堆石坝防渗土工膜界面力学特性的直剪试验方法探索

陈 丹，王 军，夏姝珺

(1.南京市水利规划设计院责任有限公司，南京 210006；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京 210006)



堆石坝防渗土工膜界面力学特性的直剪试验方法探索

陈 丹1，王 军2，夏姝珺1

(1.南京市水利规划设计院责任有限公司，南京 210006；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京 210006)

堆石坝的土工膜与面板联合防渗结构中，土工膜与相接触的垫层材料之间的界面力学特性是关系坝体稳定性的关键因素。首先介绍了传统的土工膜界面力学特性直剪试验设备、试验原理及方法，并指出其在界面接触摩擦真实应力计算过程中的不足之处；然后，对传统的试验设备进行了改进，并对比分析了多种不同工况条件下2种试验设备的测试结果；最后，通过理论推导给出了传统试验测试方法中土工膜与界面之间真实剪切应力的修正计算公式，并进行了试验验证。结果表明：新的土工膜接触剪切应力计算公式，能够在不改变传统试验测试方法的基础上，给出土工膜界面剪切作用下的真实应力结果。

堆石坝；土工膜；界面力学特性；直剪试验；剪切应力

1 研究背景

自20世纪80年代以来，土工膜由于具有防渗性能好、适应变形能力强、施工便利、造价低廉等一系列优点，在国内外众多的水利工程尤其是堆石坝防渗工程中开始得到广泛的推崇[1]。面板堆石坝与土工膜联合防渗这种新型的防渗方式，不仅充分利用堆石坝的稳定性能好、设计断面小、施工导流便利等优点，而且充分继承了土工膜的一系列优点[2-3]。

然而，在堆石坝工程运用过程中发现，土工膜在坝基和岸坡等局部锚固部位由于受到坝体传递的荷载作用，导致土工膜与其下部的垫层材料之间发生界面剪切错动位移，这种错动位移带动土工膜产生张拉变形，从而导致土工膜“夹具效应”的产生乃至发生破坏[4-6]；而土工膜的完整性往往是决定工程成败的核心要素，其局部的破坏极有可能导致坝体发生渗漏乃至破坏[7-9]。因此，很有必要从根源上针对堆石坝面土工膜防渗系统的结构机理进行深入的研究，以探究土工膜及其接触垫层之间发生剪切位移时土工膜的力学特性。

2 试验设备及试验原理

2.1 传统的土工膜直剪试验设备

为了探究土工膜及其接触垫层材料之间的力学特性，笔者利用传统的土工膜直剪试验测试系统对土工膜在界面剪切作用下的力学特性进行了分析，该测试系统主要由土工膜的剪切系统、竖向应力施加系统、剪切位移施加系统以及力和位移采集系统4个部分组成。其中，土工膜剪切系统由上下2个剪切盒组成，上部剪切盒内放置混凝土面板材料，下部剪切盒中放置无砂混凝土垫层材料，二者中间放置土工膜以此模拟工程中土工膜的真实布设方式。

此外，应力施加系统通过底板向混凝土面板施加竖向应力σz，剪切位移施加系统用以使土工膜及其垫层材料之间产生剪切位移，采集系统用于记录土工膜与垫层材料之间的剪切力F及剪切位移u。

传统的土工膜直剪试验设备的试验原理及其试验过程示意图如图1所示。当土工膜与垫层材料之间产生剪切位移u时，通过采集的数据可以得到对应时刻土工膜中的竖向应力σz及膜表面的剪切应力τ的值，即：

(1)

(2)

式中：G为土工膜受到的竖向荷载；A0为土工膜剪切面的面积；F为土工膜与垫层材料之间的剪切力。由此可以得到不同竖向应力σz作用下土工膜的剪切应力与剪切位移关系曲线τ-u。

图1 传统的土工膜直剪试验示意图Fig.1 Sketch of direct shear test for traditional geomembrane

这种传统的土工膜直剪试验测试系统，能够较好地模拟土工膜在不同竖向水头作用下土工膜的界面剪切力学特性。但是，该试验设备在试验数据处理过程中，假定土工膜在界面剪切过程中接触表面的面积A0始终保持不变，而实际的剪切过程中土工膜与无砂混凝土垫层材料之间的接触表面的面积是逐渐减小的(如图1所示)，这使得数据处理得到的土工膜中剪应力τ的值比膜表面的真实剪应力值偏小，进而低估了土工膜在工程运用过程中的受力情况，不利于指导工程设计。

2.2 改进的土工膜直剪试验设备

为了真实地反映土工膜在工程应用过程中的剪切力学特性，笔者对传统的土工膜直剪试验测试系统进行了修正与改进。

改进后的试验设备如图2所示，增加了土工膜直剪仪下部剪切盒的长度，这一改变弥补了传统试验设备中下部剪切长度过短，导致土工膜接触面面积逐渐减小的不足，能够保证整个试验过程中土工膜与垫层材料之间的接触面积保持不变，进而通过理论公式可以计算得出土工膜的真实剪切应力τt为

(3)

由式(3)可以得到土工膜在不同竖向应力σz作用下的剪切应力与剪切位移关系曲线τt-u。

图2 改进后土工膜直剪试验示意图Fig.2 Sketch of direct shear test for modified geomembrane

2.3 试验结果对比分析

为了很好地验证改进前后的土工膜直剪试验设备对土工膜剪切力学特性测试结果的差异性，笔者利用这2种试验设备对工程中常用的HDPE复合土工膜进行了试验测试。试验时，上部剪切盒均放置一块混凝土面板并在底部锚固土工膜，下部剪切盒均放置无砂混凝土垫层。试验过程中，通过砝码分别施加25，50，75，100 kPa 4种不同的竖向应力，并固定上部剪切盒且保持下部剪切盒的剪切速率为1 mm/min恒定不变。通过各种不同工况下的试验数据处理分析，可以得到土工膜在传统直剪仪和改进直剪仪中的剪切应力-剪切位移关系曲线，如图3所示。为了便于区分，在此定义传统直剪仪测得的剪应力值为名义剪切应力，改进直剪仪测得的剪应力为真实剪切应力。

图3 不同竖向应力作用下τ-u及τt-u关系曲线Fig.3 Relationship curves of τ-u and τt-u under different vertical stress

由图3可知，在单一工况条件下，HDPE复合土工膜无砂混凝土之间的τ-u曲线呈现明显的非线性特性，且伴随着剪切位移的增长,剪切应力的增速逐渐减缓并趋于稳定。就不同工况而言，在相同的剪切位移条件下，土工膜上部面板受到的竖向应力值越大，其对应的土工膜与垫层材料之间的剪切应力值越大，最终达到的峰值也越大。就名义应力值与真实应力值而言，相同的竖向应力条件下传统的直剪仪测得的名义应力值比改进后的直剪仪测得的真实应力值明显偏低，这是由于传统的试验设备在试验过程中土工膜与垫层的材料的接触面积A0逐渐减小，而在数据处理过程中并未考虑其变化所导致的结果。

3 传统剪切应力计算公式的修正及其验证

3.1 传统剪切应力计算公式的修正

由试验数据对比分析可知，传统直剪仪的测试结果由于未考虑土工膜接触面积的变化，进而明显低估了土工膜的真实剪切应力状态，不利于指导工程实际，因此在工程应用中很有必要采用剪切应力的真实值作为指导。而国内大部分科研机构仍然采用传统的试验设备进行土工膜与垫层材料之间的剪切力学特性测试，但是通过改装试验设备等方法实现真实剪切应力的测试显然很不现实，因此亟需对传统试验方法中土工膜剪切应力的计算方法进行修正，进而可以在不改变传统试验设备的基础上，通过修正公式得到土工膜与相应的垫层材料之间的真实剪切应力-剪切位移关系曲线。

假定土工膜表面的剪切力为Ft，土工膜与垫层材料之间的初始接触面积为A0，真实接触面积为At，则由式(2)及式(3)计算可得土工膜与垫层材料直剪此刻的剪切应力名义值及真实值，分别为

名义应力：

τ=Ft/A0。

(4)

真实应力：

τt=Ft/At。

(5)

其中：

式中：B为土工膜与垫层直剪的接触面宽度；l0为初始状态时接触面的真实长度；lt为对应时刻接触面的长度。则当剪切位移为u时，接触面的长度lt=l0-u，将A0，At的表达式分别代入式(4)及式(5)整理并联立可得

(6)

由式(6)推导出在任意时刻土工膜与垫层之间的剪切应力计算的修正公式，即

(7)

则由传统直剪仪测量得到的名义剪切应力值代入修正公式(7)，即可得到土工膜在界面剪切作用下的剪切真实应力-剪切位移关系曲线。

3.2 试验验证

为了验证所得到的传统试验测试方法中土工膜真实剪切应力计算修正公式的有效性，笔者利用传统的土工膜直剪仪对HDPE复合土工膜进行了竖向应力为125 kPa时的界面试验，并利用修正公式(7)对试验测试结果进行了修正，然后与改进后的试验设备在同种工况下的测试结果进行了对比分析，如图4所示。

图4 竖向荷载125 kPa时真实应力理论值与试验值对比Fig.4 Comparison between theoretical value and test value for real shear stress at vertical load of 125 kPa

由图4可以看出，通过剪切应力计算修正公式推导得到土工膜界面剪切应力-剪切位移关系曲线与试验测试结果规律一致且基本吻合，进一步证明了传统试验测试方法中该修正公式所处理的结果的正确性与有效性。

4 结 语

本文针对堆石坝面土工膜在应用过程中出现夹具效应乃至破坏的结构机理进行了探究，并借助土工膜直剪试验设备对其界面力学特性进行了研究。首先，笔者对传统的土工膜直剪仪的试验原理做了详细的说明，并指出了其在数据处理中的不足之处；然后，针对传统试验设备中存在不足进行了改进，并对比分析了2种不同的试验设备的测试结果，结果表明传统设备测得的土工膜的名义剪切应力值比改进设备测得的真实剪切应力值偏低；最后，借助相关理论推导给出了传统试验测试方法中土工膜真实剪切应力的修正公式，并通过试验验证了这一理论关系的正确性。

结果表明：改进后的试验方法不仅指出了土工膜名义剪切应力与真实剪切应力之间的差异性，而且在此基础上所提出的修正公式，使得在不改变传统试验设备的基础上测试土工膜的真实剪切应力得以实现。

[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，2000：466-470.

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[4] 花家凤，束一鸣，张贵科，等. 土石坝坝面防渗膜中的夹具效应[J]. 水利水电科技进展，2007,27(2)：66-68.

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(编辑：黄 玲)

Exploration to Test Method of Direct Shear for Mechanical Propertiesof Geomembrane Contact Interface in Rockfill Dam

CHEN Dan1，WANG Jun2，XIA Shu-jun1

(1.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co., Ltd.，Nanjing 210006，China； 2.Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Limited Company，Nanjing 210006，China)

In the rockfill dam’s united anti-seepage system, the mechanical properties of the interface between geomembrane and cushion material have important influence on the stability of the dam. Firstly，we introduce the test equipment, test principle and method of geomembrane’s interface mechanical properties, and point out the deficiency in the process of calculating the real stress of its contact friction at the interface. Then, the traditional test equipment is modified, and a comparative analysis of results by the two test equipments was conducted under different working conditions. Finally, the real shear stress of geomembrane in the traditional test method is modified through the theoretical derivation, which has been verified by the test experiment. The verification result shows that the shear stress formula can really describe the mechanical properties of the interface between geomembrane and cushion material under shear force.

rockfill dam；geomembrane；mechanical properties of the interface；direct shear test；shear stress

2014-07-21；

2014-09-22

陈 丹(1983-)，女，江苏靖江人，工程师，主要从事水工、港口航道等设计工作，(电话)13913830159(电子信箱)34810764@qq.com。

10.11988/ckyyb.20140604

2016,33(01):130-133

TV223.4

A

1001-5485(2016)01-0130-04