章 玲 玲,林 海

(1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013; 2.南昌大學(xué) 工程建設(shè)學(xué)院,江西 南昌 330031)

0 引 言

防滲結(jié)構(gòu)是城市固體廢棄物填埋場(chǎng)、輸水渠道和水庫(kù)大壩等工程的重要組成部分,以土工膜(GM)和土工膨潤(rùn)土防水毯(GCL)為代表的土工合成材料憑借抵抗不均勻沉降能力強(qiáng)、增加庫(kù)容和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)越來越多地被應(yīng)用到工程當(dāng)中[1-4]。由于復(fù)合防滲襯里通常鋪設(shè)在具有一定坡度的斜坡上,填埋場(chǎng)等工程的整體穩(wěn)定性是工程建設(shè)須考慮的首要因素[5-8]。近幾十年的工程失穩(wěn)案例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),沿土工合成材料界面的滑移破壞為主要破壞型式,因此土工合成材料的界面剪切強(qiáng)度一直是研究的熱點(diǎn)[1,9-11]。GM與針刺GCL共同組成的復(fù)合襯里的防滲效果顯著優(yōu)于壓實(shí)黏土、GM和GCL等單層防滲襯里,然而由于GCL內(nèi)夾膨潤(rùn)土水化后抗剪強(qiáng)度極低及其對(duì)界面的潤(rùn)滑作用,GM/GCL界面和GCL內(nèi)部界面都可能是決定防滲結(jié)構(gòu)滑移穩(wěn)定性的關(guān)鍵界面[9-10]。

為了揭露GM/GCL界面剪切及GCL內(nèi)部剪切強(qiáng)度特性及破壞機(jī)理,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此展開了廣泛且深入的研究,并得到了豐碩的成果[12-16]。例如,土工合成材料剪切試驗(yàn)具有較明顯的尺寸效應(yīng),獲取具有代表性的剪切強(qiáng)度一般要求開展大尺寸(邊長(zhǎng)或直徑大于300 mm)的剪切試驗(yàn)[9-10]。GM+針刺GCL復(fù)合襯里的最危險(xiǎn)界面會(huì)隨著法向應(yīng)力增加從GM/GCL界面轉(zhuǎn)移至GCL內(nèi)部,無論GCL/GM界面強(qiáng)度還是GCL內(nèi)部強(qiáng)度都表現(xiàn)出明顯的峰值和應(yīng)變軟化特性[17-20]。剪切速率對(duì)剪切試驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響,GM+針刺GCL復(fù)合襯里的推薦剪切速率低至0.1 mm/min[10,17]。在對(duì)填埋場(chǎng)等工程中GM+GCL復(fù)合襯里進(jìn)行滑移穩(wěn)定分析時(shí),選取能夠反映復(fù)合襯里剪切強(qiáng)度特性的剪切強(qiáng)度參數(shù)非常重要。通過試驗(yàn)來獲取GCL/GM界面和針刺GCL內(nèi)部界面的剪切強(qiáng)度參數(shù),可能需要花費(fèi)大量的時(shí)間投入且對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的要求較高,這在施工或項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)是難以實(shí)現(xiàn)的。

Qian等[21-23]提出的多楔體極限平衡方法是目前評(píng)價(jià)填埋場(chǎng)襯里界面滑移破壞穩(wěn)定性的代表性方法,然而GM+GCL復(fù)合襯里中最危險(xiǎn)破壞面發(fā)生轉(zhuǎn)換的性質(zhì)給計(jì)算方法的應(yīng)用增加了難度。并且復(fù)合襯里破壞面轉(zhuǎn)換的臨界壓力區(qū)間會(huì)隨著GM和GCL種類等而發(fā)生變化,這進(jìn)一步使得計(jì)算參數(shù)繞不開試驗(yàn)。單組GCL剪切試驗(yàn)中的水化過程一般分為預(yù)水化和法向壓力下水化兩個(gè)步驟,需要花費(fèi)3 d以上的時(shí)間,因此科學(xué)合理地確定GM+GCL復(fù)合襯里剪切強(qiáng)度參數(shù)將為相關(guān)材料的應(yīng)用及工程穩(wěn)定分析提供極大的便利。為了方便工程技術(shù)人員在填埋場(chǎng)穩(wěn)定分析中解決計(jì)算界面選取的難題,并且盡可能減小或適當(dāng)避免GM+GCL復(fù)合襯里剪切試驗(yàn)的耗時(shí)耗力,本文在分析GM+GCL復(fù)合襯里剪切破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出一種簡(jiǎn)便確定剪切強(qiáng)度的方法。

1 土工膜+針刺GCL復(fù)合襯里的剪切破壞模式

相比GM/GCL界面或針刺GCL內(nèi)部界面的單界面剪切試驗(yàn)而言,不限定剪切面的GM+GCL復(fù)合襯里的剪切試驗(yàn)更能真實(shí)地反映復(fù)合襯里在各級(jí)法向壓力下的破壞型式。林海等[19]對(duì)水化針刺GCL+糙面GM復(fù)合襯里的各界面剪切位移發(fā)展規(guī)律和峰值強(qiáng)度等單剪破壞特征進(jìn)行了研究。試驗(yàn)所用針刺GCL由一層有紡布和一層無紡布將約5 kg/m2的鈉基膨潤(rùn)土夾持并采用纖維針刺加筋制成,GCL的無紡布和編織布分別與GM接觸時(shí)的兩種情形能夠全面反映復(fù)合襯里可能的破壞模式。大單剪試驗(yàn)得到的GM+針刺GCL復(fù)合襯里破壞模式如圖1所示,與Fox等[17-18]研究成果類似:無紡GCL+GM復(fù)合襯里的剪切破壞面會(huì)隨著法向壓力的增加從GCL/GM界面轉(zhuǎn)移至針刺GCL內(nèi)部界面。編織GCL+GM復(fù)合襯里的剪切破壞面始終處于編織GCL/GM膜界面,但隨著豎向應(yīng)力的增加,開始出現(xiàn)針刺GCL內(nèi)部的局部破壞。

圖1 GM+針刺GCL復(fù)合襯里的剪切破壞模式Fig.1 Shear failure modes of composited liner composed of GM and needle punched GCL

從圖1可以看出,GM+針刺GCL復(fù)合襯里存在一個(gè)剪切破壞模式轉(zhuǎn)換的臨界豎向應(yīng)力σcr,由于GCL內(nèi)部剪切強(qiáng)度和GCL/GM界面剪切強(qiáng)度必然存在試驗(yàn)離散性,因此臨界法向應(yīng)力σcr常常以一個(gè)區(qū)域范圍的形式存在。例如,無紡GCL+GM復(fù)合襯里的臨界法向應(yīng)力σcr1處于500 kPa附近的范圍,當(dāng)豎向應(yīng)力接近σcr1時(shí),針刺GCL的內(nèi)部位移和GCL/HDPE膜界面位移在剪切過程中以近似相等的速度共同發(fā)展,說明在此壓力范圍內(nèi)復(fù)合襯里中的GCL/GM界面和GCL內(nèi)部界面共同發(fā)生了剪切破壞[19-20]。編織GCL+GM復(fù)合襯里的臨界法向應(yīng)力σcr2處于700～900 kPa附近,要高于針刺GCL無紡面與GM直接接觸的情況。從圖1復(fù)合襯里的剪切強(qiáng)度包線可以看出,峰值強(qiáng)度τp隨σn增長(zhǎng)的速率在σcr2范圍內(nèi)變得平緩很多。復(fù)合襯里的破壞模式將決定土工合成材料襯里邊坡穩(wěn)定分析中計(jì)算界面的選取,由于不同單界面的剪切強(qiáng)度參數(shù)可能存在顯著差異,工程人員理解和掌握GCL+GM復(fù)合襯里的破壞模式是極有必要的。

2 土工膜+針刺GCL復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度特征

林海等[19-20]試驗(yàn)中針刺GCL無紡布側(cè)和編織布側(cè)分別與GM接觸時(shí)的復(fù)合襯里剪切峰值強(qiáng)度包絡(luò)線如圖2所示。GM+GCL復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度與法向壓力之間的關(guān)系為非線性,峰值強(qiáng)度摩擦角隨法向應(yīng)力的增加而減小。在所測(cè)試的所有豎向壓力下,無紡GCL+GM的峰值強(qiáng)度都要高于編織GCL+GM襯里?？傮w而言,非線性公式(1)能夠較好地?cái)M合水化針刺GCL+GM復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度。

圖2 GM+針刺GCL復(fù)合襯里峰值強(qiáng)度及小位移應(yīng)力峰值Fig.2 Peak shear strength and peak shear stress value at small displacement of GM + needle punched GCL composite liner

τp=σntan[φ0-φb·lg(σn/Pa)]

(1)

式中:φ0,φb為試驗(yàn)擬合得到的常數(shù);Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(約為101 kPa)。

然而從圖2中可以看出,采用非線性公式(1)擬合的強(qiáng)度包絡(luò)線在臨界豎向應(yīng)力σcr左右會(huì)略高估復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度。同時(shí),現(xiàn)有填埋場(chǎng)楔體極限平衡分析法通常采用線性強(qiáng)度包絡(luò)線形式來擬合剪切破壞面的峰值強(qiáng)度,即采用類黏聚力和摩擦角兩個(gè)簡(jiǎn)單參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算分析,非線性強(qiáng)度包線在工程人員的計(jì)算分析中使用不夠方便。根據(jù)針刺GCL的剪切破壞機(jī)理試驗(yàn)研究,GM+GCL復(fù)合襯里在很小的剪切位移時(shí)(小于5 mm)應(yīng)力位移曲線上都會(huì)存在一個(gè)應(yīng)力峰值(小位移應(yīng)力峰值)[20]。而小位移應(yīng)力峰值τ1體現(xiàn)了GCL內(nèi)夾水化膨潤(rùn)土的峰值剪切強(qiáng)度,圖2顯示τ1與豎向應(yīng)力σn表現(xiàn)為較好的線性關(guān)系。

考慮到τ1與σn具有較好的線性關(guān)系,水化膨潤(rùn)土的強(qiáng)度可以通過室內(nèi)小型直剪試驗(yàn)獲得。構(gòu)建復(fù)合襯里峰值強(qiáng)度τp與τ1之間的聯(lián)系,有利于工程人員快速直觀地判斷水化GCL+GM復(fù)合襯里的峰值剪切強(qiáng)度范圍。圖2中水化GCL+GM復(fù)合襯里剪切試驗(yàn)得到的τp/τ1與σn之間的關(guān)系如圖3所示。水化GCL+GM復(fù)合襯里的τp/τ1值全部都處于1.4～2.3的范圍內(nèi),文獻(xiàn)[17]的無紡GCL+GM復(fù)合襯里直剪試驗(yàn)所得到的τp/τ1和本文試驗(yàn)結(jié)果很相近。從圖3可以看到:法向壓力小于臨界壓力區(qū)時(shí),τp/τ1隨著σn的增加而增加;τp/τ1的值在接近臨界壓力區(qū)σcr左右時(shí)達(dá)到極大值;而法向壓力高于臨界壓力區(qū)后,τp/τ1隨著σn的增加而減小?？傮w上看τp/τ1的值相對(duì)比較集中,而且在很大的豎向壓力范圍內(nèi)(100～2 200 kPa)滿足條件τp> 1.4τ1。從偏于安全的方面考慮,可以采用1.4τ1作為針刺GCL+GM復(fù)合襯里的剪切峰值強(qiáng)度來進(jìn)行滑移穩(wěn)定性計(jì)算。在此設(shè)想基礎(chǔ)上將復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度代入計(jì)算得到(τp-1.4τ1)/τp< 40%,所以用1.4τ1取代進(jìn)行計(jì)算具有一定的可行性。

圖3 GM+針刺GCL復(fù)合襯里峰值強(qiáng)度與小位移應(yīng)力峰值的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak shear strength and peak shear stress value at small displacement of GM + needle punched GCL composite liner

3 土工膜+針刺GCL復(fù)合襯里的殘余強(qiáng)度特征

水化GCL+GM復(fù)合襯里的抗剪能力在峰值強(qiáng)度后隨著剪切位移的繼續(xù)增加而非線性地減小,在較大的剪切位移后(一般大于150 mm)會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的剪切殘余強(qiáng)度τr。殘余強(qiáng)度反映了某個(gè)界面的剪切強(qiáng)度下限,填埋場(chǎng)中垃圾體降解和邊坡巖土體的滲流濕化等因素都有可能引起邊坡上復(fù)合襯里的蠕變,因此GCL+GM復(fù)合襯里的殘余強(qiáng)度研究具有很強(qiáng)的工程現(xiàn)實(shí)意義。GM/GCL界面及GCL內(nèi)部界面的殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,GCL內(nèi)部或GM/GCL界面都與法向應(yīng)力呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,GM/GCL界面的殘余強(qiáng)度高于GCL內(nèi)部界面。GCL內(nèi)部界面殘余強(qiáng)度主要取決于水化膨潤(rùn)土的剪切強(qiáng)度下限,GM/GCL界面殘余強(qiáng)度除此之外還與GCL夾持土工布類型(無紡或編織)和土工膜性質(zhì)(光面/糙面,土工膜制造工藝方法等)有關(guān)[17,24-25]。從圖4可以看到,GM/GCL界面及GCL內(nèi)部界面的殘余強(qiáng)度都極低,如果僅保守考慮取更低的針刺GCL內(nèi)部殘余強(qiáng)度來代表復(fù)合襯里的剪切強(qiáng)度下限不符合破壞機(jī)理,同時(shí)可能嚴(yán)重低估復(fù)合襯里的滑移穩(wěn)定性。

圖4 GM/GCL界面及GCL內(nèi)部界面的殘余強(qiáng)度Fig.4 Residual shear strength of GM/GCL interface and GCL internal interface

4 土工膜+GCL復(fù)合襯里的強(qiáng)度參數(shù)選取方法

在填埋場(chǎng)等邊坡工程的滑移穩(wěn)定性分析中,土工合成材料界面剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)的確定是前提,而其中GM+GCL復(fù)合襯里的強(qiáng)度參數(shù)選取尤其重要。一般情況下,如果邊坡上的土工合成材料界面剪切沒有表現(xiàn)出明顯的位移軟化特性(如光面GM/土工布界面,土工布/黏土界面等),只需通過試驗(yàn)獲得材料界面的峰值剪切強(qiáng)度即可。而當(dāng)最危險(xiǎn)破壞面表現(xiàn)出明顯的位移軟化特征(例如GM/GCL界面和GCL內(nèi)部界面),則還應(yīng)選取該界面的殘余強(qiáng)度進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算[26]。Stark等[27]建議在填埋場(chǎng)襯墊的設(shè)計(jì)中,背坡上土工合成材料復(fù)合襯墊的穩(wěn)定設(shè)計(jì)選取按照最低峰值強(qiáng)度界面所對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度,而底坡的設(shè)計(jì)只需按照襯墊內(nèi)最低界面峰值強(qiáng)度即可。Stark等[28]對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定分析中設(shè)計(jì)強(qiáng)度的選擇做了進(jìn)一步補(bǔ)充,將設(shè)計(jì)強(qiáng)度選取方法推廣到存在最薄弱滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移的多層復(fù)合襯墊。例如,某土工合成材料復(fù)合襯里內(nèi)含有土工布/土工膜界面、土工膜/黏土界面和土工膜/土工網(wǎng)界面等多個(gè)潛在軟弱滑移面,幾個(gè)界面的峰值剪切強(qiáng)度包絡(luò)線如圖5所示,工程人員應(yīng)采用幾個(gè)界面的峰值強(qiáng)度包線下限段組合(圖中實(shí)線)來代表復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度進(jìn)行滑移穩(wěn)定計(jì)算。GCL和GM作為典型的土工合成材料,水化GCL+GM復(fù)合襯里一般是范圍更大的土工合成材料復(fù)合襯里中的最軟弱環(huán)節(jié),當(dāng)法向應(yīng)力接近破壞面轉(zhuǎn)換的臨界壓力σcr時(shí),復(fù)合襯里的剪切強(qiáng)度會(huì)小于其中的任一單界面剪切強(qiáng)度。因此,將水化GCL+GM復(fù)合襯里作為一個(gè)整體來確定峰值強(qiáng)度更為合理。如圖6所示,填埋場(chǎng)底部襯里通常分為角度平緩的底坡部分和依山而建的背坡部分,Stark等[28]建議在底坡穩(wěn)定計(jì)算分析時(shí),設(shè)計(jì)強(qiáng)度選取復(fù)合襯墊中最薄弱界面的峰值強(qiáng)度包線,而在背坡穩(wěn)定計(jì)算分析時(shí),設(shè)計(jì)強(qiáng)度選取剪切破壞面所對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度。

圖5 土工合成材料復(fù)合襯里峰值強(qiáng)度的選取示意[28]Fig.5 Schematic diagram for peak shear strength selection of geosynthetics composite liner[28]

圖6 基于GM+GCL復(fù)合襯里剪切破壞模式的填埋場(chǎng)分區(qū)Fig.6 Landfill zoning based on shear failure modes of GM+GCL composite liner

綜合前人建議和本文對(duì)GM+GCL復(fù)合襯里剪切強(qiáng)度特性的歸納分析,可以提出一套嚴(yán)謹(jǐn)合理且簡(jiǎn)便易行的剪切強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)選取辦法。根據(jù)GM+GCL復(fù)合襯里的破壞模式將填埋場(chǎng)襯里分為低法向應(yīng)力區(qū)、過渡法向應(yīng)力區(qū)和高法向應(yīng)力區(qū)(見圖6),考慮GM+GCL復(fù)合襯里的破壞面轉(zhuǎn)移特征和峰值后軟化特征,穩(wěn)定分析采用的計(jì)算參數(shù)確定按不同應(yīng)力區(qū)和底/背坡來分別確定。對(duì)于填埋場(chǎng)底坡位置的復(fù)合襯里,采用復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度進(jìn)行滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算,采用近似的峰值強(qiáng)度τp=nτ1(n為常數(shù)),n不應(yīng)大于剪切試驗(yàn)得到的τp/τ1最小值(本文GCL材料可取n=1.4),τ1相當(dāng)于摩擦角為10°～12°的水化膨潤(rùn)土峰值強(qiáng)度。如此一來,GM+GCL復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度可以非常容易地確定,該方法還可以保證復(fù)合襯里具備一定的安全儲(chǔ)備。對(duì)于填埋場(chǎng)的背坡部分,考慮到許多不定因素(長(zhǎng)期沉降、蠕變或應(yīng)力松弛等)可能會(huì)導(dǎo)致襯里變形進(jìn)入后峰值軟化階段,設(shè)計(jì)分析時(shí)選擇復(fù)合襯里剪切破壞面對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度。對(duì)于背坡上復(fù)合襯里σn<σcr的區(qū)域(低法向應(yīng)力),GCL/GM界面為剪切破壞面,穩(wěn)定分析時(shí)的剪切強(qiáng)度選擇GCL/GM界面剪切殘余強(qiáng)度;對(duì)于背坡上復(fù)合襯里σn≥σcr的區(qū)域(過渡法向應(yīng)力區(qū)和高法向應(yīng)力區(qū)),此時(shí)針刺GCL內(nèi)部界面會(huì)成為剪切破壞面,并且GCL內(nèi)部剪切殘余強(qiáng)度要比GCL/GM膜界面剪切殘余強(qiáng)度還要小,因此穩(wěn)定分析時(shí)的剪切強(qiáng)度應(yīng)選擇針刺GCL內(nèi)部界面剪切殘余強(qiáng)度。在上述確定方法中,復(fù)合襯里剪切強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)不僅考慮了滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移性質(zhì),并且安全性方面也是偏于保守,符合工程安全分析的要求。

5 結(jié) 論

(1) 邊坡滑移穩(wěn)定分析中,GM+GCL復(fù)合襯里的剪切強(qiáng)度參數(shù)選取需要考慮破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界法向應(yīng)力、底坡或背坡的位置及材料界面剪切強(qiáng)度的峰值后軟化特性。填埋場(chǎng)平緩底坡處的GM+GCL復(fù)合襯里推薦采用峰值強(qiáng)度進(jìn)行分析,具有較大坡度的背坡位置的復(fù)合襯里推薦采用殘余強(qiáng)度進(jìn)行分析。

(2) GM+GCL復(fù)合襯里的峰值強(qiáng)度τp可以近似地采用小位移峰值應(yīng)力τ1的倍數(shù)獲取,倍數(shù)關(guān)系不大于剪切試驗(yàn)得到的τp/τ1最小值,τ1也可以采用摩擦角為10°～12°的水化膨潤(rùn)土峰值強(qiáng)度來簡(jiǎn)便獲取近似取值。采用本文簡(jiǎn)便方法進(jìn)行實(shí)際工程分析時(shí),建議開展少量適當(dāng)?shù)腉M+GCL復(fù)合襯里大尺寸剪切試驗(yàn)來進(jìn)行佐證。

(3) 填埋場(chǎng)背坡位置處GM+GCL復(fù)合襯里的殘余強(qiáng)度τr根據(jù)復(fù)合襯里破壞模式轉(zhuǎn)變的臨界法向應(yīng)力來選取,對(duì)小于臨界法向應(yīng)力的區(qū)域開展穩(wěn)定分析時(shí)復(fù)合襯里采用GCL/GM界面剪切殘余強(qiáng)度,對(duì)接近或高于臨界法向應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)復(fù)合襯里采用GCL內(nèi)部剪切殘余強(qiáng)度。