土工膜与土界面剪切特性细观研究

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ＭＥＳＯＳＩＮＴＥＲＦＡＣＥＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳＢＥＴＷＥＥＮＧＥＯＭＥＭＢＲＡＮＥＡＮＤＳＯＩＬ
ＦＥＮＧＳｈｉｊｉｎＬＩＵＸｉｎ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２）
－－－－收稿日期：２０１６０６２７；收到修改稿日期：２０１７１１１４．基金项目：国家重点基础研究发展计划“ ９７３计划” 项目（２０１２ＣＢ７１９８０３）资助．－第一作者简介：冯世进（１９７８），男，博士，教授，博士生导师，主要从事环境岩土工程及土动力学研究．Ｅｍａｉｌ：ｆｓｊｇｌｙ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
－ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ工程地质学报１００４９６６５／２０１７／２５（１）００４３０７ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１７．０１．００６
土工膜与土界面剪切特性细观研究
冯世进刘鑫
（同济大学地下建筑与工程系上海２０００９２）摘要填埋场衬垫系统中，土与土工膜界面剪切强度较低，易造成失稳破坏。目前国内外学者主要采用室内试验对土与土工膜界面的宏观剪切特性进行研究，而对界面剪切特性的细观研究较少。为了从细观角度研究土与土工膜界面的剪切特性，本文采用ＥｓｙＳｐａｒｔｉｃｌｅ程序对土工膜与土界面直剪试验进行了离散元数值模拟分析。采用摩擦接触模型模拟砂土；采用黏结模型颗粒模拟土工膜，通过紧密排列土工膜颗粒以模拟土工膜的光滑表面。通过室内拟合试验，选取和校准材料的细观参应变关系；剪切带的厚度约为两倍平均土颗粒直径；剪切带中的土数。分析结果表明，离散元模型能较好的模拟界面应力－颗粒发生较大位移，孔隙比增大，而剪切带之外的土颗粒位移和孔隙比变化较小；随着剪切位移的增加，颗粒间接触力逐渐向左端集中，力链方向由垂直逐渐倾斜。关键词土工膜剪切特性离散元直剪试验细观研究中图分类号：ＴＵ４４３文献标识码：Ａ
０引言
由于其良好的防渗性能，土工膜被广泛应用于填埋场封顶和底部衬垫系统（刘长礼等，２０００；Ｍｃｗａｔｔｅｒｓｅｔａｌ．，２０１６）。虽然土工膜能将垃圾和渗滤液有效隔离，但是由于土工膜与黏土界面剪切强度较低，填埋场很容易沿土工膜与黏土界面滑移，造成失稳破坏。如，１９８８年美国加利福尼亚州ＫｅｔｔｌｅｍａｎＨｉｌｌｓ填埋场沿底部衬垫系统中ＨＤＰＥ土工膜－黏土界面发生整体滑动（Ｍｉｔｃｈｅｌｌｅｔａｌ．，１９９０； × 张素珍等，２０１３），大约４９１０ｍ废弃物水平位移达到了１０７ｍ，竖向位移达到了４３ｍ，填埋场表面裂缝明显。为了研究土工膜与土界面相互作用机理，国内外学者对其进行了大量的试验研究，取得了很多重要的成果。Ｉｚｇｉｎｅｔａｌ．（１９９８）分别采用斜板试验和直剪试验对不同形状的两种砂土与光滑和粗糙两种ＨＤＰＥ土工膜之间的剪切特性进行了研究。试验结果表明，斜板试验得到的剪应力－法向应力曲线近似于一条过原点的直线，而直剪试验得到了较大的黏聚力和摩擦角；砂土形状接近球形的Ｏｔｔａｗａ砂土与土工膜界面摩擦强度受土工膜表面粗糙程度影响较大。Ｌｉｎｇｅｔａｌ．（２００１）利用直剪试验研究了黏土与ＰＶＣ土工膜界面的接触特性，其中黏土的塑性指数为３５％到１００％，ＰＶＣ土工膜包括光面和糙面。研究表明，相对与界面残余强度，峰值强度有较高的黏聚力，界面摩擦角变化较小；土工膜表面光滑和粗糙对界面残余强度影响较小。ＤｅＪｏｎｇｅｔａｌ．（２００５）利用室内直剪试验对超固结条件下砂土与土工膜界面剪切特性进行了研究，结果表明，随着超固结比增大，界面峰值摩擦系数大幅增加，增加幅度大小依赖于剪切过程中土工膜表面损伤和剪切带砂土颗粒破碎程度，界面残余摩擦系数受砂土超固结的影响较小。高俊丽等（２０１１）在传统土工膜的基
ＡｂｓｔｒａｃｔＧｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｈａｓｂｅｅｎｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄａｓｂａｒｒｉｅｒｓｉｎｌａｎｄｆｉｌｌｓｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｏｉｌｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｏｉｌｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｍａｙｂｅｃｏｍｅｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｐｌａｎｅｓｏｆｗｅａｋｎｅｓｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｌｏｎｇｗｈｉｃｈｆａｉｌｕｒｅｍａｙｏｃｃｕｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍａｎｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｈｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｃｃｕｒｒｉｎｇａｔｓｏｉｌｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｍｏｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｅｔｗｅｅｎｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄｓｏｉｌ，ａｓｅｒｉａｌｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇａｍｏｄｉｆｉｅｄｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＤＥＭｃｏｄｅ，ＥｓｙＳｐａｒｔｉｃｌｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓａｎｄｉｓｍｏｄｅｌｅｄｗｉｔｈｃｏｈｅｓｉｏｎｌｅｓｓｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｉｓｍｏｄｅｌｅｄｗｉｔｈｂｏｎｄｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｅｃｉｓｅｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｍｏｏｔｈ，ｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｎｅａｒｅｓｔｂｏｎｄｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｈａｓｂｅｅｎａｄｊｕｓｔｅｄｔｏａｓｍａｌｌｖａｌｕｅ．ｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅＳｕｉｔａｂｌｅｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓａｎｄａｎｄｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｈａｖｅｂｅｅｎｃａｌｉｂｒａｔｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔｓａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｓｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｓ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．ＴｈｅＤＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅＤＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃａｐａｂｌｅｏｆｒｅａｓｏｎａｂｌｙｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｂｅｔｗｅｅｎ
４４
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ工程地质学报２０１７
ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄｓｏｉｌ．Ｔｈｅｓｈｅａｒｂａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ２ｔｉｍｅｓｏｆｔｈｅａｖｅｒａｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｓ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｈｅａｒｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｓｉｄｅｔｈｅｂａｎｄｕｎｄｅｒｇｏｌａｒｇｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｒｅｌａｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｕｔｓｉｄｅｔｈｅａｒｅａａｒｅｄｒｉｖｅｎｂｙａｎｕｐｗａｒｄｍｏｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｖｏｉｄｒａｔｉｏｉｎｓｉｄｅｔｈｅｓｈｅａｒｂａｎｄｓｅｅｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｈｅａｒｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｅｒｅａｓｎｏｏｂｖｉｏｕｓｃｈａｎｇｅｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｏｕｔｓｉｄｅｔｈｅａｒｅａ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅ，ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｈｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅｃｈａｉｎｓａｒｅｃｈａｉｎｓａｒｅｓｍａｌｌａｎｄｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇｔｏｔｈｅｌｅｆｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ，ａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｏｒｃｅｓｃｈａｎｇｅｄｆｒｏｍｎｅａｒｌｙｖｅｒｔｉｃａｌｔｏｄｉａｇｏｎａｌ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＳｍｏｏｔｈｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅ，Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ＤＥＭ，Ｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔ，Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃａｌｓｔｕｄｙ础上，提出了一种非满布单层加肋土工膜，并对加肋