彭 飛 王紅雨 邢毓航 朱階紅

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.湖北省監(jiān)利縣柘木中學(xué)，湖北 監(jiān)利 433301）

目前，填埋法是我國城市生活垃圾處理的主要方法［1].垃圾填埋場(chǎng)服役期限長，潛在危害大.防滲系統(tǒng)長期防滲性能的優(yōu)劣是垃圾填埋場(chǎng)建造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ113－2007）［2]推薦垃圾填埋場(chǎng)采用壓實(shí)粘土作為GCL／GM防滲墊的保護(hù)層共同構(gòu)成復(fù)合防滲系統(tǒng).但壓實(shí)粘土作為GCL／GM防滲墊的保護(hù)層并不適用于所有填埋場(chǎng)，尤其是在西北干旱、半干旱、干濕凍融交替循環(huán)條件下建造的填埋場(chǎng).

1 填埋場(chǎng)GCL／GM與保護(hù)層接觸面抗剪研究現(xiàn)狀

目前研究土與土工合成材料接觸面剪切特性的試驗(yàn)方法主要有直剪試驗(yàn)、摩擦試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)和斜板試驗(yàn)等4種.前兩種方法是研究接觸面強(qiáng)度的主要方法.

1.1 國外試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

GCL／GM與保護(hù)層接觸面之間的抗剪強(qiáng)度小于保護(hù)層本身的抗剪強(qiáng)度.1986年 Willams［3]發(fā)現(xiàn)土與土工織物之間的摩擦角小于土本身的摩擦角.1987年Eigenbrod等［4]得出了同樣的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)密實(shí)砂與土工織物反復(fù)剪切后，所發(fā)揮出的摩阻力幾乎與疏松狀態(tài)相同.同時(shí)，由于GCL水化后抗剪強(qiáng)度較低，外部荷載不能直接作用于GCL.1995年Koerner R M［5]試驗(yàn)得出，如果在GCL上鋪設(shè)一定厚度的砂土墊層，就會(huì)避免GCL中的膨潤土因受擠壓而失去防滲作用.因此，一般在GCL表面添加保護(hù)層防止其破壞.2003年Rowe R K等［6]通過將5種GCL產(chǎn)品分別鋪設(shè)在土工網(wǎng)格、6mm的礫石和砂土等地基上分別測(cè)試其防侵蝕性能.試驗(yàn)表明，GCL最佳鋪設(shè)墊層是砂土.

關(guān)于GCL／GM等不同材料之間的界面強(qiáng)度特性的單元體試驗(yàn)研究，國外已經(jīng)開展了較多工作.Jones和Dixon［7]利用大型直剪儀發(fā)現(xiàn)了當(dāng)上覆土體為粗粒土?xí)r可較大地增加土工織物／土工膜界面強(qiáng)度；Eid等［8]發(fā)現(xiàn)膨潤土擠出是影響GCL／GM 界面的重要因素.

1.2 國內(nèi)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

直剪試驗(yàn)方面，土與土工合成材料接觸界面的抗剪強(qiáng)度隨土體含水率的增大呈下降趨勢(shì)，土工織物表面粗糙度直接影響接觸面的抗剪強(qiáng)度，另外，在不同應(yīng)力作用下接觸面抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)不同的應(yīng)變特征.2006年盧廷浩［9]通過改進(jìn)的直剪儀進(jìn)行64個(gè)不同試樣界面的剪切試驗(yàn)，得到了不同含水率不同正應(yīng)力下土與不同結(jié)構(gòu)接觸界面的剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線.2009年林偉岸等［10]復(fù)合襯墊系統(tǒng)大型斜坡模型試驗(yàn)結(jié)果表明，土工膜表面粗糙度是影響土工膜／土工織物界面強(qiáng)度的決定因素.2010年施建勇［11]研究認(rèn)為復(fù)合襯墊整體單剪試驗(yàn)的應(yīng)力－位移曲線在低法向應(yīng)力試驗(yàn)中沒有呈現(xiàn)明顯的軟化特征，在高法向應(yīng)力試驗(yàn)中有硬化現(xiàn)象；隨法向應(yīng)力增加剪切破壞面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移.

摩擦特性試驗(yàn)方面，一般來講，接觸面越粗糙則摩擦性能越好，因?yàn)榇植诮佑|面可以產(chǎn)生摩擦、咬合、嵌鎖等綜合作用.2004年馬時(shí)冬［12]試驗(yàn)結(jié)果表明，土工格柵配合碎石類填料的摩擦效果最好.2007年王俊林［13]研究表明土－土工織物界面黏著力隨著土樣中細(xì)顆粒含量的增加而增加，界面摩擦角隨著土樣中細(xì)顆粒含量的增加而減小；當(dāng)圍壓一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度與填土的細(xì)顆粒含量、含水量等因素有關(guān)；土－土工織物界面剪應(yīng)力與剪位移之間具有明顯的非線性，其關(guān)系曲線可用雙曲線來擬合.

2 西北地區(qū)填埋場(chǎng)GCL／GM與保護(hù)層接觸面抗剪研究

2.1 西北地區(qū)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)存在的問題

GCL與寬級(jí)配礫石土直接接觸的理論、工程性質(zhì)與施工技術(shù)等問題的解決是西北地區(qū)采用該防滲方案（礫石土、GCL和GM共同構(gòu)成復(fù)合防滲系統(tǒng)）建造垃圾填埋場(chǎng)的關(guān)鍵.在西北干旱、半干旱、干濕與凍融交替作用的環(huán)境中，采用粘土襯里防滲，存在易干裂、抗剪強(qiáng)度低以及粘土料源匱乏等問題；采用高密度聚乙烯（HDPE）防滲材料存在成本高、機(jī)械破壞和安裝技術(shù)不易掌握等問題；而采用土工織物粘土墊層（GCL），也存在接觸面抗剪強(qiáng)度低以及在干濕凍融交替循環(huán)條件下的長期防滲性能不可靠等問題.

2.2 西北地區(qū)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)解決方案

為解決適應(yīng)該地區(qū)干濕凍融交替循環(huán)特殊環(huán)境垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)穩(wěn)定工作問題，國內(nèi)學(xué)者根據(jù)2007規(guī)范“保護(hù)層應(yīng)采用黏土，當(dāng)黏土資源缺乏時(shí)，可使用其他類型的土”的表述提出了各種保護(hù)層替代方案.張虎元［14－15]提出污染控制等效性原則是替代襯墊設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，同時(shí)實(shí)測(cè)了膨潤土改性黃土代替壓實(shí)粘土的可行性.文獻(xiàn)［16]提出以寬級(jí)配礫石土代替粘土作為GCL／GM防滲墊的保護(hù)層，同時(shí)分析得出其方案可行.據(jù)研究，如果礫石土級(jí)配合適，并且礫石土與GCL接觸面處理得當(dāng)?shù)脑?，寬?jí)配礫石土?xí)纳艷CL的受力狀況，同時(shí)，與粘土保護(hù)層相比，礫石土可以為處在干濕循環(huán)中的GCL創(chuàng)造相對(duì)濕潤的有利條件.

2.3 室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)方案及可能遇到的問題

對(duì)于寬級(jí)配礫石土是否會(huì)改善GCL的受力狀況以及其作為GCL／GM防滲墊的保護(hù)層是否可以減緩防滲墊受干濕與凍融循環(huán)作用影響的問題，相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)正在進(jìn)行中.現(xiàn)就室內(nèi)試驗(yàn)方案及可能遇到的問題進(jìn)行闡述.

試驗(yàn)方案：該驗(yàn)證主要由顆粒分析實(shí)驗(yàn)、含水量實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)組成.試驗(yàn)應(yīng)先分析得出抗剪強(qiáng)度及滲透系數(shù)同時(shí)滿足要求的寬級(jí)配礫石土，然后利用直剪儀測(cè)定滿足要求的礫石土與不同水化程度的GCL接觸面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，最后驗(yàn)證寬級(jí)配礫石土能改善GCL的受力狀況以及其作為GCL／GM防滲墊的保護(hù)層能減緩防滲墊受干濕凍融循環(huán)作用影響的推斷.試驗(yàn)擬制作5組級(jí)配經(jīng)人工調(diào)配的礫石土，分別命名為級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3、級(jí)配4和級(jí)配5，繪出5組試樣的級(jí)配曲線，并分別測(cè)定其最大干密度、最優(yōu)含水量以及各級(jí)配礫石土的內(nèi)摩擦角和粘聚力，結(jié)合滲透試驗(yàn)測(cè)定的滲透系數(shù)，分析得出抗剪強(qiáng)度及滲透系數(shù)同時(shí)滿足要求的寬級(jí)配礫石土.將滿足要求的礫石土各制作2組分別與水化程度為0%、25%、50%、75%以及完全水化的GCL進(jìn)行直剪試驗(yàn)，最終分析驗(yàn)證推斷假設(shè).

可能遇到的問題：1）試驗(yàn)方法，直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)應(yīng)是土與土工合成材料界面特性試驗(yàn)的合適方法.不過應(yīng)考慮試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)和邊界效應(yīng)以及剪切方式和材料特性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.2）試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于加筋土的界面特性試驗(yàn)?zāi)壳盁o統(tǒng)一的試驗(yàn)設(shè)備及方法，但為使試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)踐要求，試件與試樣盒應(yīng)有足夠的尺寸.我國《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》［17]對(duì)直剪試驗(yàn)提出了一個(gè)下限值，要求試樣盒大于60 mm×60mm.3）縮尺效應(yīng)，由于GCL及礫石土的結(jié)構(gòu)特性，小尺寸直剪試驗(yàn)難以得到具有代表性的結(jié)果.總體來講，剪切盒尺寸越大，界面的抗剪強(qiáng)度越高.

3 結(jié) 語

綜上所述，可得到如下結(jié)論：1）寬級(jí)配礫質(zhì)土與GCL／GM組成的復(fù)合防滲系統(tǒng)更適合西北地區(qū)干濕凍融交替循環(huán)的自然環(huán)境；2）寬級(jí)配礫石土與GCL／GM接觸面剪切性能應(yīng)依據(jù)直剪試驗(yàn)方法利用直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)研究；3）寬級(jí)配礫石土與GCL／GM接觸面直剪試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先考慮采用大型直剪儀，無大型直剪儀時(shí)可以考慮改進(jìn)常規(guī)直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)，但試樣盒尺寸不得小于60mm×60mm，同時(shí)應(yīng)消除縮尺效應(yīng)以及土工織物自身特性等給實(shí)驗(yàn)帶來的不利影響.

在高壓、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)荷載及干濕凍融循環(huán)作用下礫石土與GCL／GM接觸面的工程性質(zhì)也有待進(jìn)一步研究.因此，需進(jìn)一步深入研究接觸面抗剪強(qiáng)度問題，以期早日應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng).

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