冻融循环对GCL膨润土垫剪切性能影响初探

刘丽佳,袁安丽,张 滨

(黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080)



冻融循环对GCL膨润土垫剪切性能影响初探

刘丽佳,袁安丽,张 滨

(黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080)

通过探讨GCL试样经过100次冻融循环后层间的内摩擦角及黏聚力的变化,结合GCL膨润土自身特性，分析冻融循环对GCL内在结构及力学性能的影响因素，为研究GCL在寒区工程中的应用提供设计依据。从试验结果发现,GCL膨润土垫之间含水率、密实程度及冻融循环次数等因素对GCL的剪切特性均会产生影响，随着冻融次数的增加，黏聚力降低，剪切角减小。通过分析试验结果，可对实际工程边坡衬垫系统的设计和施工提出建议。关键词：冻融循环；内摩擦角；黏聚力；抗剪强度

土工合成材料黏土垫(Geosynthetic Clay Liner，简称GCL)，是一种新型的复合土工合成材料，这种材料在美、德等国已经广泛应用于渠道防渗工程中[1]。我国目前对GCL材料的应用还处于初期，尤其在北方寒冷地区，更无有关GCL材料抗冻耐久性的性能指标。黑龙江省位于深季节冻土区，冻结指数高、地表冻胀量大，渠道防渗工程受冻胀破坏作用较为严重，在季节冻土区对材料自身的抗冻性能要求也更高。本文主要研究了经100次冻融循环后，GCL试样剪切性能的变化，对材料的抗冻耐久性进行评价，为GCL在深季节冻土区渠道工程中应用提供技术支持。

1 试验内容与试验装置

1.1 试验内容

试验主要关注冻融循环温度在-20 ℃～+20 ℃区间内，经100次冻融循环对GCL层间剪切性能的影响。

1.2 试验材料

试样采用4500 g/m2粉末型GCL膨润土垫。两层土工织物之间为针刺方式包裹颗粒状钠基膨润土，上层为针刺土工织物，底层为编织土工织物，单位面积质量为4.5 kg/m2。膨润土含水率为13.2% 。

1.3 试验装置

试验采用TGH-2C土工合成材料直剪拉拔摩擦试验机。通过悬挂砝码来逐级施加法向荷载，每级荷载分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，通过位移传感器量测水平位移，由力的传感器量测剪切力。试验过程中剪切面的相对位移和所施加的剪切力由数据采集仪自动记录。剪切试验装置见图1。剪切速率为3 mm/min，试件尺寸为300 mm×300 mm。

图1 GCL剪切试验装置

1.4 试验方法

试验分两个步骤进行。第一步是进行GCL冻融循环试验，采用CEN/TS 14418∶2014[2]方法。将试件放入冻融循环装置中，进行周期为3～4 h的冻融循环，试件在冻结和融化过程中均处于饱水状态。试验采用快冻法。冻融过程中，箱体环境温度控制在-20 ℃～+20 ℃，每10次循环，取一组试件进行图像采集，观察试样冻融后的表面变化。

第二步是将采集后的试样放在剪切力学试验机上，采用SL 235-2012[3]方法进行GCL层面剪切特性试验，对试样的摩擦角、黏聚力、抗剪强度[4-6]等参数进行评价。

2 试验结果与分析

2.1 试验前后试件表象

从图2可以看出，经过100次冻融循环，GCL试样结合仍然较紧密，膨润土层间有少许位移变形，表面针刺痕迹清晰可见。冻融循环初期，膨润土层间接触紧密，随着逐级施加不同荷载，土粒间孔隙减小，但单位面积内所含黏土颗粒数量逐渐增多，随着冻融循环次数的增加，改变了土工织物间膨润土层的密实程度与土体间的黏聚力，黏土与GCL的刚度差异很大且GCL本身渗透系数较小，土体与 GCL间的吸附不能充分发挥，致使界面黏聚力下降，抗剪切强度降低。

图2 冻融循环试验前后GCL试样

2.2 试验结果与分析

从图3、图4可以看出，随着第一级50 kPa荷载的增加，剪切力降低，剪切强度亦随之降低，随着冻融次数的增加，剪切强度降低显著，强度损失在100次冻融循环后更明显，强度损失峰值可以达到67%，可见冻融循环对GCL剪切强度的破坏是十分明显的。分析试验机理可以发现，试验开始时GCL处于饱和状态，含水量高，织物与黏土下垫层接触面形成超孔隙水压力，临界滑动前作用时间短，超孔隙水压力没有足够时间消散，随着荷载的增加，法向有效应力减小，导致其抗剪强度降低;同时摩擦阻力降低，更易发生滑动。

图3 开始冻融循环前GCL试样剪切力

图4 100次冻融循环后的GCL试样剪应力

因此，将GCL应用于实际衬砌工程时，不仅应注意衬砌系统的稳定性，还应关注GCL本身的膨润土内部滑动。

2.3 冻融循环对摩擦角与黏聚力的影响

图5、图6给出了100次冻融循环后，剪切性能的变化。

图5 GCL试样100次冻融循环后摩擦角变化

图6 GCL试样100次冻融循环后黏聚力变化关系曲线

(1)100次冻融循环之后，摩擦角减小速率很快。可见冻融循环对摩擦角的降低较明显。

这是由于冻结和融化常导致土体结构改变,经过冻融土体变得松散、产生裂隙，从而使土体的渗透系数增加。膨润土中存在较厚的结合水膜，冻胀很明显，冻融后的黏土渗透性增加，土体中的水分更易于排出，同时，冻胀融沉作用破坏了土体的原有结构，使得土体的黏结力减弱，土粒之间易于移动，土体颗粒的分散性增强。

(2)随着冻融次数的增加，GCL黏聚力逐渐减低，经过100次冻融循环，黏聚力损失可达到80%。尤其从30次冻融循环以后，黏聚力损失迅速降低。GCL试样100次冻融循环后剪切性能见表1。

表1 GCL试样100次冻融循环后剪切性能

0次冻融循环的GCL试样表层含水率高，其所含水分子进入黏土表层空隙，提高了GCL与松散态黏土界面间吸附力，而吸附力的增加弥补了由于加载导致的黏土层密实度降低而引起的摩擦角减小，故未经冻融循环的试样黏聚力与剪切角均为峰值。然而随着冻融循环次数的增加，膨润土粒间的咬合力趋于减弱，30次冻融循环以后，剪应力、摩擦角的峰值迅速减小。根据有效应力原理，接触面法向有效应力减小，接触面剪切强度亦减小,超过液限后界面间结合水膜变厚，自由水增加，土粒与 GCL 之间电分子力减弱[7]，致使黏聚力降低,摩擦角减小。

(3)GCL两界面间膨润土层经过冻融循环及剪切试验以后，发生移动变形较小。

3 结 论

通过100次冻融循环以后的GCL剪切试验可以发现，冻融循环以后，GCL试样的摩擦角降低，黏聚力降低。

(1)随着冻融次数的增加，GCL试样层间的摩擦角总体下降趋势明显。冻融破坏对GCL膨润土试样产生的影响是不可忽略的：30次冻融循环后，剪切性能衰减较快；100次循环以后，层间的摩擦性能基本失效。

(2)随着冻融次数的增加，GCL试样层间的黏聚力呈明显的下降趋势。30～100次冻融循环区间，黏聚力下降速率较快。

(3)经过多次冻融循环，GCL试样能很好地抵抗剪切破坏的影响，冻融循环后的剪切试验不能对GCL试样自身结构进行破坏。需要强化GCL生产的技术，改善GCL材料自身抗冻融能力。

4 工程措施

结合GCL剪切性能试验研究，GCL在实际工程中应用需注意以下几点。

(1)由于冻融循环对GCL剪切性能的影响，应避免在极端的气候条件下进行GCL的施工和存放。

(2)由于膨润土具有较强的亲水性能，且水分补给对冻融作用的影响，故宜将GCL存放于干燥通风环境，且通过覆盖处理等工程措施，减小老化速度，提高使用寿命。

[1] 国家自然科学基金委员会 工程与材料学部.学科发展战略研究报告：水利科学与海洋工程[M] .北京：科学出版社，2007.

[2] CEN/TS 14418:2014 Geosynthetic Barriers-Test method for the determination of the influenceof freezing-thawing cycles on the permeability of clay geosynthetic barriers.

[3] 中华人民共和国水利部.土工合成材料测试规程：SL 235-2012[S] .北京：中国水利水电出版社，2012.

[4] 周池续,陈德民,宋林,等.混凝土U形渠道在新疆高寒地区抗冻胀研究[J].石河子大学学报,1998,2(2):133-136.

[5] 胡永祯.渠基土壤冻胀与衬砌结构变形及破坏规律研究[J].防渗技术,1999,5(2):41-44.

[6] 徐绍新.季节冻土区水工建筑物抗冻害技术研究的成就与展望.第五届全国冰川冻土学大会论文集(上)[M].兰州: 甘肃文化出版社,1996.

[7] 李雪宁,田正宏.GCL与黏土接触面摩擦特性试验研究[J].防渗技术,2011,40(2):67-71.

A research on the influence of freezing and thawing cycles on GCL’s shearing properties

LIU Lijia，YUAN Anli,ZHANG Bin

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

The research attempts to probe into the changing law of frictional angle and cohesive force after freezing and thawing cycles and makes a analysis of the influence of freezing and thawing on GCL’s internal structure and mechanical property through a measurement of the internal frictional angle and cohesive force of GCL samples after 100 freeze-thaw cycles in combination with its own characteristics of geo-synthetic clay liner,which lays a foundation for the research on GCL’s frost resistance property in cold regions project.Test results indicated that frictional behavior was influenced by water ratio，compaction rate of soil underlayer,hydration condition and freezing and thawing cycles of GCL.Beneficial proposals were given to design and construction of slope liner system in practical project according to analyzing test results.

freezing and thawing cycles;internal frictional angle;cohesive force;frost resistance property

国家科技支撑计划项目(2012BAD80B05)；水利部科技推广计划项目(TG1138)

刘丽佳(1984-)，女，工程师，主要从事工程冻土、水利工程、岩土工程方面的研究工作。

P642.14

A

2096-0506(2016)11-0005-04