岑威鈞，波蘭汗·開肯，劉鳳茹

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518001)

土工膜是一類由高分子聚合物制成的新型工程防滲材料，具有防水性能好，施工速度快和造價低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水利、環(huán)境及巖土工程的防滲之中[1]。試驗測試表明，土工膜自身的滲透性很低[2]，在完好無損條件下能達(dá)到非常理想的防滲效果。由于土工膜厚度很薄，其抵抗力學(xué)變形的能力較弱[3]，一旦出現(xiàn)破損，就會產(chǎn)生可能危害工程安全的缺陷滲漏[4-8]。實際工程采用土工膜防滲時，土工膜兩側(cè)一般都需要設(shè)置墊層(保護(hù)層)，且多采用砂土、砂卵石等顆粒材料，此時土工膜的受力行為與兩側(cè)墊層的接觸特性[9-11]、顆?；蛩芩畨旱捻斖凶饔玫扔嘘P(guān)，土工膜會發(fā)生局部變形，從細(xì)觀層面可看似為拉伸變形[12]。因此，工程設(shè)計中非常有必要考慮土工膜的局部變形和抵抗受拉破壞的能力。無論是常見的堤壩工程還是垃圾填埋場，土工膜因拉伸、頂破、刺破、液脹等引起的局部變形過大導(dǎo)致的破壞和損傷在所難免[13]。一旦土工膜出現(xiàn)缺陷或損傷，勢必會對其抗拉性能產(chǎn)生影響[14]。因此非常有必要開展相關(guān)試驗，研究缺陷或損傷下土工膜的抗拉特性，為合理開展土工膜防滲設(shè)計時的力學(xué)性能復(fù)核提供必要的理論參考。本文對3種厚度的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜試樣分別設(shè)置圓孔、橫縫、豎縫及斜縫，以及不同長度和深度的刻痕，通過拉伸試驗獲得抗拉強(qiáng)度和伸長率等力學(xué)指標(biāo)，并與完好土工膜成果進(jìn)行比較，確定不同缺陷和損傷(缺陷指貫穿土工膜厚度的孔和縫，損傷為非貫穿性的刻痕)屬性對土工膜拉伸特性的定量影響程度，以供相關(guān)設(shè)計時參考。

1 試驗材料與試驗方案

按照SL 235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》(下文簡稱《規(guī)程》)，土工膜拉伸試驗中試樣形狀為啞鈴狀，其有效拉伸區(qū)域?qū)挾戎挥? mm。由于尺寸很小，不宜在試樣上設(shè)置相關(guān)缺陷或損傷。為此，本文對缺陷和損傷土工膜開展拉伸試驗時按上述《規(guī)程》中的窄樣條法[15]進(jìn)行試樣制樣，即采用200 mm×50 mm的矩形試樣。其中，土工膜有效拉伸區(qū)域尺寸為100 mm×50 mm，兩端夾具各夾持50 mm長。根據(jù)《規(guī)程》要求，對整卷土工膜按照梯形取樣法進(jìn)行裁剪，剔除整幅土工膜中靠近邊緣(不小于100 mm)、彎折嚴(yán)重、凹凸不平以及有明顯瑕疵或損傷的部位，制成一系列上述尺寸的完好土工膜試樣。其次，在這些試樣中心位置用專門工具制作不同形式的缺陷或損傷。缺陷形式包括圓孔、橫縫、豎縫及與拉伸方向成45°夾角的斜縫，均貫穿整個土工膜厚度；損傷采用橫向和斜向的刻縫，刻縫深度小于土工膜厚度。將刻縫深度與膜厚之比定義為損傷深度比。對于缺陷試樣來說，其損傷深度比為100%。試驗選用膜厚d=1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的3種光面HDPE土工膜，其完好試樣的基本拉伸力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 完好土工膜基本拉伸特性指標(biāo)

表2給出了不同缺陷和損傷土工膜的拉伸試驗方案。影響因素包含了3種膜厚、4種缺陷類型、3種缺陷尺寸及4種損傷深度比，以盡量反映實際工程中土工膜可能存在的缺陷和損傷形式。試驗拉伸速率為20 mm/min。同一種試樣重復(fù)做5次，結(jié)果取平均值。

表2 土工膜拉伸試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 缺陷形式的影響

方案1主要考察不同類型的缺陷對土工膜拉伸性能的影響。缺陷形式包括橫縫、斜縫、豎縫與圓孔，缺陷尺寸均為15 mm。通過拉伸試驗，可得缺陷土工膜拉力和伸長率關(guān)系曲線(試樣寬50 mm)，見圖1。為提高試驗數(shù)據(jù)分析的可靠性，選用3種厚度土工膜試樣進(jìn)行平行對照試驗。因完好土工膜試樣的斷裂伸長率很大(大于500%，見表1)，圖1中曲線未完整顯示。圖2給出了不同拉伸階段橫縫、斜縫、豎縫的缺陷變形擴(kuò)展過程。根據(jù)拉伸試驗曲線，可得到缺陷土工膜的屈服抗拉強(qiáng)度(簡稱抗拉強(qiáng)度)與相應(yīng)的伸長率及斷裂伸長率，見表3，其中屈服抗拉強(qiáng)度為拉伸曲線中峰值拉力與試樣寬度50 mm之比，峰值拉力點(diǎn)對應(yīng)的伸長率為屈服伸長率，簡稱伸長率。

圖1 不同厚度土工膜的拉伸曲線

圖2 1.5 mm厚土工膜缺陷拉伸擴(kuò)展過程

表3 不同缺陷形式的土工膜拉伸力學(xué)指標(biāo)

由圖1和表3可知，無論完好試樣，還是缺陷試樣，拉伸曲線均存在明顯的峰值點(diǎn)。當(dāng)拉力超過峰值點(diǎn)后繼續(xù)拉伸試樣，除豎縫試樣外，其他幾類缺陷(圓孔、橫縫及斜縫)試樣在拉伸過程中缺陷不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致拉力顯著降低，直至試樣拉斷破壞。而完好無缺陷試樣，拉力超過峰值點(diǎn)后降低較小，出現(xiàn)一個平緩的過渡性直線段，在試樣斷裂之前拉力再次增大，直至斷裂，斷裂伸長率大于500%(表1)。由于豎縫與拉伸方向一致，豎縫缺陷試樣表現(xiàn)的拉伸特性與完好試樣很接近。由圖2可見，圓孔缺陷在拉伸過程中逐漸擴(kuò)展為橢圓形，由于有效斷面不斷減小，試樣最終在橢圓兩側(cè)發(fā)生拉伸斷裂。與縫狀缺陷試樣相比，圓孔缺陷試樣拉力在峰值點(diǎn)后下降較緩，斷裂伸長率更大。對于橫縫與斜縫缺陷試樣，變形集中在缺陷附近區(qū)域，縫端應(yīng)力集中，使得試樣撕裂加快，其斷裂伸長率均小于圓孔缺陷試樣。橫縫缺陷試樣抗拉強(qiáng)度總體上小于斜縫，峰值點(diǎn)后拉力下降相對稍快，這是由于橫縫在垂直于拉伸方向的有效尺寸大于斜縫之故。

圖3為完好和缺陷土工膜試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率與膜厚之間的關(guān)系曲線。由圖3可見，各類土工膜試樣的抗拉強(qiáng)度均隨膜厚的增加顯著增加，近似呈線性關(guān)系。除豎縫缺陷試樣的抗拉強(qiáng)度基本與完好試樣接近外，斜縫、圓孔及橫縫缺陷試樣的抗拉強(qiáng)度相比完好試樣均有不同程度的降低，最大降幅為38.00%。斷裂伸長率總體上隨膜厚的增加有所減小。相比完好土工膜，各類缺陷試樣的斷裂伸長率大幅減小，其值不超過72%(完好樣大于500%)，其中橫縫缺陷試樣降幅最為顯著。由此可見，土工膜一旦出現(xiàn)缺陷，其斷裂伸長率會顯著降低，即破壞前的拉伸變形會大幅減小。

圖3 土工膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率與膜厚關(guān)系

圖4 損傷土工膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率與損傷深度比的關(guān)系

2.2 損傷深度比的影響

在完好土工膜試樣上分別制作橫向刻痕和斜向刻痕，刻痕長10 mm，損傷深度比分別設(shè)置為25%、50%、75%和100%(方案2)，其中損傷深度比100%意味穿透土工膜，即2.1節(jié)中的橫縫和斜縫缺陷。限于篇幅，不再逐一給出損傷試樣的拉伸曲線。圖4展示了3種厚度的土工膜損傷試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨損傷深度比的衰減關(guān)系，兩圖中同時給出完好試樣(損傷深度比0%)的試驗值。由圖4可見，隨著土工膜試樣損傷深度比的增大，其抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率逐漸減小。對于損傷深度比25%的斜向刻痕試樣，在拉伸過程中損傷部位有一定的擴(kuò)張變形，但損傷并未發(fā)展成貫穿性的縫狀缺陷，其拉伸曲線形狀與完好試樣比較接近，因此其抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率均略小于完好試樣。而對于損傷深度比為50%和75%的斜向刻痕試樣，在拉伸過程中刻痕均發(fā)生明顯的擴(kuò)張變形，最終演化為縫狀缺陷，其拉伸特性展現(xiàn)出與縫狀缺陷土工膜相似的特點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度降低明顯。3種厚度土工膜的橫向刻痕試樣在25%損傷深度比下，其斷裂伸長率相比斜向刻痕試樣呈現(xiàn)大幅降低，而在50%、75%、100%損傷深度比下兩者之間的差距較小。

圖5 損傷土工膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率與刻痕長度的關(guān)系

2.3 刻痕長度的影響

對3種厚度損傷深度比為50%的土工膜試樣，分別設(shè)置長度為5 mm、10 mm和15 mm的橫向和斜向刻痕，測試刻痕長度對土工膜拉伸特性的影響(方案3)。圖5給出了不同厚度損傷土工膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率與刻痕長度的關(guān)系曲線。由圖5可見，刻痕長度越長，抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率越小。以橫向刻痕為例，相比完好試樣，刻痕長度分別為5 mm、10 mm和15 mm 時，1.0 mm厚土工膜的抗拉強(qiáng)度分別降低了2.86%、4.76%和7.62%，1.5 mm厚土工膜的抗拉強(qiáng)度分別降低7.68%、11.95%和17.82%，2.0mm厚土工膜的抗拉強(qiáng)度分別降低11.13%、14.19%和13.39%。此外，3種刻痕長度下，橫向刻痕土工膜的抗拉強(qiáng)度均小于斜向刻痕試樣的對應(yīng)值?？梢?，與拉伸方向垂直的橫向刻痕損傷對土工膜抗拉強(qiáng)度降低的影響更大。對于斷裂伸長率，5 mm刻痕長度時，橫向刻痕試樣的斷裂伸長率相比斜向刻痕試樣大幅降低，而10 mm和15 mm刻痕長度時，橫向刻痕試樣的斷裂伸長率相比斜向刻痕試樣的下降幅度較小。

3 結(jié) 論

a. 除豎縫缺陷外，無論是缺陷試樣還是損傷試樣，其拉伸曲線在峰值前的起始段與完好試樣接近，超過峰值后拉力會顯著降低，直至試樣斷裂，相應(yīng)的斷裂伸長率大幅降低?？傮w上，缺陷試樣和損傷試樣的拉伸曲線與完好試樣差異顯著，主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的降低。豎縫由于平行于拉伸方向，其拉伸曲線近似同完好試樣，缺陷對土工膜拉伸特性的影響基本可忽略。

b. 除豎縫缺陷外，圓孔、橫縫和斜縫缺陷在拉伸過程中缺陷逐漸擴(kuò)展，有效拉伸斷面不斷減小，試樣最終在缺陷兩側(cè)附近發(fā)生斷裂。由于橫縫與斜縫試樣在縫端應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，因此抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率降低更為顯著。相比之下，圓孔缺陷試樣的斷裂伸長率稍大些。由此可見，實際土工膜防滲工程中為土工膜安全計，盡量避免出現(xiàn)與拉伸方向垂直的縫狀缺陷。

c. 隨著土工膜損傷深度比的增大，其抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長率均減小，其中橫向刻痕較斜向刻痕降低更為明顯。隨著土工膜刻痕長度的增加，其抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長率亦不斷減小。因此，實際工程中應(yīng)盡量保護(hù)好土工膜(如采用復(fù)合土工膜)，使土工膜少出現(xiàn)劃痕損傷，以免降低拉伸力學(xué)特性。