垃圾填埋场用土工膜褶皱研究现状

杨坪,段明石

(1.同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系,上海 200092;2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092)

垃圾填埋场用土工膜褶皱研究现状

杨坪1,2,段明石1

(1.同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系,上海 200092;2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092)

从填埋场土工膜褶皱现象、薄膜褶皱力学机理、薄膜褶皱试验方面对国内外土工膜褶皱研究现状进行了综述。现有对土工膜褶皱现象的研究主要局限于褶皱对液体渗漏的影响、褶皱现象的统计观察以及上覆压力作用下褶皱的应力应变情况等方面;薄膜褶皱力学机理研究主要采用基于张力场理论和基于稳定性理论的分析方法探讨褶皱力学机理;薄膜褶皱试验研究主要采用传统接触式和非接触式试验方法。基于前人研究成果,本文提出了一些对土工膜褶皱研究的新方向,为后续研究提供参考。

垃圾填埋场;土工膜;褶皱;薄膜;力学机理

为了防止垃圾填埋场中产生的渗滤液流入地下对地下水造成污染,一般在垃圾填埋场底部与四周设置衬垫系统,衬垫系统一般由排水粒状层、土工膜及粘土层组成,其中土工膜起到主要防渗作用[1]。土工膜在复杂环境作用下可能发生破坏,导致周围水土体遭到污染,因此掌握土工膜的力学性能对垃圾填埋场衬垫性能分析很有意义。目前垃圾填埋场常用土工膜的厚度为2 mm,相对其长度、宽度很小,可视为一种典型的薄膜材料。薄膜材料往往厚度很小,抗弯刚度亦很小,因此,当其面内存在压应力时,将会产生面外变形,即形成褶皱。

关于垃圾填埋场用土工膜起皱现象,国外学者开展的相关研究工作较少,而国内学者则几乎没有。但是随着垃圾填埋场数量的不断增加,土工膜的用量与日俱增,相关研究也被逐渐重视。本文将主要从土工膜褶皱现象、薄膜褶皱力学机理分析、薄膜褶皱试验等方面介绍国内外研究现状,为后续土工膜研究提供参考。

1 土工膜褶皱现象研究现状

由于土工膜的厚度很小,其抗弯刚度较小,所以当环境温度升高时土工膜会产生“起拱”现象,即产生褶皱。褶皱的存在会改变土工膜的力学性能,并进而影响到其防渗性能,因此开展土工膜褶皱研究对垃圾填埋场设计和施工等具有重要意义。

Chappel等[2](2006)认为土工膜褶皱的存在可能导致渗漏液体的汇流。Rowe等[3](2004)认为如果土工膜存在破损,污染物的渗漏率除取决于下卧层土体的水力传导系数、土工膜与下卧层土体界面处的过滤系数、破损处的数量及尺寸、衬垫层的水力梯度外,最重要的是取决于土工膜破损处是否存在褶皱。Rowe等[4,5](1998,2007)得到了土工膜褶皱破损处有机污染物渗漏迁移规律的理论解,但需要确定褶皱的长度、宽度及数量。Take等[6](2007)采用低空航拍和数字图像处理技术对大规模土工膜褶皱进行量化分析,发现区域内共有100条主要褶皱,占据土工膜总面积的13.9%,此外约90%的土工膜褶皱连通在一起。Rowe等[7](2012)研究了不同坡度边坡在1 d内不同时间和常年内不同季节上覆土工膜褶皱长度的变化,发现褶皱长度主要与太阳辐射强度有关,太阳辐射强度越大,土工膜表面温度越高,褶皱长度越大,同时测量了褶皱的高度和宽度,平均起皱高度在6 cm左右,平均起皱宽度在29 cm左右。Chappel等[8](2012)研究发现在8:45、12:25和17:15时间点测得褶皱所占土工膜面积比例分别为3%、21%和7%,该研究可以为土工膜铺设时间提供有效建议,以便减少褶皱的产生与延伸。此外,Chappel等[9](2012)研究比较了HDPE土工膜在9种不同工况下褶皱的最大长度,分别为基底或边坡,下卧土层为膨润土、压实黏土或砂土,1.5 mm和 2 mm厚土工膜,土工织布或光滑土工膜等工况,发现砂土地基边坡上的1.5mm厚土工膜起皱长度最大,约为550 m。Gudina和Branch[10](2008)发现土工膜在上覆压力作用下,褶皱在高度和宽度上都有一定程度的减小,但是一般不会消失,此外,也有可能加剧土工膜的拉伸应变,从而造成一定的破损。Gudina[11](2006)通过对HDPE土工膜人为施加褶皱,研究其覆盖于砂土、两种不同含水率压实粘土上的变化规律,发现当为砂土地基时,在上覆压力作用下,即使上覆压力达到1100 kPa,褶皱下部空隙一直存在;当为黏性土地基时,在上覆压力作用下,褶皱下部空隙会消失。虽然国外学者对土工膜褶皱现象进行了研究,但是仅局限于褶皱对渗流液体的影响、对褶皱现象的统计观察以及上覆压力作用下褶皱的应力应变情况等,而缺乏对起皱过程的机理分析,因此很有必要对其进行深入研究。

高登等[12](2008)在研究下卧土体沉降作用下圆形构筑物周边土工膜产生褶皱时,运用可变泊松比法建立了土工膜在褶皱区与张拉区受力变形的分析模型,分析了不同因素条件下土工膜褶皱的应力应变情况。目前国内学者对褶皱现象的研究主要集中于薄膜结构,但针对于土工膜的起皱现象研究很少。

2 薄膜褶皱力学机理分析研究现状

土工膜的抗拉强度较大,延伸率较高,但是抗弯刚度较小,导致土工膜在拉压应力下的力学性质差异很大,土工膜可以承受较大的拉应力而不破坏,而在较低的压应力水平下则会因失稳而出现褶皱。

褶皱的产生会对薄膜结构性能产生不可忽视的影响,因此寻找到一种有效的薄膜褶皱分析方法是很有必要的。目前为止,国内外学者已经提出了很多褶皱现象机理分析的方法。它们主要分为2大类:一类是忽略抗弯刚度的褶皱分析方法,包括张力场理论、可变泊松比法、松弛应变能密度法、缆绳网络模拟法等;另一类是考虑抗弯刚度的褶皱分析方法,即基于稳定性理论的薄板(壳)理论。

2.1 基于张力场理论的褶皱分析方法

张力场理论(Tension Field Theory)[13]于1929年由Wagner提出,该方法假定薄膜的抗弯刚度可以忽略不计,因此薄膜在平面内不会产生压应力和弯曲应力,薄膜在压应力产生前必定发生平面外变形,屈曲的薄膜表现出沿褶皱方向的单轴受拉状态。在此方法基础上,目前发展出了2种主要分析方法,即修正本构关系法和修正变形梯度法。除此之外,还有从能量角度考虑的松弛应变能密度法,以及缆绳网络模拟法。它们都遵循了Wagner提出的薄膜平面内不允许出现压应力的假设。

Stein和Hedgepeth[14](1961)提出了可变泊松比法,又被称为褶皱理论。在张拉区应用线弹性、各向同性的平面应力理论,在褶皱区考虑褶皱引起的薄膜“过度收缩效应”,引入可变泊松比来修正该区域的本构关系矩阵,得到局部褶皱出现时的应力状态。在可变泊松比法的基础上,Miller和 Hedgepeth[15](1982)提出了IMP法(Iterative Materials Properties),利用可变泊松比代替应变关系,得到考虑褶皱效应的本构方程,再利用有限元工具进行分析。Ding等[16](2003)又在此基础上提出了双变量参数模型,认为泊松比和弹性模量均可变,再引入一个参数变化原则,从而得到薄膜的应力状态。Liu[17](1998)建立了基于张力场理论的惩罚参数法,建立一种新的单元类型——非线性节点单元 TENSION6,靠引入惩罚参数来获得薄膜褶皱处的近似压力,不同于 IMP法,它替代的是材料属性的迭代关系,在褶皱方向赋予一个很小的刚度值,进而克服由于切线刚度矩阵引起的数值奇异性。以上方法均是基于可变泊松比的概念提出的,易于编程实现,但物理意义不够明确,计算中存在不收敛问题,尤其当褶皱数量很多时,会导致数值解发散严重。

Roddeman[18](1987)提出了修正变形梯度法,通过引入额外的参数对变形梯度和应变张量进行调整,再根据虚功原理推导出满足单轴受力条件的薄膜内力或本构关系式。该方法物理意义清晰明确,其计算成功的关键在于正确求出褶皱方向角,为此需要用到一些特殊的非线性迭代技术。

Pipkin等[19](1986)则从能量角度出发,提出了松弛应变能密度的概念。其将张力场理论和薄膜结构的弹性力学理论结合,建立了松弛应变能密度法。该法基本思想是结构在平衡状态下其能量处于最小值状态,因此可以将薄膜的平衡问题转化为求解能量极值的问题,进而得到褶皱形成时薄膜的真实应力状态。

Adler[20](2000)提出了缆绳网络模拟法(cable network modeling,CNM)。该法假定褶皱形成时均按直线分布,用杆单元组成的网状结构来模拟薄膜结构的构型分布,进而得到由褶皱引起的载荷路径。Yang和Ding[21](2001)在Adler基础上提出杆网络法(bar network approach,BNA),引入一个褶皱参数和参数变换原则(parameter variational principle,PVP)。

基于张力场理论的褶皱分析方法,忽略了薄膜抗弯刚度的影响,将褶皱的面外变形转化为面内的过度收缩来处理,因此无法得到褶皱的具体构形,仅适用于表面精度要求不高的张拉膜结构分析。此外,由于计算中假设薄膜面外刚度为零,刚度矩阵病态问题一直是困扰这类方法的重要难题。

2.2 基于稳定性理论的薄板(壳)理论

薄膜起皱过程从严格意义上讲是一种屈曲现象,褶皱的产生本质上是稳定性的丧失。

Tomita和 Shindo[22](1998)对薄金属板对角线受拉起皱现象进行了研究。其利用三维薄板单元和薄壳单元描述薄膜结构,假设薄板在褶皱形成(即产生面外变形)时会产生分歧点。金属薄板在开始时采用薄板单元分析,随着褶皱的形成,再采用壳单元进行分析。Friedl等[23](2000)研究了薄板在固支边界条件下整体拉伸起皱的现象,发现薄板的屈曲现象是由于固支边界条件阻止边缘横向位移导致的。早期应用薄板(壳)理论研究薄膜褶皱现象往往非常复杂,需要借助于数学方法,因此,影响了该方法的发展。

2000年以来,随着有限元软件的迅速发展,国内外很多学者开始利用薄壳理论进行薄膜结构的褶皱分析。目前基于薄壳理论模拟薄膜的褶皱问题大多是在几何非线性分析的基础上引入初始缺陷。Wong和 Pellegrino[24,25](2002)通过提取切线刚度矩阵中的一系列特征值对应的特征向量的叠加向量作为初始几何缺陷,采用薄壳单元模拟褶皱的面外变形,分析了矩阵薄膜受剪、方形薄膜四角拉伸情况下的褶皱形变。Leifer和Belvin[26](2003)则是在薄膜单元的垂直面内施加一系列较小的大小相同、方向相反、合力为零的作用力作为褶皱出现的诱因。Tessler等[27](2004)则采用随机分布的面外缺陷方法生成初始缺陷,进而得到薄板的应力应变情况。

3 薄膜褶皱试验研究现状

目前关于薄膜褶皱的试验研究相对较少,已有试验研究的主要内容是对薄膜应力应变和褶皱构形进行测量。按照测量方式,可分为传统接触式试验方法和非接触式试验方法。

3.1 传统接触式试验方法

早期的薄膜褶皱特性试验多采用接触式试验方法得到薄膜表面产生褶皱后的局部应力应变状态。Miyamura[28](2000)通过在薄膜表面贴置应变片得到圆环形薄膜扭转产生褶皱时的局部应力分布。龚履华等[29](2005)运用大变形应变片对三峡工程二期上游围堰现场中土工膜产生的应变进行监测,监测结果显示应变不仅与围堰建造时的加载速率正相关,还与围堰拆除时发生的变形情况相吻合。由于薄膜结构厚度很小,抗弯刚度很小,传统接触式试验方法可能会影响到薄膜结构的受力变形过程,造成测量得到的结果并不准确,因此并不适用于高精度薄膜结构的褶皱测量。

3.2 非接触式试验方法

目前,非接触式试验方法在薄膜褶皱特性试验中得到了较为广泛的应用,如激光扫描法、光栅边缘投影法、数字摄影测量法及数字图像相关法等。该类方法基于光学原理进行测量,避免了对被测物体的受力过程产生影响,但是,其只能测量薄膜结构的构形及变形,无法直接得到结构体内部的应力及应变情况。

Wong 和 Pellegrino[30](2006)利用激光扫描法获取了方形薄膜对角拉伸和矩形薄膜剪切后的褶皱构形及其演化特性。试验发现方形薄膜对角拉伸和矩形薄膜剪切过程中存在褶皱构形突变的现象,但未能追踪到构形突变的临界状态和突变的实际演化过程。

Lecieux等[31](2010)使用光栅边缘投影法对方形薄膜双向对角拉伸时的褶皱特性进行测试,试验发现褶皱边缘区域有新的褶皱从松弛区域产生,诱发褶皱构形突变,导致二次皱曲发生。数字摄影测量方法则由Blandino[32]提出,适用于测量结构整体面外变形时的构形特征。

王长国和李云良[33](2007)利用基于数字摄影测量方法的Photo Modeler测试系统对方形薄膜的单向对角拉伸和矩形薄膜剪切时的褶皱特性进行研究,试验中发现靶点的布置密度受到具体的褶皱波长及幅值的限制,并且难以实现对薄膜褶皱演化过程的实时追踪。数字图像相关方法是近年发展起来的一种新的光学非接触测试方法[34]。该方法通过图像采集分析、相关性算法和变形体表面位移追踪,可以快速实时追踪表面的三维构形变化和全场变形状态,适用于薄膜褶皱演化过程的实时追踪。

4 结论

目前,针对土工膜褶皱的研究还不完善,仍存在诸多需要深入研究的问题,基于前人研究的成果,建议在以下方面进一步开研究工作。

(1)目前国内外学者对土工膜褶皱现象进行的研究,仅局限于褶皱对渗流液体的影响、褶皱现象的统计观察以及上覆压力作用下褶皱的应力应变情况等,缺乏对起皱过程的机理分析,因此很有必要对其进行深入研究。

(2)基于张力场理论的褶皱分析方法,忽略了薄膜结构的抗弯刚度,无法得到薄膜结构的具体构形,且存在数值分析收敛性不高的问题;基于稳定性理论的薄板(壳)理论,物理意义明确,但是在分歧点的确定和初始缺陷的引入方面仍有很多值得探讨的地方。

(3)传统接触式试验方法并不能精确地测量薄膜结构的应力应变和表面构形,非接触式试验方法能较为准确地测量薄膜体的表面构形,但不能直接得到材料内部的应力应变值。因此,寻找合适的测试技术实现对薄膜结构应力应变及表面构形的精确测量是今后土工膜褶皱试验研究的重要方向。

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(责任编校:江河)

Research summary of wrinkles of geomembrane on landfills

Yang Ping1,2,Duan Mingshi1
(1.Civil Engineering College,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)

The overseas and domestic research situations are summarized from the aspects of the phenomena of geomembrane wrinkles,mechanism of membrane wrinkling and the experiments about membrane wrinkles.The current research shows that the studies on phenomena of geomembrane wrinkles are mainly limited to the influence of wrinkles on liquid leakage,statistic observation of wrinkles,stress and strain of wrinkles under pressure,and that the studies on mechanism of membrane wrinkling commonly use analysis methods based on tension field theory and stability theory,and that the studies on experiments adopt contact and non-contact measurement method.Based on previous researches,related outlook is put forward,which could provide a reference for subsequent research.

landfill;geomembrane;wrinkle;thin-film;mechanism

TU 470

A

1672-6146(2017)02-0062-06

杨坪,csuyangp@163.com。

2016-11-10

国家自然科学基金(41002093;41672274);上海市自然科学基金(14ZR1442800)。

10.3969/j.issn.1672-6146.2017.02.015