垃圾填埋场封盖及衬里多界面力学特性的研究进展

苏 薇，徐 超，叶为民,2，陈永贵

（1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 教育部城市环境与可持续发展联合研究中心，上海 200092）

垃圾填埋场封盖及衬里多界面力学特性的研究进展

苏 薇1，徐 超1，叶为民1,2，陈永贵1

（1. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；2. 教育部城市环境与可持续发展联合研究中心，上海 200092）

为了人类社会的可持续发展，对产量惊人的生活垃圾进行合理地处置成为世界各国亟待解决的问题之一。垃圾填埋法是符合处置经济性和技术可行性的理想方案。垃圾填埋场投入运营后，如何防止被填埋垃圾及其次生有害物质进入周围环境，是垃圾填埋场设计环节必须考虑的关键问题之一。在城市垃圾填埋场底部衬里系统及封盖系统中设置水力屏障，能有效防止填埋场中所产生的废液、废气向周围环境中迁移。水力屏障通常由土工合成材料与膨润土防水垫或压实粘土组成，形成一个多界面的复合衬里或复合封盖体系。这种多界面力学特性以及潜在薄弱面对垃圾填埋场的稳定性具有控制作用，因此成为业界的研究重点。本文依据填埋场封盖和衬里土工合成材料多界面力学特性的最新研究，对所取得的研究成果进行分析和讨论。

城市环境地质；废弃物处置；垃圾填埋场；复合界面；水力屏障；衬里封盖系统；土工合成材料；多界面力学；膨润土防水垫；非饱和土；研究综述

研究报告显示，我国城市居民每人日均产生垃圾1.2 kg左右，自1979年以来，我国城市生活垃圾产量已达1.52亿吨[1]。此外，工业固体废物也是城市垃圾的主要来源之一。据国家统计年鉴，城市工业固体废物一直呈现逐年增长的趋势。如何有效处置垃圾，不仅是中国面临的巨大问题[2]，更是一个世界各国在发展中共同遭遇的棘手问题。目前，基于处置成本及技术可行性角度，世界各国均倾向于将填埋作为垃圾处置的主要手段，即在铺设有良好防渗性能衬垫的场地上，将可填埋的垃圾分层压实后封存在密闭的垃圾填埋场内，通过有效的防护措施，将垃圾与人类的生存环境隔绝开来。

垃圾填埋场运营期间，被填埋的垃圾经过复杂的生物化学反应，会产生大量废热、废气、废液（渗滤液）[3～5]。工程实践中，为了防止填埋场周围环境受到这些次生有害物质的污染，除了对填埋场进行科学选址[6]，还应开展必要的室内研究[7]，尤其须在城市垃圾填埋场的底部衬里系统以及封盖系统均设置有水力屏障[8,9]。底部衬里系统的主要功能是阻止垃圾渗滤液渗入周围环境、避免地下水入渗和阻止场内废气向周围环境横向迁移；而封盖系统主要是用来降低地表径流、地面降水的入渗量，以使填埋场内可能产生的渗滤液减至最少。水力屏障往往由土工膜与膨润土防水垫（geosynthetic clay liner, GCL）或压实粘土构成，形成一个多界面的复合衬里或复合封盖体系，图1所示为典型的填埋场封盖系统和底部衬里系统结构图[10]。这种多界面力学特性以及潜在薄弱面对垃圾填埋场的稳定性具有控制作用，因此成为业界的研究重点。

图1 垃圾填埋场中底部衬里系统及封盖系统示意Fig.1 Typical components of geosynthetic composite liner and cover systems for municipal solid landfills

自美国加利福尼亚州Kettleman山的有害垃圾填埋场斜坡失效事件后，关于垃圾填埋场封盖系统和底部衬里系统中的复合界面力学特性研究逐渐受到重视[11]。早期关于土工合成材料与其他材料接触面力学特性的研究，主要采用直剪试验或拉拔试验，但这些试验方法存在较大局限性，随后一些研究人员提出了改进的试验方法以探讨复合水力屏障多界面的破坏机制。已有的研究发现，垃圾填埋场复合衬里中多界面力学强度特性与土工材料和土类有关，更受到诸如荷载大小、渗滤液等多种因素的影响。例如土工合成材料的加工工艺会影响组成纤维之间的连结强度及抗拉拔的能力，填埋场内的温度、水化学等条件会影响合成材料的老化速率，应力条件、GCL内膨润土的水化程度等会影响破坏面的迁移等。本文依据填埋场封盖和衬里土工合成材料多界面力学特性的最新研究，对所取得的研究成果进行分析和讨论。

1 垃圾填埋场封盖及衬里系统复合界面强度的试验研究

目前，实验室内大型直剪试验、扭剪试验和斜板试验等材料界面剪切特性研究的常规试验方法，往往只能在一次试验中研究单一界面的强度，对于多层材料组成的复合界面强度研究的试验尚处于探索阶段。本节将基于近些年来国内外学者在该方面的探索成果进行简要综述。

1.1 国外研究进展

（1）直接剪切试验

因设备简单、普及性强，直剪试验和拉拔试验最早用于研究土工合成材料—土界面强度特性的试验研究。但是，这些试验方法难以考虑垃圾填埋场实际运行条件，诸如运行期间场内的应力变化、渗滤液或降雨入渗导致复合层中粘土含水率变化对强度的影响等。因此，这些试验方法只适用于一定的室内试验条件，其结论在工程实践中的实用性和可靠性均有待提高。

图2 改进的直剪试验装置示意Fig.2 Schematic of modified direct shear tester

考虑到在垃圾填埋场实际运行过程中，复合衬里层中的土土工材料/GCL中的膨润土层会随着垃圾场的运行呈现逐渐饱和的趋势，这将涉及到非饱和土力学范畴。因此，在研究复合衬里层界面强度时，Fleming等对直剪试验装备进行了改进[11]（图2），在剪切过程中，可利用安装在界面附近的微型孔压传感器测量孔隙水压力的变化，以达到从有效应力原理和非饱和土力学的角度分析界面强度的目的。

Fleming等在试验中除了引入微型孔压计外，还分别进行了不同含水量或不同干密度GCL（膨润土）的直剪试验，以模拟研究复合衬里层在填埋场运营过程中的破坏机制。研究结果表明，负孔压对界面抗剪强度的变化有十分重要的影响，并且界面剪切破坏机制受法向应力水平控制，如图3所示。在较低的法向应力作用下的剪切过程中，土颗粒在土工合成材料的表面滑动；随着法向应力增加，土颗粒嵌入土工合成材料内，在剪切力作用下颗粒在土工材料表面既存在滑动也具有如犁地一样的刻划作用，致使界面处的摩擦力增大，从而界面抗剪强度增加；当法向应力继续增大时，颗粒的嵌入深度增加，使得其划痕加深。划痕越深，土工材料表面的粗糙度越大。当法向应力达到一定程度后，当土—土工合成材料界面摩擦角大于土内部颗粒之间的摩擦角时，潜在剪切破坏面会从土—土工合成材料界面处转移到GCL的膨润土内部。在图3中的强度包络线上A点，界面剪切强度的变化是由滑动及犁地式刻划共同作用引起的。

图3 土工膜—土界面概化剪切强度包络线Fig.3 Conceptualization of shear strength envelope for geomembrane-soil interface

Fleming等的研究虽对直剪试验有所改进，但仍未摆脱直剪试验束缚的缺陷，每次试验只能确定一个界面的力学参数，而在实际垃圾填埋场的衬里或封盖系统中是多界面同时承受外界因素的影响，因此传统试验不能满足多界面同时受力破坏的研究需求。另外，试验中所采用的微型孔压计只适用于30kPa以内的吸力量测，使得在对饱和土样进行试验时只能使用非粘性土样，致使不能获得粘土在饱和及非饱和状态下与土工合成材料界面的抗剪强度。

（2）环剪试验

Eid利用叠环式扭剪仪，实现了多个界面同时受剪[10]，如图4所示。

试验过程均按照实际填埋场运营期间的应力条件，对不同含水率试样分别施加不同法向应力，使试样在0.015mm/min的变形速率下剪坏，获得了不同条件下剪应力—剪切位移关系和剪切强度—GCL膨润土含水率的关系。

图4 叠环式扭剪仪试验示意Fig.4 Schematic of torsional ring shear specimen container and composite specimens used in testing

研究结果表明：底部复合衬里系统的剪切破坏面分布与法向应力的大小有关。根据法向应力的大小，可分为三种破坏模式（参见图5）：在较低的应力水平下，破坏面位于GCL无纺土工布—土界面；随着应力增大，破坏面转移到糙面土工膜—GCL有纺土工布界面；当法向应力大于300kPa时，破坏面发生在GCL膨润土内部。这一结论正好与Fleming等所得结果一致。试样在较大法向应力下剪切时，还可以观察到GCL层的水化膨润土侵入附近的土工织布内，而且侵入量随法向应力的增加而增大。当破坏面位于GCL无纺土工布—土界面和GCL膨润土内部破坏时，可以观察到无纺土工布部分纤丝和加筋纤维被拉出、拉扯的现象，这将极大地降低GCL的内部抗剪强度。

复合封盖系统剪切破坏面的分布与GCL内膨润土的水化程度或含水率有关（参见图6）。当膨润土含水率较低时，破坏面位于GCL—下覆土层界面；当膨润土含水率大于50%时，破坏面发生在糙面土工膜—膨润土界面。可见破坏面的转移与膨润土含水率有关，即压实粘土水化程度增加，导致粘土强度降低，进而引起破坏面由GCL—下覆土层界面向糙面土工膜—膨润土界面转移。

图5 底部复合衬里层试样在不同法向应力下的破坏模式Fig.5 Applied normal stresses and the associated shear failure surfaces in the tested composite liner specimens

图6 封盖系统复合衬里层试样在不同膨润土含水率下的破坏模式Fig.6 Water contents of unreinforced GCL bentonite and the associated shear failure surfaces of the composite cover specimens

2.2 国内研究进展

施建勇等对垃圾填埋场复合衬里试样分别进行了直剪试验、拉拔试验和单剪试验，基于三种常规试验获得的剪应力—应变关系曲线分析了试样在剪切过程中破坏面随着法向应力变化的发展趋势[12]；并利用自主研制的叠环单剪仪（如图7所示）对国内典型的垃圾填埋场底部衬里材料进行了复合衬里整体剪切变形机理，克服了常规试验的局限，同时使之前的研究结论得到验证和进一步的深化[13]。即：当法向应力较低时（＜112kPa），复合衬里可能在土工网与土工膜间最先发生破坏；随着法向应力增加，破坏面开始向土工膜和压实粘土之间转移；当法向应力较大时（＞336kPa），最危险破坏面转移到土工膜与压实粘土之间。这一研究结论均与国外学者的结论相一致。

图7 叠环式单剪仪示意Fig.7 Schematic of ring simple shear apparatus

图8 SD-28大型斜面直剪仪示意Fig.8 Schematic of SD-28 large-scale inclined direct shear apparatus

通常为了配合填埋场场地渗滤液收集系统的铺设要求，垃圾填埋场场底要求形成整体的相对坡度。因此，为了研究斜坡上复合衬里的剪切特性，施建勇等在自制的叠环式单剪仪的基础上，研制了斜面剪切仪（图8）。通过对场底复合衬里试样进行大型斜面剪切试验，得到试样剪切面上法向应力和剪切应力同时增加的变化规律，揭示了斜坡上复合衬里更为详细的剪切特征：当初始垂直压力大于某一值时，剪切过程中发生了破坏界面由土工网与土工膜界面转移到土工膜与压实粘土界面的现象；当初始垂直压力更大时，土工膜与压实粘土界面的位移明显大于其他界面，并一直增加到土工膜与压实粘土界面破坏[14,15]。

3 GCL与土工膜界面强度的影响因素研究

3.1 GCL水化程度及膨润土侵入量的影响

Eid的试验结果显示GCL膨润土侵入土工合成材料的量及膨润土水化程度对复合衬里强度的影响。Vukelic等通过室内直剪试验专门观察研究了在不同法向应力、不同含水量条件下膨润土侵入量对GCL—糙面土工膜界面强度的影响[16]。将试验用的GCL试样分两种，一种在1kPa法向应力下预先水化；另一种则不进行预先水化。将这两种试样的剪切结果、膨润土在接触面上的侵入量进行了对比分析。

图9 剪切破坏后与预水化GCL接触的土工膜的微型成像Fig.9 The photographs of the contact area of geomembrane after shearing

为了描述膨润土侵入量对界面强度的影响，作者定义压入系数cextru为土工膜上膨润土封盖面积与土工膜和GCL的总接触面积之比。在剪切试验结束后，所有与非预先水化GCL接触的土工膜上cextru接近0；而所有与预先水化GCL接触的土工膜（微型成像见图9）cextru大于0，且cextru随着法向应力增大、剪切速率减小而增大[16]。

剪切速率越小，cextru越大，即膨润土侵入土工膜的量越大，落在土工膜上的膨润土起着润滑的作用，使得界面强度损失越大。而剪切速率对非预先水化GCL—土工膜界面强度影响微小，非预先水化GCL—土工膜界面强度总是大于预水化GCL—土工膜界面强度。

张宏伟等通过对三种不同土工膜与GCL界面进行大型直剪试验，在试验过程中分别用不同的加载水化顺序来模拟不同的实践工况，重点研究了GCL不同加载水化顺序对膨润土挤出及界面强度的影响[17]。结果发现：当土工膜—GCL界面开始剪切时，糙面土工膜表面喷射的粗糙颗粒在较软的GCL表面产生犁沟作用，增加了GCL内部膨润土与土工膜表面的接触；随着剪切的进行，膨润土逐渐积聚在土工膜表面，产生润滑作用使得土工膜—GCL界面强度降低。

3.2 GCL加工工艺、周围溶液的影响

GCL用于填埋场的复合衬里系统中，将面临复杂的水化学环境、温度对其老化及长期力学强度的影响。为此，Müllerd等应用如图10所示的试验装置，研究土工合成材料组分、GCL加工工艺、周围溶液、氧化条件等多重因素影响下GCL的耐久性及长期强度问题[18]。

图10 GCL长期抗剪强度试验装置Fig.10 Long-term shear strength test device

试验装置采用杠杆原理对盛有不同材料组分和加工工艺的加筋GCL试样的楔形试样槽顶面施加43kPa的恒定竖向压力，根据理论计算，试样内部将长期受到17kPa的剪应力作用。施载的同时试样水浴在蒸馏水或自来水中。试验结果表明，加筋GCL的长期抗剪强度主要取决于周围溶液成分。试验中，自来水能满足膨润土进行钠钙离子交换，避免试样在受力状态下发生较大的应变，防止加筋纤维的破坏。发生离子交换的膨润土层和加筋纤维固有的长期抗剪强度大于试验所施加的剪应力，因此在长达3年的试验周期内，水浴在自来水中的加筋GCL并未出现强度破坏。而水浴于蒸馏水中的试样，随着水化程度的增加，钠基膨润土层发生膨胀变形，引起穿过其中的加固纤维出现较大的延展变形，此时加筋GCL的长期强度依赖于加固纤维成分、加工工艺和周围环境温度：GCL中的加筋纤维的锚固端若经过热处理，那么在纤维与土工材料的锚固处会产生脆性破坏；而若未经热处理，GCL的破坏则表现为加固纤维在锚固处松动解开。

4 分析与展望

城市垃圾填埋场内部环境恶劣，复合衬里层和封盖水力屏障的多界面力学性质复杂，同时受各组成材料的加工工艺、周围环境因素、应力条件的影响，使填埋场衬里系统和封盖系统的安全性面临很大的挑战。国内外学者均在垃圾填埋场复合衬里的力学特性上进行了大量的研究工作，并在复合衬里剪切破坏机制方面取得显著成果。最新的研究结果表明：复合衬里中孔压的变化对界面抗剪强度存在显著影响；在复合衬里多界面体系中，最薄弱面将随着GCL中膨润土含水量和应力水平等因素的改变而发生迁移，这些发现有利于人们合理确定稳定性分析中的多界面强度参数。

常规的直剪仪因操作简单，被广泛运用到复合衬里系统的强度研究中，然而其试验条件往往不符合真实的工程环境。因此，国外学者研制和改进了多种剪切仪器进行试验研究；而国内学者的理论研究进展与水平与国外的差距也正在不断缩小。

在填埋场实际的运营过程中，复合衬里层中的压实膨润土会经历由非饱和到饱和的过程，膨润土中吸力随饱和过程的变化，会影响土体内应力状态的变化，进而会影响到土体的力学特性。同时，膨润土在水化过程中，会发生膨胀，对周围环境施加膨胀力，这一现象也可能会影响到整个复合衬里层的力学性质。因此，作为复合衬里层的组成之一，压实膨润土层在水化过程中的力学行为对整个复合层的力学强度的影响，应当作为今后国内外学者的研究重点之一。

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Advances in the investigation of the mechanical properties of landfill multi-layer cover and liner systems

SU Wei1, XU Chao1, YE Wei-Min1,2, CHEN Yong-Gui1
(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering, Ministry of Education of China, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. United Research Center for Urban Environment and Sustainable Development, Ministry of Education of China, Shanghai 200092, China)

Disposing of the increasing amounts of municipal solid waste in an appropriate manner is one of the urgent issues that must be tackled if sustainable development is to be achieved. Landfill is one waste management option that is both economically and technically attractive. However, how best to prevent the waste, and its harmful byproducts, from migrating into the surrounding environment during landfill operations remains a key problem, and requires careful consideration during the design stage of such facilities. A multiple hydraulic barrier consists of geocomposite and geosynthetic clay liner sheets that must be placed in both the cover and liner systems of landfills to prevent contamination of the surrounding environment. The mechanical properties of these composite interfaces and the potential failure surfaces, which are of crucial importance in the safety of the whole landfill, have been the focus of industry research efforts. This paper focuses on recently published research into the mechanical properties of the composite interface in the base liner and cover systems of landfills, and presents related theoretical analysis and discussion.

urban environment geology; disposal of castoff; landfill; composite interface; hydraulic barrier; liner and cover systems; geosynthetics; composite interface mechanics; geosynthetic clay liner (GCL); unsaturated soil; research review

X141

A

2095-1329(2013)04-0033-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.008

2013-10-25

2013-11-18

苏薇(1990-),女,硕士生,主要从事非饱和土研究.

电子邮箱：suweiown@163.com

联系电话：18817879589

国家自然科学基金(41272287);上海市浦江人才计划(13PJD029)