凍融循環(huán)對GCL膨潤土墊剪切性能影響初探

劉麗佳,袁安麗,張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

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凍融循環(huán)對GCL膨潤土墊剪切性能影響初探

劉麗佳,袁安麗,張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

通過探討GCL試樣經(jīng)過100次凍融循環(huán)后層間的內(nèi)摩擦角及黏聚力的變化,結(jié)合GCL膨潤土自身特性，分析凍融循環(huán)對GCL內(nèi)在結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響因素，為研究GCL在寒區(qū)工程中的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),GCL膨潤土墊之間含水率、密實(shí)程度及凍融循環(huán)次數(shù)等因素對GCL的剪切特性均會產(chǎn)生影響，隨著凍融次數(shù)的增加，黏聚力降低，剪切角減小。通過分析試驗結(jié)果，可對實(shí)際工程邊坡襯墊系統(tǒng)的設(shè)計和施工提出建議。關(guān)鍵詞：凍融循環(huán)；內(nèi)摩擦角；黏聚力；抗剪強(qiáng)度

土工合成材料黏土墊(Geosynthetic Clay Liner，簡稱GCL)，是一種新型的復(fù)合土工合成材料，這種材料在美、德等國已經(jīng)廣泛應(yīng)用于渠道防滲工程中[1]。我國目前對GCL材料的應(yīng)用還處于初期，尤其在北方寒冷地區(qū)，更無有關(guān)GCL材料抗凍耐久性的性能指標(biāo)。黑龍江省位于深季節(jié)凍土區(qū)，凍結(jié)指數(shù)高、地表凍脹量大，渠道防滲工程受凍脹破壞作用較為嚴(yán)重，在季節(jié)凍土區(qū)對材料自身的抗凍性能要求也更高。本文主要研究了經(jīng)100次凍融循環(huán)后，GCL試樣剪切性能的變化，對材料的抗凍耐久性進(jìn)行評價，為GCL在深季節(jié)凍土區(qū)渠道工程中應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗內(nèi)容與試驗裝置

1.1 試驗內(nèi)容

試驗主要關(guān)注凍融循環(huán)溫度在-20 ℃～+20 ℃區(qū)間內(nèi)，經(jīng)100次凍融循環(huán)對GCL層間剪切性能的影響。

1.2 試驗材料

試樣采用4500 g/m2粉末型GCL膨潤土墊。兩層土工織物之間為針刺方式包裹顆粒狀鈉基膨潤土，上層為針刺土工織物，底層為編織土工織物，單位面積質(zhì)量為4.5 kg/m2。膨潤土含水率為13.2% 。

1.3 試驗裝置

試驗采用TGH-2C土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗機(jī)。通過懸掛砝碼來逐級施加法向荷載，每級荷載分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，通過位移傳感器量測水平位移，由力的傳感器量測剪切力。試驗過程中剪切面的相對位移和所施加的剪切力由數(shù)據(jù)采集儀自動記錄。剪切試驗裝置見圖1。剪切速率為3 mm/min，試件尺寸為300 mm×300 mm。

圖1 GCL剪切試驗裝置

1.4 試驗方法

試驗分兩個步驟進(jìn)行。第一步是進(jìn)行GCL凍融循環(huán)試驗，采用CEN/TS 14418∶2014[2]方法。將試件放入凍融循環(huán)裝置中，進(jìn)行周期為3～4 h的凍融循環(huán)，試件在凍結(jié)和融化過程中均處于飽水狀態(tài)。試驗采用快凍法。凍融過程中，箱體環(huán)境溫度控制在-20 ℃～+20 ℃，每10次循環(huán)，取一組試件進(jìn)行圖像采集，觀察試樣凍融后的表面變化。

第二步是將采集后的試樣放在剪切力學(xué)試驗機(jī)上，采用SL 235-2012[3]方法進(jìn)行GCL層面剪切特性試驗，對試樣的摩擦角、黏聚力、抗剪強(qiáng)度[4-6]等參數(shù)進(jìn)行評價。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗前后試件表象

從圖2可以看出，經(jīng)過100次凍融循環(huán)，GCL試樣結(jié)合仍然較緊密，膨潤土層間有少許位移變形，表面針刺痕跡清晰可見。凍融循環(huán)初期，膨潤土層間接觸緊密，隨著逐級施加不同荷載，土粒間孔隙減小，但單位面積內(nèi)所含黏土顆粒數(shù)量逐漸增多，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改變了土工織物間膨潤土層的密實(shí)程度與土體間的黏聚力，黏土與GCL的剛度差異很大且GCL本身滲透系數(shù)較小，土體與 GCL間的吸附不能充分發(fā)揮，致使界面黏聚力下降，抗剪切強(qiáng)度降低。

圖2 凍融循環(huán)試驗前后GCL試樣

2.2 試驗結(jié)果與分析

從圖3、圖4可以看出，隨著第一級50 kPa荷載的增加，剪切力降低，剪切強(qiáng)度亦隨之降低，隨著凍融次數(shù)的增加，剪切強(qiáng)度降低顯著，強(qiáng)度損失在100次凍融循環(huán)后更明顯，強(qiáng)度損失峰值可以達(dá)到67%，可見凍融循環(huán)對GCL剪切強(qiáng)度的破壞是十分明顯的。分析試驗機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)，試驗開始時GCL處于飽和狀態(tài)，含水量高，織物與黏土下墊層接觸面形成超孔隙水壓力，臨界滑動前作用時間短，超孔隙水壓力沒有足夠時間消散，隨著荷載的增加，法向有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低;同時摩擦阻力降低，更易發(fā)生滑動。

圖3 開始凍融循環(huán)前GCL試樣剪切力

圖4 100次凍融循環(huán)后的GCL試樣剪應(yīng)力

因此，將GCL應(yīng)用于實(shí)際襯砌工程時，不僅應(yīng)注意襯砌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還應(yīng)關(guān)注GCL本身的膨潤土內(nèi)部滑動。

2.3 凍融循環(huán)對摩擦角與黏聚力的影響

圖5、圖6給出了100次凍融循環(huán)后，剪切性能的變化。

圖5 GCL試樣100次凍融循環(huán)后摩擦角變化

圖6 GCL試樣100次凍融循環(huán)后黏聚力變化關(guān)系曲線

(1)100次凍融循環(huán)之后，摩擦角減小速率很快。可見凍融循環(huán)對摩擦角的降低較明顯。

這是由于凍結(jié)和融化常導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)改變,經(jīng)過凍融土體變得松散、產(chǎn)生裂隙，從而使土體的滲透系數(shù)增加。膨潤土中存在較厚的結(jié)合水膜，凍脹很明顯，凍融后的黏土滲透性增加，土體中的水分更易于排出，同時，凍脹融沉作用破壞了土體的原有結(jié)構(gòu)，使得土體的黏結(jié)力減弱，土粒之間易于移動，土體顆粒的分散性增強(qiáng)。

(2)隨著凍融次數(shù)的增加，GCL黏聚力逐漸減低，經(jīng)過100次凍融循環(huán)，黏聚力損失可達(dá)到80%。尤其從30次凍融循環(huán)以后，黏聚力損失迅速降低。GCL試樣100次凍融循環(huán)后剪切性能見表1。

表1 GCL試樣100次凍融循環(huán)后剪切性能

0次凍融循環(huán)的GCL試樣表層含水率高，其所含水分子進(jìn)入黏土表層空隙，提高了GCL與松散態(tài)黏土界面間吸附力，而吸附力的增加彌補(bǔ)了由于加載導(dǎo)致的黏土層密實(shí)度降低而引起的摩擦角減小，故未經(jīng)凍融循環(huán)的試樣黏聚力與剪切角均為峰值。然而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膨潤土粒間的咬合力趨于減弱，30次凍融循環(huán)以后，剪應(yīng)力、摩擦角的峰值迅速減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理，接觸面法向有效應(yīng)力減小，接觸面剪切強(qiáng)度亦減小,超過液限后界面間結(jié)合水膜變厚，自由水增加，土粒與 GCL 之間電分子力減弱[7]，致使黏聚力降低,摩擦角減小。

(3)GCL兩界面間膨潤土層經(jīng)過凍融循環(huán)及剪切試驗以后，發(fā)生移動變形較小。

3 結(jié) 論

通過100次凍融循環(huán)以后的GCL剪切試驗可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)以后，GCL試樣的摩擦角降低，黏聚力降低。

(1)隨著凍融次數(shù)的增加，GCL試樣層間的摩擦角總體下降趨勢明顯。凍融破壞對GCL膨潤土試樣產(chǎn)生的影響是不可忽略的：30次凍融循環(huán)后，剪切性能衰減較快；100次循環(huán)以后，層間的摩擦性能基本失效。

(2)隨著凍融次數(shù)的增加，GCL試樣層間的黏聚力呈明顯的下降趨勢。30～100次凍融循環(huán)區(qū)間，黏聚力下降速率較快。

(3)經(jīng)過多次凍融循環(huán)，GCL試樣能很好地抵抗剪切破壞的影響，凍融循環(huán)后的剪切試驗不能對GCL試樣自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。需要強(qiáng)化GCL生產(chǎn)的技術(shù)，改善GCL材料自身抗凍融能力。

4 工程措施

結(jié)合GCL剪切性能試驗研究，GCL在實(shí)際工程中應(yīng)用需注意以下幾點(diǎn)。

(1)由于凍融循環(huán)對GCL剪切性能的影響，應(yīng)避免在極端的氣候條件下進(jìn)行GCL的施工和存放。

(2)由于膨潤土具有較強(qiáng)的親水性能，且水分補(bǔ)給對凍融作用的影響，故宜將GCL存放于干燥通風(fēng)環(huán)境，且通過覆蓋處理等工程措施，減小老化速度，提高使用壽命。

[1] 國家自然科學(xué)基金委員會 工程與材料學(xué)部.學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告：水利科學(xué)與海洋工程[M] .北京：科學(xué)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] 中華人民共和國水利部.土工合成材料測試規(guī)程：SL 235-2012[S] .北京：中國水利水電出版社，2012.

[4] 周池續(xù),陳德民,宋林,等.混凝土U形渠道在新疆高寒地區(qū)抗凍脹研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報,1998,2(2):133-136.

[5] 胡永禎.渠基土壤凍脹與襯砌結(jié)構(gòu)變形及破壞規(guī)律研究[J].防滲技術(shù),1999,5(2):41-44.

[6] 徐紹新.季節(jié)凍土區(qū)水工建筑物抗凍害技術(shù)研究的成就與展望.第五屆全國冰川凍土學(xué)大會論文集(上)[M].蘭州: 甘肅文化出版社,1996.

[7] 李雪寧,田正宏.GCL與黏土接觸面摩擦特性試驗研究[J].防滲技術(shù),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

國家科技支撐計劃項目(2012BAD80B05)；水利部科技推廣計劃項目(TG1138)

劉麗佳(1984-)，女，工程師，主要從事工程凍土、水利工程、巖土工程方面的研究工作。

P642.14

A

2096-0506(2016)11-0005-04