堆石壩面防滲膜－墊層料界面力學特性試驗研究

蔣善平 束一鳴 吳海民 滕兆明 蔚成亮 任澤棟

（1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.昆山市淀山湖防洪工程管理處，江蘇昆山 215345）

與傳統堆石壩防滲體相比，壩面土工膜防滲結構具有適應變形能力強、造價低、施工便捷、低碳環保等優點［1］，因此，土工膜防滲堆石壩的潛在發展勢頭強勁.土工膜與墊層材料界面力學特性決定著壩面土工膜防滲結構穩定性以及整個大壩的安全性.目前能應用于較高堆石壩面土工膜防滲結構墊層的材料主要有水泥無砂混凝土［2］、聚合物透水混凝土［3］及表面粘結的細礫.水泥無砂混凝土具有較高的抗壓強度和良好的透水性能，在國內外均有作為膜防滲堆石壩墊層的工程實例［4］.聚合物透水混凝土是一種新型透水墊層材料，是以聚合物膠和粗骨料混合攪拌固結成型的蜂窩狀多孔隙混凝土結構；具有透水性好、抗折和抗壓強度高、模量低、施工方便等優點，此外，與水泥無砂混凝土相比，凝固時間較短，一般澆筑24h后的強度可以達到最終強度的80%，其抗壓和抗折試驗表明，聚合物透水混凝土達到抗壓強度峰值或者抗折強度峰值后，具有明顯的殘余強度值，并且達到峰值荷載后的試樣沒有出現明顯的裂縫，其完整性較好，仍然可作為堆石壩防滲膜的支撐，這一點是無砂混凝土所不及的，對于利用土工膜設計深厚覆蓋層高面板堆石壩寬尺度接縫止水具有重要的意義.

土工膜與墊層材料之間界面力學特性的研究方法主要有室內直剪試驗、拉拔試驗、斜板試驗等幾種方法［5］，其中，直剪試驗是研究土工合成材料界面力學特性最常用的方法.國內外許多學者采用直剪試驗對土工合成材料界面力學特性進行了研究，如Myles、Koutsourais等利用直剪試驗研究了粘性土、砂與有紡織物、土工格柵等土工合成材料的界面摩擦特性［6－7］；Korner等認為常規直剪儀只能測出土體－土工膜界面的峰值抗剪強度，必須使用有大行程剪切位移的試驗儀器才能測出殘余抗剪強度［8］；Shallenberger對粘土－土工膜接觸界面進行了直剪試驗研究，并指出界面剪切應力－位移關系具有明顯的應變軟化特性［9］；吳景海等用直剪試驗方法研究了5種不同的國產土工合成材料與砂和粉煤灰等填料之間的界面力學特性；Chiwan Hsieh等用直剪試驗研究了接觸面尺寸效應對沙土－土工膜接觸面摩擦特性的影響［10］；徐超等人對加筋土工合成材料與土體界面直剪試驗的影響因素進行了研究，認為剪切速率不超過一定界限時對筋－土界面抗剪強度幾乎無影響，然而關于土工膜與透水混凝土墊層之間界面力學特性的研究目前較少.

1 試驗方案

本文采用300mm×300mm大尺寸土工合成材料界面直剪儀對水泥無砂混凝土和聚合物透水混凝土兩種墊層材料與土工膜界面的力學特性進行了試驗研究，得到了土工膜與兩類墊層材料的界面強度特性以及剪應力－剪切位移關系特征，為堆石壩面土工膜防滲結構墊層料的優選、穩定性分析及用土工膜來設計深厚覆蓋層高面板堆石壩寬尺度接縫止水提供一定的參考依據.

1.1 試驗材料

1）土工膜墊層料，主要為水泥無砂混凝土和聚合物透水混凝土兩種材料，水泥無砂混凝土所用粗骨料為5～20mm粒徑的玄武巖碎石，水灰比為0.3［11］，孔隙率為0.2，具體配比及力學性能參數如表1所示；聚合物透水混凝土的單位質量膠骨比為2.5%，粗骨料也采用5～20mm粒徑的玄武巖碎石，具體配比及力學性能參數如表2所示，為使糙面PVC膜與聚合物透水混凝土界面充分接觸，在不影響其透水性能的前提下，在聚合物透水混凝土的表面復合一層粒徑約為4mm的細骨料，并進行壓實抹平處理，處理后的試樣如圖1所示.

表1 無砂混凝土的配比及力學性能參數

圖1 表面復合細骨料的聚合物透水混凝土

表2 聚合物透水混凝土配比及力學性能參數

2）土工膜，試驗采用堆石壩面防滲常用的兩布一膜型式的復合土工膜、1.4mm厚的HDPE純膜、1.0 mm的加糙PVC膜，其中HDPE純膜和加糙PVC膜試樣如圖2所示，復合膜由兩層400g／m2的長絲針刺無紡土工織物與0.8mm厚PE膜復合而成.

圖2 土工膜試樣

1.2 試驗設備

試驗采用河海大學水工結構實驗中心土工合成材料直剪拉拔儀，設備照片如圖3所示，該儀器能用于土體－土工合成材料界面直剪試驗和拉拔試驗，上、下剪切盒的有效尺寸均為300mm×300mm，試驗時上剪切盒固定不動，下剪切盒移動.界面法向荷載和水平向剪切荷載分別由砝碼－杠桿系統和電機提供，最大法向壓力可達400kPa，最大剪切行程可達10 cm.剪切位移通過位移傳感器量測，剪切力通過測力傳感器量測，試驗過程中試驗數據由采集系統采集并直接在計算機上顯示實時剪切應力－剪切位移曲線.

圖3 土工合成材料界面直剪拉拔儀

1.3 試驗方法及步驟

試驗時，先在下剪切盒內放置一塊與剪切盒等高的剛性板，用于支撐土工膜試樣，將土工膜固定在剛性板上表面，安裝好上剪切盒并保持土工膜試樣平整，然后將尺寸為300mm×300mm的墊層試樣裝入上剪切盒內，注意安裝墊層試樣時要保證復合膜與墊層之間接觸良好，最后放置法向加載板并施加法向荷載.試樣安裝過程如圖4所示.

圖4 試樣裝備

本次試驗中法向分別施加25kPa、50kPa、75 kPa、100kPa的壓力荷載，試驗時水平向剪切速率控制為1mm／min［12］，在每一級法向荷載下，實時觀測剪應力－剪切位移曲線，當曲線出現峰值且有軟化現象、達到穩定的殘余強度時停止剪切試驗；沒有出現明顯峰值時，當剪切位移達到15mm后停止剪切試驗.

2 試驗成果及分析

2.1 剪應力－剪切位移曲線

聚合物透水混凝土與復合膜、HDPE純膜的剪應力－剪切位移曲線分別如圖5中的（a）、（b）所示.由圖可知，復合膜－聚合物透水混凝土界面剪應力－剪切位移曲線呈非線性關系，未出現軟化現象；而HDPE純膜－聚合物透水混凝土界面剪切應力－剪切位移曲線出現明顯軟化現象，剪切應力先隨剪切位移的增加而增大，當剪切應力達峰值強度后，隨剪切位移的進一步增加，剪切應力開始降低，到達殘余強度后保持穩定；在相同法向壓力下，聚合物透水混凝土與復合膜界面的抗剪強度高于其與HDPE純膜界面抗剪強度.

水泥無砂混凝土與復合膜、HDPE純膜界面剪應力－剪切位移關系曲線如圖5中的（c）、（d）所示.從圖中可以看出，復合膜與水泥無砂混凝土界面剪應力－剪切位移關系曲線也呈非線性；而HDPE純膜與水泥無砂混凝土界面剪應力－剪切位移關系表現出輕微的軟化現象，界面殘余強度略低于峰值強度；在相同的法向壓力下，復合膜與水泥無砂混凝土界面的抗剪強度高于HDPE純膜界面抗剪強度.

表面復合一層細骨料的聚合物透水混凝土與糙面PVC膜的剪應力－剪切位移曲線如圖5（e）所示，剪應力－剪切位移曲線在法向應力為25kPa、50kPa、75 kPa時呈現非線性；剪應力－剪切位移曲線在法向應力為100kPa時出現了明顯的的振蕩現象，總體趨勢呈現為非線性.

比較圖5中5種界面剪切試驗結果還可以發現，對于純膜與兩種墊層料界面的剪切應力－剪切位移關系曲線，在法向壓力增大時，曲線的規律性變差，因在高應力狀態下，墊層表面的部分骨料刺入純膜表面，相對于低應力狀態下，在較小的剪切位移下，界面剪應力迅速增長，結合試驗結束后拆除試樣觀測結果可知，在高法向壓力下剪切過程中HDPE純膜表面出現了較多劃痕，導致材料表面相對于低法向壓力下的情況發生了變化，這也就佐證了為什么隨著法向壓力的增大而試驗曲線規律性變差；而復合膜界面的結果在不同法向壓力下的試驗結果規律性很好，主要是因為在各級豎向荷載下的試驗初期復合膜表面長絲織物與墊層的咬合作用并不強，但隨著剪切位移的增加，這種咬合作用逐漸加強，界面剪應力逐漸增加；表面復合細骨料聚合物透水混凝土與糙面PVC膜的剪應力－剪切曲線在高法向應力下出現振蕩現象，墊層面細骨料與PVC膜表面加糙齒嵌固作用較強，結合試驗后的PVC膜試樣可以看出在高應力狀態下，PVC膜表面的加糙齒破壞得較為嚴重，這是由于在剪切過程中，墊層不斷地克服PVC膜表面的加筋齒剪切移動，當前的加糙齒屈服后，剪應力值略有所下降，隨后墊層又會與沒有破壞加筋齒相互擠壓并且擠壓力不斷增強，在這一階段，剪應力表現為隨著剪切位移的增加而增大，直至這一加筋齒也屈服破壞，故剪應力－剪切位移曲線表現為振蕩的現象.

圖5 土工膜－墊層料界面剪切應力－剪切位移關系曲線

2.2 界面強度特性

根據5種界面直剪試驗結果與試驗數據擬合結果，界面剪切應力與法向應力成近似線性關系，擬合結果符合摩爾庫倫強度準則，得到五種界面強度參數如圖6和表3所示.分析圖6和表3可以發現：

1）復合土工膜與兩種墊層界面抗剪強度高于純膜與兩種墊層界面的抗剪強度，主要是由于復合膜表面的無紡土工織物與兩種墊層材料之間摩擦系數較大，此外由于無紡針刺土工織物表面比較蓬松，所以形成的凝聚力也較大.

2）聚合物透水混凝土和無砂混凝土與復合土工膜、純膜界面抗剪強度差別不大，聚合物透水混凝土界面抗剪強度略低；雖然聚合物透水混凝土和水泥無砂混凝土均采用相同的粗骨料，但由于聚合物透水混凝土中粗骨料表面裹著一層膠體，表面相對比較光滑，而水泥無砂混凝土表面裹著水泥漿，表面較粗糙.

3）表面復合細骨料聚合物透水混凝土與加糙PVC膜的界面抗剪強度比HDPE純膜與聚合物透水混凝土的高，主要是由于聚合物透水混凝土表面細骨料與PVC膜的加筋齒嵌固作用較強的原因.

4）從5種界面抗剪強度組成來看，表面復合細骨料聚合物透水混凝土－加糙PVC膜、聚合物透水混凝土－復合膜、水泥無砂混凝土－復合膜、水泥無砂混凝土－HDPE純膜4種界面的凝聚力較大，而聚合物透水混凝土－HDPE純膜界面凝聚力很小，主要是因為HDPE純膜和聚合物透水混凝土表面均較光滑而無法形成凝聚力.

圖6 不同工況下界面抗剪強度曲線

表3 界面強度參數

3 結 語

1）HDPE純膜與兩種墊層界面的剪應力－剪位移關系具有不同程度的應變軟化特征，界面峰值強度高于殘余強度；而復合土工膜與兩種墊層界面的剪應力－剪切位移關系無明顯軟化現象.

2）復合膜與兩種墊層界面抗剪強度高于其他膜與兩種墊層界面抗剪強度.

3）兩種墊層材料與復合膜、HDPE純膜界面抗剪強度差別不大，聚合物透水混凝土墊層界面抗剪強度略低.

4）聚合物透水混凝土－糙面PVC膜、聚合物透水混凝土－復合膜、水泥無砂混凝土－復合膜、水泥無砂混凝土－HDPE純膜幾種界面的凝聚力較大，而聚合物透水混凝土－HDPE純膜界面凝聚力很小，在不影響聚合物透水混凝土透水性能的前提下，可以在聚合物透水混凝土與加糙膜的接觸面復合一層細骨料，以提高聚合物透水混凝土墊層與膜的咬合力.

圖7 聚合物透水混凝土抗壓試驗典型荷載－位移關系曲線

綜上可知，對于采用復合土工膜為前置防滲體并且壩坡比為1∶1.47的高堆石壩，聚合物透水混凝土墊層能夠滿足抗滑穩定性要求，由于聚合物透水混凝土透水性能滿足膜下缺陷滲漏排水要求［13］，聚合物透水混凝土即使在達到其抗壓強度峰值后，仍具有較高的殘余強度，并保持較好的完整性，其抗壓試驗典型荷載－位移曲線見圖7所示，比較適合作為高堆石壩防滲土工膜的透水墊層.

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