土工膜GCL复合衬里剪切强度确定方法

章 玲 玲,林 海

(1.江西交通职业技术学院 建筑工程学院,江西 南昌 330013; 2.南昌大学 工程建设学院,江西 南昌 330031)

0 引 言

防渗结构是城市固体废弃物填埋场、输水渠道和水库大坝等工程的重要组成部分,以土工膜(GM)和土工膨润土防水毯(GCL)为代表的土工合成材料凭借抵抗不均匀沉降能力强、增加库容和性质稳定等优势越来越多地被应用到工程当中[1-4]。由于复合防渗衬里通常铺设在具有一定坡度的斜坡上,填埋场等工程的整体稳定性是工程建设须考虑的首要因素[5-8]。近几十年的工程失稳案例统计发现,沿土工合成材料界面的滑移破坏为主要破坏型式,因此土工合成材料的界面剪切强度一直是研究的热点[1,9-11]。GM与针刺GCL共同组成的复合衬里的防渗效果显著优于压实黏土、GM和GCL等单层防渗衬里,然而由于GCL内夹膨润土水化后抗剪强度极低及其对界面的润滑作用,GM/GCL界面和GCL内部界面都可能是决定防渗结构滑移稳定性的关键界面[9-10]。

为了揭露GM/GCL界面剪切及GCL内部剪切强度特性及破坏机理,国内外许多学者对此展开了广泛且深入的研究,并得到了丰硕的成果[12-16]。例如,土工合成材料剪切试验具有较明显的尺寸效应,获取具有代表性的剪切强度一般要求开展大尺寸(边长或直径大于300 mm)的剪切试验[9-10]。GM+针刺GCL复合衬里的最危险界面会随着法向应力增加从GM/GCL界面转移至GCL内部,无论GCL/GM界面强度还是GCL内部强度都表现出明显的峰值和应变软化特性[17-20]。剪切速率对剪切试验结果具有一定的影响,GM+针刺GCL复合衬里的推荐剪切速率低至0.1 mm/min[10,17]。在对填埋场等工程中GM+GCL复合衬里进行滑移稳定分析时,选取能够反映复合衬里剪切强度特性的剪切强度参数非常重要。通过试验来获取GCL/GM界面和针刺GCL内部界面的剪切强度参数,可能需要花费大量的时间投入且对实验室设备的要求较高,这在施工或项目现场是难以实现的。

Qian等[21-23]提出的多楔体极限平衡方法是目前评价填埋场衬里界面滑移破坏稳定性的代表性方法,然而GM+GCL复合衬里中最危险破坏面发生转换的性质给计算方法的应用增加了难度。并且复合衬里破坏面转换的临界压力区间会随着GM和GCL种类等而发生变化,这进一步使得计算参数绕不开试验。单组GCL剪切试验中的水化过程一般分为预水化和法向压力下水化两个步骤,需要花费3 d以上的时间,因此科学合理地确定GM+GCL复合衬里剪切强度参数将为相关材料的应用及工程稳定分析提供极大的便利。为了方便工程技术人员在填埋场稳定分析中解决计算界面选取的难题,并且尽可能减小或适当避免GM+GCL复合衬里剪切试验的耗时耗力,本文在分析GM+GCL复合衬里剪切破坏机理的基础上,提出一种简便确定剪切强度的方法。

1 土工膜+针刺GCL复合衬里的剪切破坏模式

相比GM/GCL界面或针刺GCL内部界面的单界面剪切试验而言,不限定剪切面的GM+GCL复合衬里的剪切试验更能真实地反映复合衬里在各级法向压力下的破坏型式。林海等[19]对水化针刺GCL+糙面GM复合衬里的各界面剪切位移发展规律和峰值强度等单剪破坏特征进行了研究。试验所用针刺GCL由一层有纺布和一层无纺布将约5 kg/m2的钠基膨润土夹持并采用纤维针刺加筋制成,GCL的无纺布和编织布分别与GM接触时的两种情形能够全面反映复合衬里可能的破坏模式。大单剪试验得到的GM+针刺GCL复合衬里破坏模式如图1所示,与Fox等[17-18]研究成果类似:无纺GCL+GM复合衬里的剪切破坏面会随着法向压力的增加从GCL/GM界面转移至针刺GCL内部界面。编织GCL+GM复合衬里的剪切破坏面始终处于编织GCL/GM膜界面,但随着竖向应力的增加,开始出现针刺GCL内部的局部破坏。

图1 GM+针刺GCL复合衬里的剪切破坏模式Fig.1 Shear failure modes of composited liner composed of GM and needle punched GCL

从图1可以看出,GM+针刺GCL复合衬里存在一个剪切破坏模式转换的临界竖向应力σcr,由于GCL内部剪切强度和GCL/GM界面剪切强度必然存在试验离散性,因此临界法向应力σcr常常以一个区域范围的形式存在。例如,无纺GCL+GM复合衬里的临界法向应力σcr1处于500 kPa附近的范围,当竖向应力接近σcr1时,针刺GCL的内部位移和GCL/HDPE膜界面位移在剪切过程中以近似相等的速度共同发展,说明在此压力范围内复合衬里中的GCL/GM界面和GCL内部界面共同发生了剪切破坏[19-20]。编织GCL+GM复合衬里的临界法向应力σcr2处于700～900 kPa附近,要高于针刺GCL无纺面与GM直接接触的情况。从图1复合衬里的剪切强度包线可以看出,峰值强度τp随σn增长的速率在σcr2范围内变得平缓很多。复合衬里的破坏模式将决定土工合成材料衬里边坡稳定分析中计算界面的选取,由于不同单界面的剪切强度参数可能存在显著差异,工程人员理解和掌握GCL+GM复合衬里的破坏模式是极有必要的。

2 土工膜+针刺GCL复合衬里的峰值强度特征

林海等[19-20]试验中针刺GCL无纺布侧和编织布侧分别与GM接触时的复合衬里剪切峰值强度包络线如图2所示。GM+GCL复合衬里的峰值强度与法向压力之间的关系为非线性,峰值强度摩擦角随法向应力的增加而减小。在所测试的所有竖向压力下,无纺GCL+GM的峰值强度都要高于编织GCL+GM衬里。总体而言,非线性公式(1)能够较好地拟合水化针刺GCL+GM复合衬里的峰值强度。

图2 GM+针刺GCL复合衬里峰值强度及小位移应力峰值Fig.2 Peak shear strength and peak shear stress value at small displacement of GM + needle punched GCL composite liner

τp=σntan[φ0-φb·lg(σn/Pa)]

(1)

式中:φ0,φb为试验拟合得到的常数;Pa为标准大气压(约为101 kPa)。

然而从图2中可以看出,采用非线性公式(1)拟合的强度包络线在临界竖向应力σcr左右会略高估复合衬里的峰值强度。同时,现有填埋场楔体极限平衡分析法通常采用线性强度包络线形式来拟合剪切破坏面的峰值强度,即采用类黏聚力和摩擦角两个简单参数来进行计算分析,非线性强度包线在工程人员的计算分析中使用不够方便。根据针刺GCL的剪切破坏机理试验研究,GM+GCL复合衬里在很小的剪切位移时(小于5 mm)应力位移曲线上都会存在一个应力峰值(小位移应力峰值)[20]。而小位移应力峰值τ1体现了GCL内夹水化膨润土的峰值剪切强度,图2显示τ1与竖向应力σn表现为较好的线性关系。

考虑到τ1与σn具有较好的线性关系,水化膨润土的强度可以通过室内小型直剪试验获得。构建复合衬里峰值强度τp与τ1之间的联系,有利于工程人员快速直观地判断水化GCL+GM复合衬里的峰值剪切强度范围。图2中水化GCL+GM复合衬里剪切试验得到的τp/τ1与σn之间的关系如图3所示。水化GCL+GM复合衬里的τp/τ1值全部都处于1.4～2.3的范围内,文献[17]的无纺GCL+GM复合衬里直剪试验所得到的τp/τ1和本文试验结果很相近。从图3可以看到:法向压力小于临界压力区时,τp/τ1随着σn的增加而增加;τp/τ1的值在接近临界压力区σcr左右时达到极大值;而法向压力高于临界压力区后,τp/τ1随着σn的增加而减小。总体上看τp/τ1的值相对比较集中,而且在很大的竖向压力范围内(100～2 200 kPa)满足条件τp> 1.4τ1。从偏于安全的方面考虑,可以采用1.4τ1作为针刺GCL+GM复合衬里的剪切峰值强度来进行滑移稳定性计算。在此设想基础上将复合衬里的峰值强度代入计算得到(τp-1.4τ1)/τp< 40%,所以用1.4τ1取代进行计算具有一定的可行性。

图3 GM+针刺GCL复合衬里峰值强度与小位移应力峰值的关系Fig.3 Relationship between peak shear strength and peak shear stress value at small displacement of GM + needle punched GCL composite liner

3 土工膜+针刺GCL复合衬里的残余强度特征

水化GCL+GM复合衬里的抗剪能力在峰值强度后随着剪切位移的继续增加而非线性地减小,在较大的剪切位移后(一般大于150 mm)会达到一个稳定的剪切残余强度τr。残余强度反映了某个界面的剪切强度下限,填埋场中垃圾体降解和边坡岩土体的渗流湿化等因素都有可能引起边坡上复合衬里的蠕变,因此GCL+GM复合衬里的残余强度研究具有很强的工程现实意义。GM/GCL界面及GCL内部界面的残余强度与法向应力的关系如图4所示。已有试验数据显示,GCL内部或GM/GCL界面都与法向应力呈现很好的线性关系,GM/GCL界面的残余强度高于GCL内部界面。GCL内部界面残余强度主要取决于水化膨润土的剪切强度下限,GM/GCL界面残余强度除此之外还与GCL夹持土工布类型(无纺或编织)和土工膜性质(光面/糙面,土工膜制造工艺方法等)有关[17,24-25]。从图4可以看到,GM/GCL界面及GCL内部界面的残余强度都极低,如果仅保守考虑取更低的针刺GCL内部残余强度来代表复合衬里的剪切强度下限不符合破坏机理,同时可能严重低估复合衬里的滑移稳定性。

图4 GM/GCL界面及GCL内部界面的残余强度Fig.4 Residual shear strength of GM/GCL interface and GCL internal interface

4 土工膜+GCL复合衬里的强度参数选取方法

在填埋场等边坡工程的滑移稳定性分析中,土工合成材料界面剪切强度设计参数的确定是前提,而其中GM+GCL复合衬里的强度参数选取尤其重要。一般情况下,如果边坡上的土工合成材料界面剪切没有表现出明显的位移软化特性(如光面GM/土工布界面,土工布/黏土界面等),只需通过试验获得材料界面的峰值剪切强度即可。而当最危险破坏面表现出明显的位移软化特征(例如GM/GCL界面和GCL内部界面),则还应选取该界面的残余强度进行稳定分析计算[26]。Stark等[27]建议在填埋场衬垫的设计中,背坡上土工合成材料复合衬垫的稳定设计选取按照最低峰值强度界面所对应的残余强度,而底坡的设计只需按照衬垫内最低界面峰值强度即可。Stark等[28]对填埋场稳定分析中设计强度的选择做了进一步补充,将设计强度选取方法推广到存在最薄弱滑动面转移的多层复合衬垫。例如,某土工合成材料复合衬里内含有土工布/土工膜界面、土工膜/黏土界面和土工膜/土工网界面等多个潜在软弱滑移面,几个界面的峰值剪切强度包络线如图5所示,工程人员应采用几个界面的峰值强度包线下限段组合(图中实线)来代表复合衬里的峰值强度进行滑移稳定计算。GCL和GM作为典型的土工合成材料,水化GCL+GM复合衬里一般是范围更大的土工合成材料复合衬里中的最软弱环节,当法向应力接近破坏面转换的临界压力σcr时,复合衬里的剪切强度会小于其中的任一单界面剪切强度。因此,将水化GCL+GM复合衬里作为一个整体来确定峰值强度更为合理。如图6所示,填埋场底部衬里通常分为角度平缓的底坡部分和依山而建的背坡部分,Stark等[28]建议在底坡稳定计算分析时,设计强度选取复合衬垫中最薄弱界面的峰值强度包线,而在背坡稳定计算分析时,设计强度选取剪切破坏面所对应的残余强度。

图5 土工合成材料复合衬里峰值强度的选取示意[28]Fig.5 Schematic diagram for peak shear strength selection of geosynthetics composite liner[28]

图6 基于GM+GCL复合衬里剪切破坏模式的填埋场分区Fig.6 Landfill zoning based on shear failure modes of GM+GCL composite liner

综合前人建议和本文对GM+GCL复合衬里剪切强度特性的归纳分析,可以提出一套严谨合理且简便易行的剪切强度计算参数选取办法。根据GM+GCL复合衬里的破坏模式将填埋场衬里分为低法向应力区、过渡法向应力区和高法向应力区(见图6),考虑GM+GCL复合衬里的破坏面转移特征和峰值后软化特征,稳定分析采用的计算参数确定按不同应力区和底/背坡来分别确定。对于填埋场底坡位置的复合衬里,采用复合衬里的峰值强度进行滑动稳定性验算,采用近似的峰值强度τp=nτ1(n为常数),n不应大于剪切试验得到的τp/τ1最小值(本文GCL材料可取n=1.4),τ1相当于摩擦角为10°～12°的水化膨润土峰值强度。如此一来,GM+GCL复合衬里的峰值强度可以非常容易地确定,该方法还可以保证复合衬里具备一定的安全储备。对于填埋场的背坡部分,考虑到许多不定因素(长期沉降、蠕变或应力松弛等)可能会导致衬里变形进入后峰值软化阶段,设计分析时选择复合衬里剪切破坏面对应的残余强度。对于背坡上复合衬里σn<σcr的区域(低法向应力),GCL/GM界面为剪切破坏面,稳定分析时的剪切强度选择GCL/GM界面剪切残余强度;对于背坡上复合衬里σn≥σcr的区域(过渡法向应力区和高法向应力区),此时针刺GCL内部界面会成为剪切破坏面,并且GCL内部剪切残余强度要比GCL/GM膜界面剪切残余强度还要小,因此稳定分析时的剪切强度应选择针刺GCL内部界面剪切残余强度。在上述确定方法中,复合衬里剪切强度计算参数不仅考虑了滑动面转移性质,并且安全性方面也是偏于保守,符合工程安全分析的要求。

5 结 论

(1) 边坡滑移稳定分析中,GM+GCL复合衬里的剪切强度参数选取需要考虑破坏模式发生转变的临界法向应力、底坡或背坡的位置及材料界面剪切强度的峰值后软化特性。填埋场平缓底坡处的GM+GCL复合衬里推荐采用峰值强度进行分析,具有较大坡度的背坡位置的复合衬里推荐采用残余强度进行分析。

(2) GM+GCL复合衬里的峰值强度τp可以近似地采用小位移峰值应力τ1的倍数获取,倍数关系不大于剪切试验得到的τp/τ1最小值,τ1也可以采用摩擦角为10°～12°的水化膨润土峰值强度来简便获取近似取值。采用本文简便方法进行实际工程分析时,建议开展少量适当的GM+GCL复合衬里大尺寸剪切试验来进行佐证。

(3) 填埋场背坡位置处GM+GCL复合衬里的残余强度τr根据复合衬里破坏模式转变的临界法向应力来选取,对小于临界法向应力的区域开展稳定分析时复合衬里采用GCL/GM界面剪切残余强度,对接近或高于临界法向应力的区域进行稳定分析时复合衬里采用GCL内部剪切残余强度。