填埋場典型復合襯墊系統單剪試驗數值模擬

黃錄野+馬建軍

摘要： 為研究填埋場典型復合襯墊系統接觸面間的滑動特性，建立典型復合襯墊系統單剪試驗的有限元模型，用ANSYS對其進行數值仿真分析.研究復合襯墊不同界面在不同法向力下的滑動特征；繪制襯墊系統不同界面節點的應力位移關系曲線，得到不同法向力作用下各個界面不同位置點沿剪切位移方向和垂直剪切位移方向的切應力變化規律；分析接觸面內節點的剪切位移隨載荷步的變化特征.結果表明：隨法向力的增加，滑動界面將發生轉移；在低法向力（56 kPa）條件下，土工網土工膜界面發生滑動；在高法向壓力條件下（壓力超過560 kPa），土工膜黏土界面發生滑動.

關鍵詞： 填埋場； 復合襯墊系統； 界面特性； 應力位移曲線； 破壞特征

中圖分類號： TU501文獻標志碼： B

Abstract： To study the sliding characteristics between the contact surfaces of a typical composite liner system in a landfill， a finite element model is built for the single shear test of landfill typical composite liner system， and the numerical simulation analysis is performed on it by ANSYS. The sliding characteristics of different interfaces under different normal forces are studied； the stressdisplacement curves of different interface nodes of the liner system are drawn， and the shear stress change rule of different interface nodes along shear displacement direction and vertical displacement direction is obtained； the change characteristics of shear displacement on the contact surface against load time step are analyzed. It is shown that， the sliding interface will be shifted after the increase of normal force； in the low normal force（56 kPa） condition， the geomembranegeotextile interface will slide； but in the high normal force（560 kPa） condition， the geomembraneclay interface will slide.

Key words： landfill； composite liner system； interface characteristics； stressdisplacement curve； destructive feature

0引言

近年來，填埋場的失穩破壞時有發生，其帶來的災難性后果不可估量，因此對填埋場邊坡進行穩定性分析顯得尤為重要.在已發生的事故中，大部分失穩破壞是由土工合成材料接觸界面間的平移滑動破壞產生的[12]，如美國的KAETTIMAN山填埋場、美國俄亥俄州辛辛那提填埋場等.因此，對垃圾填埋場防滲系統主要組成部分的土工材料進行內部力學特性研究十分重要.

目前，國內外眾多學者大多采用試驗手段研究復合襯墊系統的界面特性.DIXON等[3]通過剪切試驗研究復合襯墊系統在不同法向力作用下界面的剪切特性，同時發現隨法向力的增加，滑動面也逐漸改變，從而得到不同法向力下的破壞面.KAMALZARE等[4]通過大型剪切試驗發現，在壓力作用下，土與土工織物接觸面間的剪切強度符合MohrCoulomb準則，認為的強度包線是一條直線.KORNER等[5]和LING等[6]通過剪切試驗發現土工網、土工膜和土的不同組合界面間也符合MohrCoulomb準則.CAREY等[7]通過對土工膜和土工網的直剪試驗得到剪切強度位移曲線，發現曲線并沒有明顯的軟化現象.施建勇等[8]通過拉伸試驗、直剪試驗和單剪試驗，研究土工材料的界面特性，并對比3種試驗確定界面的強度參數.按照《生活垃圾衛生填埋技術規范》對填埋場復合襯墊系統的規定，襯墊主要由砂、土工布、土工網、HPDE膜和黏土組成，鑒于破壞界面主要發生在土工網土工膜黏土界面[9]，因此本文將模型簡化，主要選取土工網土工膜黏土典型界面做為研究對象，研究其滑動破壞特征.

國內對于填埋場破壞的研究還處于發展階段，近年來隨著研究的深入也取得很多成果，但大部分學者依然主要是通過試驗方式研究襯墊系統的破壞特性，數值模擬方法較少.采用數值模擬方式研究不同界面內部的力學特性和滑動特性不但可以反映出試驗的宏觀現象，也可以彌補試驗不能揭示襯墊內部應力分布和各點應力變化規律的不足，具有一定的參考價值.

1單剪試驗的數值計算

選擇基于ANSYS程序的FEM法對填埋場復合襯墊系統的單剪試驗進行數值分析，通過數值模擬研究襯墊界面在剪切狀態下的破壞情況.1.1實驗裝置

試驗時采用的單剪儀見圖1.儀器上部是上剪切盒，主要用來裝置土料，儀器下部是下剪切盒，用來疊放土工材料.為能夠量測厚度只有1～2 mm的土工格柵和土工膜間的滑動情況，自行研制1.5 mm的薄鋼環，將土工材料粘在鋼環內部，疊放在土料下.剪切試驗時土料上部放置蓋板，通過液壓裝置對蓋板施加法向壓力以達到對土料施加均布載荷的目的，同時水平方向通過拉力裝置拉動固定土工網的疊環，使土工材料與土料間發生剪切滑動.單剪設備的每個疊環及上剪切盒均接有位移傳感器，通過傳感器來獲得土工材料與土料間的相對滑動，進而判斷出不同法向力作用下襯墊系統的危險界面.

1.2數值模型建立

單剪試驗的數值仿真模型見圖2，上層為厚5.2 mm的土工網，中間是厚1.5 mm的土工膜，最下層是30 mm厚的黏土，直徑均為300 mm.土工網、土工膜和黏土外側設置剛性環，采用GLUE命令將土工材料和鋼環黏結.認為鋼環與土工材料、鋼環與鋼環間是理想光滑接觸，不設置接觸對.土工材料間設定為有摩擦接觸，接觸單元對選用TARGE170單元和CONTA174單元，可以通過設置合適的法向剛度值保證數值計算的穩定性和收斂速度，同時可以防止接觸面間相互貫穿.土工網與土工膜間的摩擦因數定義為0.4，黏土與土工膜間的摩擦因數定義為0.3.本構模型的選取文獻[10]已經詳細介紹過，這里只做簡單說明：黏土的本構模型選擇修正的DruckerPrager破壞準則[1112]，該模型可以較好地描述巖土材料的強度，并且在計算散粒體方面可以得到符合實際情況的結果；土工膜和土工網采用理想彈性模型，土工材料間的接觸單元選用基于MC的彈塑性本構關系[56]，數值計算中單元類型選擇SOLID45，各土工材料的參數見表1.

1.3網格劃分及邊界條件

土工網的網格劃分見圖3，黏土及土工膜的網格畫法與文獻[12]完全一致，均為六面體網格.有限元模擬時，約束黏土底面及連接黏土的鋼環各個方向的位移約束，連接土工膜、土工網的鋼環x方向位移約束，使其可以在y方向上滑動，土工網表面施加法向均布載荷.對土工網施加y向等時間步長的切向位移20 mm，剪切位移設置10個載荷子步，每個子步位移2 mm.

2結果分析

2.1襯墊系統滑動界面變化特征

為研究單剪過程中復合襯墊系統接觸面間的位移變化特征，繪制不同法向力作用下襯墊系統各界面間的剪切位移時間曲線見圖4.由圖4a）可見，在法向力較低（56 kPa）時，土工網與土工膜之間的相對位移發展較快，而土工膜與黏土間的相對位移較小.數值分析結果表明在較低法向力作用下，復合襯墊系統最先發生滑動破壞的界面可能發生在土工網和土工膜間.由圖4b）和4c）可以看出，在法向力560 kPa和1 120 kPa作用下，黏土與土工膜界面間的位移增加較快，黏土與土工膜間的相對位移已經超過土工網和土工膜間的位移.說明在較高法向力（大于560 kPa）作用下黏土與土工膜界面可能率先發生滑動破壞.

綜合圖4分析可知：隨法向力的增加，黏土與土工膜間的相對位移逐漸增大，而土工網與土工膜間的相對位移在達到穩定后基本沒有變化，滑動破壞界面由土工網和土工膜界面轉移到了黏土和土工膜界面，即襯墊系統的破壞界面隨法向力的不斷增大發生轉移.其原因一方面是由于隨法向力的增加土工膜逐漸陷入土工網格中，形成大量凸起，阻礙土工膜在土工網表面滑動；另一方面，由于黏土所承受的壓力增大，使得黏土的孔壓升高，導致法向有效應力減小，從而使得土工膜與黏土界面間的摩擦力減小.

2.2接觸面剪切特性分析

復合襯墊系統各個界面在不同法向力作用下不同節點切應力隨載荷步變化的關系見圖5.由圖5a）和5b）可以看出，在低法向力（56 kPa）作用下，土工膜土工網界面間的切應力位移曲線在剪切位移達到12 mm左右時波動較大，而黏土土工膜界面的切應力較為接近，剪切位移1 mm左右時就達到屈服極限，同時，土工膜土工網界面總切應力值要大于黏土土工膜界面.這主要由土工網土工膜界面發生滑動且接觸不均勻所致.

a）法向應力56 kPa土工膜土工網b）法向應力56 kPa土工膜黏土c）法向應力560 kPa土工膜土工網d）法向應力560 kPa土工膜黏土e）法向應力1 120 kPa土工膜土工網f）法向應力1 120 kPa土工膜黏土

由圖5c）和5d）中等法向力（560 kPa）作用下切應力位移曲線圖可以看出，土工網土工膜界面的切應力由外向內逐漸減小，邊緣位置的切應力較大，而內部節點的切應力較小.這可能是由于法向力的增加使土工膜陷入土工網中，阻礙界面相對滑動.黏土土工膜界面邊緣切應力較小，而其內部的切應力較為接近，且數值明顯大于邊緣的切應力值，說明此時該界面處于滑動狀態，而邊緣位置切應力較小是由于翹起分離所致.兩界面的曲線屈服極限都很快達到，且略微表現出硬化現象.

圖5d）和5e）高法向力（1 120 kPa）作用下切應力位移曲線特征與中等法向力作用下基本相同.黏土土工膜界面邊緣切應力減小為0，內部切應力值較為接近.這主要是由于隨法向力的增大導致界面邊緣翹起分離.土工網土工膜界面內部的切應力值較小，邊緣位置較大，這可能是由于土工膜陷入土工網格所致.兩界面曲線略微表現出硬化現象，黏土土工膜界面總切應力值大于土工網土工膜界面.

2.3接觸面剪切應力分布特征分析

低法向力（56 kPa）作用下土工膜黏土界面的剪切應力分布云圖見圖6.由此可以看出：在低法向力作用下，接觸面的剪切應力呈圓環分布，邊緣位置的剪切應力較大，切應力大小由外向內逐漸減小.這與直剪試驗界面云圖較為相似.

低法向力（56 kPa）作用下土工網土工膜界面的剪切應力分布云圖見圖7.接觸面的剪切應力分布不均勻，其內部很多位置的剪切應力為0.這主要是由于在法向力的作用下，土工膜陷入土工網中而沒有發生接觸所致.隨剪切位移的進行，接觸界面的邊緣逐漸分離，導致邊緣處的剪切應力減小為0.a）第2載荷步b）第6載荷步c）第10載荷步

中等法向壓力（560 kPa）作用下土工膜黏土界面的剪切應力云圖見圖8.由此可以看出：接觸面的剪切應力分布呈圓環形分布，切應力大小由外向內逐漸減小；隨剪切位移的進行，接觸面邊緣切應力值減小為0，說明此時接觸面發生分離，土工膜黏土界面處在滑動狀態.

a）第2載荷步b）第6載荷步c）第10載荷步圖 8法向力為560 kPa時土工膜

中等法向壓力（560 kPa）作用下土工膜土工網界面的剪切應力云圖見圖9.此時，接觸面內部剪切應力分布不均勻，接觸面中心位置的剪切應力減小為0，說明此時土工網土工膜界面處于黏結狀態，并沒有發生相對滑動，這與切應力位移曲線的特性吻合.同時發現，在560 kPa法向力作用下，土工膜土工網界面前端并沒有發生分離，這與低法向力作用時不同.因此，可以認為此時滑動界面發生轉移，土工膜黏土界面是危險界面.高法向力（1 120 kPa）作用下接觸面的剪切應力分布云圖見圖10.由此可以看出：接觸面剪切應力的分布特點與中、低法向力作用時相似，呈圓環形分布.高法向力作用下，隨著剪切位移的進行，接觸面邊緣的分離區域明顯擴大，說明隨法向力增大土工膜黏土界面的滑動位移逐漸增大.高法向力（1 120 kPa）作用下界面的剪切應力云圖見圖11.接觸面內部剪切應力分布不規則，接觸面內部大部分區域的剪切應力值為0，表明此時內部處于黏結狀態，而邊緣位置的剪切應力分布情況十分復雜.a）第2載荷步b）第6載荷步c）第10載荷步圖 9法向力為560 kPa時土工膜

對比圖7，9和11發現，接觸面內部摩擦力為0的區域范圍明顯增加，說明隨法向力的增加，黏結區域不斷擴大，阻礙界面間的相對滑動.

3結論

本文采用數值模擬方法研究單剪狀態下典型襯墊系統接觸面的滑動特性及破壞特征，得到以下結論.

1）在低法向力（56 kPa）作用下，滑動界面將發生在土工網土工膜界面.在中、高法向力（560，1 120 kPa）作用下滑動界面發生在土工膜黏土界面，說明隨法向力的增加，滑動界面發生轉移.

2）土工膜黏土界面的剪切應力值較為接近，其內部節點的切應力值大于邊緣位置，且屈服極限很快達到，隨法向力的增加曲線表現出一定的硬化特征.土工網土工膜界面不同節點的剪切應力值分布不均勻，邊緣位置的切應力值大于內部.低法向力（56 kPa）時切應力位移曲線波動較大，隨法向力的增加，曲線在剪切位移2 mm左右時達到屈服.

3）土工膜黏土界面的剪切應力云圖與直剪試驗相似，應力呈圓環形分布，切應力由外向內逐漸減小.土工網土工膜界面切應力云圖分布較為復雜，隨法向力的增加，接觸面內部黏結區域不斷增大.

4）有限元計算與試驗結果基本一致，數值計算不但可以反映試驗的宏觀現象，而且可以得到接觸面內部的應力變化及分布特征，對填埋場襯墊系統的設計有一定的借鑒意義.參考文獻：

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