普勇檉，衛(wèi)如春，李旺林，薛 霞

(1. 濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南250022； 2. 山東大學(xué)海洋研究院，山東青島266237)

修建平原水庫能促進(jìn)沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展并緩解水資源供需矛盾，是我國平原省份水利建設(shè)的重要組成部分[1]，但平原水庫的壩基滲漏問題不僅會(huì)導(dǎo)致庫區(qū)附近地下水位抬升，而且會(huì)造成土地荒漠化、土壤鹽堿化，影響下游生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。目前，與傳統(tǒng)工程防滲措施相比，“兩布一膜”復(fù)合土工膜防滲工藝因具備適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，但是，復(fù)合土工膜的防滲效果通常因破損而受到影響[3]。此外，土工膜與土工布(膜布)的熱效應(yīng)不一樣，在焊接時(shí)，容易因焊接溫度不當(dāng)而造成復(fù)合土工膜燙損或虛焊[4]。針對上述缺陷，在水庫建設(shè)中通常選擇分離式復(fù)合土工膜，以此減少土工膜的損傷。

李旺林等[5-6]以“南水北調(diào)工程”東線大屯水庫為原型建造了小型試驗(yàn)水庫，認(rèn)為庫區(qū)滲水形成的壓力氣體會(huì)導(dǎo)致土工膜鼓脹變形，試驗(yàn)研究了土工膜鼓脹壓力下的鼓脹過程及破壞機(jī)理，并把土工膜鼓脹變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為線性、強(qiáng)化、弱化和脹破拉斷4個(gè)階段。吳海民等[7-8]對土工膜雙向拉伸的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，自主研發(fā)了土工膜合成材料雙向拉伸多功能試驗(yàn)機(jī)，對比單、雙向拉伸試驗(yàn)結(jié)果后，認(rèn)為單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果不能直接用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)。束一鳴等[9]模擬不同厚度、不同孔徑的土工膜在水壓作用下產(chǎn)生鼓脹變形，并推導(dǎo)出慢速加壓時(shí)的鼓脹極限荷載計(jì)算公式。

Merry等[10]在研究土工膜單向拉伸的力學(xué)性質(zhì)[11]的基礎(chǔ)上，又研究了土工膜多向拉伸，并推導(dǎo)了土工膜在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力-應(yīng)變方程。Giroud等[12]進(jìn)行了土工膜單向窄條拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)中啞鈴狀土工膜試件拉伸應(yīng)變不均勻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際受力情況不對應(yīng)。de Focatiis等[13]通過拉伸試驗(yàn)，研究了四氟乙烯無織物基材(ETFE)膜的熱響應(yīng)和力學(xué)響應(yīng)，證明溫度對ETFE膜拉伸應(yīng)力、應(yīng)變的影響較大，拉伸速率對ETFE膜拉伸應(yīng)力、應(yīng)變的影響較小。

Charalambides等[14]使用預(yù)測試驗(yàn)變量(如應(yīng)變、壁厚和曲率半徑)的分析程序來推導(dǎo)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表明球形鼓脹試驗(yàn)中，不同曲率半徑、膜厚是影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線的重要因素。Bacas等[15]通過土工布與土工膜大型直剪試驗(yàn)，研究了土工布與土工膜的剪切相互作用機(jī)理，并驗(yàn)證了試驗(yàn)中膜布界面模型的準(zhǔn)確性。

本文中利用自主研發(fā)的鼓脹變形試驗(yàn)設(shè)備，研究不同膜布組合方式對分離式復(fù)合土工膜破壞時(shí)脹破高度、脹破壓力的影響，并探究其復(fù)合性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

球形鼓脹變形試驗(yàn)儀主要由加載系統(tǒng)、基礎(chǔ)平臺和測控系統(tǒng)3個(gè)部分組成(見圖1)。

圖1 球形鼓脹變形試驗(yàn)儀

1.1.1 基礎(chǔ)平臺

基礎(chǔ)平臺由控制平臺、操作平臺和不銹鋼法蘭盤組成。上、下法蘭盤均為不銹鋼圓環(huán)，其內(nèi)徑分別為100、200 mm(見圖2)，在試驗(yàn)時(shí)形成密閉空間并提供環(huán)向約束。加載系統(tǒng)的開關(guān)位于控制平臺中，控制設(shè)備起閉。壓力傳感器連接顯示器后能實(shí)時(shí)顯示試樣的鼓脹壓力。

圖2 不銹鋼法蘭盤

1.1.2 測控系統(tǒng)

數(shù)顯壓力傳感器記錄試樣鼓脹變形時(shí)的鼓脹壓力和脹破時(shí)間，激光位移傳感器記錄試樣鼓脹變形時(shí)的鼓脹高度，高清錄像設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)時(shí)記錄試樣鼓脹破壞過程中的鼓脹壓力和鼓脹高度。以上3個(gè)部分共同構(gòu)成測控系統(tǒng)。

1.1.3 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由三相異步電機(jī)、液壓泵、連桿、液缸和高壓膠管組成(見圖3)。在試驗(yàn)過程中，加載系統(tǒng)通過高壓膠管向基礎(chǔ)平臺上的試樣提供持續(xù)穩(wěn)定的壓力，可以通過控制平臺調(diào)節(jié)加載速率。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分別使用內(nèi)徑為100、200 mm的環(huán)形法蘭盤； 選取“兩布一膜”“一布兩膜”“一布一膜”3類組合方式為實(shí)驗(yàn)組，并選取單、雙層土工膜為對照組。試驗(yàn)數(shù)據(jù)取其8次試驗(yàn)的平均值，試驗(yàn)方案見表1，加載速率均為100 kPa/s。

圖3 加載系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)材料

選擇大屯水庫水平防滲設(shè)計(jì)中使用的土工膜和土工布進(jìn)行分離式復(fù)合土工膜球形鼓脹變形試驗(yàn)，試驗(yàn)材料參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)方案

表2 試驗(yàn)材料參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同膜布組合方式試樣發(fā)生鼓脹破壞時(shí)的脹破壓力、脹破高度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。由圖4(a)可以看出，試樣脹破時(shí)，脹破壓力隨組合方式呈現(xiàn)較明顯的分組特征，其中“膜-布-布”的組合方式承受了最大的鼓脹壓力；其余分組如“膜-布-膜”和“膜-膜-布”組、“布-膜-布”和“膜-布”組、“布-膜-膜”和“雙層膜”組以及“布-膜”、“布-布-膜”和“單層膜”組，每組內(nèi)復(fù)合土工膜試樣承受的脹破壓力基本相同。由圖4(b)可以看出，“雙層膜”“布-膜-膜”這2種頂

(a)脹破壓力(b)脹破高度圖4 不同土工膜與土工布組合方式的復(fù)合土工膜脹破壓力及脹破高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

層為雙層土工膜的組合方式在破壞時(shí)的脹破高度較大，其余組合方式的復(fù)合土工膜試樣的鼓脹高度小于前者的，且數(shù)值上相差較小。

2.2 結(jié)果分析

環(huán)形約束造成分離式復(fù)合土工膜球形鼓脹變形，用分離式復(fù)合土工膜長度的增量與變形前的長度之比來表示土工膜試樣的應(yīng)變，使用根據(jù)薄膜理論推導(dǎo)出的張應(yīng)力計(jì)算公式來代替應(yīng)力計(jì)算公式，即

(1)

(2)

式中：ε為球形鼓脹變形產(chǎn)生的應(yīng)變，%；L為夾具直徑，mm；δ為鼓脹冠頂高度，mm；T為鼓脹變形產(chǎn)生的張應(yīng)力，kN/m；P為鼓脹壓力，MPa。

不同膜布組合方式復(fù)合土工膜試樣發(fā)生鼓脹破壞時(shí)的張應(yīng)力、應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。由圖5(a)可以看出，張應(yīng)力隨著組合方式變化特征與試驗(yàn)結(jié)果中脹破壓力基本對應(yīng)，其中“膜-布-布”的組合方式承受了最大的張應(yīng)力；其余組如“膜-布-膜”和“膜-膜-布”組、“布-膜-布”和“膜-布”組、“布-膜-膜”和“雙層膜”組以及“布-膜”“布-布-膜”和“單層膜”組，每組組內(nèi)土工膜試樣承受的張壓力基本相同。由圖5(b)可以看出，“雙層膜”“布-膜-膜”這2種頂層為雙層土工膜的組合方式在破壞時(shí)的應(yīng)變較大，其余組合方式的土工膜試樣在破壞時(shí)的應(yīng)變較小，且數(shù)值上相差較小。

(a)張應(yīng)力(b)應(yīng)變圖5 不同土工膜與土工布組合方式的復(fù)合土工膜張應(yīng)力及應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1)取法蘭盤內(nèi)徑為100 mm的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比3組不同組合方式的復(fù)合土工膜張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化及鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化，結(jié)果見圖6—8。具體分組如下：第1組為“布-膜”“單層膜”和“布-布-膜”組合，第2組為“膜-布”和“布-膜-布”組合，第3組為“雙層膜”和“布-膜-膜”組合。由圖可以看出，由于液壓能穿透具有滲透性的土工布，因此組內(nèi)各組合方式的復(fù)合土工膜張應(yīng)力隨應(yīng)變變化曲線和鼓脹壓力隨鼓脹高度變化曲線變化趨勢一致，曲線基本吻合，可認(rèn)為直接與壓力介質(zhì)接觸的土工布基本不影響土工膜試樣的力學(xué)性質(zhì)和鼓脹變形的效果，為無效布。

2)由于土工布抗拉強(qiáng)度很大，因此在干濕狀態(tài)下都能保持充分的強(qiáng)度和拉伸性能。由4(a)、5(a)可看出，當(dāng)布位于膜上時(shí)，能充分發(fā)揮土工布高強(qiáng)的特性，為有效布。試驗(yàn)中，“膜-布-布”(有效布層數(shù)為2)組合方式的脹破壓力、張應(yīng)力最大，“膜-布”(有效布層數(shù)為1)組合方式的次之，“單層膜”(有效布層數(shù)為0)組合方式的最小，因此，可以認(rèn)為隨著鼓脹變形有效布層數(shù)的增加，脹破時(shí)能承受的脹破壓力、張應(yīng)力也隨著增加。

“膜-布”“膜-膜-布”2種組合方式的有效布層數(shù)相同，均為1，在發(fā)生脹破時(shí)，“膜-膜-布”組合方式能承受的脹破壓力、張應(yīng)力大于“膜-布”組合方式的，因此認(rèn)為處于有效布層數(shù)相同時(shí)，土工膜層數(shù)越多，脹破時(shí)能承受的脹破壓力、張應(yīng)力越大。

3)由于土工布的塑性低于土工膜的，因此頂層土工布會(huì)約束土工膜變形。由圖4(b)可以看出：布在頂層的試樣在破壞時(shí)的脹破高度較小，如“膜-布”“膜-布-布”；膜在頂層的復(fù)合土工膜試樣在破壞時(shí)的脹破高度相對較大，如“布-膜”“布-布-膜”。

(a)鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化(b)張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化圖6 “布-膜”“單層膜”和“布-布-膜”組合方式的復(fù)合土工膜鼓脹壓力隨鼓脹高度及張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化

(a)鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化(b)張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化圖7 “膜-布”和“布-膜-布”組合方式的復(fù)合土工膜鼓脹壓力隨鼓脹高度及張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化

(a)鼓脹壓力隨鼓脹高度的變化(b)張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化圖8 “雙層膜”和“布-膜-膜”組合方式的復(fù)合土工膜鼓脹壓力隨鼓脹高度及張應(yīng)力隨應(yīng)變的變化

增加土工膜層數(shù)能在一定程度上提高整個(gè)分離式復(fù)合土工膜的塑性。對于土工膜層數(shù)不同的試樣，如“單層膜”試樣的脹破高度低于“雙層膜”，“布-膜”試樣的脹破高度低于“布-膜-膜”，因此可以認(rèn)為，隨著土工膜層數(shù)的增加，復(fù)合土工膜試樣的脹破高度增加。

3 結(jié)論

通過對比不同土工布與土工膜組合方式的分離式復(fù)合土工膜的試驗(yàn)結(jié)果，并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得以下結(jié)論：

1)由于液壓能穿透具有滲透性的土工布，當(dāng)壓力介質(zhì)直接接觸土工布時(shí)，土工布不會(huì)影響整個(gè)復(fù)合土工膜試樣鼓脹變形的力學(xué)性質(zhì)，因此可以把位于直接接觸壓力介質(zhì)一側(cè)的土工布稱作“無效布”，把位于不直接接觸壓力介質(zhì)另一側(cè)的土工布稱為“有效布”。

2)有效布層數(shù)相同時(shí)，復(fù)合土工膜試樣的脹破壓力隨著組合方式中膜的層數(shù)的增加而增大；膜的層數(shù)相同時(shí)，復(fù)合土工膜試樣的脹破壓力隨著組合方式中有效布的層數(shù)的增加而增大；不同組合方式的復(fù)合土工膜在鼓脹變形時(shí)產(chǎn)生的張應(yīng)力具有同樣的特點(diǎn)，即不同組合方式下復(fù)合土工膜的脹破壓力和張應(yīng)力隨土工膜和有效布的層數(shù)增加而增大，呈正相關(guān)。

3)由于頂層土工布約束復(fù)合土工膜試樣變形，因此土工膜在最頂層的試樣的脹破高度會(huì)大于土工布在最頂層的試樣的脹破高度；隨著土工膜層數(shù)的增加，復(fù)合土工膜試樣的脹破高度和應(yīng)變增大。