南水北调中线工程土工合成材料摩擦特性试验分析

田淑娟

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线工程土工合成材料摩擦特性试验分析

田淑娟

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线工程渠道衬砌结构由混凝土板、复合土工膜、水泥砂浆、聚苯乙烯保温板等多种材料组成。渠道设计中为了计算渠道边坡的稳定性，通过室内摩擦试验、模拟现场试验测得了不同保温材料与基土、水泥砂浆（预制、现浇两种）、复合土工膜、混凝土之间等摩擦特性参数。对土工合成材料性能及其与基土、砂浆、混凝土之间的摩擦特性试验方法进行了简述，并对其摩擦特性试验成果进行汇总、分析。结果表明，通过室内摩擦试验测得的土工合成材料与各类基土和砂浆之间的摩擦特性指标可供渠道边坡设计参考使用。

南水北调中线工程；保温材料；复合土工膜；基土；水泥砂浆；混凝土；摩擦特性参数

南水北调中线工程总干渠沿线渠道设计中混凝土衬砌防基土冻胀破坏，成为工程中非常关键的问题。采取保温防冻衬砌结构，是极其有效的设计方案之一。为了保证渠道边坡的稳定，要求拟采用的土工合成材料与渠道边坡的基土、混凝土、水泥砂浆等之间满足一定的摩擦力。为满足渠道稳定分析的需要，通过室内摩擦试验、模拟现场试验测得了不同保温材料与各类基土、水泥砂浆、复合土工膜、混凝土在不同组合条件下的摩擦系数及粘聚力，并对其试验成果进行了分析。

1 主要物理性能

1.1 复合土工膜

复合土工膜是将土工膜和土工织物复合在一起的产品。工厂制造时可以有两种方法：一是将织物和膜共同压成；二是可在织物上涂抹聚合物以形成2层、3层、5层的复合土工膜。

复合土工膜有许多优点：①以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；②以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。

本次试验采用的复合土工膜，单位面积质量为600g/m2。

1.2 聚苯乙烯保温板

又称泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。其单位体积质量18.0～40.0kg/m3，为砂和混凝土的1/100～1/50，属超轻型材料；导热系数（λp）在0.03～0.038kcal／mH·℃之间，吸水率为0.10g/100cm3。其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害等。由于该材料是新型材料，目前在国内水利工程中还没有应用的实例，与其他材料之间的摩擦性能资料参考。

1.3 基土

根据南水北调中线总干渠土的分布情况，本次摩擦特性共取4类，分别为黄土状壤土、壤土、砂壤土和中砂，其物理性质见表1。

表1 基土的物理性质指标

2 摩擦特性试验方法及试样制备

为取得不同材料之间的摩擦特性参数，拟采用两种试验方案。

2.1 室内摩擦试验

摩擦试验使用的仪器DSJ-4型等应变直剪仪，采用自然快剪方法（剪切速率0.6mm/min）取得各种材料之间的摩擦系数。

根据各类粘性土在南水北调中线总干渠渠段上干密度变化范围，结合施工填筑密度综合确定制样密度。

黄土状壤土和壤土试样的干密度1.65g/cm3；砂壤土试样的干密度1.68g/cm3；中细砂按其自然堆积密度制样；砂浆试块按灰、砂比为1∶2进行配置，试块养护28d。试样面积30cm2。

采用4种方案组合进行室内摩擦试验：①光面普通保温板（30kg/m3）与基土、砂浆、复合土工膜之间摩擦；②糙面普通保温板（30kg/m3）与基土之间摩擦；③糙面普通保温板（19.36kg/m3）与基土、砂浆（预制、现浇）、复合土工膜之间摩擦；④预制砂浆与复合土工膜之间摩擦。

2.2 模拟现场试验

根据渠道衬砌结构按3种组合制备成500mm×500mm× 100mm的试块，利用试块本身的自重，观测在不同坡比情况下各种材料间的滑动情况。其坡比分别为1∶3，1∶2.5，1∶2，1∶1.5，1∶1，5个等级。

模具下部采用多层板，为防止底部变形，加龙骨进行支撑。混凝土配比采用水泥∶砂∶骨料（按试验要求采用二级配）为1∶3∶3。砂浆配比采用水泥∶砂为1∶4，先将保温板固定在木制试验台上，然后根据不同组合（混凝土与保温板；混凝土、复合土工膜与保温板；混凝土、复合土工膜、水泥砂浆与保温板）分别进行砂浆抹面（厚30mm）、铺设复合土工膜和现浇混凝土（厚100mm），每种组合制作3个试块，试块养护28d后，进行各种组合材料的不同坡比条件下的模拟现场试验。

3 试验成果整理与分析

3.1 室内摩擦试验成果

按上述4种组合将21组摩擦试验数据汇总于表2。

由表2可知，4类土与保温板之间摩擦系数，在天然状态下随颗粒的变粗而增大。

尹斌[9]、王海燕[10]在玉米上的研究发现，随耕作方式的增加，增产效果越明显，并表现在粒重的差异上，且在吐丝后36 d内深松处理的灌浆速率显著。本研究结果表明，深松45 cm的灌浆速率明显高于深松30 cm、浅旋耕15 cm；灌浆速率在30 000株/hm2时最快，45 000株/hm2次之，60 000株/hm2时最慢，且外缘籽粒灌浆速率明显高于中部籽粒和内部籽粒。徐云姬等[11]在玉米的研究发现，最终粒重表现为果穗上部籽粒最高，中部籽粒次之，下部籽粒最低。这与本研究中的外缘籽粒＞中部籽粒＞内部籽粒相一致。

4类土、水泥砂浆、复合土工膜与保温板之间的摩擦系数随保温板的密度增大而增大。

表2 室内摩擦试验成果汇总

现浇水泥砂浆与保温板之间的摩擦系数比预制水泥砂浆与保温板之间的摩擦系数大。其原因是水泥砂浆在与保温板现浇的过程中，接触面间有一定的粘结力。

预制水泥砂浆与复合土工膜之间摩擦系数大于保温板与复合土工膜之间的摩擦系数。

3.2 模拟现场试验成果

本试验按3种主组合、6种亚组合将21组试验成果汇总于表3。

表3 模拟现场试验成果汇总

3.2.1 预制混凝土与保温板组合

混凝土为光面的4组试验均在坡比为1∶1.09的情况下产生滑动。而混凝土为糙面的4组试验滑动坡比为1∶0.88。该结果表明混凝土的粗糙度直接影响滑动坡比，即混凝土表面越糙，滑动坡比越大。

3.2.2 混凝土、复合土工膜与保温板组合

由于采用了不同密度的保温板，滑动时坡比有所不同：保温板密度为19.36kg/m3时，滑动坡比为1∶0.70；保温板密度为18.11kg/m3时，滑动坡比为1∶1.33。该试验结果表明：两种组合方式均随着保温板密度及表面糙率的增大，滑动坡比也随之增大。

上部预制混凝土与复合土工膜成一体，试验时再与保温板组合：采用不同密度的保温板，滑动时的坡比有所不同。

试验结果表明：随着保温板密度及表面糙率的增大，滑动时的坡比也随之增大。

上部预制混凝土与中部复合土工膜和下部保温板分体组合：当坡比为1∶0.85时，混凝土与复合土工膜产生滑动。表明复合土工膜与保温板的摩擦系数大于复合土工膜与预制混凝土的摩擦系数。

3.2.3 上部混凝土、中部复合土工膜和水泥砂浆与下部保温板组合

该种组合方式进行3组试验，在坡比为1∶1的情况下均未发生滑动。试验结果表明：现浇的混凝土、复合土工膜、水泥砂浆与保温板的整体组合中，各种材料之间有一定的粘结力，在一定的坡比条件下不会滑动。

4 结语

（1）通过室内摩擦试验测得的土工合成材料与各类基土和砂浆之间的摩擦特性指标可供渠道边坡设计参考。

（2）模拟试验表明随着保温板密度及表面糙率的增大，材料之间滑动坡比也随之增大。

（3）模拟试验组数较少，观测时间受到限制，试验数据具有一定的局限性。为了提高试验数据准确性和可靠性，在条件允许的情况下，建议选取几个试验段进行长时间观测的现场试验，以使试验参数更加符合实际情况。

（4）本次试验中，密度为19.36kg/m3的保温板在100kPa压力下，压缩量为10%；在200kPa压力下，压缩量达30%。密度为30.00kg/m3的保温板在100kPa压力下，压缩量为5%；在200kPa压力下，压缩量达20%。

建议在工程设计中，应考虑在渠道水位反复变化时，由于保温板的压缩和复原性，对其上部刚性混凝土接缝所产生的影响。

（5）在南水北调渠道设计中，复合土工膜与保温板采用综合摩擦系数：对于1∶2边坡，要求不小于0.55；对于1∶2.5边坡，要求不小于0.44。本次模拟现场试验测得复合土工膜与保温板之间最小摩擦系数为0.75，具有一定的安全系数，可满足渠道设计要求。

［1］本书编委会.土工合成材料工程应用手册（第二版）［K］.北京：中国建筑出版社，2000.

［2］SL237—1999，土工试验规程［S］.

［3］JGJ98—2000，J65—2000，砌筑砂浆配合比设计规程［S］.

［4］JGJ55—2000，J64—2000，普通混凝土配合比设计规程［S］.

［5］GB50290—98，土工合成材料应用技术规范［S］.

Experimental Analysis of Frictional Characteristics of Geosynthetics in the Channel Design of South-north Water Transfer

TIAN Shu-juan
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Channel lining structure of South-North water transfer is made up of concrete board，composite geomembrane，cement mortar，polystyrene insulation board and etc.For calculating the stability of channel slope，the friction coefficients of various heat insulator with from basic soil，cement mortar（cast on the site or precast），composite geomembrane to concrete are tested.The paper sketches performance of geosynthetics and experimental ways of frictional characteristics between it and basic soil，cement mortar&concrete，collects and analyzes experimental results of frictional characteristics.The results of indoor frictional experiment indicate that the frictional characteristics index on geosynthetics and various basic soil& mortar can be for reference of channel slope design.

South-North water transfer；heat insulator；composite geomembrane；basic soil；cement mortar；concrete；frictional characteristics parameter

TV41

A

1672-9900（2012）02-0058-03

2011-11-07

田淑娟（1965-），女（汉族），天津蓟县人，高级工程师，主要从事工程、水文地质工作，（Tel）022-26154669。