不同膜布組合形式下復(fù)合土工膜的氣脹變形破壞試驗(yàn)

邵明政

(廣饒縣水利工程公司，山東 東營(yíng) 257300)

土工膜具有防滲效果好、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便靈活等諸多特性，目前在渠道、大壩、堤防、水庫(kù)等工程防滲中被廣泛應(yīng)用，由于土工膜的易損特性，在使用過(guò)程中常以膜布組合形式(復(fù)合土工膜)作為結(jié)構(gòu)的主要防滲材料。

但是，復(fù)合土工膜在施工過(guò)程中易受熱效應(yīng)影響，導(dǎo)致漏焊、虛焊現(xiàn)象發(fā)生，為避免此問(wèn)題，有些水庫(kù)在設(shè)計(jì)防滲體時(shí)在土工膜兩側(cè)或一側(cè)鋪設(shè)一層土工織物進(jìn)行保護(hù)，從而形成分離式復(fù)合土工膜，分離式復(fù)合土工膜雖然解決了土工膜的易損特性，但在庫(kù)區(qū)水位上升-下降過(guò)程中很容易造成膜下非飽和土層內(nèi)的孔隙氣體壓力增大，若此壓力超過(guò)防滲體的極限承載力，就會(huì)導(dǎo)致復(fù)合土工膜發(fā)生鼓脹變形甚至是破壞，從而影響水庫(kù)的整體防滲效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有引發(fā)水庫(kù)滲流潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。

山東省以平原為主，為解決水資源供需矛盾問(wèn)題，需要修建大量的平原水庫(kù)，為減小對(duì)耕地的占用，這些水庫(kù)又大多修建在地質(zhì)條件并不理想的地區(qū)，因此水庫(kù)防滲一直是山東省水庫(kù)建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，由于采用復(fù)合土工膜防滲較其他傳統(tǒng)防滲措施具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此，被大量應(yīng)用于水庫(kù)防滲工程中。基于此背景，本文設(shè)計(jì)了不同膜布組合形式的復(fù)合土工膜氣脹變形破壞試驗(yàn)，以期能為平原區(qū)水庫(kù)水平防滲工程的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

復(fù)合土工膜由土工膜和土工布組成，其中土工膜為高密度聚乙烯土工膜(HDPE)，厚度為0.4mm,密度為0.93g/cm3,斷裂強(qiáng)度為37.5kN/m，斷裂伸長(zhǎng)率為61.5%，直角撕裂強(qiáng)度37.5N，抗穿刺強(qiáng)度75N，表面光滑；土工布屬于短針刺無(wú)紡?fù)凉げ迹骄穸?.1mm，質(zhì)量為250g/cm2，斷裂強(qiáng)度為8.2kN/m，斷裂伸長(zhǎng)率為63%，垂直滲透系數(shù)0.002cm/s。試驗(yàn)時(shí)均裁剪成直徑為20cm的圓形，并用夾具夾緊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為改進(jìn)的TSY-34土工膜脹破強(qiáng)度測(cè)定儀，該設(shè)備主要包括上下法蘭盤(pán)、操作平臺(tái)、控制平臺(tái)、加壓系統(tǒng)以及激光位移傳感器，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)時(shí)先將復(fù)合土工膜固定在法蘭盤(pán)之間，然后將激光位移傳感器與電腦相連并調(diào)整其處于合理位置，安裝攝像頭以記錄顯示器上的變形和壓力數(shù)值，檢查加載系統(tǒng)和電氣設(shè)備，確認(rèn)無(wú)誤后開(kāi)始在控制平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)操作，最后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 試驗(yàn)加載設(shè)備1—土工膜；2—下法蘭盤(pán)；3—上法蘭盤(pán)；4—操作平臺(tái)；5—控制平臺(tái)；6—加壓系統(tǒng)；7—激光位移傳感器

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共設(shè)置6種組合方式，具體為：?jiǎn)螌油凉つぁ㈦p層土工膜、膜下布上、布在中間膜在兩側(cè)、布下兩層膜、膜上兩層布；壓力加載速率為100kPa/s，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)げ冀M合方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

不同膜布組合方式下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征見(jiàn)圖2。從圖2中可知：不同膜布組合形式下的復(fù)合土工膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較大的差異，在純土工膜(S-1和S-2)情況下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出兩階段變形特征，即線彈性變形和塑性屈服變形，在塑性屈服變形階段，張應(yīng)力不再增加，雙層土工膜的屈服應(yīng)力大于單層土工膜，且前者約為后者的兩倍，增加土工膜，可以提升防滲體的彈性性能，使其擁有更好的形變恢復(fù)能力和更佳的韌性；在膜下布上(S-3)、布下兩層膜(S-5)以及膜上兩層布(S-6)三種組合方式下，應(yīng)力-應(yīng)變先是經(jīng)歷了線彈性變化階段，后又經(jīng)歷了一個(gè)短期的張應(yīng)力下降過(guò)程(屈服過(guò)程)，這是因?yàn)橥凉つず屯凉げ嫉膹?qiáng)度和形變能力有所差異，土工布主要起“加筋”作用，但其形變能力大大弱于土工膜，因此，土工布會(huì)在經(jīng)歷一定形變后發(fā)生局部破損，故出現(xiàn)一定的應(yīng)力降低現(xiàn)象，隨后，復(fù)合土工膜進(jìn)入強(qiáng)化破壞階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大；布在中間膜在兩側(cè)(S-4)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和弱化破壞變形三個(gè)階段，當(dāng)復(fù)合土工膜進(jìn)入塑性損傷后，其應(yīng)力持續(xù)降低，直至發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖2 不同組合方式應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

2.2 脹破強(qiáng)度和高度分析

試驗(yàn)得到的不同膜布組合方式下的脹破壓力和高度情況見(jiàn)圖3。從圖3中可知：膜上兩層布(S-6)的脹破壓力最大，單層土工膜(S-1)的脹破壓力最小，前者約為后者的6倍；從S-2和S-3試驗(yàn)組的脹破壓力對(duì)比可知，增加土工布或者土工膜層數(shù)均能明顯提升脹破強(qiáng)度，但土工布起到的加筋作用明顯強(qiáng)于土工膜，土工布層數(shù)越大，脹破壓力越大；膜布組合方式對(duì)脹破壓力也有顯著影響，當(dāng)土工膜均位于底層時(shí)(S-5)的脹破壓力要高于膜布間隔布置(S-4)方式，這主要是由于土工布的滲透性較大，壓力介質(zhì)容易穿過(guò)，這實(shí)際上減弱了膜布之間的相互作用關(guān)系，因此，所能承受的脹破壓力減小。

圖3 不同組合方式脹破強(qiáng)度和高度分析

對(duì)比不同膜布組合方式下的脹破高度可以發(fā)現(xiàn)，純土工膜試驗(yàn)組的脹破高度大于復(fù)合土工膜試驗(yàn)組，增加土工膜層數(shù)，可以使其塑性變形能力增強(qiáng)，因此雙層土工膜的脹破高度最大，單層土工膜次之；在復(fù)合土工膜試驗(yàn)組中，布在中間膜在兩側(cè)的脹破高度最大，其次為布下兩層膜試驗(yàn)組，膜上兩層布和膜下布上組合方式的脹破高度基本相當(dāng)。

2.3 鼓脹斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率

試驗(yàn)得到的不同膜布組合方式下的脹破壓力和高度情況見(jiàn)圖4。從圖4中可知：不同組合形式下的鼓脹斷裂強(qiáng)度變化特征與脹破強(qiáng)度變化特征相似，即膜上兩層布(S-6)的鼓脹斷裂強(qiáng)度最大，為185.5kN/m，單層土工膜(S-1)的鼓脹斷裂強(qiáng)度最小，為28.4kN/m，前者約為后者的6.5倍；雙層土工膜的鼓脹斷裂強(qiáng)度為57.2kN/m，約為單層土工膜的2倍；膜下布上土工膜的鼓脹斷裂強(qiáng)度為90.7kN/m，約為單層土工膜的3.2倍，布在中間膜在兩側(cè)土工膜的鼓脹斷裂強(qiáng)度為119.3kN/m，約為單層土工膜的4.2倍，布下兩層膜土工膜的鼓脹斷裂強(qiáng)度為135.9kN/m，約為單層土工膜的4.8倍。

圖4 不同組合方式鼓脹斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分析

鼓脹斷裂伸長(zhǎng)率的變化特征與脹破高度變化特征基本一致，加入土工布后，雖然提升了土工膜的斷裂強(qiáng)度，但是，也會(huì)在一定程度上削弱其形變能力，復(fù)合土工膜的斷裂伸長(zhǎng)率為19.2%～26.9%，而單層土工膜的鼓脹斷裂伸長(zhǎng)率為31.4%，雙層土工膜的鼓脹斷裂伸長(zhǎng)率為34.3%；復(fù)合土工膜的鼓脹斷裂伸長(zhǎng)率僅為單向拉伸斷裂伸長(zhǎng)率的1/3，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土工膜的單向拉伸斷裂伸長(zhǎng)率。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)

復(fù)合土工膜在受到外界氣體鼓脹壓力時(shí)，鼓脹壓力由膜布共同承擔(dān)，由于土工膜的表面十分光滑，可認(rèn)為土工布和土工膜之間不會(huì)存在相互作用的情況，但實(shí)際上由于土工布存在不光滑的情況，使得只有當(dāng)膜布的鼓脹變形高度達(dá)到一定程度后，此時(shí)土工布和土工膜所承受的鼓脹壓力才是相互獨(dú)立的。因此，在鼓脹變形前期，復(fù)合土工膜的受力和變形狀況更加復(fù)雜，鼓脹變形后期，則為單純的土工布和土工膜分別單獨(dú)承受鼓脹壓力。

土工膜的作用主要是提升防滲體的彈性和韌性，而土工布的作用主要是提升防滲體的塑性和脹破強(qiáng)度，起“加筋”作用，通過(guò)所能承受的脹破強(qiáng)度、脹破高度、鼓脹斷裂強(qiáng)度和鼓脹伸長(zhǎng)率的對(duì)比可以看出，當(dāng)?shù)讓硬贾靡粚油凉つぃ渖喜贾脙蓪油凉げ紩r(shí)，綜合性能最佳。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工時(shí)，還需要結(jié)合水庫(kù)水位升降所能產(chǎn)生的非飽和土層孔隙氣體壓力情況并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行合理選擇，當(dāng)孔隙氣體壓力較小時(shí)，可考慮膜下布上方式進(jìn)行水平防滲處理，當(dāng)孔隙氣體壓力較大時(shí)，可考慮膜上兩層布的組合形式，同時(shí)，在膜下留有一定的排氣措施，以減小鼓脹壓力對(duì)復(fù)合土工膜的影響。

由于此次試驗(yàn)是在沒(méi)有復(fù)合防滲膜下細(xì)砂墊層、上細(xì)砂覆土情況下進(jìn)行的，而真實(shí)施工過(guò)程中會(huì)有上下細(xì)砂的維護(hù)，膜下細(xì)砂顆粒級(jí)配及施工效果對(duì)于復(fù)合土工膜的防滲性有重要影響，一般而言，當(dāng)級(jí)配選擇良好，施工過(guò)程中對(duì)土工膜沒(méi)有造成損傷的情況下，將有利于提升復(fù)合土工膜的防滲效果，今后將進(jìn)一步開(kāi)展真實(shí)情況下復(fù)合土工膜的氣脹模型試驗(yàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以平原區(qū)水庫(kù)水平防滲工程為背景，對(duì)不同膜布組合形式下的復(fù)合土工膜進(jìn)行了氣脹變形破壞試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a.純土工膜的變形主要為彈性和塑性屈服變形兩個(gè)階段，膜下布上、布下兩層膜和膜上兩層布組合方式的變形分為“彈性、塑性、強(qiáng)化”三個(gè)階段，布在中間膜在兩側(cè)組合方式的變形分為“彈性、塑性、弱化”三個(gè)階段。

b.土工膜的主要作用是提升防滲體的彈性和韌性，而土工布的作用主要是提升防滲體的塑性和脹破強(qiáng)度，起“加筋”作用，兩者的相互作用，最終決定了復(fù)合土工膜的脹破特性，綜合分析，膜上兩層布的各項(xiàng)綜合性能最佳。

c.復(fù)合土工膜組合方式的選擇不僅要考慮力學(xué)特性，還需要結(jié)合真實(shí)施工過(guò)程上下細(xì)砂基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式、地下承壓層排氣導(dǎo)管做法、透氣阻水防滲膜新材料等進(jìn)行綜合考慮，對(duì)膜布組合形式進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。