苯板與土工膜的摩擦特性試驗研究

張 軍，侍克斌

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

在寒冷地區(qū)，襯砌渠道、土石壩普遍存在凍脹問題，凍脹可能造成渠道、土石壩邊坡的襯砌表面出現(xiàn)開裂、變形、滑塌、破碎等破壞。防止凍脹的措施較多，傳統(tǒng)方法多采用砂礫石層排水保溫，近些年，有不少工程采用苯板進行保溫，并取得了良好的效果。采用砂礫石層保溫，工序較復(fù)雜，施工速度慢，并要求工程附近砂石料豐富，否則工程造價較高。采用苯板保溫，厚度一般為砂礫石保溫層的1/10，大大節(jié)省了換填工作量，且施工方便，保溫效果好，尤其是在缺乏砂礫石料的地區(qū)，其經(jīng)濟優(yōu)越性明顯[1-5]。

渠道采用苯板保溫，其邊坡結(jié)構(gòu)一般采用混凝土面板+防滲材料+苯板+墊層材料的襯砌形式，因此苯板與防滲體、墊層材料的摩擦特性決定了渠道邊坡淺層的穩(wěn)定性，而國內(nèi)對苯板與防滲材料、墊層的摩擦特性試驗研究較少。到目前為止，土工合成材料試驗規(guī)程中還沒有關(guān)于苯板的界面摩擦特性試驗方法，采用何種儀器測定苯板的界面摩擦特性也未具體說明。本文采用TZY-1土工合成材料綜合測定儀與非散粒體摩擦角測定儀 (該儀器是新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院自行研發(fā)的具有國家發(fā)明專利的測試儀器)測定苯板與土工膜的摩擦特性，分析兩種試驗結(jié)果，為苯板在實際工程應(yīng)用提供設(shè)計參數(shù)。

1 試驗設(shè)備

1.1 TZY-1土工合成材料綜合測定儀

該儀器主要用于土工合成材料的力學(xué)特性試驗和土與合成材料相互作用特性試驗。垂直荷載采用高精度調(diào)壓閥和滾動隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)；水平荷載采用應(yīng)變控制加荷方式，由電機驅(qū)動變速箱均勻施加；數(shù)據(jù)處理由8031單片微機控制，采樣速度10次/s,數(shù)字顯示應(yīng)力－時間，自動判斷峰值，打印應(yīng)力－應(yīng)變或應(yīng)力－時間數(shù)據(jù)表格及相應(yīng)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線或應(yīng)力－時間關(guān)系曲線。

1.2 非散粒體摩擦角測定儀

該儀器由支座、調(diào)平螺母、支座平臺、工作臺、放大鏡、摩擦角度盤、升降螺旋、固定標(biāo)尺、坡度測盤、材料盒幾部分組成。摩擦角的測定范圍是0～90°，工作平臺長35.5 cm，寬10 cm，角度盤的精度為30 s，材料盒長 30 cm，寬10 cm，高9 cm，材料盒主要用于裝散粒料。

2 試驗材料

苯板即聚苯乙烯泡沫板，性能參數(shù):密度≥20 kg/m3；抗壓強度≥150 kPa；彎曲強度≥220 kPa；在40～70℃尺寸變形＜±0.5%；導(dǎo)熱系數(shù)≤0.04 W/（m·℃）； 吸水性＜80 g/m2； 耐熱性＞80℃。 土工膜為光面膜、一布一膜、兩布一膜，性能參數(shù)見表1。

表1 土工膜的物理力學(xué)參數(shù)

3 試驗方法

3.1 TZY-1土工合成材料綜合測定儀

（1）試驗采用應(yīng)變控制，剪力盒大小為20 cm×20 cm×5 cm，剪切速率取1.60 mm/min。在25、50、75、100 kPa不同的垂直壓力作用下，得出相應(yīng)的相對位移－剪應(yīng)力曲線，再由這些曲線得出相應(yīng)的最大剪應(yīng)力，然后將試驗結(jié)果點繪成τ-p曲線，從而求的似粘聚力Ca和似摩擦角或f值。

（2）剪切盒下放置硬木塊，將土工膜置于硬木塊上并用螺栓固定。

3.2 非散粒體摩擦角測定儀

（1）試驗時將儀器放在較平的平面上，用調(diào)平螺母調(diào)整支座，使得支座平臺上的水準氣泡居中，保證支座、支座平臺處于同一水平面，避免施加的豎向荷載產(chǎn)生偏心的作用，引起試驗誤差。

（2）將土工膜固定在工作臺上，苯板 （長20 cm，寬8 cm，厚5 cm）放在土工膜上面，再在苯板上施加1.25、2.5、3.75、5.0 kPa 4種不同的豎向荷載，通過升降螺母逐漸增加工作臺的角度，直到苯板與土工膜開始發(fā)生相對滑動，停止擰動升降螺旋，通過放大鏡讀出角度盤的度數(shù)，該角即為苯板與土工膜的摩擦角。為了減少試驗結(jié)果的誤差，更加貼近實際工程，每做一次試驗，必須更換土工膜和苯板。

4 試驗成果及分析

4.1 試驗成果

利用土工合成材料綜合測定儀測定苯板與土工膜的試驗結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 苯板與土工膜ΔL-T曲線

圖2 苯板與土工膜σ-τ曲線

利用非散粒體材料摩擦角測定儀測定苯板與光面土工膜的試驗結(jié)果見表2。

表2 苯板與光面土工膜試驗成果

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 土工合成材料綜合測定儀的試驗結(jié)果分析

（1）從圖1可以看出，ΔL-T曲線分為3個階段:①隨著剪應(yīng)力增加，位移不變，說明上下剪切盒沒有發(fā)生相對位移，主要是因為苯板與土工膜之間產(chǎn)生了咬合力和嵌固力，兩種材料之間的界面作用是靜摩擦力，即粘聚力；②隨著剪應(yīng)力增加，位移也在增加，但是剪應(yīng)力的增長速度比位移的增速快，此階段產(chǎn)生了摩擦力和粘聚力，但它們之間的界面作用主要表現(xiàn)為粘聚力；③隨著剪應(yīng)力增加，位移增加，但是位移的增速比剪應(yīng)力快，增幅大，此階段兩種材料之間的界面作用是滑動摩擦力，即摩擦角的大小。隨著位移的增加，苯板與兩布一膜的剪應(yīng)力增長速度最慢。

（2）從σ-τ曲線可以看出，隨著膜的粗糙程度增大，粘聚力增大，摩擦角減小。苯板與兩布一膜的粘聚力最大，摩擦角最小；苯板與光面土工膜的粘聚力最小，摩擦角最大。

（3）做苯板與土工膜的試驗時發(fā)現(xiàn)，苯板發(fā)生了豎向與水平方向的變形，上剪切盒發(fā)生了不同程度的翹起。當(dāng)施加豎向應(yīng)力為25 kPa時，靠近施加水平力方向的苯板，水平變形為0.5～1 mm，垂直變形為1～2 mm，上剪切盒翹起2 mm；當(dāng)施加的豎向應(yīng)力為50 kPa時，苯板的水平變形為1～2 mm，垂直變形為2～3 mm，上剪切盒翹起3 mm；當(dāng)施加的豎向應(yīng)力為75 kPa時，苯板的水平變形為2～3 mm，垂直變形為3～4 mm，上剪切盒翹起3～4 mm；當(dāng)施加的豎向應(yīng)力為100 kPa時，苯板的水平變形為3～5 mm，垂直變形為 4～5 mm，上剪切盒翹起 4～5 mm。苯板的水平變形是由苯板與土工膜的剪應(yīng)力引起的；隨著正應(yīng)力增大，苯板與土工膜的剪應(yīng)力增加，水平變形增大，水平變形導(dǎo)致垂直變形增大，上剪切盒翹起越嚴重。苯板變形增大，使得兩種材料之間不能充分接觸，試驗誤差大。

（4）做苯板與光面土工膜、一布一膜的試驗時，建議當(dāng)剪切位移達到6 mm即可停止試驗，這樣可以節(jié)約時間，剪應(yīng)力也可達到峰值及穩(wěn)定值。做苯板與兩布一膜、不同含水率的粗、細砂、粘土的試驗時，建議當(dāng)剪切位移達到10 mm即可停止試驗。

4.2.2 非散粒體摩擦角測定儀的試驗結(jié)果分析

從表2可以看出:

（1）苯板與光面土工膜摩擦角平均值為20.02°，隨著土工膜的含水率增加，苯板與其之間的摩擦角變化很小，可以忽略不計。只有摩擦角時，邊坡穩(wěn)定計算公式簡單。

（2）隨著正應(yīng)力增加，苯板與光面土工膜的摩擦角不變，這說明它們之間的摩擦角大小與豎向應(yīng)力無關(guān)，摩擦角只與它們之間接觸面的粗糙程度有關(guān)，接觸面越粗糙，它們之間的摩擦角越大。

（3）在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，施加不同正應(yīng)力時，苯板不發(fā)生垂直及水平方向的變形，也不發(fā)生翹起，苯板能與光面土工膜完全接觸，這樣測出的結(jié)果更加準確，更加貼近工程實際情況。

（4）采用該儀器測定苯板與一布一膜、兩布一膜的摩擦角時，隨著施加的豎向荷載不斷增大，摩擦角變化較大，主要是因為它們之間的粘聚力較大，從而導(dǎo)致滑動不明顯，測的摩擦角誤差較大。

5 結(jié)論

（1）采用土工合成材料綜合測定儀進行試驗時，隨著膜的粗糙程度增大，粘聚力增大，摩擦角減小。苯板與兩布一膜的粘聚力最大，摩擦角最??；苯板與光面土工膜的粘聚力最小，摩擦角最大。

（2）采用非散粒體摩擦角測定儀進行試驗時，苯板與光面土工膜摩擦角基本不變，結(jié)果規(guī)律性較好；只有摩擦角，邊坡穩(wěn)定計算公式簡單，結(jié)果準確；但不能得到苯板與一布一膜、兩布一膜之間的穩(wěn)定摩擦角。

（3）采用土工合成材料綜合測定儀進行試驗時，苯板會產(chǎn)生豎直方向及水平方向的變形，試驗結(jié)果存在一定的誤差；采用非散粒體摩擦角測定儀進行苯板與光面土工膜的試驗時，苯板不產(chǎn)生變形，試驗結(jié)果較準確。

（4）非散粒體材料摩擦角測定儀構(gòu)思新穎，構(gòu)造簡單，便于操作，可進行現(xiàn)場試驗，可直接測定出苯板與光面土工膜的摩擦角和臨界坡度。但當(dāng)兩種物體之間的粘聚力過大時，不能得到穩(wěn)定的摩擦角，故該儀器仍需進一步改進研究。

［1］《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》編寫委員會.土工合成材料工程應(yīng)用手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［2］張文智.聚苯乙烯泡沫塑料板在渠道防凍脹中的應(yīng)用［J］.水利與建筑工程學(xué)報， 2003（2）:56－57.

［3］陳立國，周玲，等.寧夏渠道襯砌防凍脹試驗研究［J］.中國農(nóng)村水利水電， 2008（9）:102－107.

［4］張彥武.聚苯乙烯泡沫板在渠道防凍脹中的運用［J］.甘肅水利水電技術(shù)， 2009（1）:7－9.

［5］張漢軍.聚苯乙烯保溫板在渠道襯砌中防凍脹應(yīng)用技術(shù) ［J］.甘肅水利水電技術(shù)， 2003（4）:294－295.

［6］新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院.非散粒體材料摩擦角測定儀: 中國， ZL20051007935.17［P］.2007-07-25.