土工膜GCL復合襯里剪切強度確定方法

章 玲 玲,林 海

(1.江西交通職業(yè)技術學院 建筑工程學院,江西 南昌 330013; 2.南昌大學 工程建設學院,江西 南昌 330031)

0 引 言

防滲結構是城市固體廢棄物填埋場、輸水渠道和水庫大壩等工程的重要組成部分,以土工膜(GM)和土工膨潤土防水毯(GCL)為代表的土工合成材料憑借抵抗不均勻沉降能力強、增加庫容和性質穩(wěn)定等優(yōu)勢越來越多地被應用到工程當中[1-4]。由于復合防滲襯里通常鋪設在具有一定坡度的斜坡上,填埋場等工程的整體穩(wěn)定性是工程建設須考慮的首要因素[5-8]。近幾十年的工程失穩(wěn)案例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),沿土工合成材料界面的滑移破壞為主要破壞型式,因此土工合成材料的界面剪切強度一直是研究的熱點[1,9-11]。GM與針刺GCL共同組成的復合襯里的防滲效果顯著優(yōu)于壓實黏土、GM和GCL等單層防滲襯里,然而由于GCL內夾膨潤土水化后抗剪強度極低及其對界面的潤滑作用,GM/GCL界面和GCL內部界面都可能是決定防滲結構滑移穩(wěn)定性的關鍵界面[9-10]。

為了揭露GM/GCL界面剪切及GCL內部剪切強度特性及破壞機理,國內外許多學者對此展開了廣泛且深入的研究,并得到了豐碩的成果[12-16]。例如,土工合成材料剪切試驗具有較明顯的尺寸效應,獲取具有代表性的剪切強度一般要求開展大尺寸(邊長或直徑大于300 mm)的剪切試驗[9-10]。GM+針刺GCL復合襯里的最危險界面會隨著法向應力增加從GM/GCL界面轉移至GCL內部,無論GCL/GM界面強度還是GCL內部強度都表現(xiàn)出明顯的峰值和應變軟化特性[17-20]。剪切速率對剪切試驗結果具有一定的影響,GM+針刺GCL復合襯里的推薦剪切速率低至0.1 mm/min[10,17]。在對填埋場等工程中GM+GCL復合襯里進行滑移穩(wěn)定分析時,選取能夠反映復合襯里剪切強度特性的剪切強度參數(shù)非常重要。通過試驗來獲取GCL/GM界面和針刺GCL內部界面的剪切強度參數(shù),可能需要花費大量的時間投入且對實驗室設備的要求較高,這在施工或項目現(xiàn)場是難以實現(xiàn)的。

Qian等[21-23]提出的多楔體極限平衡方法是目前評價填埋場襯里界面滑移破壞穩(wěn)定性的代表性方法,然而GM+GCL復合襯里中最危險破壞面發(fā)生轉換的性質給計算方法的應用增加了難度。并且復合襯里破壞面轉換的臨界壓力區(qū)間會隨著GM和GCL種類等而發(fā)生變化,這進一步使得計算參數(shù)繞不開試驗。單組GCL剪切試驗中的水化過程一般分為預水化和法向壓力下水化兩個步驟,需要花費3 d以上的時間,因此科學合理地確定GM+GCL復合襯里剪切強度參數(shù)將為相關材料的應用及工程穩(wěn)定分析提供極大的便利。為了方便工程技術人員在填埋場穩(wěn)定分析中解決計算界面選取的難題,并且盡可能減小或適當避免GM+GCL復合襯里剪切試驗的耗時耗力,本文在分析GM+GCL復合襯里剪切破壞機理的基礎上,提出一種簡便確定剪切強度的方法。

1 土工膜+針刺GCL復合襯里的剪切破壞模式

相比GM/GCL界面或針刺GCL內部界面的單界面剪切試驗而言,不限定剪切面的GM+GCL復合襯里的剪切試驗更能真實地反映復合襯里在各級法向壓力下的破壞型式。林海等[19]對水化針刺GCL+糙面GM復合襯里的各界面剪切位移發(fā)展規(guī)律和峰值強度等單剪破壞特征進行了研究。試驗所用針刺GCL由一層有紡布和一層無紡布將約5 kg/m2的鈉基膨潤土夾持并采用纖維針刺加筋制成,GCL的無紡布和編織布分別與GM接觸時的兩種情形能夠全面反映復合襯里可能的破壞模式。大單剪試驗得到的GM+針刺GCL復合襯里破壞模式如圖1所示,與Fox等[17-18]研究成果類似:無紡GCL+GM復合襯里的剪切破壞面會隨著法向壓力的增加從GCL/GM界面轉移至針刺GCL內部界面。編織GCL+GM復合襯里的剪切破壞面始終處于編織GCL/GM膜界面,但隨著豎向應力的增加,開始出現(xiàn)針刺GCL內部的局部破壞。

圖1 GM+針刺GCL復合襯里的剪切破壞模式Fig.1 Shear failure modes of composited liner composed of GM and needle punched GCL

從圖1可以看出,GM+針刺GCL復合襯里存在一個剪切破壞模式轉換的臨界豎向應力σcr,由于GCL內部剪切強度和GCL/GM界面剪切強度必然存在試驗離散性,因此臨界法向應力σcr常常以一個區(qū)域范圍的形式存在。例如,無紡GCL+GM復合襯里的臨界法向應力σcr1處于500 kPa附近的范圍,當豎向應力接近σcr1時,針刺GCL的內部位移和GCL/HDPE膜界面位移在剪切過程中以近似相等的速度共同發(fā)展,說明在此壓力范圍內復合襯里中的GCL/GM界面和GCL內部界面共同發(fā)生了剪切破壞[19-20]。編織GCL+GM復合襯里的臨界法向應力σcr2處于700～900 kPa附近,要高于針刺GCL無紡面與GM直接接觸的情況。從圖1復合襯里的剪切強度包線可以看出,峰值強度τp隨σn增長的速率在σcr2范圍內變得平緩很多。復合襯里的破壞模式將決定土工合成材料襯里邊坡穩(wěn)定分析中計算界面的選取,由于不同單界面的剪切強度參數(shù)可能存在顯著差異,工程人員理解和掌握GCL+GM復合襯里的破壞模式是極有必要的。

2 土工膜+針刺GCL復合襯里的峰值強度特征

林海等[19-20]試驗中針刺GCL無紡布側和編織布側分別與GM接觸時的復合襯里剪切峰值強度包絡線如圖2所示。GM+GCL復合襯里的峰值強度與法向壓力之間的關系為非線性,峰值強度摩擦角隨法向應力的增加而減小。在所測試的所有豎向壓力下,無紡GCL+GM的峰值強度都要高于編織GCL+GM襯里。總體而言,非線性公式(1)能夠較好地擬合水化針刺GCL+GM復合襯里的峰值強度。

圖2 GM+針刺GCL復合襯里峰值強度及小位移應力峰值Fig.2 Peak shear strength and peak shear stress value at small displacement of GM + needle punched GCL composite liner

τp=σntan[φ0-φb·lg(σn/Pa)]

(1)

式中:φ0,φb為試驗擬合得到的常數(shù);Pa為標準大氣壓(約為101 kPa)。

然而從圖2中可以看出,采用非線性公式(1)擬合的強度包絡線在臨界豎向應力σcr左右會略高估復合襯里的峰值強度。同時,現(xiàn)有填埋場楔體極限平衡分析法通常采用線性強度包絡線形式來擬合剪切破壞面的峰值強度,即采用類黏聚力和摩擦角兩個簡單參數(shù)來進行計算分析,非線性強度包線在工程人員的計算分析中使用不夠方便。根據(jù)針刺GCL的剪切破壞機理試驗研究,GM+GCL復合襯里在很小的剪切位移時(小于5 mm)應力位移曲線上都會存在一個應力峰值(小位移應力峰值)[20]。而小位移應力峰值τ1體現(xiàn)了GCL內夾水化膨潤土的峰值剪切強度,圖2顯示τ1與豎向應力σn表現(xiàn)為較好的線性關系。

考慮到τ1與σn具有較好的線性關系,水化膨潤土的強度可以通過室內小型直剪試驗獲得。構建復合襯里峰值強度τp與τ1之間的聯(lián)系,有利于工程人員快速直觀地判斷水化GCL+GM復合襯里的峰值剪切強度范圍。圖2中水化GCL+GM復合襯里剪切試驗得到的τp/τ1與σn之間的關系如圖3所示。水化GCL+GM復合襯里的τp/τ1值全部都處于1.4～2.3的范圍內,文獻[17]的無紡GCL+GM復合襯里直剪試驗所得到的τp/τ1和本文試驗結果很相近。從圖3可以看到:法向壓力小于臨界壓力區(qū)時,τp/τ1隨著σn的增加而增加;τp/τ1的值在接近臨界壓力區(qū)σcr左右時達到極大值;而法向壓力高于臨界壓力區(qū)后,τp/τ1隨著σn的增加而減小?？傮w上看τp/τ1的值相對比較集中,而且在很大的豎向壓力范圍內(100～2 200 kPa)滿足條件τp> 1.4τ1。從偏于安全的方面考慮,可以采用1.4τ1作為針刺GCL+GM復合襯里的剪切峰值強度來進行滑移穩(wěn)定性計算。在此設想基礎上將復合襯里的峰值強度代入計算得到(τp-1.4τ1)/τp< 40%,所以用1.4τ1取代進行計算具有一定的可行性。

圖3 GM+針刺GCL復合襯里峰值強度與小位移應力峰值的關系Fig.3 Relationship between peak shear strength and peak shear stress value at small displacement of GM + needle punched GCL composite liner

3 土工膜+針刺GCL復合襯里的殘余強度特征

水化GCL+GM復合襯里的抗剪能力在峰值強度后隨著剪切位移的繼續(xù)增加而非線性地減小,在較大的剪切位移后(一般大于150 mm)會達到一個穩(wěn)定的剪切殘余強度τr。殘余強度反映了某個界面的剪切強度下限,填埋場中垃圾體降解和邊坡巖土體的滲流濕化等因素都有可能引起邊坡上復合襯里的蠕變,因此GCL+GM復合襯里的殘余強度研究具有很強的工程現(xiàn)實意義。GM/GCL界面及GCL內部界面的殘余強度與法向應力的關系如圖4所示。已有試驗數(shù)據(jù)顯示,GCL內部或GM/GCL界面都與法向應力呈現(xiàn)很好的線性關系,GM/GCL界面的殘余強度高于GCL內部界面。GCL內部界面殘余強度主要取決于水化膨潤土的剪切強度下限,GM/GCL界面殘余強度除此之外還與GCL夾持土工布類型(無紡或編織)和土工膜性質(光面/糙面,土工膜制造工藝方法等)有關[17,24-25]。從圖4可以看到,GM/GCL界面及GCL內部界面的殘余強度都極低,如果僅保守考慮取更低的針刺GCL內部殘余強度來代表復合襯里的剪切強度下限不符合破壞機理,同時可能嚴重低估復合襯里的滑移穩(wěn)定性。

圖4 GM/GCL界面及GCL內部界面的殘余強度Fig.4 Residual shear strength of GM/GCL interface and GCL internal interface

4 土工膜+GCL復合襯里的強度參數(shù)選取方法

在填埋場等邊坡工程的滑移穩(wěn)定性分析中,土工合成材料界面剪切強度設計參數(shù)的確定是前提,而其中GM+GCL復合襯里的強度參數(shù)選取尤其重要。一般情況下,如果邊坡上的土工合成材料界面剪切沒有表現(xiàn)出明顯的位移軟化特性(如光面GM/土工布界面,土工布/黏土界面等),只需通過試驗獲得材料界面的峰值剪切強度即可。而當最危險破壞面表現(xiàn)出明顯的位移軟化特征(例如GM/GCL界面和GCL內部界面),則還應選取該界面的殘余強度進行穩(wěn)定分析計算[26]。Stark等[27]建議在填埋場襯墊的設計中,背坡上土工合成材料復合襯墊的穩(wěn)定設計選取按照最低峰值強度界面所對應的殘余強度,而底坡的設計只需按照襯墊內最低界面峰值強度即可。Stark等[28]對填埋場穩(wěn)定分析中設計強度的選擇做了進一步補充,將設計強度選取方法推廣到存在最薄弱滑動面轉移的多層復合襯墊。例如,某土工合成材料復合襯里內含有土工布/土工膜界面、土工膜/黏土界面和土工膜/土工網(wǎng)界面等多個潛在軟弱滑移面,幾個界面的峰值剪切強度包絡線如圖5所示,工程人員應采用幾個界面的峰值強度包線下限段組合(圖中實線)來代表復合襯里的峰值強度進行滑移穩(wěn)定計算。GCL和GM作為典型的土工合成材料,水化GCL+GM復合襯里一般是范圍更大的土工合成材料復合襯里中的最軟弱環(huán)節(jié),當法向應力接近破壞面轉換的臨界壓力σcr時,復合襯里的剪切強度會小于其中的任一單界面剪切強度。因此,將水化GCL+GM復合襯里作為一個整體來確定峰值強度更為合理。如圖6所示,填埋場底部襯里通常分為角度平緩的底坡部分和依山而建的背坡部分,Stark等[28]建議在底坡穩(wěn)定計算分析時,設計強度選取復合襯墊中最薄弱界面的峰值強度包線,而在背坡穩(wěn)定計算分析時,設計強度選取剪切破壞面所對應的殘余強度。

圖5 土工合成材料復合襯里峰值強度的選取示意[28]Fig.5 Schematic diagram for peak shear strength selection of geosynthetics composite liner[28]

圖6 基于GM+GCL復合襯里剪切破壞模式的填埋場分區(qū)Fig.6 Landfill zoning based on shear failure modes of GM+GCL composite liner

綜合前人建議和本文對GM+GCL復合襯里剪切強度特性的歸納分析,可以提出一套嚴謹合理且簡便易行的剪切強度計算參數(shù)選取辦法。根據(jù)GM+GCL復合襯里的破壞模式將填埋場襯里分為低法向應力區(qū)、過渡法向應力區(qū)和高法向應力區(qū)(見圖6),考慮GM+GCL復合襯里的破壞面轉移特征和峰值后軟化特征,穩(wěn)定分析采用的計算參數(shù)確定按不同應力區(qū)和底/背坡來分別確定。對于填埋場底坡位置的復合襯里,采用復合襯里的峰值強度進行滑動穩(wěn)定性驗算,采用近似的峰值強度τp=nτ1(n為常數(shù)),n不應大于剪切試驗得到的τp/τ1最小值(本文GCL材料可取n=1.4),τ1相當于摩擦角為10°～12°的水化膨潤土峰值強度。如此一來,GM+GCL復合襯里的峰值強度可以非常容易地確定,該方法還可以保證復合襯里具備一定的安全儲備。對于填埋場的背坡部分,考慮到許多不定因素(長期沉降、蠕變或應力松弛等)可能會導致襯里變形進入后峰值軟化階段,設計分析時選擇復合襯里剪切破壞面對應的殘余強度。對于背坡上復合襯里σn<σcr的區(qū)域(低法向應力),GCL/GM界面為剪切破壞面,穩(wěn)定分析時的剪切強度選擇GCL/GM界面剪切殘余強度;對于背坡上復合襯里σn≥σcr的區(qū)域(過渡法向應力區(qū)和高法向應力區(qū)),此時針刺GCL內部界面會成為剪切破壞面,并且GCL內部剪切殘余強度要比GCL/GM膜界面剪切殘余強度還要小,因此穩(wěn)定分析時的剪切強度應選擇針刺GCL內部界面剪切殘余強度。在上述確定方法中,復合襯里剪切強度計算參數(shù)不僅考慮了滑動面轉移性質,并且安全性方面也是偏于保守,符合工程安全分析的要求。

5 結 論

(1) 邊坡滑移穩(wěn)定分析中,GM+GCL復合襯里的剪切強度參數(shù)選取需要考慮破壞模式發(fā)生轉變的臨界法向應力、底坡或背坡的位置及材料界面剪切強度的峰值后軟化特性。填埋場平緩底坡處的GM+GCL復合襯里推薦采用峰值強度進行分析,具有較大坡度的背坡位置的復合襯里推薦采用殘余強度進行分析。

(2) GM+GCL復合襯里的峰值強度τp可以近似地采用小位移峰值應力τ1的倍數(shù)獲取,倍數(shù)關系不大于剪切試驗得到的τp/τ1最小值,τ1也可以采用摩擦角為10°～12°的水化膨潤土峰值強度來簡便獲取近似取值。采用本文簡便方法進行實際工程分析時,建議開展少量適當?shù)腉M+GCL復合襯里大尺寸剪切試驗來進行佐證。

(3) 填埋場背坡位置處GM+GCL復合襯里的殘余強度τr根據(jù)復合襯里破壞模式轉變的臨界法向應力來選取,對小于臨界法向應力的區(qū)域開展穩(wěn)定分析時復合襯里采用GCL/GM界面剪切殘余強度,對接近或高于臨界法向應力的區(qū)域進行穩(wěn)定分析時復合襯里采用GCL內部剪切殘余強度。