苯板与土工膜的摩擦特性试验研究

张 军，侍克斌

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

在寒冷地区，衬砌渠道、土石坝普遍存在冻胀问题，冻胀可能造成渠道、土石坝边坡的衬砌表面出现开裂、变形、滑塌、破碎等破坏。防止冻胀的措施较多，传统方法多采用砂砾石层排水保温，近些年，有不少工程采用苯板进行保温，并取得了良好的效果。采用砂砾石层保温，工序较复杂，施工速度慢，并要求工程附近砂石料丰富，否则工程造价较高。采用苯板保温，厚度一般为砂砾石保温层的1/10，大大节省了换填工作量，且施工方便，保温效果好，尤其是在缺乏砂砾石料的地区，其经济优越性明显[1-5]。

渠道采用苯板保温，其边坡结构一般采用混凝土面板+防渗材料+苯板+垫层材料的衬砌形式，因此苯板与防渗体、垫层材料的摩擦特性决定了渠道边坡浅层的稳定性，而国内对苯板与防渗材料、垫层的摩擦特性试验研究较少。到目前为止，土工合成材料试验规程中还没有关于苯板的界面摩擦特性试验方法，采用何种仪器测定苯板的界面摩擦特性也未具体说明。本文采用TZY-1土工合成材料综合测定仪与非散粒体摩擦角测定仪 (该仪器是新疆农业大学水利与土木工程学院自行研发的具有国家发明专利的测试仪器)测定苯板与土工膜的摩擦特性，分析两种试验结果，为苯板在实际工程应用提供设计参数。

1 试验设备

1.1 TZY-1土工合成材料综合测定仪

该仪器主要用于土工合成材料的力学特性试验和土与合成材料相互作用特性试验。垂直荷载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；水平荷载采用应变控制加荷方式，由电机驱动变速箱均匀施加；数据处理由8031单片微机控制，采样速度10次/s,数字显示应力－时间，自动判断峰值，打印应力－应变或应力－时间数据表格及相应的应力－应变曲线或应力－时间关系曲线。

1.2 非散粒体摩擦角测定仪

该仪器由支座、调平螺母、支座平台、工作台、放大镜、摩擦角度盘、升降螺旋、固定标尺、坡度测盘、材料盒几部分组成。摩擦角的测定范围是0～90°，工作平台长35.5 cm，宽10 cm，角度盘的精度为30 s，材料盒长 30 cm，宽10 cm，高9 cm，材料盒主要用于装散粒料。

2 试验材料

苯板即聚苯乙烯泡沫板，性能参数:密度≥20 kg/m3；抗压强度≥150 kPa；弯曲强度≥220 kPa；在40～70℃尺寸变形＜±0.5%；导热系数≤0.04 W/（m·℃）； 吸水性＜80 g/m2； 耐热性＞80℃。 土工膜为光面膜、一布一膜、两布一膜，性能参数见表1。

表1 土工膜的物理力学参数

3 试验方法

3.1 TZY-1土工合成材料综合测定仪

（1）试验采用应变控制，剪力盒大小为20 cm×20 cm×5 cm，剪切速率取1.60 mm/min。在25、50、75、100 kPa不同的垂直压力作用下，得出相应的相对位移－剪应力曲线，再由这些曲线得出相应的最大剪应力，然后将试验结果点绘成τ-p曲线，从而求的似粘聚力Ca和似摩擦角或f值。

（2）剪切盒下放置硬木块，将土工膜置于硬木块上并用螺栓固定。

3.2 非散粒体摩擦角测定仪

（1）试验时将仪器放在较平的平面上，用调平螺母调整支座，使得支座平台上的水准气泡居中，保证支座、支座平台处于同一水平面，避免施加的竖向荷载产生偏心的作用，引起试验误差。

（2）将土工膜固定在工作台上，苯板 （长20 cm，宽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种不同的竖向荷载，通过升降螺母逐渐增加工作台的角度，直到苯板与土工膜开始发生相对滑动，停止拧动升降螺旋，通过放大镜读出角度盘的度数，该角即为苯板与土工膜的摩擦角。为了减少试验结果的误差，更加贴近实际工程，每做一次试验，必须更换土工膜和苯板。

4 试验成果及分析

4.1 试验成果

利用土工合成材料综合测定仪测定苯板与土工膜的试验结果如图1、2所示。

图1 苯板与土工膜ΔL-T曲线

图2 苯板与土工膜σ-τ曲线

利用非散粒体材料摩擦角测定仪测定苯板与光面土工膜的试验结果见表2。

表2 苯板与光面土工膜试验成果

4.2 结果分析

4.2.1 土工合成材料综合测定仪的试验结果分析

（1）从图1可以看出，ΔL-T曲线分为3个阶段:①随着剪应力增加，位移不变，说明上下剪切盒没有发生相对位移，主要是因为苯板与土工膜之间产生了咬合力和嵌固力，两种材料之间的界面作用是静摩擦力，即粘聚力；②随着剪应力增加，位移也在增加，但是剪应力的增长速度比位移的增速快，此阶段产生了摩擦力和粘聚力，但它们之间的界面作用主要表现为粘聚力；③随着剪应力增加，位移增加，但是位移的增速比剪应力快，增幅大，此阶段两种材料之间的界面作用是滑动摩擦力，即摩擦角的大小。随着位移的增加，苯板与两布一膜的剪应力增长速度最慢。

（2）从σ-τ曲线可以看出，随着膜的粗糙程度增大，粘聚力增大，摩擦角减小。苯板与两布一膜的粘聚力最大，摩擦角最小；苯板与光面土工膜的粘聚力最小，摩擦角最大。

（3）做苯板与土工膜的试验时发现，苯板发生了竖向与水平方向的变形，上剪切盒发生了不同程度的翘起。当施加竖向应力为25 kPa时，靠近施加水平力方向的苯板，水平变形为0.5～1 mm，垂直变形为1～2 mm，上剪切盒翘起2 mm；当施加的竖向应力为50 kPa时，苯板的水平变形为1～2 mm，垂直变形为2～3 mm，上剪切盒翘起3 mm；当施加的竖向应力为75 kPa时，苯板的水平变形为2～3 mm，垂直变形为3～4 mm，上剪切盒翘起3～4 mm；当施加的竖向应力为100 kPa时，苯板的水平变形为3～5 mm，垂直变形为 4～5 mm，上剪切盒翘起 4～5 mm。苯板的水平变形是由苯板与土工膜的剪应力引起的；随着正应力增大，苯板与土工膜的剪应力增加，水平变形增大，水平变形导致垂直变形增大，上剪切盒翘起越严重。苯板变形增大，使得两种材料之间不能充分接触，试验误差大。

（4）做苯板与光面土工膜、一布一膜的试验时，建议当剪切位移达到6 mm即可停止试验，这样可以节约时间，剪应力也可达到峰值及稳定值。做苯板与两布一膜、不同含水率的粗、细砂、粘土的试验时，建议当剪切位移达到10 mm即可停止试验。

4.2.2 非散粒体摩擦角测定仪的试验结果分析

从表2可以看出:

（1）苯板与光面土工膜摩擦角平均值为20.02°，随着土工膜的含水率增加，苯板与其之间的摩擦角变化很小，可以忽略不计。只有摩擦角时，边坡稳定计算公式简单。

（2）随着正应力增加，苯板与光面土工膜的摩擦角不变，这说明它们之间的摩擦角大小与竖向应力无关，摩擦角只与它们之间接触面的粗糙程度有关，接触面越粗糙，它们之间的摩擦角越大。

（3）在试验过程中发现，施加不同正应力时，苯板不发生垂直及水平方向的变形，也不发生翘起，苯板能与光面土工膜完全接触，这样测出的结果更加准确，更加贴近工程实际情况。

（4）采用该仪器测定苯板与一布一膜、两布一膜的摩擦角时，随着施加的竖向荷载不断增大，摩擦角变化较大，主要是因为它们之间的粘聚力较大，从而导致滑动不明显，测的摩擦角误差较大。

5 结论

（1）采用土工合成材料综合测定仪进行试验时，随着膜的粗糙程度增大，粘聚力增大，摩擦角减小。苯板与两布一膜的粘聚力最大，摩擦角最小；苯板与光面土工膜的粘聚力最小，摩擦角最大。

（2）采用非散粒体摩擦角测定仪进行试验时，苯板与光面土工膜摩擦角基本不变，结果规律性较好；只有摩擦角，边坡稳定计算公式简单，结果准确；但不能得到苯板与一布一膜、两布一膜之间的稳定摩擦角。

（3）采用土工合成材料综合测定仪进行试验时，苯板会产生竖直方向及水平方向的变形，试验结果存在一定的误差；采用非散粒体摩擦角测定仪进行苯板与光面土工膜的试验时，苯板不产生变形，试验结果较准确。

（4）非散粒体材料摩擦角测定仪构思新颖，构造简单，便于操作，可进行现场试验，可直接测定出苯板与光面土工膜的摩擦角和临界坡度。但当两种物体之间的粘聚力过大时，不能得到稳定的摩擦角，故该仪器仍需进一步改进研究。

［1］《土工合成材料工程应用手册》编写委员会.土工合成材料工程应用手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1994.

［2］张文智.聚苯乙烯泡沫塑料板在渠道防冻胀中的应用［J］.水利与建筑工程学报， 2003（2）:56－57.

［3］陈立国，周玲，等.宁夏渠道衬砌防冻胀试验研究［J］.中国农村水利水电， 2008（9）:102－107.

［4］张彦武.聚苯乙烯泡沫板在渠道防冻胀中的运用［J］.甘肃水利水电技术， 2009（1）:7－9.

［5］张汉军.聚苯乙烯保温板在渠道衬砌中防冻胀应用技术 ［J］.甘肃水利水电技术， 2003（4）:294－295.

［6］新疆农业大学水利与土木工程学院.非散粒体材料摩擦角测定仪: 中国， ZL20051007935.17［P］.2007-07-25.