填埋场GCL／GM与保护层接触面抗剪强度研究进展

彭 飞 王红雨 邢毓航 朱阶红

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.湖北省监利县柘木中学，湖北 监利 433301）

目前，填埋法是我国城市生活垃圾处理的主要方法［1].垃圾填埋场服役期限长，潜在危害大.防渗系统长期防渗性能的优劣是垃圾填埋场建造质量的关键环节之一，《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范》（CJJ113－2007）［2]推荐垃圾填埋场采用压实粘土作为GCL／GM防渗垫的保护层共同构成复合防渗系统.但压实粘土作为GCL／GM防渗垫的保护层并不适用于所有填埋场，尤其是在西北干旱、半干旱、干湿冻融交替循环条件下建造的填埋场.

1 填埋场GCL／GM与保护层接触面抗剪研究现状

目前研究土与土工合成材料接触面剪切特性的试验方法主要有直剪试验、摩擦试验、扭剪试验和斜板试验等4种.前两种方法是研究接触面强度的主要方法.

1.1 国外试验研究现状

GCL／GM与保护层接触面之间的抗剪强度小于保护层本身的抗剪强度.1986年 Willams［3]发现土与土工织物之间的摩擦角小于土本身的摩擦角.1987年Eigenbrod等［4]得出了同样的试验结果，同时还发现密实砂与土工织物反复剪切后，所发挥出的摩阻力几乎与疏松状态相同.同时，由于GCL水化后抗剪强度较低，外部荷载不能直接作用于GCL.1995年Koerner R M［5]试验得出，如果在GCL上铺设一定厚度的砂土垫层，就会避免GCL中的膨润土因受挤压而失去防渗作用.因此，一般在GCL表面添加保护层防止其破坏.2003年Rowe R K等［6]通过将5种GCL产品分别铺设在土工网格、6mm的砾石和砂土等地基上分别测试其防侵蚀性能.试验表明，GCL最佳铺设垫层是砂土.

关于GCL／GM等不同材料之间的界面强度特性的单元体试验研究，国外已经开展了较多工作.Jones和Dixon［7]利用大型直剪仪发现了当上覆土体为粗粒土时可较大地增加土工织物／土工膜界面强度；Eid等［8]发现膨润土挤出是影响GCL／GM 界面的重要因素.

1.2 国内试验研究现状

直剪试验方面，土与土工合成材料接触界面的抗剪强度随土体含水率的增大呈下降趋势，土工织物表面粗糙度直接影响接触面的抗剪强度，另外，在不同应力作用下接触面抗剪强度呈现不同的应变特征.2006年卢廷浩［9]通过改进的直剪仪进行64个不同试样界面的剪切试验，得到了不同含水率不同正应力下土与不同结构接触界面的剪切应力应变曲线.2009年林伟岸等［10]复合衬垫系统大型斜坡模型试验结果表明，土工膜表面粗糙度是影响土工膜／土工织物界面强度的决定因素.2010年施建勇［11]研究认为复合衬垫整体单剪试验的应力－位移曲线在低法向应力试验中没有呈现明显的软化特征，在高法向应力试验中有硬化现象；随法向应力增加剪切破坏面会发生转移.

摩擦特性试验方面，一般来讲，接触面越粗糙则摩擦性能越好，因为粗糙接触面可以产生摩擦、咬合、嵌锁等综合作用.2004年马时冬［12]试验结果表明，土工格栅配合碎石类填料的摩擦效果最好.2007年王俊林［13]研究表明土－土工织物界面黏着力随着土样中细颗粒含量的增加而增加，界面摩擦角随着土样中细颗粒含量的增加而减小；当围压一定时，抗剪强度与填土的细颗粒含量、含水量等因素有关；土－土工织物界面剪应力与剪位移之间具有明显的非线性，其关系曲线可用双曲线来拟合.

2 西北地区填埋场GCL／GM与保护层接触面抗剪研究

2.1 西北地区填埋场防渗系统存在的问题

GCL与宽级配砾石土直接接触的理论、工程性质与施工技术等问题的解决是西北地区采用该防渗方案（砾石土、GCL和GM共同构成复合防渗系统）建造垃圾填埋场的关键.在西北干旱、半干旱、干湿与冻融交替作用的环境中，采用粘土衬里防渗，存在易干裂、抗剪强度低以及粘土料源匮乏等问题；采用高密度聚乙烯（HDPE）防渗材料存在成本高、机械破坏和安装技术不易掌握等问题；而采用土工织物粘土垫层（GCL），也存在接触面抗剪强度低以及在干湿冻融交替循环条件下的长期防渗性能不可靠等问题.

2.2 西北地区填埋场防渗系统解决方案

为解决适应该地区干湿冻融交替循环特殊环境垃圾填埋场防渗系统稳定工作问题，国内学者根据2007规范“保护层应采用黏土，当黏土资源缺乏时，可使用其他类型的土”的表述提出了各种保护层替代方案.张虎元［14－15]提出污染控制等效性原则是替代衬垫设计的基本依据，同时实测了膨润土改性黄土代替压实粘土的可行性.文献［16]提出以宽级配砾石土代替粘土作为GCL／GM防渗垫的保护层，同时分析得出其方案可行.据研究，如果砾石土级配合适，并且砾石土与GCL接触面处理得当的话，宽级配砾石土会改善GCL的受力状况，同时，与粘土保护层相比，砾石土可以为处在干湿循环中的GCL创造相对湿润的有利条件.

2.3 室内验证试验方案及可能遇到的问题

对于宽级配砾石土是否会改善GCL的受力状况以及其作为GCL／GM防渗垫的保护层是否可以减缓防渗垫受干湿与冻融循环作用影响的问题，相关验证试验正在进行中.现就室内试验方案及可能遇到的问题进行阐述.

试验方案：该验证主要由颗粒分析实验、含水量实验、击实试验及直剪试验组成.试验应先分析得出抗剪强度及渗透系数同时满足要求的宽级配砾石土，然后利用直剪仪测定满足要求的砾石土与不同水化程度的GCL接触面的抗剪强度参数，最后验证宽级配砾石土能改善GCL的受力状况以及其作为GCL／GM防渗垫的保护层能减缓防渗垫受干湿冻融循环作用影响的推断.试验拟制作5组级配经人工调配的砾石土，分别命名为级配1、级配2、级配3、级配4和级配5，绘出5组试样的级配曲线，并分别测定其最大干密度、最优含水量以及各级配砾石土的内摩擦角和粘聚力，结合渗透试验测定的渗透系数，分析得出抗剪强度及渗透系数同时满足要求的宽级配砾石土.将满足要求的砾石土各制作2组分别与水化程度为0%、25%、50%、75%以及完全水化的GCL进行直剪试验，最终分析验证推断假设.

可能遇到的问题：1）试验方法，直剪试验和拉拔试验应是土与土工合成材料界面特性试验的合适方法.不过应考虑试验的尺寸效应和边界效应以及剪切方式和材料特性对试验结果的影响.2）试验设备，对于加筋土的界面特性试验目前无统一的试验设备及方法，但为使试验结果符合实践要求，试件与试样盒应有足够的尺寸.我国《土工合成材料测试规程》［17]对直剪试验提出了一个下限值，要求试样盒大于60 mm×60mm.3）缩尺效应，由于GCL及砾石土的结构特性，小尺寸直剪试验难以得到具有代表性的结果.总体来讲，剪切盒尺寸越大，界面的抗剪强度越高.

3 结 语

综上所述，可得到如下结论：1）宽级配砾质土与GCL／GM组成的复合防渗系统更适合西北地区干湿冻融交替循环的自然环境；2）宽级配砾石土与GCL／GM接触面剪切性能应依据直剪试验方法利用直剪仪进行试验研究；3）宽级配砾石土与GCL／GM接触面直剪试验设备应优先考虑采用大型直剪仪，无大型直剪仪时可以考虑改进常规直剪仪进行试验，但试样盒尺寸不得小于60mm×60mm，同时应消除缩尺效应以及土工织物自身特性等给实验带来的不利影响.

在高压、复杂应力状态、动荷载及干湿冻融循环作用下砾石土与GCL／GM接触面的工程性质也有待进一步研究.因此，需进一步深入研究接触面抗剪强度问题，以期早日应用于垃圾填埋场.

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