，不同正應(yīng)力下的剪應(yīng)力都已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

由圖2(b)可知，土工膜/GCL界面多級加荷界面。應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律與土工膜/GCL界面直接剪切較為相似，有明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，出現(xiàn)峰值強度與殘余強度。當(dāng)剪切位移在50 mm時，剪應(yīng)力減小幅度基本穩(wěn)定。

(b) 多級加荷剪切

3.2 剪切強度

土工膜/GCL界面多級加荷剪切與直接剪切的峰值強度和殘余強度破壞包線如圖3所示。強度參數(shù)如表1所示。

圖3 土工膜/GCL界面強度破壞包線Fig.3 Strength envelopes of GM/GCL interface

表1 土工膜/GCL界面強度參數(shù)Table 1 Shear strength parameters of GM/GCLinterface

圖4 土工膜/GCL界面殘余強度與峰值強度比值Fig.4 Ratio of residual strength to peak shear strength for GM/GCL interface

由圖3可知，直接剪切峰值強度和殘余強度破壞包線成良好的線性關(guān)系。峰值摩擦角為21.09°，殘余摩擦角為13.64°，殘余強度達到峰值強度的63%～74%(圖4)。多級加荷剪切峰值強度和殘余強度破壞包線則形成雙線性關(guān)系，轉(zhuǎn)折點在正應(yīng)力為102.1 kPa時。當(dāng)正應(yīng)力為7.1～102.1 kPa時，峰值摩擦角為18.68°，與直接剪切峰值摩擦角差值為2.41°；殘余強度摩擦角為13.73°,與直接剪切殘余摩擦角差值僅為0.09°。當(dāng)正應(yīng)力為102.1～402.1 kPa時，峰值摩擦角為14.04°，與直接剪切峰值摩擦角相差7.04°，殘余強度摩擦角為10.58°，與直接剪切殘余強度摩擦角相差3.06°。殘余強度達到峰值強度的71%～ 73%。隨著正應(yīng)力的增大，不論是峰值摩擦角還是殘余摩擦角都開始減小，這是由于正應(yīng)力的增大以及反復(fù)剪切的重復(fù)作用，已經(jīng)對土工膜表面造成很大損傷。

圖5 土工膜/GCL界面峰值強度比值和殘余強度比值Fig.5 Ratio of peak strength and ratio of residual strength for GM/GCL interface

3.3 土工膜重復(fù)剪切的影響

在正應(yīng)力7.1～52.1 kPa范圍內(nèi)，土工膜/GCL界面多級加荷剪切峰值強度與殘余強度和直接剪切基本接近，二者峰值強度之比在94%以上，殘余強度之比在95%以上,見圖5。在正應(yīng)力102.1～202.1 kPa范圍內(nèi)，二者峰值強度差值和殘余強度差值隨著正應(yīng)力的增大而逐漸增大。這是因為在小正應(yīng)力下，土工膜表面損傷較小，對土工膜/GCL界面強度的影響較小，說明經(jīng)過小正應(yīng)力剪切作用下的土工膜依然有使用價值；隨著正應(yīng)力的增大，重復(fù)剪切作用使土工膜表面損傷加劇，對土工膜/GCL界面的強度影響隨之變大。

4 結(jié) 論

(1) 多級加荷剪切峰值強度較直接剪切峰值強度小，但二者殘余強度較為接近，土工膜/GCL界面都表現(xiàn)出明顯應(yīng)變軟化特性。

(2) 直接剪切殘余強度與峰值強度比值在63%～74%范圍內(nèi)。多級加荷剪切殘余強度與峰值強度比值在71%～73%范圍內(nèi)。

(3) 在正應(yīng)力為7.1～52.1 kPa，多級加荷剪切與直接剪切峰值摩擦角差值為2.41°，殘余摩擦角差值僅為0.06°，二者峰值強度比值在94%以上，殘余強度比值在95%以上，說明在小正應(yīng)力作用下剪切過的土工膜仍然具有使用價值。

(4) 多級加荷剪切峰值強度和殘余強度破壞包線成雙線性關(guān)系，轉(zhuǎn)折點在正應(yīng)力為102.1 kPa時。隨著正應(yīng)力的增大，重復(fù)剪切造成土工膜/GCL界面峰值摩擦角降低了7.04°，殘余摩擦角降低了3.06°。可見在工程鋪設(shè)中要盡量減少土工膜與其他儀器、材料之間摩擦，才能保障土工膜/GCL界面強度滿足填埋場的穩(wěn)定要求。

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(編輯：黃 玲)

長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所獲得一項實用新型專利

2015年7月8日，長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所研發(fā)的“一種具有人工比測功能的多通道復(fù)用信號自動采集裝置”獲得中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實用新型專利證書。

該裝置通過多通道復(fù)用及嵌入式系統(tǒng)的運用，實現(xiàn)同一裝置自動采集、存儲、傳輸及人工比測多路不同類型傳感器信號，解決工程監(jiān)測設(shè)備采集形式單一、通道數(shù)較少、智能化程度低的問題，具有可靠性高、功能強、效率高的特點。

(摘自：長江水利科技網(wǎng))

Shear Properties of GM/GCL Interface under Multilevel Loading

XU Tian-jie1，LIU Bin-yun1,2，LI Wei-chao3，CAI Hong3

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China;2.Beijing Key Lab of Water Quality Science and Water Environmental Restoration, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China; 3.Department of Geotechnical Engineering，China Institute of Water Resources and Hydropower,Beijing 100037,China)

As an impermeable material, geomembrane (GM) has been widely used in engineering and environmental fields, but the damage during construction will reduce its shear strength. In view of this we conducted multilevel loading and direct shear tests on GM/GCL (geosynthetic clay liner) interfaces using a large size direct shear apparatus. Results show that the peak shear strength under multilevel loading is much lower than that under direct shear, and obvious strain softening of the interface occurs under both shear modes; the peak shear strength and residual strength under multilevel loading are close to those under direct shear when the normal stress is from 7.1 to 52.1kPa; repeated shearing under large normal stress has great damage on geomembrane which leads to a loss of 7.05 ° in terms of peak friction angle and 3.09 ° in terms of residual friction angle when the normal stress is greater than 102.1kPa under multilevel loading.

geomembrane; GCL; multilevel loading；shear strength；strain softening

2014-03-12；

2014-04-21

徐天杰(1988-),男，河南周口人，碩士研究生，主要從事地下防滲材料方面的研究，(電話)15138913103(電子信箱)chinaxtj@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.011

TU411

A

1001-5485(2015)08-0061-04

2015,32(08):61-64