陳小紅，王協(xié)群

（1.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

0 引言

土工合成材料膨潤(rùn)土墊(Geosynthetic Clay Liner)簡(jiǎn)稱GCL，是在兩層土工合成材料之間夾封膨潤(rùn)土粉末（或膨潤(rùn)土顆粒），并通過(guò)針刺、縫合或黏合而成的，其夾封層可以是有紡?fù)凉た椢?，也可以是無(wú)紡?fù)凉た椢?，還有土工膜[1]。 目前，城市垃圾、廢棄物已經(jīng)成為城市發(fā)展面臨的重大環(huán)境問(wèn)題[2]。 襯墊系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)是垃圾填埋場(chǎng)成敗的關(guān)鍵[3]。 GCL 具有低滲透性的優(yōu)越性， 在垃圾填埋場(chǎng)邊坡位置，GCL 需要跟數(shù)層其他土工合成材料共同組成防滲體系。 水化作用會(huì)影響到GCL 的抗剪強(qiáng)度，從而使整個(gè)防滲體系的穩(wěn)定性受到威脅。 因此，通過(guò)試驗(yàn)研究水化作用對(duì)GCL 抗剪性能的影響，非常有必要。

1 GCL 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置是在原有常規(guī)土工試驗(yàn)電動(dòng)應(yīng)變控制式直剪儀基礎(chǔ)上，根據(jù)土工材料的特點(diǎn)，重新加工上下盒改裝而成。 它包括剪切盒、加荷系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和推力座等。 剪切盒由上盒和下盒組成，如圖1 所示。 下盒內(nèi)部平面尺寸為100 mm×100 mm，總高度為50 mm，內(nèi)部?jī)舾邽?0 mm。 上盒沒(méi)有底板，而改用一塊100 mm×100 mm×10 mm 的加壓板。 上盒和下盒側(cè)面在相同位置上打孔，并與2 mm 厚的壓條配合，用螺絲固定土工合成材料。 加荷系統(tǒng)包括施加垂直荷載和水平荷載的系統(tǒng)。 施加垂直荷載采用杠桿加砝碼方式，施加水平荷載采用應(yīng)變控制方式，二者均采用量力環(huán)和百分表讀數(shù)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experiment equipment

1.2 剪切速率

目前還沒(méi)有明確規(guī)定的統(tǒng)一剪切速率標(biāo)準(zhǔn)。 本次試驗(yàn)所使用的電動(dòng)直剪儀只有一種轉(zhuǎn)速， 其剪切速率為0.8mm/min，符合土工直剪試驗(yàn)所規(guī)定的速率范圍0.2～3.0mm/min。

1.3 破壞準(zhǔn)則

（1）如果水平荷載(剪應(yīng)力)出現(xiàn)峰值，試驗(yàn)進(jìn)行至獲得穩(wěn)定值(殘余強(qiáng)度)。

（2）如果水平荷載(剪應(yīng)力)始終隨水平位移增大而增大， 試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行至水平位移達(dá)到L/15～L/6[4]。對(duì)于100 mm×100 mm 的剪切盒，相應(yīng)水平位移應(yīng)為6.67～16.67 mm。我國(guó)《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》（SLT235-1999）第16 節(jié)建議試驗(yàn)剪切盒尺寸宜大于60 mm×60 mm，通常采用上盒固定、下盒滑動(dòng)的形式，當(dāng)位移達(dá)到6 mm 時(shí)停止試驗(yàn)。 結(jié)合以上準(zhǔn)則，在本次試驗(yàn)中，GCL 內(nèi)部摩擦特性的破壞準(zhǔn)則采用6mm相對(duì)位移計(jì)算，而GCL 與其他土工合成材料界面之間的摩擦特性遵循峰值破壞準(zhǔn)則確定。

1.4 計(jì)算依據(jù)

多層土工合成材料系統(tǒng)各層中的拉應(yīng)力不是均勻分布的，在固定端有最大值，向自由端逐漸減小[5]。 剪切破壞先從邊緣開(kāi)始，參照土力學(xué)中土工直剪試驗(yàn)的做法，在計(jì)算之前，要假定土工合成材料剪切面剪應(yīng)力均勻分布，用式（1）、（2）分別計(jì)算應(yīng)變控制式直接剪切儀所測(cè)得試樣的剪應(yīng)力及剪切位移。

式中： τ 為剪應(yīng)力，kPa；C 為量力環(huán)率定系數(shù)，kPa/0.01mm；R 為量力環(huán)量表讀數(shù)，0.01mm。

式中：△l 為剪切位移，mm；n 為手輪轉(zhuǎn)數(shù)。

2 水化作用對(duì)GCL 剪切強(qiáng)度的影響

GCL 內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度主要是指膨潤(rùn)土的抗剪強(qiáng)度，膨潤(rùn)土在水化后抗剪強(qiáng)度很低，會(huì)使GCL 中間層產(chǎn)生薄弱剪切面。 膨潤(rùn)土也會(huì)從土工織物的孔隙中擠出，在GCL 和相鄰材料之間形成摩擦力很低的交界面。 因此，在垃圾填埋場(chǎng)襯墊與封蓋系統(tǒng)的研究中不僅要考慮水化作用對(duì)GCL 內(nèi)部剪切強(qiáng)度的影響，還要考慮水化作用對(duì)GCL 與其他土工合成材料界面剪切強(qiáng)度的影響。

2.1 水化作用對(duì)GCL 內(nèi)部剪切強(qiáng)度的影響

2.1.1 水化時(shí)間對(duì)GCL 內(nèi)部剪切強(qiáng)度的影響

膨潤(rùn)土具有極強(qiáng)的吸濕能力，為避免試驗(yàn)過(guò)程吸收周圍水分而使試驗(yàn)結(jié)果將無(wú)法比較，本試驗(yàn)將常溫環(huán)境下的GCL 試樣視為干燥狀態(tài)。

此組試驗(yàn)的水化溶液為自來(lái)水，分別讓GCL 在相同條件下水化24 小時(shí)和5 天時(shí)間，含水量依次為185.8%和199.3%。

從圖2 可以看出：水化后的GCL 強(qiáng)度明顯下降，比未水化時(shí)小得多。 在剪切初期，水化時(shí)間越長(zhǎng)，試樣剪切強(qiáng)度越小，但隨著剪切過(guò)程的持續(xù)，水化時(shí)間的影響作用變得不大明顯。

水化時(shí)間對(duì)GCL 剪切強(qiáng)度的影響主要是由于膨潤(rùn)土水化程度引起的。 水化后，膨潤(rùn)土由原來(lái)的干燥顆粒狀態(tài)變成膠凝狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生很大程度的體積膨脹。 這種體積膨脹發(fā)生在限定空間內(nèi)時(shí)，膠凝體會(huì)受到擠壓而更加致密， 從而阻止了水的滲透。 但是，隨著水化時(shí)間的增加，會(huì)有更多的水分子進(jìn)入膨潤(rùn)土空間， 這在一定程度上又稀釋了膠凝體。 而膠凝體的稠度越小，摩擦力就會(huì)越小。

圖2 不同水化時(shí)間下GCL 內(nèi)部剪應(yīng)力- 水平位移曲線Fig.2 GCL internal shear stress in different hydration time - horizontal displacement curve

2.1.2 水化正應(yīng)力對(duì)GCL 內(nèi)部剪切強(qiáng)度的影響

在垃圾填埋場(chǎng)施工時(shí)，GCL 主要有兩種水化方式——預(yù)先水化和建成后被水化，其區(qū)別是GCL 水化過(guò)程中所承受的正應(yīng)力不同。 本組試驗(yàn)分別得到了GCL 在0kPa、5kPa 和15kPa 水化應(yīng)力下內(nèi)部剪應(yīng)力-水平位移關(guān)系曲線（如圖3 所示）。

圖3 不同水化應(yīng)力下GCL 內(nèi)部剪應(yīng)力- 水平位移曲線Fig.3 GCL internal shear stress in different hydration stress - horizontal displacement curve

水化正應(yīng)力會(huì)阻止水分子不斷進(jìn)入膨潤(rùn)土間隙，使其充分與水作用，而稀釋膠凝體，膠凝體觸變性的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致剪切應(yīng)力的下降。 從圖3 可以看出：低應(yīng)力水化對(duì)GCL 剪切強(qiáng)度影響的規(guī)律并不明顯。 較高應(yīng)力時(shí)剪切強(qiáng)度隨著水化正應(yīng)力的增大而增大。

2.1.3 水化溶液濃度對(duì)GCL 內(nèi)部剪切強(qiáng)度的影響

垃圾填埋場(chǎng)濾瀝液含有的各種離子，會(huì)與膨潤(rùn)土中的離子發(fā)生交換作用，進(jìn)而影響GCL 內(nèi)部的剪切強(qiáng)度。

試驗(yàn)分別對(duì)去離子水水化5 天、 自來(lái)水水化5天和1mol/L 溶液水化5 天進(jìn)行測(cè)試。 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著離子濃度的增加，剪應(yīng)力也相應(yīng)加大（如圖4 所示）。

膨潤(rùn)土分為鈉基和鈣基兩種。 鈉基膨潤(rùn)土的膨脹形式主要是滲透膨脹，外部溶液的離子濃度越大，水分子進(jìn)入膨潤(rùn)土的可能性越小。 鈣基膨潤(rùn)土則主要是內(nèi)晶體膨脹，鈣離子更容易將鈉離子鈣置換出來(lái)，置換作用減小了片層之間的間隙。 由分散的鈉離子礦物片層置換為集中的鈣離子片層，改變了礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大了晶體結(jié)構(gòu)，使?jié)B透系數(shù)增加，同時(shí)吸水率和膨脹性都降低[6]。3 種不同含水量試樣測(cè)定顯示：去離子水水化5 天的GCL 試樣為193.0%，自來(lái)水水化5 天為188.2%， 而用1mol/L 的溶液水化5 天后的含水量為96.7%。這也充分證明，離子交換作用降低了GCL 試樣吸水能力， 導(dǎo)致剪應(yīng)力加大。

圖4 不同水化溶液下GCL 內(nèi)部剪應(yīng)力- 水平位移曲線Fig.4 GCL internal shear stress in different hydrated solution-horizontal displacement curve

2.2 對(duì)GCL 界面剪切強(qiáng)度的影響

J.S.McCartney[7]等的研究發(fā)現(xiàn)，GCL 與膜界面抗剪強(qiáng)度的不確定性來(lái)源于材料本身的差異和試驗(yàn)方法的不同，如水化、固結(jié)和剪切速率。 本組試驗(yàn)選擇了經(jīng)常與GCL 共同作用的土工膜和土工織物，通過(guò)試驗(yàn)，探討界面剪切變化規(guī)律。

對(duì)比圖5(a)和5(b)可知，相同點(diǎn)是：兩種材料與GCL 的界面剪切強(qiáng)度都是無(wú)壓水化時(shí)候的最大，而15 kPa 正應(yīng)力下水化后剪切強(qiáng)度減小。這是因?yàn)椋贕CL 界面剪切試驗(yàn)中，正應(yīng)力作用下水化的GCL 表面承壓，膨潤(rùn)土?xí)谒^(guò)程中或多或少被擠出表面，而這種水化后的膠凝體對(duì)剪切過(guò)程有潤(rùn)滑作用，進(jìn)而使交界面的剪切強(qiáng)度降低。 不同點(diǎn)是：GCL 與無(wú)紡?fù)凉た椢锛羟性囼?yàn)，不水化GCL 與織物的剪切強(qiáng)度小于無(wú)壓水化后的GCL 與織物的剪切強(qiáng)度；而GCL 與土工膜則相反。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于，無(wú)紡?fù)凉た椢锸且环N透水性材料， 在與水化后的GCL 剪切時(shí)，對(duì)于界面而言，是一種排水剪切，孔隙水壓力的消散致使有效應(yīng)力相應(yīng)增長(zhǎng)。 在正應(yīng)力增長(zhǎng)的情況下，剪應(yīng)力當(dāng)然也是成比例增加的；而土工膜是一種不透水材料，界面是不排水剪切，有效正應(yīng)力并沒(méi)有變化。

圖5 水化作用對(duì)GCL 與土工合成材料界面剪切的影響Fig.5 Influence of hydration on GCL and geosynthetics interfacial shear

3 結(jié)論

GCL 是一種特殊的土工合成材料，中間加封的膨潤(rùn)土，水化后狀態(tài)會(huì)從顆粒轉(zhuǎn)變成膠凝體。 這時(shí)，一方面內(nèi)部抗剪強(qiáng)度會(huì)下降很快， 另一方面會(huì)通過(guò)加封土工織物的滲透作用，對(duì)表面產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，進(jìn)而影響界面剪切強(qiáng)度。水化作用是影響GCL 抗剪的重要因素，本次試驗(yàn)主要根據(jù)GCL 在垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)和使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的水化條件設(shè)計(jì)的， 嚴(yán)格按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的試驗(yàn)。得出以下規(guī)律：內(nèi)部剪應(yīng)力隨著水化時(shí)間的增大而減小， 隨著正應(yīng)力的增大而增大，隨著溶液濃度的增大而增大，界面剪應(yīng)力因受到水化作用的影響而降低。試驗(yàn)規(guī)律性明顯，對(duì)工程設(shè)計(jì)及垃圾填埋場(chǎng)的維護(hù)具有借鑒參考價(jià)值。

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