土工膜/GCL界面多级加荷剪切性能的试验研究

徐天杰，刘斌云,1b，李维朝，蔡 红

(1.北京工业大学 a.建筑工程学院； b.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124；2. 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100037)

土工膜/GCL界面多级加荷剪切性能的试验研究

徐天杰1a，刘斌云1a,1b，李维朝2，蔡 红2

(1.北京工业大学 a.建筑工程学院； b.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124；2. 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100037)

土工膜作为一种防渗材料已广泛应用于工程和环保领域，但在施工铺设过程中的损伤会降低其抗剪强度。利用大型直剪仪进行土工膜(GM)与膨润土防水毯(GCL)界面多级加荷剪切与直接剪切试验,探究加载对土工膜抗剪强度的影响。试验结果表明：多级加荷剪切峰值强度较小于直接剪切峰值强度，2种剪切方式界面均表现出明显的应变软化特性；正应力为7.1～52.1 kPa时，多级加荷剪切峰值强度和残余强度分别与直接剪切峰值强度和残余强度均较为接近；大正应力下的重复剪切对土工膜损伤有较大影响，当正应力大于102.1 kPa，多级加荷剪切峰值摩擦角降低了7.05°，残余摩擦角降低了3.09°。

土工膜；GCL；多级加荷；剪切强度；应变软化

1 研究背景

现在的卫生填埋场越建越大，一旦失稳，不仅会严重污染环境，还会造成巨大的经济损失和人员伤亡。复合衬垫系统作为现代填埋场的重要组成部分，一般由土工复合排水网、土工膜(GM)、膨润土防水毯(GCL)、压实黏土等材料组成，可以起到很好的防渗作用。但由于复合衬垫系统分层组成，各层材料界面之间的剪切强度较弱，容易导致填埋场沿衬垫系统平移而产生破坏[1-4]。因此研究以土工合成材料为主要组成的复合衬垫系统界面剪切特性，对于分析填埋场稳定性具有重要的工程意义。

国内外许多学者[5-9]对土工膜/GCL界面特性进行了大量的直剪试验研究，分析了正应力大小、剪切速率、材料性质、尺寸大小、边界条件、试验条件等因素对试验结果的影响。但是在实际工程中，土工膜的铺设很容易受到施工机械和其他工具的刮擦，破损处会得到修补，擦痕损伤往往被忽视，而铺设过程中擦痕损伤几乎是难免的。

本文是在现有文献资料的基础上，采用室内大型直剪仪，进行土工膜与GCL多级加荷剪切与直接剪切之间的摩擦特性试验研究，比较多级加荷剪切与直接剪切之间的结果，得到一些有价值的结论。

2 试验材料、设备及试验方法

2.1 试验材料

本文试验所用到土工合成材料为：①由加拿大索玛国际土工材料有限公司生产的双糙面2.0 mm HDPE土工膜，加糙方式为喷着法；②GCL是有无纺土工织物(单位面积质量105 g/m2)与有纺土工织物(单位面积质量200 g/m2)之间夹封钠基膨润土颗粒(单位面积质量4 500 g/m2)通过针刺缝合而成，由泰安宏源土工材料有限公司生产。

2.2 试验设备

试验采用大型直剪仪，该仪器由Geocomp公司制造，主要用于土工合成材料之间界面和土体本身的剪切试验以及土工合成材料/土体间的剪切试验，其剖面图如图1所示。

图1 大型直剪仪示意图Fig.1 Schematic diagram of the shear apparatus

图1中，上剪切盒尺寸为305 mm×305 mm×100 mm。下剪切盒可放置刚性钢板以用来支撑土工合成材料。同时为保持在剪切过程中界面接触面积的恒定，下剪切盒沿剪切方向比上剪切盒长100 mm。竖向压力和竖向位移可由垂直传感器量测，剪切应力和水平位移由水平传感器量测。所有的数据均可在仪器控制面板实时显示，同时通过仪器数据采集系统在电脑上显示以及存储。剪切动力装置带有微步马达，可以保持仪器频率稳定,满足试验的精度要求。

2.3 试验方法

试验步骤主要参照土工合成材料测试标准(ASTM) D5321规范，并结合具体大型直剪仪的操作规程进行。土工膜沿仪器剪切方向切成500 mm×350 mm长方形，通过下剪切盒锚固系统固定于下剪切盒上。GCL切成350 mm×305 mm的长方形，通过上剪切盒锚固系统固定于上剪切盒上。

每组试验的竖向正应力一般选7.1～402.1 kPa。先施加竖向正应力使砂样固结，固结完成后剪切。为了避免剪切过程中土工合成材料界面与剪切盒产生摩擦而影响试验结果，剪切开始前开缝。试验的剪切速率保持在3 mm/min。最大剪切位移70 mm。试验结束后，观测并记录土工膜界面损伤情况。

3 试验结果

3.1 应力-应变关系

土工膜/GCL界面直接剪应力-剪切位移曲线如图2所示。

由图2(a)可知，各曲线出现了峰值强度和残余强度，有明显的应变软化现象。剪应力-剪切位移曲线大致分3个阶段：①在剪切位移0～2 mm内，剪应力随着剪切位移增加而迅速增加，基本上成线性关系；②随着剪切位移的增大，剪应力增速变缓直至峰值出现；③随着剪切位移的继续增大，剪应力逐渐降低，直至出现残余强度。当剪切位移在60 mm左右时，不同正应力下的剪应力都已经趋于稳定。

由图2(b)可知，土工膜/GCL界面多级加荷界面。应力-应变规律与土工膜/GCL界面直接剪切较为相似，有明显的应变软化现象，出现峰值强度与残余强度。当剪切位移在50 mm时，剪应力减小幅度基本稳定。

(b) 多级加荷剪切

3.2 剪切强度

土工膜/GCL界面多级加荷剪切与直接剪切的峰值强度和残余强度破坏包线如图3所示。强度参数如表1所示。

图3 土工膜/GCL界面强度破坏包线Fig.3 Strength envelopes of GM/GCL interface

表1 土工膜/GCL界面强度参数Table 1 Shear strength parameters of GM/GCLinterface

图4 土工膜/GCL界面残余强度与峰值强度比值Fig.4 Ratio of residual strength to peak shear strength for GM/GCL interface

由图3可知，直接剪切峰值强度和残余强度破坏包线成良好的线性关系。峰值摩擦角为21.09°，残余摩擦角为13.64°，残余强度达到峰值强度的63%～74%(图4)。多级加荷剪切峰值强度和残余强度破坏包线则形成双线性关系，转折点在正应力为102.1 kPa时。当正应力为7.1～102.1 kPa时，峰值摩擦角为18.68°，与直接剪切峰值摩擦角差值为2.41°；残余强度摩擦角为13.73°,与直接剪切残余摩擦角差值仅为0.09°。当正应力为102.1～402.1 kPa时，峰值摩擦角为14.04°，与直接剪切峰值摩擦角相差7.04°，残余强度摩擦角为10.58°，与直接剪切残余强度摩擦角相差3.06°。残余强度达到峰值强度的71%～ 73%。随着正应力的增大，不论是峰值摩擦角还是残余摩擦角都开始减小，这是由于正应力的增大以及反复剪切的重复作用，已经对土工膜表面造成很大损伤。

图5 土工膜/GCL界面峰值强度比值和残余强度比值Fig.5 Ratio of peak strength and ratio of residual strength for GM/GCL interface

3.3 土工膜重复剪切的影响

在正应力7.1～52.1 kPa范围内，土工膜/GCL界面多级加荷剪切峰值强度与残余强度和直接剪切基本接近，二者峰值强度之比在94%以上，残余强度之比在95%以上,见图5。在正应力102.1～202.1 kPa范围内，二者峰值强度差值和残余强度差值随着正应力的增大而逐渐增大。这是因为在小正应力下，土工膜表面损伤较小，对土工膜/GCL界面强度的影响较小，说明经过小正应力剪切作用下的土工膜依然有使用价值；随着正应力的增大，重复剪切作用使土工膜表面损伤加剧，对土工膜/GCL界面的强度影响随之变大。

4 结 论

(1) 多级加荷剪切峰值强度较直接剪切峰值强度小，但二者残余强度较为接近，土工膜/GCL界面都表现出明显应变软化特性。

(2) 直接剪切残余强度与峰值强度比值在63%～74%范围内。多级加荷剪切残余强度与峰值强度比值在71%～73%范围内。

(3) 在正应力为7.1～52.1 kPa，多级加荷剪切与直接剪切峰值摩擦角差值为2.41°，残余摩擦角差值仅为0.06°，二者峰值强度比值在94%以上，残余强度比值在95%以上，说明在小正应力作用下剪切过的土工膜仍然具有使用价值。

(4) 多级加荷剪切峰值强度和残余强度破坏包线成双线性关系，转折点在正应力为102.1 kPa时。随着正应力的增大，重复剪切造成土工膜/GCL界面峰值摩擦角降低了7.04°，残余摩擦角降低了3.06°。可见在工程铺设中要尽量减少土工膜与其他仪器、材料之间摩擦，才能保障土工膜/GCL界面强度满足填埋场的稳定要求。

[1] 钱学德,郭志平. 填埋场复合衬垫系统[J]. 水利水电科技进展,1997,17(5): 64-68. (QIAN Xue-de, GUO Zhi-ping. Landfill Lining System[J]. Advances in Water Science, 1997, 17(5): 64-68. (in Chinese))

[2] KOERNER R M, SOONG T Y. Stability Assessment of Ten large Landfill Failures [C]//Proceedings of Sessions of GeoDenver：Advances in Transportation and Geoenvironmental Systems Using Geosynthetics. Denver: ASCE Geotechnical Special Publication, August 5-8, 2000: 1-38.

[3] 钱学德,施建勇,刘 慧,等.垃圾填埋场多层复合衬垫的破坏面特征[J]. 岩土工程学报,2011,33(6):840-845. (QIAN Xue-de，SHI Jian-yong，LIU Hui，etal. Failure Interface Behavior of Multilayer Landfill Liner System[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011, 33(6):840-845.(in Chinese))

[4] 包承纲. 关于环境岩土工程的若干问题[J]. 长江科学院院报, 2003, 20(3): 32-34. (BAO Cheng-gang. Some Problems on Geoenvironmental Engineering[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20(3): 32-34.(in Chinese) )

[5] JONES D R V, DIXON N. Shear Strength Properties of Geomembrane/Geotextile Interfaces[J]. Geotextiles and Geomembranes, 1998,16(1):45-71.

[6] TRIPLETT E J,FOX P J.Shear Strength of HDPE Geomembrane/Geosynthetic Clay Liner Interfaces[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering, ASCE, 2001，127(6): 543-552.

[7] BERGADO D T, RAMANA G V. Evaluation of Interface Shear Strength of Composite Liner System and Stability Analysis for a Landfill Lining System in Thailand[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2006, 24(6):371-393.

[8] VUKELIC A，SZAVITS-NOSSAN A，KVASNICKA P．The Influence of Bentonite Extrusion on Shear Strength of GCL/Geomembrane Interface[J]. Geotextiles and Geomembranes，2008，26(1): 82-90.

[9] 张宏伟,林伟岸,詹良通,等. 土工膜/GCL界面剪切强度特性的试验研究[J]. 土木工程学报,2013,(2):123-130. (ZHANG Hong-wei, LIN Wei-an，ZHAN Liang-tong，etal. Experiment Study on Shear Strength of GM/GCL Interface[J]. China Civil Engineering Journal, 2013, (2):123-130.(in Chinese))

(编辑：黄 玲)

长江科学院工程安全与灾害防治研究所获得一项实用新型专利

2015年7月8日，长江科学院工程安全与灾害防治研究所研发的“一种具有人工比测功能的多通道复用信号自动采集装置”获得中华人民共和国知识产权局颁发的实用新型专利证书。

该装置通过多通道复用及嵌入式系统的运用，实现同一装置自动采集、存储、传输及人工比测多路不同类型传感器信号，解决工程监测设备采集形式单一、通道数较少、智能化程度低的问题，具有可靠性高、功能强、效率高的特点。

(摘自：长江水利科技网)

Shear Properties of GM/GCL Interface under Multilevel Loading

XU Tian-jie1，LIU Bin-yun1,2，LI Wei-chao3，CAI Hong3

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China;2.Beijing Key Lab of Water Quality Science and Water Environmental Restoration, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China; 3.Department of Geotechnical Engineering，China Institute of Water Resources and Hydropower,Beijing 100037,China)

As an impermeable material, geomembrane (GM) has been widely used in engineering and environmental fields, but the damage during construction will reduce its shear strength. In view of this we conducted multilevel loading and direct shear tests on GM/GCL (geosynthetic clay liner) interfaces using a large size direct shear apparatus. Results show that the peak shear strength under multilevel loading is much lower than that under direct shear, and obvious strain softening of the interface occurs under both shear modes; the peak shear strength and residual strength under multilevel loading are close to those under direct shear when the normal stress is from 7.1 to 52.1kPa; repeated shearing under large normal stress has great damage on geomembrane which leads to a loss of 7.05 ° in terms of peak friction angle and 3.09 ° in terms of residual friction angle when the normal stress is greater than 102.1kPa under multilevel loading.

geomembrane; GCL; multilevel loading；shear strength；strain softening

2014-03-12；

2014-04-21

徐天杰(1988-),男，河南周口人，硕士研究生，主要从事地下防渗材料方面的研究，(电话)15138913103(电子信箱)chinaxtj@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.011

TU411

A

1001-5485(2015)08-0061-04

2015,32(08):61-64