复合土工膜砂砾料界面摩擦特性研究

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(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

土工膜作为工程防渗处理的一种主要材料[1]，在土石坝的防渗中已广泛使用。土石坝的土工膜(光面土工膜和复合土工膜)防渗型式一般分为土工膜防渗斜墙和土工膜防渗心墙2种类型[2]。防渗斜墙是将土工膜铺设在大坝的上游面；防渗心墙是将土工膜铺设在大坝的中央，作为心墙防渗体使用。当土工膜防渗体位于坝体中央，作为心墙防渗体使用时，对坝坡稳定性没有影响；当土工膜防渗体铺设在大坝的上游面，作为防渗斜墙时，对坝坡的稳定性将有非常大的影响。采用光面土工膜时，用中粗砂作为其垫层，而当使用复合土工膜时，可将其直接铺设在粗粒料上。在校核坝坡土工膜防渗体的抗滑稳定性时，关键是确定土工膜与坝体垫层料之间的界面摩擦参数，为抗滑稳定分析提供必要的参数。

界面摩擦参数通常由拉拔试验和直剪试验确定。现有的试验研究多集中在砂土与土工织物接触面的摩擦参数，对于粒径更大的砂砾料构成的接触面研究较少[3-4]。本文利用Geocomp大型土工合成材料直剪仪(Shear Trac-Ⅱ)开展了砂砾料与土工膜界面直剪摩擦试验研究，讨论了砂砾料级配以及相对密度对界面摩擦特性的影响。最后分析了土工膜与剪切下盒基座间的固定方式对界面摩擦参数的影响。

1 试验材料

界面摩擦直剪试验所用界面摩擦材料为400 g/1.0 mm HDPE/400 g规格的复合土工膜。室内试验测得其厚度为2.28 mm，质量为468 g/m2；纵向拉伸强度为5.74 kN/m，纵向延伸率为70.71%；横向拉伸强度为5.81 kN/m，模向延伸率为95.49%。填料利用2种典型的砂砾料M1与M2模拟现场工况，其级配如表1所示。砾石料M1相对密度控制为0.70，砾石料M2相对密度分别控制为0.70和0.75。

2 试验设备及方法

考虑到砂砾石垫层颗粒尺寸较大，采用常规直剪试验方法将存在较大的尺寸效应，本次试验采用美国Geocomp公司生产的大型土-土工合成材料直剪仪(Shear Trac-Ⅱ)进行试验，如图1所示，试样尺寸为305 mm×305 mm，试样高度为100 mm。

表1 直剪摩擦试验模拟砂砾料的材料粒径组成

图1 大型土-土工合成材料直剪仪(Shear Trac-Ⅱ)

根据最新的中华人民共和国水利行业标准SL235—2012《土工合成材料测试规程》，界面直剪摩擦试验的界面正应力分别选取50，100，150，200 kPa，直剪试验采用应变控制方式，水平位移速率选取为0.5 mm/min。试验过程中采用2种方法固定土工膜与剪切下盒基座：一种是将土工膜底面与基座表面用环氧树脂整体粘结为一体；另一种是利用刚性肋条将土工膜端部压紧固定在基座上。

表2 砂砾料与复合土工膜直剪摩擦试验成果

3 试验结果及分析

3.1 土工膜与粗粒料的界面摩擦特性

3.1.1 土工膜与基座整体粘结

图2 土工膜与基座整体粘结下砂砾料与复合土工膜界面直剪摩擦试验曲线

利用直剪仪试验得到的界面摩擦特性可以表示为σ-τ曲线的形式，直线斜率即为界面摩擦角的正切值tanφ，在纵坐标轴上的截距就是界面黏聚力c。图2(a)至图2(f)分别为复合土工膜(与基座整体粘结)与M1砂砾料(相对密度0.70)、M2砂砾料(相对密度分别为0.70，0.75)的直剪摩擦试验曲线，包括剪应力-水平位移曲线和剪应力-正应力曲线。试验界面的峰值强度在剪应力-水平位移曲线中非常明显，当水平位移为40 mm附近时，表现为峰值强度。对试验数据点进行线性回归即可得到剪应力-正应力曲线，回归效果较好。由回归曲线可知：复合土工膜与M1砂砾石界面摩擦角为22°，界面黏聚力为24.5 kPa。复合土工膜与相对密度分别为0.70，0.75的M2砂砾石界面摩擦角为30.1°，30.9°，界面黏聚力分别为21.5，24.5 kPa。

砂砾样M1，M2在不同干密度下的界面摩擦性状汇总于表2。试验结果表明：砂砾料与复合土工膜的摩擦因数范围为0.404～0.593。且相对密度一定时，粗颗粒含量越高，则摩擦因数越大；在相同级配条件下，相对密度越高，摩擦因子越大。

3.1.2 土工膜横肋压紧固定

图3 土工膜横肋压紧固定下砂砾料与复合土工膜界面直剪摩擦试验曲线

图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为复合土工膜(剪切端横肋压紧固定)与M1砂砾料(相对密度为0.70)、M2砂砾料(相对密度分别为0.70，0.75)的直剪摩擦试验剪应力-正应力回归曲线。由回归曲线可知：复合土工膜与M1砂砾石界面摩擦角为11.8°，界面黏聚力为8.0 kPa。复合土工膜与相对密度分别为0.70，0.75的M2砂砾石界面摩擦角为13.0°，14.3°，界面黏聚力分别为12.4，1.9 kPa。粗颗粒含量和相对密度越高，摩擦因子越大。

3.2 土工膜固定方式讨论

目前各种规程或规范对直剪摩擦试验的要求并不统一，《土工合成材料测试规程》SL/T235—1999中试样固定于木质下盒基座，然而该规范并未详细说明试样的具体固定方式。《公路工程土工合成材料试验规程》中规定基座可以为土质基座、硬木质基座、表面粒度为P80的氧化铝标准摩擦基座或者其他刚性基座。试样前端夹持在剪切区的前面。试样与基座之间用胶粘合。美国ASTM D5321—08在“土工合成材料夹具”一节中指出，夹具应能保持土工合成材料在剪切过程中是平整的，应使得夹持时不应损坏试样，基座材料的选择应充分模拟现场工况，使得试验具有精确性和可重复性。目前对最合适基座材质选择的研究工作还在进行中。通过分别开展端部锚固以及整体粘结在基座上的直剪摩擦试验，得到的界面摩擦角(参见图2、图3)相差可达86%～131%。

因此，建议室内直剪摩擦试验应根据实际工况来选择基座材料及其与土工膜的固定方式。根据工程实践经验，笔者认为采用较大摩擦因数的摩擦基座或者采用与基座整体粘结的方式得到的界面摩擦角比端部锚固得到的界面摩擦角更为合理。

4 结 论

通过开展砂砾料与土工膜界面直剪摩擦试验研究，得到了以下结论：

(1) 相对密度一定时，粗颗粒含量越高，摩擦因数越大；相同级配条件下，相对密度越大，摩擦因数越大。

(2) 分别采用端部固定、整体粘结在基座上的直剪摩擦试验得到的界面摩擦角相差达86%～131%。室内直剪摩擦试验应根据实际工况来选择基座材料以及其与土工膜的固定方式。

参考文献：

[1] 土工合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.(Compilation Committee of the Engineering Application of Geosynthetics. The Engineering Application of Geosynthetics[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2000.(in Chinese))

[2] 王 琦，臧光文.横山水库除险加固工程的安全论证——土工膜与结构面摩擦试验[J].岩土力学，2003,24(增刊)：83-85.(WANG Qi, ZANG Guang-wen. Safety Evaluation for Reinforcement for Hengshan Reservoir: Friction Test Between Geomembrane and Interface [J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(Sup.):83-85. (in Chinese))

[3] 张广禹, 李振灵.西霞院反调节水库复合土工膜摩擦因数研究[J].华北水利水电学院学报,2007,28(1)：32-35.(ZHANG Guang-yu, LI Zhen-ling. Study of the Friction Coefficient of the Composite Geomembrane Core in Xixiayuan Balancing Reservoir[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, 2007, 28(1):32-35.(in Chinese))

[4] 魏红卫，喻泽红，邹银生.土工合成材料加筋土抗剪作用的试验研究[J].水利学报，2005，(5)：555-562.(WEI Hong-wei, YU Ze-hong, ZOU Yin-sheng. Shear Characteristics of Soil Reinforced with Geosynthetic Material [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005,(5):555-562.(in Chinese))