蘇 薇，徐 超，葉為民,2，陳永貴

（1. 同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2. 教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心，上海 200092）

垃圾填埋場封蓋及襯里多界面力學(xué)特性的研究進(jìn)展

蘇 薇1，徐 超1，葉為民1,2，陳永貴1

（1. 同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2. 教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心，上海 200092）

為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，對產(chǎn)量驚人的生活垃圾進(jìn)行合理地處置成為世界各國亟待解決的問題之一。垃圾填埋法是符合處置經(jīng)濟性和技術(shù)可行性的理想方案。垃圾填埋場投入運營后，如何防止被填埋垃圾及其次生有害物質(zhì)進(jìn)入周圍環(huán)境，是垃圾填埋場設(shè)計環(huán)節(jié)必須考慮的關(guān)鍵問題之一。在城市垃圾填埋場底部襯里系統(tǒng)及封蓋系統(tǒng)中設(shè)置水力屏障，能有效防止填埋場中所產(chǎn)生的廢液、廢氣向周圍環(huán)境中遷移。水力屏障通常由土工合成材料與膨潤土防水墊或壓實粘土組成，形成一個多界面的復(fù)合襯里或復(fù)合封蓋體系。這種多界面力學(xué)特性以及潛在薄弱面對垃圾填埋場的穩(wěn)定性具有控制作用，因此成為業(yè)界的研究重點。本文依據(jù)填埋場封蓋和襯里土工合成材料多界面力學(xué)特性的最新研究，對所取得的研究成果進(jìn)行分析和討論。

城市環(huán)境地質(zhì)；廢棄物處置；垃圾填埋場；復(fù)合界面；水力屏障；襯里封蓋系統(tǒng)；土工合成材料；多界面力學(xué)；膨潤土防水墊；非飽和土；研究綜述

研究報告顯示，我國城市居民每人日均產(chǎn)生垃圾1.2 kg左右，自1979年以來，我國城市生活垃圾產(chǎn)量已達(dá)1.52億噸[1]。此外，工業(yè)固體廢物也是城市垃圾的主要來源之一。據(jù)國家統(tǒng)計年鑒，城市工業(yè)固體廢物一直呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。如何有效處置垃圾，不僅是中國面臨的巨大問題[2]，更是一個世界各國在發(fā)展中共同遭遇的棘手問題。目前，基于處置成本及技術(shù)可行性角度，世界各國均傾向于將填埋作為垃圾處置的主要手段，即在鋪設(shè)有良好防滲性能襯墊的場地上，將可填埋的垃圾分層壓實后封存在密閉的垃圾填埋場內(nèi)，通過有效的防護措施，將垃圾與人類的生存環(huán)境隔絕開來。

垃圾填埋場運營期間，被填埋的垃圾經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，會產(chǎn)生大量廢熱、廢氣、廢液（滲濾液）[3～5]。工程實踐中，為了防止填埋場周圍環(huán)境受到這些次生有害物質(zhì)的污染，除了對填埋場進(jìn)行科學(xué)選址[6]，還應(yīng)開展必要的室內(nèi)研究[7]，尤其須在城市垃圾填埋場的底部襯里系統(tǒng)以及封蓋系統(tǒng)均設(shè)置有水力屏障[8,9]。底部襯里系統(tǒng)的主要功能是阻止垃圾滲濾液滲入周圍環(huán)境、避免地下水入滲和阻止場內(nèi)廢氣向周圍環(huán)境橫向遷移；而封蓋系統(tǒng)主要是用來降低地表徑流、地面降水的入滲量，以使填埋場內(nèi)可能產(chǎn)生的滲濾液減至最少。水力屏障往往由土工膜與膨潤土防水墊（geosynthetic clay liner, GCL）或壓實粘土構(gòu)成，形成一個多界面的復(fù)合襯里或復(fù)合封蓋體系，圖1所示為典型的填埋場封蓋系統(tǒng)和底部襯里系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[10]。這種多界面力學(xué)特性以及潛在薄弱面對垃圾填埋場的穩(wěn)定性具有控制作用，因此成為業(yè)界的研究重點。

圖1 垃圾填埋場中底部襯里系統(tǒng)及封蓋系統(tǒng)示意Fig.1 Typical components of geosynthetic composite liner and cover systems for municipal solid landfills

自美國加利福尼亞州Kettleman山的有害垃圾填埋場斜坡失效事件后，關(guān)于垃圾填埋場封蓋系統(tǒng)和底部襯里系統(tǒng)中的復(fù)合界面力學(xué)特性研究逐漸受到重視[11]。早期關(guān)于土工合成材料與其他材料接觸面力學(xué)特性的研究，主要采用直剪試驗或拉拔試驗，但這些試驗方法存在較大局限性，隨后一些研究人員提出了改進(jìn)的試驗方法以探討復(fù)合水力屏障多界面的破壞機制。已有的研究發(fā)現(xiàn)，垃圾填埋場復(fù)合襯里中多界面力學(xué)強度特性與土工材料和土類有關(guān)，更受到諸如荷載大小、滲濾液等多種因素的影響。例如土工合成材料的加工工藝會影響組成纖維之間的連結(jié)強度及抗拉拔的能力，填埋場內(nèi)的溫度、水化學(xué)等條件會影響合成材料的老化速率，應(yīng)力條件、GCL內(nèi)膨潤土的水化程度等會影響破壞面的遷移等。本文依據(jù)填埋場封蓋和襯里土工合成材料多界面力學(xué)特性的最新研究，對所取得的研究成果進(jìn)行分析和討論。

1 垃圾填埋場封蓋及襯里系統(tǒng)復(fù)合界面強度的試驗研究

目前，實驗室內(nèi)大型直剪試驗、扭剪試驗和斜板試驗等材料界面剪切特性研究的常規(guī)試驗方法，往往只能在一次試驗中研究單一界面的強度，對于多層材料組成的復(fù)合界面強度研究的試驗尚處于探索階段。本節(jié)將基于近些年來國內(nèi)外學(xué)者在該方面的探索成果進(jìn)行簡要綜述。

1.1 國外研究進(jìn)展

（1）直接剪切試驗

因設(shè)備簡單、普及性強，直剪試驗和拉拔試驗最早用于研究土工合成材料—土界面強度特性的試驗研究。但是，這些試驗方法難以考慮垃圾填埋場實際運行條件，諸如運行期間場內(nèi)的應(yīng)力變化、滲濾液或降雨入滲導(dǎo)致復(fù)合層中粘土含水率變化對強度的影響等。因此，這些試驗方法只適用于一定的室內(nèi)試驗條件，其結(jié)論在工程實踐中的實用性和可靠性均有待提高。

圖2 改進(jìn)的直剪試驗裝置示意Fig.2 Schematic of modified direct shear tester

考慮到在垃圾填埋場實際運行過程中，復(fù)合襯里層中的土土工材料/GCL中的膨潤土層會隨著垃圾場的運行呈現(xiàn)逐漸飽和的趨勢，這將涉及到非飽和土力學(xué)范疇。因此，在研究復(fù)合襯里層界面強度時，F(xiàn)leming等對直剪試驗裝備進(jìn)行了改進(jìn)[11]（圖2），在剪切過程中，可利用安裝在界面附近的微型孔壓傳感器測量孔隙水壓力的變化，以達(dá)到從有效應(yīng)力原理和非飽和土力學(xué)的角度分析界面強度的目的。

Fleming等在試驗中除了引入微型孔壓計外，還分別進(jìn)行了不同含水量或不同干密度GCL（膨潤土）的直剪試驗，以模擬研究復(fù)合襯里層在填埋場運營過程中的破壞機制。研究結(jié)果表明，負(fù)孔壓對界面抗剪強度的變化有十分重要的影響，并且界面剪切破壞機制受法向應(yīng)力水平控制，如圖3所示。在較低的法向應(yīng)力作用下的剪切過程中，土顆粒在土工合成材料的表面滑動；隨著法向應(yīng)力增加，土顆粒嵌入土工合成材料內(nèi)，在剪切力作用下顆粒在土工材料表面既存在滑動也具有如犁地一樣的刻劃作用，致使界面處的摩擦力增大，從而界面抗剪強度增加；當(dāng)法向應(yīng)力繼續(xù)增大時，顆粒的嵌入深度增加，使得其劃痕加深。劃痕越深，土工材料表面的粗糙度越大。當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到一定程度后，當(dāng)土—土工合成材料界面摩擦角大于土內(nèi)部顆粒之間的摩擦角時，潛在剪切破壞面會從土—土工合成材料界面處轉(zhuǎn)移到GCL的膨潤土內(nèi)部。在圖3中的強度包絡(luò)線上A點，界面剪切強度的變化是由滑動及犁地式刻劃共同作用引起的。

圖3 土工膜—土界面概化剪切強度包絡(luò)線Fig.3 Conceptualization of shear strength envelope for geomembrane-soil interface

Fleming等的研究雖對直剪試驗有所改進(jìn)，但仍未擺脫直剪試驗束縛的缺陷，每次試驗只能確定一個界面的力學(xué)參數(shù)，而在實際垃圾填埋場的襯里或封蓋系統(tǒng)中是多界面同時承受外界因素的影響，因此傳統(tǒng)試驗不能滿足多界面同時受力破壞的研究需求。另外，試驗中所采用的微型孔壓計只適用于30kPa以內(nèi)的吸力量測，使得在對飽和土樣進(jìn)行試驗時只能使用非粘性土樣，致使不能獲得粘土在飽和及非飽和狀態(tài)下與土工合成材料界面的抗剪強度。

（2）環(huán)剪試驗

Eid利用疊環(huán)式扭剪儀，實現(xiàn)了多個界面同時受剪[10]，如圖4所示。

試驗過程均按照實際填埋場運營期間的應(yīng)力條件，對不同含水率試樣分別施加不同法向應(yīng)力，使試樣在0.015mm/min的變形速率下剪壞，獲得了不同條件下剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系和剪切強度—GCL膨潤土含水率的關(guān)系。

圖4 疊環(huán)式扭剪儀試驗示意Fig.4 Schematic of torsional ring shear specimen container and composite specimens used in testing

研究結(jié)果表明：底部復(fù)合襯里系統(tǒng)的剪切破壞面分布與法向應(yīng)力的大小有關(guān)。根據(jù)法向應(yīng)力的大小，可分為三種破壞模式（參見圖5）：在較低的應(yīng)力水平下，破壞面位于GCL無紡?fù)凉げ肌两缑?；隨著應(yīng)力增大，破壞面轉(zhuǎn)移到糙面土工膜—GCL有紡?fù)凉げ冀缑?；?dāng)法向應(yīng)力大于300kPa時，破壞面發(fā)生在GCL膨潤土內(nèi)部。這一結(jié)論正好與Fleming等所得結(jié)果一致。試樣在較大法向應(yīng)力下剪切時，還可以觀察到GCL層的水化膨潤土侵入附近的土工織布內(nèi)，而且侵入量隨法向應(yīng)力的增加而增大。當(dāng)破壞面位于GCL無紡?fù)凉げ肌两缑婧虶CL膨潤土內(nèi)部破壞時，可以觀察到無紡?fù)凉げ疾糠掷w絲和加筋纖維被拉出、拉扯的現(xiàn)象，這將極大地降低GCL的內(nèi)部抗剪強度。

復(fù)合封蓋系統(tǒng)剪切破壞面的分布與GCL內(nèi)膨潤土的水化程度或含水率有關(guān)（參見圖6）。當(dāng)膨潤土含水率較低時，破壞面位于GCL—下覆土層界面；當(dāng)膨潤土含水率大于50%時，破壞面發(fā)生在糙面土工膜—膨潤土界面?？梢娖茐拿娴霓D(zhuǎn)移與膨潤土含水率有關(guān)，即壓實粘土水化程度增加，導(dǎo)致粘土強度降低，進(jìn)而引起破壞面由GCL—下覆土層界面向糙面土工膜—膨潤土界面轉(zhuǎn)移。

圖5 底部復(fù)合襯里層試樣在不同法向應(yīng)力下的破壞模式Fig.5 Applied normal stresses and the associated shear failure surfaces in the tested composite liner specimens

圖6 封蓋系統(tǒng)復(fù)合襯里層試樣在不同膨潤土含水率下的破壞模式Fig.6 Water contents of unreinforced GCL bentonite and the associated shear failure surfaces of the composite cover specimens

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

施建勇等對垃圾填埋場復(fù)合襯里試樣分別進(jìn)行了直剪試驗、拉拔試驗和單剪試驗，基于三種常規(guī)試驗獲得的剪應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線分析了試樣在剪切過程中破壞面隨著法向應(yīng)力變化的發(fā)展趨勢[12]；并利用自主研制的疊環(huán)單剪儀（如圖7所示）對國內(nèi)典型的垃圾填埋場底部襯里材料進(jìn)行了復(fù)合襯里整體剪切變形機理，克服了常規(guī)試驗的局限，同時使之前的研究結(jié)論得到驗證和進(jìn)一步的深化[13]。即：當(dāng)法向應(yīng)力較低時（＜112kPa），復(fù)合襯里可能在土工網(wǎng)與土工膜間最先發(fā)生破壞；隨著法向應(yīng)力增加，破壞面開始向土工膜和壓實粘土之間轉(zhuǎn)移；當(dāng)法向應(yīng)力較大時（＞336kPa），最危險破壞面轉(zhuǎn)移到土工膜與壓實粘土之間。這一研究結(jié)論均與國外學(xué)者的結(jié)論相一致。

圖7 疊環(huán)式單剪儀示意Fig.7 Schematic of ring simple shear apparatus

圖8 SD-28大型斜面直剪儀示意Fig.8 Schematic of SD-28 large-scale inclined direct shear apparatus

通常為了配合填埋場場地滲濾液收集系統(tǒng)的鋪設(shè)要求，垃圾填埋場場底要求形成整體的相對坡度。因此，為了研究斜坡上復(fù)合襯里的剪切特性，施建勇等在自制的疊環(huán)式單剪儀的基礎(chǔ)上，研制了斜面剪切儀（圖8）。通過對場底復(fù)合襯里試樣進(jìn)行大型斜面剪切試驗，得到試樣剪切面上法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力同時增加的變化規(guī)律，揭示了斜坡上復(fù)合襯里更為詳細(xì)的剪切特征：當(dāng)初始垂直壓力大于某一值時，剪切過程中發(fā)生了破壞界面由土工網(wǎng)與土工膜界面轉(zhuǎn)移到土工膜與壓實粘土界面的現(xiàn)象；當(dāng)初始垂直壓力更大時，土工膜與壓實粘土界面的位移明顯大于其他界面，并一直增加到土工膜與壓實粘土界面破壞[14,15]。

3 GCL與土工膜界面強度的影響因素研究

3.1 GCL水化程度及膨潤土侵入量的影響

Eid的試驗結(jié)果顯示GCL膨潤土侵入土工合成材料的量及膨潤土水化程度對復(fù)合襯里強度的影響。Vukelic等通過室內(nèi)直剪試驗專門觀察研究了在不同法向應(yīng)力、不同含水量條件下膨潤土侵入量對GCL—糙面土工膜界面強度的影響[16]。將試驗用的GCL試樣分兩種，一種在1kPa法向應(yīng)力下預(yù)先水化；另一種則不進(jìn)行預(yù)先水化。將這兩種試樣的剪切結(jié)果、膨潤土在接觸面上的侵入量進(jìn)行了對比分析。

圖9 剪切破壞后與預(yù)水化GCL接觸的土工膜的微型成像Fig.9 The photographs of the contact area of geomembrane after shearing

為了描述膨潤土侵入量對界面強度的影響，作者定義壓入系數(shù)cextru為土工膜上膨潤土封蓋面積與土工膜和GCL的總接觸面積之比。在剪切試驗結(jié)束后，所有與非預(yù)先水化GCL接觸的土工膜上cextru接近0；而所有與預(yù)先水化GCL接觸的土工膜（微型成像見圖9）cextru大于0，且cextru隨著法向應(yīng)力增大、剪切速率減小而增大[16]。

剪切速率越小，cextru越大，即膨潤土侵入土工膜的量越大，落在土工膜上的膨潤土起著潤滑的作用，使得界面強度損失越大。而剪切速率對非預(yù)先水化GCL—土工膜界面強度影響微小，非預(yù)先水化GCL—土工膜界面強度總是大于預(yù)水化GCL—土工膜界面強度。

張宏偉等通過對三種不同土工膜與GCL界面進(jìn)行大型直剪試驗，在試驗過程中分別用不同的加載水化順序來模擬不同的實踐工況，重點研究了GCL不同加載水化順序?qū)ε驖櫷翑D出及界面強度的影響[17]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)土工膜—GCL界面開始剪切時，糙面土工膜表面噴射的粗糙顆粒在較軟的GCL表面產(chǎn)生犁溝作用，增加了GCL內(nèi)部膨潤土與土工膜表面的接觸；隨著剪切的進(jìn)行，膨潤土逐漸積聚在土工膜表面，產(chǎn)生潤滑作用使得土工膜—GCL界面強度降低。

3.2 GCL加工工藝、周圍溶液的影響

GCL用于填埋場的復(fù)合襯里系統(tǒng)中，將面臨復(fù)雜的水化學(xué)環(huán)境、溫度對其老化及長期力學(xué)強度的影響。為此，Müllerd等應(yīng)用如圖10所示的試驗裝置，研究土工合成材料組分、GCL加工工藝、周圍溶液、氧化條件等多重因素影響下GCL的耐久性及長期強度問題[18]。

圖10 GCL長期抗剪強度試驗裝置Fig.10 Long-term shear strength test device

試驗裝置采用杠桿原理對盛有不同材料組分和加工工藝的加筋GCL試樣的楔形試樣槽頂面施加43kPa的恒定豎向壓力，根據(jù)理論計算，試樣內(nèi)部將長期受到17kPa的剪應(yīng)力作用。施載的同時試樣水浴在蒸餾水或自來水中。試驗結(jié)果表明，加筋GCL的長期抗剪強度主要取決于周圍溶液成分。試驗中，自來水能滿足膨潤土進(jìn)行鈉鈣離子交換，避免試樣在受力狀態(tài)下發(fā)生較大的應(yīng)變，防止加筋纖維的破壞。發(fā)生離子交換的膨潤土層和加筋纖維固有的長期抗剪強度大于試驗所施加的剪應(yīng)力，因此在長達(dá)3年的試驗周期內(nèi)，水浴在自來水中的加筋GCL并未出現(xiàn)強度破壞。而水浴于蒸餾水中的試樣，隨著水化程度的增加，鈉基膨潤土層發(fā)生膨脹變形，引起穿過其中的加固纖維出現(xiàn)較大的延展變形，此時加筋GCL的長期強度依賴于加固纖維成分、加工工藝和周圍環(huán)境溫度：GCL中的加筋纖維的錨固端若經(jīng)過熱處理，那么在纖維與土工材料的錨固處會產(chǎn)生脆性破壞；而若未經(jīng)熱處理，GCL的破壞則表現(xiàn)為加固纖維在錨固處松動解開。

4 分析與展望

城市垃圾填埋場內(nèi)部環(huán)境惡劣，復(fù)合襯里層和封蓋水力屏障的多界面力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，同時受各組成材料的加工工藝、周圍環(huán)境因素、應(yīng)力條件的影響，使填埋場襯里系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)的安全性面臨很大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外學(xué)者均在垃圾填埋場復(fù)合襯里的力學(xué)特性上進(jìn)行了大量的研究工作，并在復(fù)合襯里剪切破壞機制方面取得顯著成果。最新的研究結(jié)果表明：復(fù)合襯里中孔壓的變化對界面抗剪強度存在顯著影響；在復(fù)合襯里多界面體系中，最薄弱面將隨著GCL中膨潤土含水量和應(yīng)力水平等因素的改變而發(fā)生遷移，這些發(fā)現(xiàn)有利于人們合理確定穩(wěn)定性分析中的多界面強度參數(shù)。

常規(guī)的直剪儀因操作簡單，被廣泛運用到復(fù)合襯里系統(tǒng)的強度研究中，然而其試驗條件往往不符合真實的工程環(huán)境。因此，國外學(xué)者研制和改進(jìn)了多種剪切儀器進(jìn)行試驗研究；而國內(nèi)學(xué)者的理論研究進(jìn)展與水平與國外的差距也正在不斷縮小。

在填埋場實際的運營過程中，復(fù)合襯里層中的壓實膨潤土?xí)?jīng)歷由非飽和到飽和的過程，膨潤土中吸力隨飽和過程的變化，會影響土體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的變化，進(jìn)而會影響到土體的力學(xué)特性。同時，膨潤土在水化過程中，會發(fā)生膨脹，對周圍環(huán)境施加膨脹力，這一現(xiàn)象也可能會影響到整個復(fù)合襯里層的力學(xué)性質(zhì)。因此，作為復(fù)合襯里層的組成之一，壓實膨潤土層在水化過程中的力學(xué)行為對整個復(fù)合層的力學(xué)強度的影響，應(yīng)當(dāng)作為今后國內(nèi)外學(xué)者的研究重點之一。

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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

蘇薇(1990-),女,碩士生,主要從事非飽和土研究.

電子郵箱：suweiown@163.com

聯(lián)系電話：18817879589

國家自然科學(xué)基金(41272287);上海市浦江人才計劃(13PJD029)