黃浩,王支華,姜海波,王海娟

(1 新疆新華鏨高水電開發(fā)有限公司,新疆 喀什 844700;2 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003)

復(fù)合土工膜的材質(zhì)柔軟且伸長(zhǎng)率大,能適應(yīng)相對(duì)較大的變形,同時(shí)還具有設(shè)計(jì)方便、抗?jié)B效果更好、施工效率更好、造價(jià)更低的優(yōu)勢(shì),因而在包括圍堰、堤壩、引水渠在內(nèi)的各類水利工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用[1-2]。在水利工程中,復(fù)合土工膜通常與墊層、水穩(wěn)層、過渡層等組成復(fù)合防滲結(jié)構(gòu),但由于復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)界面的抗剪強(qiáng)度小于各材料結(jié)構(gòu)本身的抗剪強(qiáng)度,很容易在復(fù)合土工膜與墊層、襯砌結(jié)構(gòu)之間形成滑裂面,破壞復(fù)合土工膜防滲體,從而導(dǎo)致建筑物失穩(wěn)和變形[3],由此可知復(fù)合土工膜與墊層材料、襯砌結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)理直接關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

為了研究復(fù)合土工膜與墊層材料界面的相互作用機(jī)理及其強(qiáng)度特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)方法進(jìn)行了較多的研究,取得了不少重要的研究成果。Izgin等[4]通過斜板和直剪試驗(yàn)對(duì)不同密度的砂與HDPE土工膜之間的界面剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析;Ling等[5]通過直剪試驗(yàn)對(duì)塑性指數(shù)在35%～100%之間的黏土和表面光滑度不同的PVC土工膜之間的相互作用進(jìn)行了研究;Dejong等[6]利用室內(nèi)直剪試驗(yàn)對(duì)超固結(jié)狀態(tài)的砂土與土工膜界面的相互作用和材料損傷進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析了界面摩擦系數(shù)的變化特征;楊武等[7]采用現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)等多種方法,研究并分析了復(fù)合土工膜與各種墊層材料的界面摩擦特性;施建勇等[8]研發(fā)了表面粗糙度測(cè)量?jī)x,可精確測(cè)得土工膜粗糙度變化。

復(fù)合土工膜與墊層材料、襯砌結(jié)構(gòu)界面摩擦剪切特性的測(cè)試大多采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)的方法[9-10],重點(diǎn)分析復(fù)合土工膜與墊層材料、襯砌結(jié)構(gòu)的摩擦剪切特性,為復(fù)合土工膜防滲體的設(shè)計(jì)與施工提供參考[11]。然而,實(shí)際工程中復(fù)合土工膜出現(xiàn)破壞的比例超過七成,其中土工膜下墊層和施工機(jī)械為主要破壞原因[12]。土工膜破損后會(huì)引起膜后墊層材料浸潤(rùn)線抬升,膜后墊層材料的含水率增大,降低了復(fù)合土工膜防滲體的抗剪強(qiáng)度,對(duì)復(fù)合土工膜防滲體的安全造成隱患[13]?？梢娔ず髩|層材料含水率是影響界面強(qiáng)度的重要因素之一,而現(xiàn)有的研究卻忽略了這一影響,導(dǎo)致無(wú)法對(duì)運(yùn)行工況下復(fù)合土工膜防滲體的穩(wěn)定性進(jìn)行精確的分析和計(jì)算,因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本文采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)的方式,對(duì)不同含水率條件下的墊層材料與復(fù)合土工膜的摩擦剪切特性進(jìn)行研究,分析復(fù)合土工膜-砂礫石墊層界面的摩擦特性,重點(diǎn)探究墊層材料含水率對(duì)界面摩擦特性的影響和不同含水率條件下的界面強(qiáng)度特性,旨在為復(fù)合土工膜防滲體在特大流量引水渠道工程中的應(yīng)用提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 試驗(yàn)儀器、材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

復(fù)合土工膜與不同含水率墊層材料界面的直剪摩擦試驗(yàn)采用TZY-1型土工合成材料綜合測(cè)定儀(圖1),其中包括上剪切盒、下剪切盒、法向應(yīng)力施加系統(tǒng)及其剪切力施加系統(tǒng)。法向應(yīng)力采用高精度調(diào)壓閥和滾動(dòng)隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)提供,剪切力采用應(yīng)變控制加荷方式。數(shù)據(jù)處理由8031單片微機(jī)控制,數(shù)據(jù)采集速度10次/s,自動(dòng)打印應(yīng)力-應(yīng)變曲線或應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線,可自動(dòng)判斷峰值。

圖1 直剪摩擦試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用規(guī)格為(250 g/m2)/0.6 mm/(250 g/m2)的兩布一膜復(fù)合土工膜,其基本力學(xué)性能如表1所示。輸水渠道復(fù)合土工膜防滲體為現(xiàn)澆混凝土板(10～12 cm)+兩布一膜+砂礫石水穩(wěn)墊層(10 cm)。為真實(shí)測(cè)定特大流量引水渠道復(fù)合土工膜的力學(xué)特性,在工程現(xiàn)場(chǎng)分別抽取2組復(fù)合土工膜,對(duì)復(fù)合土工膜的的拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率、頂破強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。通過工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,選取4種不同含水率(0%、3%、6%、8.5%)的墊層材料,并進(jìn)行復(fù)合土工膜與不同含水率墊層材料的直剪摩擦試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用復(fù)合土工膜力學(xué)性能

試驗(yàn)用墊層材料取自新疆某地特大流量引水渠道的砂礫石料場(chǎng),為工程現(xiàn)場(chǎng)的墊層篩分料。墊層材料顆粒棱角清晰,顆粒粒徑小于0.1 mm的含量小于5%。砂礫石墊層料因透水性強(qiáng),具有自由排水能力,為了控制其含水率,采用現(xiàn)場(chǎng)灑水增濕,提高砂礫石墊層料的含水率,實(shí)測(cè)砂礫石墊層的平均含水率在2.6%～8.6%。墊層材料的干密度在工程現(xiàn)場(chǎng)采用壓實(shí)度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。墊層材料的力學(xué)性質(zhì)通過工程現(xiàn)場(chǎng)的擊實(shí)試驗(yàn)、靜荷載試驗(yàn)測(cè)定。試驗(yàn)用墊層材料的物理性質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)用墊層材料的物理性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2組平行試驗(yàn),每組試驗(yàn)4個(gè)試樣。根據(jù)TZY-1型土工合成材料綜合測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)原理,先在儀器下剪切盒內(nèi)鋪設(shè)不同含水率(0%、3%、6%、8.5%)的砂礫石墊層材料,然后在剪切盒中部放置復(fù)合土工膜,同時(shí)將其固定于下剪切盒上,最后在上剪切盒鋪設(shè)剪切材料,通過加壓板固定,法向應(yīng)力設(shè)置為100、200、300、400kPa。剪切時(shí)的速率始終保持為5 mm/min,試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為20 ℃,上下浮動(dòng)不超過2 ℃。通過試驗(yàn)可得出相應(yīng)的剪切力-剪切位移曲線,再由這些曲線得出相應(yīng)的剪應(yīng)力-位移曲線和不同狀態(tài)下界面的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合土工膜與墊層界面的直剪摩擦特性

不同法向應(yīng)力作用下復(fù)合土工膜與不同含水率砂礫料墊層界面之間的剪切力-剪切位移曲線(圖2)顯示:

圖2 復(fù)合土工膜與不同含水率墊層材料界面間的剪切力與位移曲線

(1)界面剪切力-剪切位移曲線經(jīng)歷了彈性、彈塑性和殘余強(qiáng)度3個(gè)階段,呈現(xiàn)明顯的非線性特征,并且隨著界面剪切位移的增大,剪切位移在0.6～0.8 mm附近時(shí)進(jìn)入彈塑性階段,剪切位移在9～11 mm附近時(shí)進(jìn)入殘余階段。試驗(yàn)中界面作用力發(fā)生了改變,從初始時(shí)的單一靜摩擦力變成滑動(dòng)摩擦力及復(fù)合土工膜與墊層材料間的咬合力。

(2)不同法向應(yīng)力作用下復(fù)合土工膜與不同含水率(0%、3%、6%、8.5%)的墊層材料剪切力-剪切位移曲線的變化趨勢(shì)大致相同;法向應(yīng)力保持不變時(shí),隨著墊層含水率的增大,墊層界面的剪切力-剪切位移曲線整體具有明顯的下降,干燥(含水率0%)墊層界面具有較高的剪切力,并且隨著墊層材料含水率的增大,峰值剪力逐漸明顯的降低。對(duì)同一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及分析,墊層材料的含水率從0%增大到8.5%,界面峰值剪力最大降幅達(dá)21.71%和21.50%,這說明含水率的變化對(duì)復(fù)合土工膜與墊層界面的剪切強(qiáng)度有顯著的影響。

參考文獻(xiàn)[14]中的修正方法,將傳統(tǒng)直剪儀測(cè)得的名義剪切應(yīng)力值代入修正公式,計(jì)算得出界面剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線(圖3)顯示:

圖3 界面殘余強(qiáng)度變化規(guī)律

(1)隨著法向應(yīng)力的不斷增大,界面剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)先逐漸上升后緩慢下降的趨勢(shì),具有明顯的峰值強(qiáng)度,當(dāng)水平位移為9～11 mm附近時(shí)達(dá)到界面峰值強(qiáng)度;達(dá)到峰值強(qiáng)度后,隨著剪切位移的持續(xù)增大,界面剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)先緩慢下降、逐漸趨于穩(wěn)定,具有明顯的殘余強(qiáng)度特征,殘余強(qiáng)度大致為峰值強(qiáng)度的80%～90%。

(2)復(fù)合土工膜與不同含水率墊層材料界面的抗剪強(qiáng)度特性具有明顯的非線性特征,界面強(qiáng)度經(jīng)歷了彈性、彈塑性和殘余強(qiáng)度3個(gè)階段。第1個(gè)階段為彈性階段,界面強(qiáng)度主要來(lái)源于界面靜摩擦力,呈線性分布;隨著剪切位移增大,界面剪切強(qiáng)度特性進(jìn)入第2個(gè)階段彈塑性階段,界面作用力變?yōu)榻缑嬷g的滑動(dòng)摩擦力和咬合力,界面剪切強(qiáng)度呈非線性分布;在界面強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后,便進(jìn)入第3個(gè)階段殘余強(qiáng)度,此時(shí)隨著剪切位移的逐漸增大,界面剪應(yīng)力便逐漸減小。

2.2 界面強(qiáng)度特征

2組平行試驗(yàn)的界面峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度變化規(guī)律見圖4。

圖4 界面強(qiáng)度變化規(guī)律

由圖4可知:當(dāng)含水率逐漸增大時(shí),復(fù)合土工膜與不同含水率砂礫料墊層結(jié)構(gòu)的界面峰值強(qiáng)度呈明顯減小的趨勢(shì)。

(1)當(dāng)含水率一定時(shí),隨著法向應(yīng)力的增大,界面峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性增大的趨勢(shì);當(dāng)豎向正應(yīng)力一定時(shí),隨含水率的增大,界面峰值強(qiáng)度呈非線性減小的趨勢(shì)。在同一組試驗(yàn)中,法向應(yīng)力為400 kPa、含水率從0%增大到8.5%時(shí),界面峰值強(qiáng)度從20.50 kPa減小到16.05 kPa,減小幅度達(dá)21.71%,為最大降幅。

(2)在含水率變化時(shí)界面殘余強(qiáng)度的變化有相同的規(guī)律;含水率保持不變時(shí),隨著豎向正應(yīng)力的增大,界面殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性增大的趨勢(shì)。當(dāng)法向應(yīng)力一定時(shí),隨著含水率的增大,界面殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)。在同一組試驗(yàn)中,法向應(yīng)力為400 kPa,含水率從0%增大到8.5%時(shí),界面殘余強(qiáng)度從18.75 kPa減小到14.50 kPa,減小幅度達(dá)22.67%,為最大降幅。

綜合上述界面峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律及分析可知:墊層含水率對(duì)界面強(qiáng)度特性具有較大的影響。因此,在復(fù)合土工膜防滲體設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注界面強(qiáng)度特征。

3 討論

(1)本文試驗(yàn)研究結(jié)果表明:墊層含水率變化對(duì)界面抗剪強(qiáng)度特性具有較大影響,隨著墊層材料含水率的增大,界面峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有顯著降低;在砂礫石墊層材料含水率為6%～8.5%的直剪試驗(yàn)中,隨著法向應(yīng)力的增大,剪切盒邊緣出現(xiàn)了排水現(xiàn)象,表明在法向應(yīng)力作用下膜后有孔隙水壓力存在,導(dǎo)致界面抗剪強(qiáng)度明顯下降。這說明墊層含水率對(duì)界面剪切強(qiáng)度有較大的影響,表現(xiàn)為膜后砂礫石墊層材料水分對(duì)界面強(qiáng)度具有“潤(rùn)滑效應(yīng)”,因此,在實(shí)際工程和復(fù)合土工膜防滲體強(qiáng)度特性的設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注膜后墊層材料含水率的影響。

(2)參考文獻(xiàn)[9-10]的研究成果,在復(fù)合土工膜防滲體中土工布增強(qiáng)了復(fù)合土工膜與建筑材料分子鏈間的作用力,布界面與建筑材料間存在部分交織作用,具有一定的咬合力,破壞面主要發(fā)生在復(fù)合土工膜與下墊層材料之間[9],而在剪切過程中復(fù)合土工膜-墊層材料的界面應(yīng)力表現(xiàn)為摩擦應(yīng)力、部分剪切應(yīng)力以及織物的剝離應(yīng)力[10]。從本文試驗(yàn)結(jié)果與分析可知,在相同的工況下隨著墊層材料含水率的增大,界面峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì),膜后水分對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的“潤(rùn)滑效應(yīng)”體現(xiàn)為界面摩擦角的減小,從而導(dǎo)致了界面抗剪強(qiáng)度的弱化,易在復(fù)合土工膜與下墊層間產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,這與文獻(xiàn)[15]研究的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合土工膜與墊層界面的剪切特性經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性和殘余強(qiáng)度三個(gè)階段,呈現(xiàn)明顯的非線性特征;隨著界面剪切位移的增大,位移在0.6～0.8 mm附近時(shí),進(jìn)入彈塑性階段;剪切位移在9～11 mm附近時(shí),進(jìn)入殘余階段。

(2)膜后含水率的變化對(duì)復(fù)合土工膜與墊層界面抗剪強(qiáng)度具有顯著影響。隨墊層含水率的增大,界面峰值抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度呈非線性減小的趨勢(shì);墊層材料的含水率從0%增大到8.5%,界面峰值抗剪強(qiáng)度最大降幅達(dá)到了21.71%和21.50%。

(3)在相同的工況下,隨著墊層材料含水率的增大,界面峰值抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì),膜后水分對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的“潤(rùn)滑效應(yīng)”體現(xiàn)為界面摩擦角的減小,導(dǎo)致復(fù)合土工膜與下墊層間產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,在復(fù)合土工膜防滲體的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)對(duì)此重視。