复合土工膜-不同含水率垫层结构界面直剪摩擦特性试验研究

黄浩,王支华,姜海波,王海娟

(1 新疆新华錾高水电开发有限公司,新疆 喀什 844700;2 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832003)

复合土工膜的材质柔软且伸长率大,能适应相对较大的变形,同时还具有设计方便、抗渗效果更好、施工效率更好、造价更低的优势,因而在包括围堰、堤坝、引水渠在内的各类水利工程项目中得到了应用[1-2]。在水利工程中,复合土工膜通常与垫层、水稳层、过渡层等组成复合防渗结构,但由于复合防渗结构界面的抗剪强度小于各材料结构本身的抗剪强度,很容易在复合土工膜与垫层、衬砌结构之间形成滑裂面,破坏复合土工膜防渗体,从而导致建筑物失稳和变形[3],由此可知复合土工膜与垫层材料、衬砌结构之间的相互作用机理直接关系到工程结构的稳定与安全。

为了研究复合土工膜与垫层材料界面的相互作用机理及其强度特性,国内外学者采用试验方法进行了较多的研究,取得了不少重要的研究成果。Izgin等[4]通过斜板和直剪试验对不同密度的砂与HDPE土工膜之间的界面剪切强度进行对比分析;Ling等[5]通过直剪试验对塑性指数在35%～100%之间的黏土和表面光滑度不同的PVC土工膜之间的相互作用进行了研究;Dejong等[6]利用室内直剪试验对超固结状态的砂土与土工膜界面的相互作用和材料损伤进行了研究,重点分析了界面摩擦系数的变化特征;杨武等[7]采用现场原位监测试验等多种方法,研究并分析了复合土工膜与各种垫层材料的界面摩擦特性;施建勇等[8]研发了表面粗糙度测量仪,可精确测得土工膜粗糙度变化。

复合土工膜与垫层材料、衬砌结构界面摩擦剪切特性的测试大多采用室内直剪试验的方法[9-10],重点分析复合土工膜与垫层材料、衬砌结构的摩擦剪切特性,为复合土工膜防渗体的设计与施工提供参考[11]。然而,实际工程中复合土工膜出现破坏的比例超过七成,其中土工膜下垫层和施工机械为主要破坏原因[12]。土工膜破损后会引起膜后垫层材料浸润线抬升,膜后垫层材料的含水率增大,降低了复合土工膜防渗体的抗剪强度,对复合土工膜防渗体的安全造成隐患[13]。可见膜后垫层材料含水率是影响界面强度的重要因素之一,而现有的研究却忽略了这一影响,导致无法对运行工况下复合土工膜防渗体的稳定性进行精确的分析和计算,因此有必要进行进一步研究。

本文采用室内直剪试验的方式,对不同含水率条件下的垫层材料与复合土工膜的摩擦剪切特性进行研究,分析复合土工膜-砂砾石垫层界面的摩擦特性,重点探究垫层材料含水率对界面摩擦特性的影响和不同含水率条件下的界面强度特性,旨在为复合土工膜防渗体在特大流量引水渠道工程中的应用提供科学合理的依据。

1 试验仪器、材料与方法

1.1 试验仪器

复合土工膜与不同含水率垫层材料界面的直剪摩擦试验采用TZY-1型土工合成材料综合测定仪(图1),其中包括上剪切盒、下剪切盒、法向应力施加系统及其剪切力施加系统。法向应力采用高精度调压阀和滚动隔膜气缸组成的闭环反馈稳压系统提供,剪切力采用应变控制加荷方式。数据处理由8031单片微机控制,数据采集速度10次/s,自动打印应力-应变曲线或应力-时间关系曲线,可自动判断峰值。

图1 直剪摩擦试验装置示意图

1.2 试验材料

试验采用规格为(250 g/m2)/0.6 mm/(250 g/m2)的两布一膜复合土工膜,其基本力学性能如表1所示。输水渠道复合土工膜防渗体为现浇混凝土板(10～12 cm)+两布一膜+砂砾石水稳垫层(10 cm)。为真实测定特大流量引水渠道复合土工膜的力学特性,在工程现场分别抽取2组复合土工膜,对复合土工膜的的拉伸强度、断裂强度及伸长率、顶破强力、撕破强力等力学指标进行测定。通过工程现场监测结果,选取4种不同含水率(0%、3%、6%、8.5%)的垫层材料,并进行复合土工膜与不同含水率垫层材料的直剪摩擦试验。

表1 试验用复合土工膜力学性能

试验用垫层材料取自新疆某地特大流量引水渠道的砂砾石料场,为工程现场的垫层筛分料。垫层材料颗粒棱角清晰,颗粒粒径小于0.1 mm的含量小于5%。砂砾石垫层料因透水性强,具有自由排水能力,为了控制其含水率,采用现场洒水增湿,提高砂砾石垫层料的含水率,实测砂砾石垫层的平均含水率在2.6%～8.6%。垫层材料的干密度在工程现场采用压实度试验进行测定。垫层材料的力学性质通过工程现场的击实试验、静荷载试验测定。试验用垫层材料的物理性质见表2。

表2 试验用垫层材料的物理性质

1.3 试验方法

试验设计2组平行试验,每组试验4个试样。根据TZY-1型土工合成材料综合测定仪的结构原理,先在仪器下剪切盒内铺设不同含水率(0%、3%、6%、8.5%)的砂砾石垫层材料,然后在剪切盒中部放置复合土工膜,同时将其固定于下剪切盒上,最后在上剪切盒铺设剪切材料,通过加压板固定,法向应力设置为100、200、300、400kPa。剪切时的速率始终保持为5 mm/min,试验时环境温度为20 ℃,上下浮动不超过2 ℃。通过试验可得出相应的剪切力-剪切位移曲线,再由这些曲线得出相应的剪应力-位移曲线和不同状态下界面的峰值强度和残余强度变化规律。

2 试验结果与分析

2.1 复合土工膜与垫层界面的直剪摩擦特性

不同法向应力作用下复合土工膜与不同含水率砂砾料垫层界面之间的剪切力-剪切位移曲线(图2)显示:

图2 复合土工膜与不同含水率垫层材料界面间的剪切力与位移曲线

(1)界面剪切力-剪切位移曲线经历了弹性、弹塑性和残余强度3个阶段,呈现明显的非线性特征,并且随着界面剪切位移的增大,剪切位移在0.6～0.8 mm附近时进入弹塑性阶段,剪切位移在9～11 mm附近时进入残余阶段。试验中界面作用力发生了改变,从初始时的单一静摩擦力变成滑动摩擦力及复合土工膜与垫层材料间的咬合力。

(2)不同法向应力作用下复合土工膜与不同含水率(0%、3%、6%、8.5%)的垫层材料剪切力-剪切位移曲线的变化趋势大致相同;法向应力保持不变时,随着垫层含水率的增大,垫层界面的剪切力-剪切位移曲线整体具有明显的下降,干燥(含水率0%)垫层界面具有较高的剪切力,并且随着垫层材料含水率的增大,峰值剪力逐渐明显的降低。对同一组试验数据进行计算及分析,垫层材料的含水率从0%增大到8.5%,界面峰值剪力最大降幅达21.71%和21.50%,这说明含水率的变化对复合土工膜与垫层界面的剪切强度有显著的影响。

参考文献[14]中的修正方法,将传统直剪仪测得的名义剪切应力值代入修正公式,计算得出界面剪应力-位移关系曲线(图3)显示:

图3 界面残余强度变化规律

(1)随着法向应力的不断增大,界面剪应力-位移曲线呈现先逐渐上升后缓慢下降的趋势,具有明显的峰值强度,当水平位移为9～11 mm附近时达到界面峰值强度;达到峰值强度后,随着剪切位移的持续增大,界面剪应力-位移曲线呈现先缓慢下降、逐渐趋于稳定,具有明显的残余强度特征,残余强度大致为峰值强度的80%～90%。

(2)复合土工膜与不同含水率垫层材料界面的抗剪强度特性具有明显的非线性特征,界面强度经历了弹性、弹塑性和残余强度3个阶段。第1个阶段为弹性阶段,界面强度主要来源于界面静摩擦力,呈线性分布;随着剪切位移增大,界面剪切强度特性进入第2个阶段弹塑性阶段,界面作用力变为界面之间的滑动摩擦力和咬合力,界面剪切强度呈非线性分布;在界面强度达到峰值强度后,便进入第3个阶段残余强度,此时随着剪切位移的逐渐增大,界面剪应力便逐渐减小。

2.2 界面强度特征

2组平行试验的界面峰值强度与残余强度变化规律见图4。

图4 界面强度变化规律

由图4可知:当含水率逐渐增大时,复合土工膜与不同含水率砂砾料垫层结构的界面峰值强度呈明显减小的趋势。

(1)当含水率一定时,随着法向应力的增大,界面峰值强度呈现非线性增大的趋势;当竖向正应力一定时,随含水率的增大,界面峰值强度呈非线性减小的趋势。在同一组试验中,法向应力为400 kPa、含水率从0%增大到8.5%时,界面峰值强度从20.50 kPa减小到16.05 kPa,减小幅度达21.71%,为最大降幅。

(2)在含水率变化时界面残余强度的变化有相同的规律;含水率保持不变时,随着竖向正应力的增大,界面残余强度呈现非线性增大的趋势。当法向应力一定时,随着含水率的增大,界面残余强度呈现明显的减小趋势。在同一组试验中,法向应力为400 kPa,含水率从0%增大到8.5%时,界面残余强度从18.75 kPa减小到14.50 kPa,减小幅度达22.67%,为最大降幅。

综合上述界面峰值强度和残余强度的变化规律及分析可知:垫层含水率对界面强度特性具有较大的影响。因此,在复合土工膜防渗体设计中应重点关注界面强度特征。

3 讨论

(1)本文试验研究结果表明:垫层含水率变化对界面抗剪强度特性具有较大影响,随着垫层材料含水率的增大,界面峰值强度和残余强度均有显著降低;在砂砾石垫层材料含水率为6%～8.5%的直剪试验中,随着法向应力的增大,剪切盒边缘出现了排水现象,表明在法向应力作用下膜后有孔隙水压力存在,导致界面抗剪强度明显下降。这说明垫层含水率对界面剪切强度有较大的影响,表现为膜后砂砾石垫层材料水分对界面强度具有“润滑效应”,因此,在实际工程和复合土工膜防渗体强度特性的设计中需重点关注膜后垫层材料含水率的影响。

(2)参考文献[9-10]的研究成果,在复合土工膜防渗体中土工布增强了复合土工膜与建筑材料分子链间的作用力,布界面与建筑材料间存在部分交织作用,具有一定的咬合力,破坏面主要发生在复合土工膜与下垫层材料之间[9],而在剪切过程中复合土工膜-垫层材料的界面应力表现为摩擦应力、部分剪切应力以及织物的剥离应力[10]。从本文试验结果与分析可知,在相同的工况下随着垫层材料含水率的增大,界面峰值强度、残余强度均呈减小趋势,膜后水分对界面抗剪强度的“润滑效应”体现为界面摩擦角的减小,从而导致了界面抗剪强度的弱化,易在复合土工膜与下垫层间产生滑动破坏,这与文献[15]研究的结论一致。

4 结论

(1)复合土工膜与垫层界面的剪切特性经历了弹性阶段、弹塑性和残余强度三个阶段,呈现明显的非线性特征;随着界面剪切位移的增大,位移在0.6～0.8 mm附近时,进入弹塑性阶段;剪切位移在9～11 mm附近时,进入残余阶段。

(2)膜后含水率的变化对复合土工膜与垫层界面抗剪强度具有显著影响。随垫层含水率的增大,界面峰值抗剪强度和残余抗剪强度呈非线性减小的趋势;垫层材料的含水率从0%增大到8.5%,界面峰值抗剪强度最大降幅达到了21.71%和21.50%。

(3)在相同的工况下,随着垫层材料含水率的增大,界面峰值抗剪强度、残余抗剪强度均呈减小趋势,膜后水分对界面抗剪强度的“润滑效应”体现为界面摩擦角的减小,导致复合土工膜与下垫层间产生滑动破坏,在复合土工膜防渗体的设计和运行中应对此重视。