城市垃圾填埋场土工膜在复杂荷载作用下受力特性的研究进展

高二崇，孙洪军

城市垃圾填埋场土工膜在复杂荷载作用下受力特性的研究进展

高二崇，孙洪军

（辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001）

针对城市垃圾填埋场土工膜在各种荷载作用下产生拉应力过大破坏的问题，总结了垃圾填埋场土工膜在各种荷载下的应力-应变变化规律，提出了土工膜受边坡坡度改变、垃圾体堆填以及地震荷载影响时的受力特点和分析方法。并使用FLAC 3D软件对土工膜的受力状况进行数值模拟，通过土工膜的应力云图，对土工膜拉应力进行分析。该结果对垃圾填埋场的环境保护和封场后的使用有一定的参考价值。

城市垃圾填埋场；复杂荷载；FLAC 3D；数值模拟

近年来，随着经济的增长，城市建设步伐的加快，城市人口(常驻人口和非常住人口)的迅速增加，导致城市生活垃圾的产量也逐渐增多[1]。据资料统计[2]，全国城市每年产生的生活垃圾至少为2亿t，且年增长率不低于7%。面对逐年增加的垃圾产量，必须采取相应的方法对这些垃圾进行处理，然而现阶段我国对垃圾的处理主要采用卫生填埋法、焚烧法、堆肥法等方法。目前卫生填埋法是我国对垃圾进行处理所采用的主要方法。使用卫生填埋法的垃圾填埋场一般由衬垫系统、覆盖系统、渗滤液收集和处理系统以及气体收集和处理系统等组成[3]。

对于垃圾填埋场衬垫系统中起到防渗作用的土工膜[4]，一般布置在填埋场的底部和四周的边坡上。这就导致土工膜在实际使用过程中受到各种荷载的作用产生应力，例如基础沉降导致荷载的变化引起的应力、垃圾填埋压缩引起的应力等[5]。

在上述各种因素导致土工膜产生的应力中，较难处理的就是土工膜在复杂荷载作用下引起的拉应力问题。这类问题的难点在于填埋场的形式(例如平原型)、垃圾的成分和城市的经济发展水平不同，土工膜所受荷载不同，对其分析的方法也就会有差异。通过对土工膜产生的拉应力进行分析，避免其内部出现过大的应力应变，保证土工膜的完整性，以确保垃圾填埋场能够安全运行和使用；目前我国在垃圾填埋方面仍处于起步阶段，对这一领域进行研究在我国有着重要的理论与现实意义。

1 国内外城市垃圾填埋场土工膜受力特性研究现状

根据国内外关于城市垃圾填埋场土工膜受力特性的研究，可以看出大部分学者对土工膜在复杂荷载作用下的受力特性和破坏形态研究较少。在计算机模拟软件出现之前，对土工膜受力特性进行研究时，需要进行现场试验，由于试验难度大、周期长，试验数据不易记录和收集，导致这方面的结论和理论还不是很多。但国内外已有研究得出的土工膜受力模型的计算方法以及土工膜和垃圾土的材料参数为计算机数值模拟使用提供了依据。以下是国内和国外对土工膜受力特性的研究。

1.1 国内城市垃圾填埋场土工膜受力研究现状

1.1.1 国内城市垃圾填埋场土工膜受力理论研究现状

2007年，邓学晶等[6]使用FLAC程序模拟地震荷载作用下土工膜内的应力，并给出覆盖层土工膜端部锚固位置发生严重破坏时，地震波加速度峰值为0.25 g。

2008年，林伟岸等[7]采用土工膜-黏土界面软化模型分析垃圾填埋场斜坡上土工膜的拉应力，验证了边坡坡角及土工膜上覆堆体的高度直接影响着土工膜拉应力的大小。

2009年，高登[8]使用有限元软件模拟苏州七子山扩建垃圾填埋场斜坡衬垫系统GM/GCL(水化)界面在地震荷载作用下的滑动永久位移。给出了地震永久位移控制为15 cm时，该扩建垃圾填埋场的容许输入加速度峰值约为0.125 g。

2011年，席永慧等[9]使用FLAC 3D软件对上海老港填埋场的5～8号库区进行稳定性数值模拟分析。得出FLAC 3D在分析边坡稳定性方面更加全面和准确，能够克服传统方法存在的一些弊端。

2014年，邱光习[10]利用CAD、EXCEL、surfer以及FLAC内嵌Fish平台等多软件交叉集合生成FLAC 3D数据文件，并应用到城市垃圾填埋场的建模中。任一男[11]通过有限元分析软件探究了坡度、填埋高度、土工膜厚度等因素对于填埋场土工膜内力的影响，总结了土工膜拉应力变化的规律。

2018年，高武[2]使用有限差分程序FLAC对填埋场、填埋体和衬垫系统进行模拟构建，给出坡度减小可有效降低土工膜最大轴向力。

2021年，韩乐[12]使用有限元软件对垃圾填埋体土膜界面剪应力进行模拟分析，得出土膜界面剪应力主要分布在靠近边坡处，分布范围、剪应力大小随着填埋体填埋高度增加。

1.1.2 国内城市垃圾填埋场土工膜受力试验研究现状

2004年，张鹏等[13]对土工膜下层接触面进行拉拔和剪切试验，根据实验结果得出接触面上剪应力和剪切位移呈非线性关系，并给出了计算剪应力的公式：

式中：1为土工膜下层接触面的剪应力；s为双曲线的初始剪切刚度，=1/s；m为土工膜下层接触面的极限剪应力，=1/m。

2007年，邓学晶[14]得出地震荷载作用下衬垫层接触面土工膜的摩擦角对衬垫层的临界滑移有显著影响，摩擦角相对小的土工膜对覆盖层能够起到一定保护作用，建议在进行填埋场设计时要重视接触面参数的选取。

2008年，孔宪京等[15]对模型垃圾填埋场进行振动台试验，通过模型结果的对比，得出垃圾填埋场基础底部衬垫层、封顶覆盖层接触面在地震荷载作用下发生较大的相对滑移，造成土工膜的拉伸破坏。

2010年，许四法等[16]进行了不同填土高度下土工膜端部张拉力室外试验，并建立了土工膜端部张拉力曲线，得出填土高度和土工膜端部张拉力呈线性相关。

2013年，张宏伟[3]对不同坡度以及沉降情况下土工膜拉力规律进行研究，通过FLAC数值模拟和离心试验结果的对比，得出坡度和沉降对土工膜拉力的影响，且模拟结果与试验结果相吻合。

2013年，施建勇等[17]对垃圾填埋场斜坡上多层复合衬垫进行界面剪切试验。给出了破坏面转移前后界面强度包线表达式：

式中：f为界面剪切强度；1、2分别为破坏界面1和破坏界面2的黏聚力；n为界面的法向应力；nc为破坏面发生转移的临界法向应力；1、2分别为破坏界面1和破坏界面2的摩擦角。

2019年，汪杨成等[18]对HDPE土工膜与无纺土工织物界面进行变正应力持续剪切试验。通过对比相同初始法向应力下3种阶段的峰值强度，得出弹性阶段改变正应力后的峰值强度最大，软化阶段次之，大位移阶段最小。

2020年，叶辽羽[19]利用直剪试验研究了土工膜种类对界面特性的影响。根据剪切应力-应变关系曲线图，得出柱点土工膜在100、200 kPa法向应力作用下的界面抗剪强度都远远高于光滑土工膜的界面抗剪强度。林海等[20]对GMS/GT界面进行剪切试验。根据不同法向应力下的剪应力-位移曲线，分析出剪应力随水平位移迅速增加达到峰值，且峰值抗剪强度对应的水平位移为2～3 mm。

对于国内关于土工膜研究的理论和试验结论，可以得出以往的研究大多集中在HDPE土工膜的力学特性、接触面的剪切、界面位移以及对垃圾填埋场边坡稳定性的影响等方面，并得出了土工膜受力变化规律和相关公式。但对土工膜在多因素复合作用下的受力特性的研究相对较少，有待进一步分析研究。

1.2 国外城市垃圾填埋场土工膜受力研究现状

1.2.1 国外城市垃圾填埋场土工膜受力理论研究现状

2007年，Psarropoulous等[21]对典型填埋场动力响应进行了参数化数值模拟，给出了垃圾填埋场的地震反应是一个复杂的土-结构-相互作用的动力问题，主要受场地条件和激励特性的控制。

2009年，Choudhury等[22]对城市垃圾填埋场在地震基础加速度作用下的行为进行一维等效线性分析，得出了垃圾填埋场高度和刚度、地基类型、地基加速度和周期在不同地震强震作用下对垃圾填埋场地震反应的影响。

2018年，Yu等[23]使用FLAC程序计算垃圾短期荷载和长期沉降2种情况下改变边坡倾角对土工膜的拉伸应变。得出了合理的边坡坡度对土工膜最大应变有积极作用。

2018年，Pavanello等[24]对于2种不同类型的土工合成界面进行数值模拟。分析了不同地震荷载作用下界面的动态摩擦力取决于界面间相对速度，并与试验数据比较证实，假设了动摩擦为定值时并不能准确预测各种地震作用下的地震位移。

2020年，Eldesouky等[25]使用黏塑性本构模型和公式对高密度聚乙烯土工膜局部应力应变进行了数值模拟分析。给出了数值模拟对HDPE土工膜应力和应变分析以及本构模型的建立、验证和应用的优势。

1.2.2 国外城市垃圾填埋场土工膜受力试验研究现状

2005年，Wartman等[26]对地震诱发斜坡变形进行了振动台物理模型试验，根据边坡位移记录曲线，得出边坡表面变形随每个模型的长度而变化，最大的位移发生在坡脚或沿坡面。

2011年，Eid等[27]对不同载荷条件下的填埋场衬垫系统进行环形剪切试验。得出衬垫系统中土工膜的抗剪切应变的能力可以根据荷载的大小进行控制。

2012年，Divya等[28]对垃圾填埋场土工膜在黏土基填埋场覆盖层中的变形特性进行了离心试验，给出了土工膜应变公式：

式中：g是土工膜材料的弹性模量；g是拉伸应力。

2017年，Kavazanjian等[29]对垃圾沉降和地震荷载作用下土工膜衬垫模型进行了离心试验。根据实验结果建立土工膜应变曲线。给出了沉降和地震引起边坡衬垫上产生下拖力，使土工膜产生线性拉伸应变。

2018年，Cen等[30]使用大型复合材料剪切试验装置对不同复合材料界面的剪切特性进行研究。根据剪切应力-剪切位移曲线，采用Mohr-Coulomb准则计算各界面的摩擦角，得出GM(T)-GT界面的摩擦角明显高于GM(S)-GT界面。

2020年，Zhou等[31]对土工膜与各种工业固体废弃物接触界面进行直剪试验。得出各界面剪切应力-位移曲线变化趋势比较相似，都随着法向应力的增加，界面处的剪应力增大。粗糙土工膜与固体废物界面的最大剪应力总是大于光滑土工膜的最大剪应力。

2021年，Daniel等[32]进行直剪试验以探究土工膜表面粗糙度对界面摩擦角的影响。实验结果表明，土工膜凹凸度高度和表面粗糙度(从微纹理到高纹理)的变化最终导致界面摩擦角峰值增加了20°。

对于国外关于土工膜研究的理论和试验结论，可以总结出国外学者更偏向于通过各种试验去分析土工膜本身特性和荷载下的应力应变。另外使用数值模拟对土工膜应力应变进行分析时，验证了数值模拟的优势。

2 国内外计算土工膜受力研究存在的问题

通过对国内外关于土工膜拉应力计算模型和计算方法的总结，可以看出，虽然在垃圾填埋场土工膜受力特性的计算研究方面取得了一定的成果，但还是存在一些不足之处。

(1)目前，虽然已经提出了关于土工膜张拉力计算模型和公式，但还不能普遍地使用，主要原因是由于不同地方的填埋场之间存在差别，而填埋场形式、垃圾的填埋方法以及垃圾成分的差别等都对土工膜张拉力有影响，在这种情况下，相应的计算参数就存在差异，与实际情况相比存在较大误差，难以统一使用。

(2)垃圾填埋场几何构型、垃圾体堆填方式和地震荷载等影响土工膜受力的大小。这是因为垃圾填埋场边坡坡度、边坡高度、垃圾堆填和地震荷载的大小等对土工膜应力-应变并不是呈线性关系，这就导致边坡坡度、高度和分层的取值存在一定的差异。现有的模型越来越注重复杂荷载条件下土工膜拉应力计算分析。

(3)随着现在生活中各种塑料制品的大量使用，传统的垃圾体与现在的垃圾体的主要成分已经发生了改变，传统垃圾体的材料参数显然已不能应用现代垃圾填埋场分析研究中。

(4)由于国内外垃圾填埋场在选址、垃圾处理、堆填等方面存在较大差异。因此在国外关于土工膜受力特性研究的基础上，找到符合国情和地区条件的土工膜受力的机理和特点还有大量内容去完善和探索。

3 结论与展望

针对上述研究存在问题，在使用有限差分软件FLAC3D对影响土工膜内力的重要因素进行数值模拟分析时，要注重考虑以下几点。

(1)关于垃圾填埋场土工膜拉应力的合理计算和分析还需要大量现场实测数据的验证，研究土工膜受力特性参数时要给出相关依据和合理解释。由于不同地方的垃圾填埋场存在差别，在使用同一个计算和分析模型时，对于参数的变化，要给出各种关系对参数的影响情况。

(2)对于垃圾填埋场斜坡上的土工膜只考虑上覆垃圾堆体重力作用下产生的拉应力，而忽略斜坡坡度、填埋过程以及地震等情况对土工膜拉应力的影响。考虑各参数对土工膜拉应力的影响时，要对具体参数进行分析，绘制各参数对土工膜拉应力影响参数曲线，推理各参数对土工膜拉应力的影响规律。

(3)对于土工膜受力特性的理论分析，是在垃圾填埋场受力计算模型基础上进行的完善和改进，是在一些假设和简化的基础上进行的，而这些假设和简化导致计算值与实际值存在较大的偏差，因此对于这些因假设和简化导致计算的误差，要在今后的工作中去研究和处理。

(4)由于FLAC 3D模拟的结果与实际工况比较接近，得到的土工膜应力云图可以直接对土工膜拉应力变化进行分析，故FLAC 3D软件分析垃圾填埋场土工膜受力有着不可比拟的优势。

[1] 刘毓氚, 李琳, 贺怀建. 城市固体废弃物填埋场的岩土工程问题[J]. 岩土力学学报, 2002, 23(5): 618-621.

[2] 高武. 城市生活垃圾时间相关本构模型及填埋场服役性能研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018.

[3] 张宏伟. 填埋场斜坡上土工膜受力特性离心模型试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.

[4] 胡利文, 陈嘉鸥. 土工膜微结构破损机理分析[J]. 岩土力学, 2002, 23(6): 702-705.

[5] 蔡其茅. 填埋压缩和温度变化作用下土工膜张拉力的实验研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2009.

[6] 邓学晶, 孔宪京, 邹德高. 复杂荷载作用下填埋场HDPE土工膜受拉计算[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(3): 447-451.

[7] 林伟岸, 朱斌, 陈云敏, 等. 虑界面软化特性的垃圾填埋场斜坡上土工膜内力分析[J]. 岩土力学, 2008, 29(8): 2063-2070.

[8] 高登. 扩建垃圾填埋场中间衬垫变形与稳定性状及其工程控制措施[D]. 杭州: 浙江大学, 2009.

[9] 席永慧, 熊浩. 老港填埋场的稳定性三维数值模拟分析[J]. 结构工程师, 2011, 27(5): 78-84.

[10] 邱光习. 垃圾填埋场FLAC3D建模方法研究[J]. 山西建筑, 2014, 40(14): 287-288.

[11] 任一男. 填埋场垃圾特性及边坡土工膜内力研究[D].沈阳: 沈阳工业大学, 2014.

[12] 韩乐. 龄期和HDPE膜加筋对分层垃圾填埋体边坡稳定性影响的研究[D]. 常州: 常州大学, 2021.

[13] 张鹏, 王建华, 陈锦剑. 垃圾填埋场边坡上土工膜的拉力与位移分析[J]. 岩土力学学报, 2004, 25(5): 789-792.

[14] 邓学晶. 城市垃圾填埋场振动台模型试验与地震稳定性分析方法研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2007.

[15] 孔宪京, 邓学晶. 城市垃圾填埋场地震变形机理的振动台试验研究[J]. 土木工程学报, 2008, 41(5): 65-74.

[16] 许四法, 张豪, 王哲. 温度和填埋高度引起的垃圾填埋场边坡部土工膜张拉力评价[J]. 岩土工程学报, 2010, 31(10): 3120-3124.

[17] 施建勇, 钱学德, 朱保坤. 多层复合衬垫界面非线性强度特性的斜面单剪试验[J]. 河海大学学报: 自然科学版, 2013, 41(4): 315-320.

[18] 汪杨成, 施建勇, 杨洋. HDPE土工膜与无纺土工织物界面的变正应力持续剪切试验研究[J]. 河南科学, 2019, 37(2): 219-224.

[19] 叶辽羽. 基于填埋场衬垫系统的土工合成材料与粘土的界面剪切特性研究[D]. 广州: 广州大学, 2020.

[20] 林海, 韩卓韦, 施建勇. 土工合成材料界面剪切破坏机理和峰值强度分析[J]. 华中科技大学学报: 自然科学版, 2020, 48(7): 99-106.

[21] Psarropoulous P N, Tsompanakis Y. Effects of local site conditions on the seismic response of municipal solid waste landfills[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2007, 27: 553-563.

[22] Choudhury D, Savoilar P. Equivalent-linear seismic analysis of MSW landfill susing DEEPSOIL[J]. Engineerong, ASCE, 2009, 131: 610-622.

[23] Yu Y, Rowe R K. Development of geomembrane strains in waste containment facility liners with waste settlement[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2018, 46(2): 226-242.

[24] Pavanello P, Carrubba P, Moraci N. Dynamic friction and the seismic performance of geosynthetic interface[J]. Geotextiles and Geomenbrane, 2018, 47: 715-725.

[25] Eldesouky H M G, Brachman R W I. Viscoplastic modelling of HDPE geomembrane local stresses and strains[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2020, 48(1): 41-51.

[26] Wartman J, Raymond B, Seed M, et al. Shaking table modeling of seismically induced deformations in slopes[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2005, 131: 610-622.

[27] Eid H T. Shear strength of geosynthetic composite systems for design of landfill liner and cover slopes[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2011, 29: 335-344.

[28] Divya P V, Viswandaha B V S, Gourc J P. Influence of geomembrane on the deformation behaviour of clay-based landfill covers[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2012, 34: 158-171.

[29] Kavazanjian E Jr, Gutierrez A. Large scale centrifuge test of a geomembrane-lined landfill subject to waste settlement and seismic loading[J]. Waste Manag, 2017, 68: 252-262.

[30] Cen W J, Wang H, Sun Y J. Laboratory investigation of shear behavior of high-density polyethylene geomembrane interfaces[J]. Polymers, 2018, 10(7): 734.

[31] Zhou Luming, Zhu Zhende, Yu Zhenpeng, et al. Shear Testing of the Interfacial Friction Between an HDPE Geomembrane and Solid Waste[J]. Materials, 2020, 13: 1672-1687.

[32] Daniel Adeleke, Denis Kalumba, Lita Nolutshungu, et al. The Influence of Asperities and Surface Roughness on Geomembrane/Geotextile Interface Friction Angle[J]. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 2021, 7(20): 1-12.

Research Progress of Mechanical Characteristics of Geomembrane in Municipal Refuse Landfill under Complex Loads

GAO Er-chong, SUN Hong-jun

（School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In view of the problem of excessive tensile stress failure of geomembrane in municipal landfill under various loads, this paper summarizes the stress-strain variation law of geomembrane in landfill under various loads, and put forward the stress characteristics and analysis method of geomembrane under the influence of slope change, landfill and earthquake load. FLAC 3D software was used to simulate the stress of the geomembrane and analyze the tensile stress of the geomembrane through the stress cloud map. The results have certain reference value for the environmental protection and the use of landfill after closure.

municipal solid waste landfill; complex loads; FLAC 3D; numerical simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2022.04.008

TU433

A

1674-3261(2022)04-0248-05

2021-11-15

辽宁省教育厅一般项目(JJL201915406)

高二崇(1992-)，男，安徽宿州人，硕士生。

孙洪军(1973-)，男，辽宁阜新人，教授，博士。

责任编辑：孙 林