填埋場GCL／GM與保護層接觸面抗剪強度研究進(jìn)展

彭 飛 王紅雨 邢毓航 朱階紅

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.湖北省監(jiān)利縣柘木中學(xué)，湖北 監(jiān)利 433301）

目前，填埋法是我國城市生活垃圾處理的主要方法［1].垃圾填埋場服役期限長，潛在危害大.防滲系統(tǒng)長期防滲性能的優(yōu)劣是垃圾填埋場建造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，《生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ113－2007）［2]推薦垃圾填埋場采用壓實粘土作為GCL／GM防滲墊的保護層共同構(gòu)成復(fù)合防滲系統(tǒng).但壓實粘土作為GCL／GM防滲墊的保護層并不適用于所有填埋場，尤其是在西北干旱、半干旱、干濕凍融交替循環(huán)條件下建造的填埋場.

1 填埋場GCL／GM與保護層接觸面抗剪研究現(xiàn)狀

目前研究土與土工合成材料接觸面剪切特性的試驗方法主要有直剪試驗、摩擦試驗、扭剪試驗和斜板試驗等4種.前兩種方法是研究接觸面強度的主要方法.

1.1 國外試驗研究現(xiàn)狀

GCL／GM與保護層接觸面之間的抗剪強度小于保護層本身的抗剪強度.1986年 Willams［3]發(fā)現(xiàn)土與土工織物之間的摩擦角小于土本身的摩擦角.1987年Eigenbrod等［4]得出了同樣的試驗結(jié)果，同時還發(fā)現(xiàn)密實砂與土工織物反復(fù)剪切后，所發(fā)揮出的摩阻力幾乎與疏松狀態(tài)相同.同時，由于GCL水化后抗剪強度較低，外部荷載不能直接作用于GCL.1995年Koerner R M［5]試驗得出，如果在GCL上鋪設(shè)一定厚度的砂土墊層，就會避免GCL中的膨潤土因受擠壓而失去防滲作用.因此，一般在GCL表面添加保護層防止其破壞.2003年Rowe R K等［6]通過將5種GCL產(chǎn)品分別鋪設(shè)在土工網(wǎng)格、6mm的礫石和砂土等地基上分別測試其防侵蝕性能.試驗表明，GCL最佳鋪設(shè)墊層是砂土.

關(guān)于GCL／GM等不同材料之間的界面強度特性的單元體試驗研究，國外已經(jīng)開展了較多工作.Jones和Dixon［7]利用大型直剪儀發(fā)現(xiàn)了當(dāng)上覆土體為粗粒土?xí)r可較大地增加土工織物／土工膜界面強度；Eid等［8]發(fā)現(xiàn)膨潤土擠出是影響GCL／GM 界面的重要因素.

1.2 國內(nèi)試驗研究現(xiàn)狀

直剪試驗方面，土與土工合成材料接觸界面的抗剪強度隨土體含水率的增大呈下降趨勢，土工織物表面粗糙度直接影響接觸面的抗剪強度，另外，在不同應(yīng)力作用下接觸面抗剪強度呈現(xiàn)不同的應(yīng)變特征.2006年盧廷浩［9]通過改進(jìn)的直剪儀進(jìn)行64個不同試樣界面的剪切試驗，得到了不同含水率不同正應(yīng)力下土與不同結(jié)構(gòu)接觸界面的剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線.2009年林偉岸等［10]復(fù)合襯墊系統(tǒng)大型斜坡模型試驗結(jié)果表明，土工膜表面粗糙度是影響土工膜／土工織物界面強度的決定因素.2010年施建勇［11]研究認(rèn)為復(fù)合襯墊整體單剪試驗的應(yīng)力－位移曲線在低法向應(yīng)力試驗中沒有呈現(xiàn)明顯的軟化特征，在高法向應(yīng)力試驗中有硬化現(xiàn)象；隨法向應(yīng)力增加剪切破壞面會發(fā)生轉(zhuǎn)移.

摩擦特性試驗方面，一般來講，接觸面越粗糙則摩擦性能越好，因為粗糙接觸面可以產(chǎn)生摩擦、咬合、嵌鎖等綜合作用.2004年馬時冬［12]試驗結(jié)果表明，土工格柵配合碎石類填料的摩擦效果最好.2007年王俊林［13]研究表明土－土工織物界面黏著力隨著土樣中細(xì)顆粒含量的增加而增加，界面摩擦角隨著土樣中細(xì)顆粒含量的增加而減小；當(dāng)圍壓一定時，抗剪強度與填土的細(xì)顆粒含量、含水量等因素有關(guān)；土－土工織物界面剪應(yīng)力與剪位移之間具有明顯的非線性，其關(guān)系曲線可用雙曲線來擬合.

2 西北地區(qū)填埋場GCL／GM與保護層接觸面抗剪研究

2.1 西北地區(qū)填埋場防滲系統(tǒng)存在的問題

GCL與寬級配礫石土直接接觸的理論、工程性質(zhì)與施工技術(shù)等問題的解決是西北地區(qū)采用該防滲方案（礫石土、GCL和GM共同構(gòu)成復(fù)合防滲系統(tǒng)）建造垃圾填埋場的關(guān)鍵.在西北干旱、半干旱、干濕與凍融交替作用的環(huán)境中，采用粘土襯里防滲，存在易干裂、抗剪強度低以及粘土料源匱乏等問題；采用高密度聚乙烯（HDPE）防滲材料存在成本高、機械破壞和安裝技術(shù)不易掌握等問題；而采用土工織物粘土墊層（GCL），也存在接觸面抗剪強度低以及在干濕凍融交替循環(huán)條件下的長期防滲性能不可靠等問題.

2.2 西北地區(qū)填埋場防滲系統(tǒng)解決方案

為解決適應(yīng)該地區(qū)干濕凍融交替循環(huán)特殊環(huán)境垃圾填埋場防滲系統(tǒng)穩(wěn)定工作問題，國內(nèi)學(xué)者根據(jù)2007規(guī)范“保護層應(yīng)采用黏土，當(dāng)黏土資源缺乏時，可使用其他類型的土”的表述提出了各種保護層替代方案.張虎元［14－15]提出污染控制等效性原則是替代襯墊設(shè)計的基本依據(jù)，同時實測了膨潤土改性黃土代替壓實粘土的可行性.文獻(xiàn)［16]提出以寬級配礫石土代替粘土作為GCL／GM防滲墊的保護層，同時分析得出其方案可行.據(jù)研究，如果礫石土級配合適，并且礫石土與GCL接觸面處理得當(dāng)?shù)脑挘瑢捈壟涞[石土?xí)纳艷CL的受力狀況，同時，與粘土保護層相比，礫石土可以為處在干濕循環(huán)中的GCL創(chuàng)造相對濕潤的有利條件.

2.3 室內(nèi)驗證試驗方案及可能遇到的問題

對于寬級配礫石土是否會改善GCL的受力狀況以及其作為GCL／GM防滲墊的保護層是否可以減緩防滲墊受干濕與凍融循環(huán)作用影響的問題，相關(guān)驗證試驗正在進(jìn)行中.現(xiàn)就室內(nèi)試驗方案及可能遇到的問題進(jìn)行闡述.

試驗方案：該驗證主要由顆粒分析實驗、含水量實驗、擊實試驗及直剪試驗組成.試驗應(yīng)先分析得出抗剪強度及滲透系數(shù)同時滿足要求的寬級配礫石土，然后利用直剪儀測定滿足要求的礫石土與不同水化程度的GCL接觸面的抗剪強度參數(shù)，最后驗證寬級配礫石土能改善GCL的受力狀況以及其作為GCL／GM防滲墊的保護層能減緩防滲墊受干濕凍融循環(huán)作用影響的推斷.試驗擬制作5組級配經(jīng)人工調(diào)配的礫石土，分別命名為級配1、級配2、級配3、級配4和級配5，繪出5組試樣的級配曲線，并分別測定其最大干密度、最優(yōu)含水量以及各級配礫石土的內(nèi)摩擦角和粘聚力，結(jié)合滲透試驗測定的滲透系數(shù)，分析得出抗剪強度及滲透系數(shù)同時滿足要求的寬級配礫石土.將滿足要求的礫石土各制作2組分別與水化程度為0%、25%、50%、75%以及完全水化的GCL進(jìn)行直剪試驗，最終分析驗證推斷假設(shè).

可能遇到的問題：1）試驗方法，直剪試驗和拉拔試驗應(yīng)是土與土工合成材料界面特性試驗的合適方法.不過應(yīng)考慮試驗的尺寸效應(yīng)和邊界效應(yīng)以及剪切方式和材料特性對試驗結(jié)果的影響.2）試驗設(shè)備，對于加筋土的界面特性試驗?zāi)壳盁o統(tǒng)一的試驗設(shè)備及方法，但為使試驗結(jié)果符合實踐要求，試件與試樣盒應(yīng)有足夠的尺寸.我國《土工合成材料測試規(guī)程》［17]對直剪試驗提出了一個下限值，要求試樣盒大于60 mm×60mm.3）縮尺效應(yīng)，由于GCL及礫石土的結(jié)構(gòu)特性，小尺寸直剪試驗難以得到具有代表性的結(jié)果.總體來講，剪切盒尺寸越大，界面的抗剪強度越高.

3 結(jié) 語

綜上所述，可得到如下結(jié)論：1）寬級配礫質(zhì)土與GCL／GM組成的復(fù)合防滲系統(tǒng)更適合西北地區(qū)干濕凍融交替循環(huán)的自然環(huán)境；2）寬級配礫石土與GCL／GM接觸面剪切性能應(yīng)依據(jù)直剪試驗方法利用直剪儀進(jìn)行試驗研究；3）寬級配礫石土與GCL／GM接觸面直剪試驗設(shè)備應(yīng)優(yōu)先考慮采用大型直剪儀，無大型直剪儀時可以考慮改進(jìn)常規(guī)直剪儀進(jìn)行試驗，但試樣盒尺寸不得小于60mm×60mm，同時應(yīng)消除縮尺效應(yīng)以及土工織物自身特性等給實驗帶來的不利影響.

在高壓、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)、動荷載及干濕凍融循環(huán)作用下礫石土與GCL／GM接觸面的工程性質(zhì)也有待進(jìn)一步研究.因此，需進(jìn)一步深入研究接觸面抗剪強度問題，以期早日應(yīng)用于垃圾填埋場.

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