施建勇,李　硯

(1. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京　210098;2. 河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京　210098)

糙面土工膜與無紡土工織物界面剪切強度及表面粗糙度變化規(guī)律

施建勇1,2,李硯1,2

(1. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京210098;2. 河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京210098)

摘要：為了量化糙面土工膜表面粗糙度變化規(guī)律,研制了表面粗糙度測量儀,并進行了不同法向應(yīng)力下糙面土工膜和無紡土工織物界面剪切和對應(yīng)的糙面土工膜表面粗糙度試驗。研究表明,糙面土工膜和無紡土工織物界面剪切強度是由糙面土工膜粗糙凸起和無紡土工織物纖維相互嵌入和拉拽作用產(chǎn)生的,界面的剪切峰值摩擦系數(shù)主要受到法向應(yīng)力的影響,界面強度發(fā)展到殘余強度,糙面土工膜粗糙凸起磨損趨于穩(wěn)定,無紡土工織物纖維定向排列完成。

關(guān)鍵詞：界面剪切強度;粗糙度;糙面土工膜;土工織物;纖維

垃圾填埋場復合襯里界面剪切特性研究從20世紀90年代開始已經(jīng)得到應(yīng)有的關(guān)注[1-3],在界面變形、強度特性宏觀研究成果的基礎(chǔ)上[4-9],研究逐漸向細觀深化[10-13]。Stark等通過糙面HDPE土工膜與無紡土工織物、復合排水網(wǎng)的界面扭剪試驗,得到界面峰值與殘余強度特性,定性地認為剪切應(yīng)力-位移曲線軟化的主要影響因素是無紡布表面的絲絮被拉出或撕斷或平行剪切方向定向排列、糙面HDPE土工膜的表面結(jié)構(gòu)被磨平;Frost等[10]使用光學顯微鏡記錄土工膜試樣剪切界面3個方向表面輪廓變化,引入平均粗糙度Ra,實現(xiàn)了土工膜表面粗糙度變化定量研究的目的;Hebler等[11]通過土工膜和無紡土工織物界面特性的直剪試驗,發(fā)現(xiàn)不同法向應(yīng)力下織物-膜界面具有不同的破壞特征;Kim[12]在土工膜和無紡土工織物界面直剪試驗后,向試驗界面注入高流動性樹脂,待凝固后取下、切片,在顯微鏡下觀測纖維的三維分布,分析剪切對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響;Li等[13]分別進行了無紡土工織物與糙面土工膜界面的分步剪切(incremental shear test)和連續(xù)剪切(continuous shear test)試驗,得到了連續(xù)剪切試驗規(guī)律可以由分步剪切試驗重現(xiàn)這一重要研究成果,表明糙面土工膜表面細觀特性是界面剪切特性的主要控制因素;Muller等[14]通過土工合成材料襯里結(jié)構(gòu)界面長歷時的剪切試驗,示意性提出界面破壞的形態(tài);徐超等[15]通過減小土工膜表面粗糙度,研究了界面剪切強度弱化的規(guī)律;林偉岸等[16]通過界面剪切試驗研究界面強度變化,得到土工膜表面粗糙特性和土工織物表面強度特性共同影響界面強度的規(guī)律。在含土工合成材料襯里結(jié)構(gòu)界面剪切特性研究上,宏觀研究方法比較完善，成果相對豐富,細觀研究處于定性階段,定量分析才開始，但定量研究進程影響對襯里結(jié)構(gòu)界面剪切特性的認識。本文擬通過界面剪切強度變化、剪切前后糙面土工膜表面粗糙度變化,分析界面抗剪力變化過程,提出土工膜表面粗糙度變化分析方法,研究界面剪切發(fā)展機制。

1試驗儀器和方法

1.1試驗材料與儀器

圖1　表面粗糙度測量儀Fig. 1　Apparatus for measuring surface asperity

圖2　表面粗糙度測量計算示意圖Fig. 2　Sketch of measurement and calculation of surface asperity

試驗材料為糙面土工膜和無紡土工布[17],對其界面進行大型直剪試驗研究;剪切盒直徑30 cm;糙面土工膜剪切前后粗糙度變化通過新研制的表面粗糙度儀器測量，該儀器按照ASTMD-7466-08的技術(shù)要求制造[18]。研制的表面粗糙度測量儀器見圖1。圖1中E223針觸式表面輪廓儀是讀取糙面土工膜表面粗糙度的傳感器,其最大量程為1 mm,精度為0.001 mm。試樣表面粗糙度由通過支架梁固定在線性導軌上的表面輪廓儀測讀,支架梁通過步進電機實現(xiàn)沿導軌的運動,粗糙度讀數(shù)的起點、終點位置由水平限位器控制,可以精確定位;表面粗糙度變化由計算機自動采集。

選取基準零點,測讀方向上土工膜表面的最低點與基準零點的高差為Zmin,粗糙點的凸峰與基準零點的高差為Zpi。表面粗糙度測量計算示意圖如圖2所示。

圖3　分步剪切試驗控制點示意圖Fig. 3　Sketch of control points for step shear test

1.2試驗方法與試驗結(jié)果

連續(xù)剪切試驗:剪切試驗選取的法向應(yīng)力σ分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa,進行界面剪切試驗,直至試驗的剪切位移達到80 mm。

分步剪切試驗:對應(yīng)法向應(yīng)力400 kPa、600 kPa、800 kPa、1 000 kPa、1 200 kPa,將連續(xù)剪切試驗中某一法向應(yīng)力下的剪切試驗剪切應(yīng)力-位移峰值曲線分成7個應(yīng)力點,分別為：剪切前1，峰值應(yīng)力二分之一2，峰值應(yīng)力3，峰值應(yīng)力和大位移應(yīng)力平均點4，4點與大位移點應(yīng)力差的三分之一應(yīng)力點5，4點與大位移點應(yīng)力差的三分之二應(yīng)力點6，大位移(80 mm)點7。分步剪切試驗控制點如圖3所示。

分步剪切試驗達到某一應(yīng)力點后,停止試驗,做剪切后土工膜表面粗糙度量測;更換土工膜和土工織物試樣,進行試驗到下一個應(yīng)力點,量測剪切后土工膜的表面粗糙度;直至試驗達到大位移(80 mm)點7,進行剪切試驗后的土工膜的表面粗糙度量測。各試驗方案的剪切應(yīng)力-位移曲線見圖4。

圖4　分步剪切試驗剪應(yīng)力-位移關(guān)系Fig. 4　Curves of shear stress versus displacement in step shear test

表1　峰值剪切強度τp 和殘余剪切強度τr

在圖4中,每個法向應(yīng)力下的分步剪切試驗曲線有較好的重復性,即分步剪切試驗能夠重現(xiàn)連續(xù)剪切試驗的剪應(yīng)力-位移過程,與文獻[13]的試驗結(jié)論一致。同時得到各法向應(yīng)力下對應(yīng)的峰值剪切強度和殘余剪切強度，如表1所示。

將表1中的τp和τr除以法向應(yīng)力,分別得到峰值摩擦系數(shù)和殘余摩擦系數(shù),與文獻[12]結(jié)果對比如圖5所示。

由圖5(a)可見,不同型號(特性)的土工織物和土工膜只對法向應(yīng)力50 kPa以下峰值摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果有影響,在法向應(yīng)力超過50 kPa時,試驗結(jié)果有接近相同的規(guī)律,土工織物和土工膜的特性對峰值摩擦系數(shù)的影響很小;峰值摩擦系數(shù)隨試驗的法向應(yīng)力增加而減小,低法向應(yīng)力時試驗得到的峰值摩擦系數(shù)會達到1.5以上;法向應(yīng)力大于300 kPa時,試驗得到的峰值摩擦系數(shù)約為0.55,且直至法向應(yīng)力達到1 200 kPa時基本保持恒定。

由圖5(b)可見,土工織物和土工膜的特性對殘余摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果有影響,本次試驗沒有得到法向應(yīng)力400 kPa以下殘余摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果;在法向應(yīng)力400 kPa時,文獻[12]殘余摩擦系數(shù)的試驗結(jié)果與本次試驗結(jié)果有明顯的差異。殘余摩擦系數(shù)也隨試驗的法向應(yīng)力增加而減小,低法向應(yīng)力時試驗得到的殘余摩擦系數(shù)會接近1.0,高法向應(yīng)力時試驗得到的峰值摩擦系數(shù)約為0.2。殘余摩擦系數(shù)比峰值摩擦系數(shù)要小。

圖5　峰值摩擦系數(shù)和殘余摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力試驗曲線Fig. 5　Peak and residual friction coefficients versus normal stress

實際垃圾填埋工程中符合襯里的界面都將發(fā)生較大的剪切位移[19],理論分析和設(shè)計計算時應(yīng)取殘余摩擦系數(shù),這樣更符合實際工程條件,也能充分考慮到工程的安全保證。

2試驗結(jié)果分析

根據(jù)剪切應(yīng)力-位移試驗結(jié)果,剪切應(yīng)力峰值后應(yīng)力和峰值應(yīng)力之比與位移關(guān)系為

(1)

式中：τ——剪切應(yīng)力;δ——剪切位移;δp——τp對應(yīng)的剪切位移;k——擬合系數(shù)。

式(1)計算結(jié)果和試驗對比見圖6。由圖6可見,不同法向應(yīng)力作用下試驗得到的τ/τp與位移關(guān)系曲線比較接近,可以近似地進行歸一化處理;式(1)能比較合理地模擬試驗曲線逐漸衰減,直到趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

運用式(1)中的參數(shù)k,進行土工膜表面粗糙度變化與剪切位移的模擬,計算公式為

(2)

式中:CA0——法向壓力作用后剪切前測得的土工膜表面粗糙凸起平均高度;CA——剪切位移δ對應(yīng)的土工膜表面粗糙凸起平均高度;CA0-CA——從剪切開始到剪切位移δ土工膜表面粗糙凸起平均高度的變化值；CAr——剪切位移80 mm時的表面粗糙凸起平均高度[17]。

式(2)計算結(jié)果與不同法向應(yīng)力下試驗結(jié)果對比見圖7。圖7表明:試驗曲線點有些離散,但試驗結(jié)果和計算結(jié)果的總體趨勢有一定的吻合度。隨著剪切位移增加,土工膜表面粗糙凸起平均高度在逐漸減小;在剪切初期,土工膜表面粗糙凸起平均高度減小較快,特別是剪切位移小于10 mm的粗糙凸起平均高度減小較快;而在這個階段,正是土工織物和糙面土工膜界面剪切應(yīng)力由0向峰值發(fā)展的過程,土工膜表面粗糙凸起與無紡土工織物纖維相互嵌入和拉拽,界面的抗剪力在激發(fā),同時也在發(fā)生土工膜表面粗糙凸起的磨損和無紡土工織物纖維的定向排列;剪切應(yīng)力超過峰值后會逐漸減小,無紡土工織物纖維的定向排列基本完成,土工膜表面粗糙凸起平均高度變化也逐漸減緩;剪切位移繼續(xù)增加,土工膜表面粗糙凸起平均高度減小并趨于穩(wěn)定,到CAr,無紡土工織物纖維定向排列完成,土工膜表面粗糙凸起平均高度不再變化。同時,由τ/τp-位移曲線擬合得到的參數(shù)k可以用于式(2)關(guān)于表面粗糙凸起平均高度的計算,即由τ/τp-位移曲線可以得到粗糙凸起平均高度計算參數(shù)k。

圖6　剪切應(yīng)力/峰值剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線Fig. 6　Shear stress/peak shear stress versus displacement

圖7　表面粗糙凸起平均高度變化與剪切位移關(guān)系曲線Fig. 7　Change of average height of surface asperity versus shear displacement

在土工膜與土工織物界面剪切過程中,土工膜表面粗糙凸起一直沒有定量計算方法,關(guān)于界面剪切應(yīng)力發(fā)生—發(fā)展—到達峰值—衰減到穩(wěn)定值過程的機理分析比較缺乏。本文的研究工作粗略地分析了界面剪切應(yīng)力發(fā)展與土工膜表面粗糙凸起的變化過程，更深入的試驗研究還在進行中。

3結(jié)論

按照ASTMD-7466-08的技術(shù)要求,研制了表面粗糙度測量儀器,在進行了系列糙面土工膜和無紡土工織物界面剪切和對應(yīng)的糙面土工膜表面粗糙度試驗分析后,得到以下結(jié)論:(a)糙面土工膜和無紡土工織物界面峰值摩擦系數(shù)主要與試驗的法向應(yīng)力有關(guān),殘余摩擦系數(shù)的影響因素較多,還需要進一步研究。(b)糙面土工膜表面粗糙凸起平均高度隨剪切位移變化規(guī)律可以用指數(shù)函數(shù)表示,參數(shù)k可由τ/τp-位移試驗曲線確定;剪切開始時,糙面土工膜表面粗糙凸起平均高度變化較快;在剪切位移較大時,凸起平均高度趨于穩(wěn)定。(c)糙面土工膜和無紡土工織物界面剪切強度是由糙面土工膜粗糙凸起和無紡土工織物纖維相互嵌入和拉拽作用決定的,經(jīng)歷了發(fā)生—發(fā)展—峰值—殘余過程,界面強度發(fā)展到殘余強度的過程也是糙面土工膜粗糙凸起磨損穩(wěn)定和無紡土工織物纖維定向排列完成的過程。

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Interface shear strength of textured geomembrane with nonwoven geotextile and change pattern of surface asperity

SHI Jianyong1, 2, LI Yan1, 2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:In order to quantitatively investigate the pattern of change of the surface asperity of textured geomembrane, a new apparatus for measuring surface asperity was developed. Interface shear tests of textured geomembrane with nonwoven geotextile under different normal stresses and corresponding tests on the surface asperity of textured geomembrane were conducted. The results show that the interface shear strength of textured geomembrane with nonwoven geotextile is caused by the embedding and pulling actions between textured points of geomembrane and geotextile fabric. The peak interface shear friction coefficient is mainly influenced by normal stress. When the interface shear strength tends to be residual strength, the damage to textured points of geomembrane tends to be stable and the fabric orientation of geotextile is fully achieved.

Key words:interface shear strength; asperity; textured geomembrane; geotextile; fabric

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.005

收稿日期：2015-08-08

基金項目：國家自然科學基金(41172234);高等學校博士學科點專項科研基金(20130094110002)

作者簡介：施建勇(1965—),男,江蘇如皋人,教授,博士,主要從事生活垃圾填埋研究。E-mail:soft-ground@hhu.edu.cn

中圖分類號：TU502

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980(2016)03-0214-05