宽级配砾质土作为GCls防渗垫保护层的抗剪强度试验研究

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１５／２３（２）０２７２０７ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１５．０２．０１２宽级配砾质土作为ＧＣｌｓ防渗垫保护层的抗剪强度试验研究王红雨①　朱　洁①　李雨佳①　杨燕伟②（①宁夏大学土木与水利工程学院　银川　７５００２１）（②南京水利科学研究院岩土工程研究所　南京　２１００２９）摘　要　水化后的土工织物黏土垫层（ＧＣｌｓ）是良好的复合防渗材料，但同时表现出较低的抗剪强度特性。为改善水化后的ＧＣｌｓ抗剪强度低的缺陷，拟采用取自天然并经人工调配的宽级配砾质土料代替黏土作为ＧＣｌｓ防渗垫的保护层，共同构成复合防渗系统。文中利用ＴＧＨ直剪摩擦拉伸仪对筛选出的宽级配砾质土及其与不同水化条件下的ＧＣＬ接触面进行了试验研究，得到宽级配砾质土样及其与质量含水率分别为５０％和完全水化的ＧＣＬ接触面的抗剪强度试验数据并进行了整理分析。结果显示，宽级配砾质土样的抗剪强度大于其与不同水化条件下的ＧＣＬ接触面的抗剪强度，且宽级配砾质土与ＧＣＬ接触面的抗剪强度随ＧＣＬ含水率的增加而减小。因此，可以根据外荷载作用下土中应力会发生扩散的原理，利用抗剪强度高和压缩性低的砾质土来承担部分甚至全部荷载，以弥补水化后的ＧＣｌｓ抗剪强度低的缺陷。关键词　宽级配砾质土　ＧＣｌｓ防渗垫　直剪试验　抗剪强度中图分类号：Ｐ６４２．３　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１４－０１－２６；收到修改稿日期：２０１４－０５－２２．基金项目：国家自然科学基金（４１０６２００４）资助．第一作者简介：王红雨（１９６１－）男，博士，教授，主要从事土力学地基基础方面的科研与教学工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＯＭＰＡＣＴＥＤＧＲＡＶＥＬＳＯＩＬＳＦＯＲＧＣｌｓＰＲＯＴＥＣＴＩＶＥＬＡＹＥＲＷＡＮＧＨｏｎｇｙｕ①　ＺＨＵＪｉｅ①　ＬＩＹｕｊｉａ①　ＹＡＮＧＹａｎｗｅｉ②（①ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｉｎｇｘｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ　７５００２１）（②ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＮａｎｊｉｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００２９）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｈｙｄｒａｔｅｄｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃｌａｙｌｉｎｅｒｓ（ＧＣｌｓ）ａｒｅｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅａｎｔｉｓｅｅｐａｇｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｂｕｔｔｈｅｙｅｘｈｉｂｉｔｅｘｔｒｅｍｅｌｙｌｏｗｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ，ａｐｒｏｔｅｃｔｏｒｔｈａｔａｄｅｑｕａｔｅｌｙｂａｃｋｆｉｌｌｏｖｅｒｔｈｅＧＣＬｉｓｓｅｔｓｏａｓｔｏｃｏｎｓｉｓｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌｉｎｅｒｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙｇｒａｄｅｄｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓａｒｅｔａｋｅｎｆｒｏｍｎａｔｕｒａｌｓｅｄｉｍｅｎｔ．ＴｈｅｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓｉｎｓｔｅａｄｏｆｃｌａｙａｒｅａｓａｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｌａｙｅｒｏｆＧＣｌｓｌｉｎｅｒ．Ｔｈｅｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｄｅ．ＴｈｅｙａｒｅｐｕｔｉｎｔｏｔｈｅｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒａｐｐａｒａｔｕｓｕｎｄｅｒｔｈｅＧＣＬｗｉｔｈａｈｙｄｒａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，５０％ａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｅｒ（ＴＧＨ）ｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓｉｓｆａｒｍｏｒｅｔｈａｎｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅｓｔｈａｔａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｄｏｆｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓｗｉｔｈｈｙｄｒａｔｅｄＧＣＬ．ＴｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅｓｉｓｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆＧＣｌｓｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ．ＳｏｉｔｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｏｒｅｌｅａｓｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆＧＣｌｓｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｆｒｏｍｈｉｇｈｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｗｉｄｅｇｒａｄｉｎｇｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｔｒｅｓｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｉｎｓｏｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓ，ＧＣｌｓｌｉｎｅｒ，Ｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔ，Ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈ０　引　言土工合成材料膨润土垫（ＧＣｌｓ）在垃圾填埋场底部和封盖系统防渗、人工湖河道防渗、地下结构防水等工程中应用广泛，具有防渗性能强、伸缩性大、抗冻融性能好、造价低等优点。但是，ＧＣｌｓ存在水化之后其抗剪强度明显减小的缺陷（Ｋｏｅｒｎｅｒｅｔａｌ．，１９９５，２０００；熊孝波等，２０００；Ｂａｒｒｏｓｏｅｔａｌ．，２００６）。同时，在垃圾填埋场中，由于填埋物自重及化学物质的分解作用等因素，出现应力差，造成整体不均匀沉降，引起填埋场覆盖层产生剪切破坏，导致整个防渗系统发生滑坡坍塌等现象。鉴于此，国内外普遍采用复合防渗系统改善ＧＣｌｓ抗剪强度及其防渗功能（Ｄｅｓａｉｅｔａｌ．，１９８５；刘长礼等，２０００；Ｒｏｗｅｅｔａｌ．，２００３）。许多学者对ＧＣｌｓ与其他材料共同构成复合防渗层的抗剪强度做了大量的试验研究（张嘎等，２００６；徐超等，２００８；施建勇等，２０１０；张素珍等，２０１３）。然而，在干－湿与冻－融交替作用的环境中，采用黏土衬里防渗，存在易干裂、抗剪强度低以及黏土料源匮乏等问题（Ｇｉｌｂｅｒｔｅｔａｌ．，１９９６；黄婉荣等，２０００）；采用高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）防渗材料不但成本高，还存在机械破坏和安装技术不易掌握等难题（杨一清，２００１）。无论采用天然黏土衬里还是人工复合材料防渗垫层，国内外有关垃圾填埋场规范中一般都要求铺设一定厚度的压实黏土，或作为防渗主体或作为ＧＣｌｓ／ＧＭ防渗垫的保护层（中国城市建设研究院有限公司，２００７）。诚然，黏土是垃圾填埋场底层和封场覆盖层的天然防渗材料，困难的是为了达到规范所要求的防渗标准，黏土必须被压实到一个合理的密度，另外黏土料源日趋短缺，采用黏土作为防渗材料会增加垃圾填埋场的建造成本。与此相反，砾质土料源在我国西北地区储量丰富，具有填筑施工方便、抗剪强度高、压缩变形小、承载力大等特性。鉴于砾质土和ＧＣｌｓ各自所具有的优势，同时考虑到干旱、半干旱地区干湿与冻融交替循环的特殊环境以及当地社会与经济发展状况，笔者提出了以宽级配砾质土料（取自天然砾石土料经人工调配以满足防渗要求）代替黏土，与ＧＣｌｓ和ＧＭ共同组成图１　垃圾填埋场复合防渗系统设置（王红雨等，２０１０）Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌｉｎｅｒｓｓｙｓｔｅｍｓｅｔｔｉｎｇｏｆｌａｎｄｆｉｌｌ（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１０）垃圾填埋场复合防渗系统的设计构想（图１）（王红雨等，２０１０）。本文从接触面剪切强度角度出发，通过直剪试验研究了宽级配砾石土本身及其与ＧＣｌｓ防渗垫接触面的抗剪强度性状，重点探讨了满足垃圾填埋场规范中对防渗垫保护层渗透系数要求的宽级配砾石土样与不同含水率条件下的ＧＣＬ防渗垫之间的接触面的抗剪强度及其变化规律，以期探索利用宽级配质土抗剪强度高的特性来改善与弥补水化后的ＧＣｌｓ抗剪强度低的有效途径。书书书表１　ＧＣＬ产品参数Ｔａｂｌｅ１　ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＧＣＬ规格型号吸蓝量拉伸强度剥离强度渗透系数５０００ｇ·ｍ－２≥３０ｇ／１００ｇ≥６００Ｎ／１００ｍｍ４０Ｎ／１００ｍｍ≤５．０×１０－１１ｃｍ·ｓ－１１　抗剪强度试验过程１１　试验材料　　ＧＣＬ产品选用山东建通工程科技有限公司生产的膨润土防水毯（表１）。试验所用土料取自银川市西北约３５ｋｍ的镇北堡，原始土料级配见（图２）。为得到满足规范对防渗垫保护层的防渗要求，经颗粒分析实验，将天然土料通过人工调配，制成５３７２２３（２）　王红雨等：宽级配砾质土作为ＧＣｌｓ防渗垫保护层的抗剪强度试验研究书书书表２　两组宽配砾质土样压实度为０．９８时的渗透系数平均值Ｔａｂｌｅ２　Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｏｆｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ１＃ａｎｄ５＃ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｗｈｉｌｅｃｏｍｐａｃｔｅｄｔｏ０．９８序号压实度最大干密度／ｇ·ｃｍ－３最优含水率／％试样干密度／ｇ·ｃｍ－３渗透系数／ｃｍ·ｓ－１渗透系数平均值／ｃｍ·ｓ－１级配１０．９８１．８６５１２．２１．８６２１．１５×１０－６１．１６×１０－６０．９８１．８６５１２．２１．８６２１．３１×１０－６０．９８１．８６５１２．２１．８６２１．０５×１０－６级配５０．９８１．８８０１３．４１．８６２２．０３×１０－６２．１１×１０－６０．９８１．８８０１３．４１．８６２２．１８×１０－６０．９８１．８８０１３．４１．８６２２．１２×１０－６组不同颗粒级配的宽级配砾质土样。再经过击实实验确定土样的最大压实干密度以及压实度达到０９８以上时土样的基本物理力学参数。最后利用自制的直径１０ｃｍ的渗透仪，参照《土工实验规程》（ＳＬ２３７—１９９９），测定５组土样的渗透系数，遴选出了两组土样（编号为级配１和级配５）满足规范中对防渗垫保护层渗透性能的要求，即渗透系数不大于１０×１０－５ｃｍ·ｓ－１（表２）。直剪试验采用编号为级配５的土样进行，组成该土样的颗粒粒径分布与级配参数（表３）。宽级配砾石土试样含水量按压实度不小于０９８时的最优含水量控制。完全水化的ＧＣＬ按完全饱水置放２４ｈ控制，ＧＣＬ达５０％水化率的试件按完全水化时所含水质量的５０％控制，各水化状态的ＧＣＬ试件在完成水化后立即进行直剪实验，以防止ＧＣＬ含水量发生变化。图２　原始土样颗粒级配曲线Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅｇｒａｄｉｎｇｃｕｒｖｅｆｒｏｍｎａｔｕｒａｌｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓ书书书表３　编号为级配５的宽级配砾石土颗粒粒径与级配参数Ｔａｂｌｅ３　Ｔｈｅｇｒａｎｕｌｏｍｅｔｒｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｇｒａｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ５＃ｇｒａｖｅｌｓｏｉｌｓ级配粒径含量／％级配组成分析５～１０ｍｍ２～５ｍｍ１～２ｍｍ０．２５～１ｍｍ０．０７４～０．２５ｍｍ＜０．０７４ｍｍｄ６０ｄ３０ｄ１０不均匀系数Ｃｕ曲率系数Ｃｃ５４１１１８２０２８１９０．６２０．１６０．０１４１．３２．７５１２　试验设备本试验工作在南京水利科学研究院土工研究所进行，采用长沙亚星数控有限公司生产的ＴＧＨ土工合成材料直剪拉拔摩擦试验仪，实验装置（图３）包括：电动机（１）、悬臂（２）、挂钩（３）、剪切盒盖（４）、剪切上盒（５）、剪切下盒（６）、液压伸缩杆（７）、固定螺栓（８）、下盒挂钩（９）、土工材料（１０）。剪切过程中对接触面的减小进行控制修正。图３　试验装置示意图Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ１３　试验过程试验分为两部分：（１）宽级配砾质土样自身的抗剪强度试验；（２）宽级配砾质土与ＧＣＬ接触面的抗剪强度试验。按照土工实验规程，通过控制剪切速率的快慢从而调整界面上孔隙水压力的高低，使摩擦强度的影响减小。试验采用快剪法，在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪切力，以一定的剪切速率剪切试样直至破坏。直剪试验采用４个水平的界面正应力，分别为１００ｋＰａ、２００ｋＰａ、３００ｋＰａ和４００ｋＰａ。其中，在遴选出的满足防渗要求的宽级配砾质土自身直剪试验中，