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摘要 摘要 现代生活垃圾的大量产生以及土地资源的紧张,急迫要求建立大容量、高安全的大 型卫生填埋场。因此,在高压力、大坡角条件下,建立能真实反映复合衬里界面本构关 系的数学模型对准确分析大型卫生填埋场稳定性有重大意义。目前,国内外大部分学者 的工作都是把复合衬里拆散为单个的界面进行研究,不能真实模拟复合衬里的整体变形 和多种材料间的相互作用。所以,开展在较大应力条件下复合衬里整体抗剪力学特性研 究势在必行。 针对上述问题,本文进行了大量的室内试验,系统研究了复合衬里在法向应力变化 条件下的力学特性,得出了一些有意义的结论。本文重点进行了以下研究工作: 1 、利用单剪仪调查被研究衬里内各个单独界面在各级荷载下强度与变形的关系。 2 、利用改进的叠环式单剪仪调查被研究衬里在以上各级对应荷载下整体强度与变 形的关系和整体剪切过程中各界面的相对位移的变化。对衬里单个界面和整体剪切试验 结果进行比较和分析,明确多层复合衬里的单个界面力学性质与衬里整体变形的力学性 质的差别。 3 、通过对整体剪切过程中各界面上相对位移的变化,确定多层复合衬里内部强度 最薄弱界面随荷载增加的变化规律,研究复合衬里的破坏机理,在此基础上建立能够真 实描绘复合衬里在加载变形过程时的力学模型。 4 、利用有限元分析研究单剪试验试样内部应力变化情况 关键词:填埋场、复合衬里、接触界面、直剪、单剪、力学特性 应力一应变关系、有限元 a b s t r a c t b u l k ya l l ds e c u r ew a s t ec o n t a i 姗e n ti su 略e n tn e e d e df o ri n c r e a s i n g 姗o u n to fg a r b a g e 锄dl e s sa 1 1 d 1 e s ss o i lr e s o u r c e i ti ss i g l l i f i c a t i v et os e tu ps t r e s s 一咖i nm o d e lf o rc o m p o s i t e l i n i n gs y s t e m sw h i c hc o u l d b eu s e dt oe x a c t l ya i l a l y s et h es 劬i l i t ) ,o fl a l l d 舢s 1 0 p e 、忻t hl 鹕e s 吮s sa 1 1 db i gg r a d i e n t t 0 d a y ,i ti sp r e v a l e n tt or e s e a r c hc o m p o s i t e1 i n i n gs y s t e m sb ys p l i t t i n g t l l e mi n t oas e d e so fi n d i v i d u mi n t e r f a c e b u tt h a tw a y1 0 s es i g h to ft l l ei n t e r a c t i o no fd i 丑e r e n t m a t e r i a l sa n dma :k ei ti m p o s s i b l et om o d e l t h eh o l i s t i cm o v e m e n to fc o m p o s i t el i i l i n gs y s t e m s s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h eh 0 1 i s t i cs h e a rs t r e n 舀ho fc o m p o s i t el i l l i n gs y s t e m s am a s so fi n d o o rt e s t sh a v eb e e nd o n et 0s t u d yt h ev 撕e t yo fm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f c o m p o s i t el i l l i n gs y s t e m s 、析t l lc h a n 百n gn o r m a lp r e s s ,a 1 1 dg e ts o m eu s e 血l c o n c l u s i o n p r i m a 巧t a s ka sf o l l o w s : 1 1 1 1 er e l a t i o n s h i p so fs h e a rs 仃e n 舀ha n dd i s p l a c e m e n tu n d e rc h a l l g i n gn o 彻a l ls 仃e s sa r e s t u d i e df _ o ri n d i v i d u a li m e r f a c e 2 t h eh o l i s t i cm o v e m e n to fc o m p o s i t el i m n gs y s t e m su n d e rc o r r e s p o n d i n gn o m l a ls 臼e s s a r es t l l d i e d ,a n dab a l a n c ei sd o n et os t u d yv a r i e t yo fm e c l l a i l i c a lb e h a v i o rb e t w e e ni i l d i v i d u 甜 i n t e r f a c ea n dt 1 1 e 、他o l e 3 o b s e r v i n gt h ep o s i t i o nv 撕e t yo f 筋l u r ei n t e 疵c e ,t h ev 撕e t yo f f a i l u r ei n t e r f a c ew i t l l c h a n g i n gn o n n a ls t r e s si sg m d i e d ,t l l ef a i l u r em e c h 撕s mo fc o m p o s i t el i l l i n gs y s t e m s i s c o n f i 肌e da n dam e c h 砌c a lm o d e li ss e t t e du p 4 t 1 1 es t a t eo fs t r e s si nt l l es i m p l es h e a rb o xi ss n l d i e db yu s i n gf e 】d 【k e y w o r d 】:l a n d f i l l ,c o m p o s “el i n i n gs y s t e m s ,i n t e r f a c e ,d i r e c ts h e a r , s i n l p l es h e 甄m e c h a n i c a lm o d e l ,s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n ,f e d 学位论文独创性声明: 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实, 本人负全部责任。 论文作者( 签名) : 学位论文使用授权说明 加律啪了日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档,可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) : 乃。衫年f 月y 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外废弃物现状 垃圾是人类生产和生活中必然产生的遗留废物。近几十年来,随着城市化进程的发 展和人民生活水平的提高,各行各业迅猛发展,与之相伴,垃圾的产量也越来越大。据 统计,我国城市生活垃圾的人均日产量为o 9 1 2 千克,城市垃圾年产总量已达1 5 亿吨, 而且每年以8 1 0 的速度增长n 1 ,在1 9 9 5 年,全国城市生活垃圾的历年堆积量已达6 6 4 l 亿吨,侵占土地面积5 5 万公顷,全国有7 0 9 6 的大、中城市被垃圾包围着。表1 1 为我国城 市居民人均垃圾产量在上个世纪九十年代的演变过程旺1 。 表1 1我国城市居民人均生活垃圾产出量变化( k g d ) 国外情况大体相似,美国的垃圾产生和排放量高居世界榜首。美国政府规定的垃圾 倾倒地三分之二已经达到饱和,其余地方也只能维持数年,很多城市已经找不到垃圾堆 放点。日本是个岛国,人口众多且密集,加之地域狭隘,其产生的大量垃圾多采用填海 处理,现在其巨大的垃圾堆已经形成了两个面积达数百公顷的垃圾岛。全世界垃圾平均 增长率高达8 4 2 ,年累积总量约4 5 0 亿吨。 一个开敞的、没有严格控制的垃圾堆就是一个巨大的污染源,其中垃圾降解腐烂产 生的淋滤液会直接污染地下水及其周边水源,释放的恶臭气体会污染大气,严重影响垃 圾场周边居民的生产生活,垃圾堆还滋生鼠、虫、蚊、蚁等些传染病的重要载体。垃 圾处理问题已经成为世界各国最大的环境问题之一。 1 2 废弃物处理方法的对比研究 目前对世界上垃圾的处理主要有以下几种方法:露天堆存,卫生填埋,焚烧,热裂 解,堆肥,投海等。由于世界各地经济、技术发展的差异,垃圾成分多有不同,因此人 们在处理垃圾时,通常根据自身的实际情况采用不同的方法,如表l 。2 所示1 。但是能 够对城市生活垃圾进行无害化、减量化和资源化处理,并能够达到工业化、连续稳定生 产的生活垃圾处理技术,主要有卫生填埋技术、焚烧技术、堆肥技术和热裂解法。 露天堆存指将垃圾无控制的堆放在市郊的空地或低地。由于露天堆存对垃圾不作任 河海大学硕士学位论文 表1 2部分欧美国家城市生活垃圾处理方法所占比例( ) 何掩盖和处理,大量的垃圾污染物对堆放场所四周的空气和水资源造成非常严重的污 染,同时,垃圾场侵占大量土地,还滋生蚊蝇,传播疾病,对垃圾场周围的生态平衡极 具破坏力。陈一清h 3 在衡阳市某垃圾填埋场进行的地下水监测试验发现,地下水中c o 、 n 0 2 。一n 、n h 3 一n 、细菌总数、粪大肠菌群等项目均出现超标,对比雨天和晴天,细菌 总数和粪大肠菌群的超标分别由4 1 倍、0 7 5 倍上升至5 5 倍、2 6 倍。目前,只有发展中 国家由于受经济条件的制约仍在使用。 卫生填埋法是将垃圾堆放在天然防渗效果好或地基经过工程处理的深谷或洼地上, 在垃圾达到一定数量并基本稳定后,再将垃圾堆封盖密闭处理的一种垃圾处理方法。它 是在天然堆放基础上,采取了严格的污染控制措施,密闭式处理使卫生填埋法有效地控 制了垃圾污染物对填埋场周围环境的污染,而且垃圾处理成本相对较低,处理量大,操 作简单,目前世界上多数国家,尤其是发达国家的垃圾处理多数采用此方法。 堆肥化处理依靠自然界存在的细菌、放线菌、真菌等微生物,有控制地促进可被生 物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。有机物经堆肥化处理以后所形成 的腐殖质,既可以作土壤改良剂,也可以作优质肥料。但是堆肥处理垃圾必须对垃圾进 行分拣和分类,需要花费较大的人力和财力;堆肥需要控制定温度,气候寒冷的地区 不适于用堆肥法处理垃圾废弃物;有机物含量低的垃圾不适于用堆肥法处理。堆肥化的 2 第一章绪论 垃圾处理量因市场需求而定,因大量堆肥无处销售而滞留堆填地时有发生,许多大中城 市无法用堆肥法处理所产生的垃圾。另外,堆肥前后的残余物最终还是要填埋处理。 焚烧法处理一般是把垃圾作为固体燃料送入垃圾焚烧炉中,在高温条件下,垃圾中 的可燃成分与空气中的氧进行剧烈化学反应,放出热量,转化成高温气体和少量残渣。 焚烧垃圾可使垃圾减量达9 0 ,产生的热量还可以用作发电,也不占土地。但是焚烧法 产生的烟和恶臭气体也会污染大气,而且焚烧法技术要求高,初期投资大,运行费用高, 对垃圾的热值有很高要求,在发达国家使用较多。 热裂解,是在无氧或缺氧条件下,利用热源切断大分子量的有机物、碳氢化合物, 使之转变为含碳数更少的低分子量物质的过程,经冷凝形成各种新的气体、液体和固体。 由于热解温度相对较低,所以氮化物生成量少,气体生成量仅占焚烧法的几分之一。热 解产生的气体热值较高,可作为工业和民用燃料,副产品焦油和其他有机油可作化工原 料。尽管如此,热解法却存在消耗能源大的特点,在能源日趋紧张的今天,热解法的广 泛推广还缺少关键的降低能耗的步骤。 投海法是沿海城市将垃圾废弃物投放到大海中。这种方法不是解决垃圾的最终办 法,必然会导致海洋的污染,仅有日本等少数岛国采用。 张峥、李得翔1 等人研究发现,我国的垃圾成分统计结果显示,动植物等有机物仅 占2 5 ,无机物含量高达7 0 ,纸、金属等占5 左右。其中可燃物平均含量仅占4 9 , 采用焚烧法需添加相当量的助燃剂:有机物含量低,直接影响堆肥的处理效果,长期使 用灰渣等无机物过多的肥料还会造成土壤沙化;由于垃圾中无机物含量高,填埋后比较 稳定,产生的臭味气体和渗出液也少,对大气和地下水的污染影响就小。所以我国城市 垃圾处理的最主要方式是填埋,约占全部处理量的7 0 以上,其次是高温堆肥,约占2 0 以上,焚烧量甚微。 1 3 卫生填埋法简介 卫生填埋法是垃圾处理的终极方式。它将垃圾废弃物堆放在一个相对封闭的系统 中,对淋滤液、废气的产生、收集、处理进行有效控制,从而达到污染物与环境隔离。 待垃圾堆填物性质稳定后还可以重新利用。 早在二十世纪四、五十年代,国外就出现了垃圾卫生填埋,到八十年代已经有了系 统的卫生填埋场的研究设计理论。我国开始对填埋场进行研究相对较晚,与发达国家存 在相当的差距,但是经过近二十年的艰苦工作,我国在填埋场的设计及建设方面取得了 河海大学硕士学位论文 长足发展,建成了一批相对标准的卫生填埋场,如上海的老港填埋场、杭州的天子岭填 埋场、南京的天井洼填埋场。 气体收集控制系统 统 统 图1 1 现代卫生填埋场简图 填埋场主要有平地堆填、地上和地下堆填、谷地堆填和挖沟堆填四种。一个现代卫 生填埋场必须具备合适的水文、地质和环境条件,并要进行专门的规划、设计和精心的 管理。建设一个废弃物填埋场,首先要进行场址选择,这需要进行大量的水文和地质环 境资料调研。选定场址后,对填埋场进行详细的设计,包括填埋场容量、填埋场地基基 础的处理、填埋场衬里及最终覆盖系统的组成、淋滤液收集处理系统的设计、废气收集 处理系统的设计、监测系统的设计等。典型的填埋场断面图如图1 1 所示。 1 4 问题的提出 在卫生填埋场设计中,最重要的关键部位衬里及最终覆盖系统。衬里系统位于填埋 场底部和四周,它是一种水力屏障,用来隔离固体废弃物以免对填埋场周围的土和水产 生污染,同时也防止地表水和地下水进入填埋场,在填埋场的服务期内,衬里系统的内 部稳定性和功能有效性对填埋场是否真正卫生至关重要。经过多年应用研究,填埋场的 衬里已经由初期的天然粘土和压实粘土发展到现在的多种土工合成材料和夯实粘土组 成的复合衬里。复合衬里典型断面构造如图1 2 所示,从上至下依次为:土工布反滤层, 砂土渗沥液导流层,土工布保护层,土工网导流层,土工膜防渗层,压实粘土保护层, 砂土地下水导流层。 4 第一章绪论 图1 2典型复合衬里断面图 在现代卫生填埋场的建设历程中,含有土工复合材料的复合衬里一经实用,便立刻 显示了巨大的优越性。复合衬里中的土工膜和g c l 等土工材料,渗透系数的量级都在 1 0 1 3 c 州s 以下,远小于规范所定的1 0 1 7 c 耐s ,7 毫米厚的g c l 的防渗能力可优于6 0 厘米 厚的渗透系数为1 0 。c 州s 的夯实粘土层,更有效地控制了淋滤液的渗出量,确保了填埋 场的密封性;5 7 毫米厚土工复合排水层或土工网排水导流能力可优于3 0 厘米厚的沙 砾层的导流能力;土工复合材料的厚度一般只有几个毫米左右,相对于厚度三米左右的 压实粘土衬里,复合衬里加上其保护层的厚度一般不超过一米,整体厚度大幅度降低。 因此,用复合衬里代替原来的压实粘土衬里,不仅防渗效果更好,而且大大降低衬里的 自身厚度,进一步增加了填埋场的容量,降低了填埋场的运营成本。 但是,复合衬里存在多个不同材料的接触界面,由于材料特异性的影响,界面的抗 剪强度彼此各不相同,这就破坏了衬里的整体性,改变了填埋场整体稳定特性。 在现代卫生填埋场设计中,设计人员通常认为填埋场的失稳破坏是圆弧破坏形式, 即通过垃圾堆体的内部或夯实粘土衬里的内部发生圆弧滑动破坏;对于含有复合衬里的 填埋场设计,通常认为填埋场破坏也是圆弧破坏形式,复合衬里只需满足构造条件。但 是,j e 胝y 6 1 等人对填埋场固体废弃物的土工特性作了详细的试验研究,发现固体垃圾 废弃物由于含有大量的有机物和纤维制品,土工抗剪参数相对较大,抗剪摩擦角一般在 2 4 0 3 5 0 ,而g 订b e n 口3 等人在对衬里土工材料的接触界面研究后指出,填埋场衬里界面 的抗剪摩擦角很小,一般都小于1 0 0 。钱学德碡1 等人在总结了国外一些研究成果之后指 5 河海大学硕士学位论文 出,固体垃圾废物物的土工抗剪参数要远大于复合衬里界面之间的抗剪强度参数,如表 1 3 所示。因此,对于填埋场整个系统来说,填埋物堆体最有可能的破坏是发生在衬里 界面之间的滑动破坏。浙江大学的陈云敏、冯世进嘲等在研究国内的填埋场固体废弃物 抗剪强度之后,也得出了相似的结论。 表1 3固体废弃物的土工特性参数 k o e m e r 和钱学德口阳等人通过对国际上近1 5 年来发生的1 4 起最大的填埋场失稳破 坏实例的调查和研究发现,破坏的1 4 起事故中,9 起是属于破坏面通过底部衬里界面的 滑移破坏,另外5 起属于传统的破坏面位于垃圾体内的圆弧滑动破坏,而这5 起事故均 属于没有建造人工衬里,只有天然粘土层的老填埋场。因此得出结论,含有复合衬里的 填埋场,潜在的失稳破坏形式不是通常认为的圆弧破坏,而是在复合衬里内部沿衬里接 触界面的滑动破坏,界面强度对填埋场的稳定起着控制作用。 1 5 国内外研究现状 早在二十世纪八十年代,含有多种土工合成材料的复合衬里开始应用于填埋场工程 之后,国际上就开始了对不同土工合成材料之间及土与土工合成材料之间界面的剪切强 度及其对卫生填埋场稳定的影响研究,并取得了丰硕成果。 1 5 1 研究仪器综述 基于对含有复合衬里的填埋场的失稳是沿复合衬里内部接触界面滑动破坏的认识, 国内外已经有很多学者使用各种仪器对复合衬里界面之间的剪切作了深入的研究。总的 说来,学者们探讨的主要是固定土工材料接触界面之间的剪切效能,他们采用的仪器主 要有改进直剪仪,大型直剪仪,扭转剪切仪及斜板仪。 6 第一章绪论 1 5 1 1 改进直剪仪 常规直剪仪试样尺寸一般较小,在6 c m 6 c m 到1 0 c m 1 0 c m 之间,剪切位移一般 小于l 厘米,而且随着剪切的进行,剪切面积逐步减小。l h l 1 等人通过试验发现,土 与土工膜之间的残余剪切强度需要1 2 厘米左右的剪切位移才能出现,为此,他们设计 改进了常规直剪仪,如图1 3 所示。 剪切盒r 土工膜 图1 3改进直剪仪不意图 改进直剪仪下盘粘贴的土工膜要比上盘剪切盒的面积大一些,这样在剪切过程中可 以保持土样始终在土工膜上滑动,从而使剪切面积保持不变。同时也增加了剪切位移, 便于试验测出峰后残余剪切强度。 虽然改进直剪仪解决了剪切面积变化的问题,但是与直剪仪一样,它只能测定给定 单一界面,对于多层界面情况则无法适用,并且存在着尺寸效应。改进直剪仪中的上剪 切盒与土工膜之间存在着摩擦,这使得在计算接触界面剪切强度时存在较大误差。同时, 改进直剪仪无法测出剪切过程中的孔隙水压力改变,所以只能进行总应力计算。 1 5 1 2 大型直剪仪 大型直剪仪主要用来测量大面积矩形试样的抗剪强度。其构造如图1 4 所示。仪器 下部有一蓄水池,可将置于水池中进行试样的水化,试样放在剪切盒上下盘之间,上盘 上还有一层小钢珠,用来减小与下盘之间的摩擦力,并且两个盘都是透水的,试样中装 有孔压计,用于测量剪切面的孔隙水压力。嘶p l e n 和f o x n 2 3 等人都使用大型直剪仪对 g c l 和土工膜界面之间的强度进行了研究。 大型直剪仪的试样尺寸一般较大,剪切位移可以达到2 0 厘米,因此可以得到较为 稳定的残余剪切强度。大型直剪试验一般使用大尺寸的试样,这样可以减小仪器的边界 效应和尺寸效应,使得试验的误差比小尺寸试样的试验更小。大型直剪仪可以测得试验 过程中试样的孔隙水压力变化,因此可以用有效应力来计算界面之间的剪切强度。 7 物 河海大学硕士学位论文 图1 4 大型直剪仪不慈图 但是,大型直剪试验和普通直剪试验有着相同的不足:在剪切过程中,试样的剪切 面积不断减小,计算时需要作必要的修正。同时,由于大型直剪仪下部有一个水化试样 的水池,试验基本都是在水中进行,因此,主要适用于饱和条件下土与土工合成材料之 间的接触强度研究。 1 ,5 1 3 扭转剪切仪 一般来说,土与土工膜、土工膜与土工布之间的剪切强度峰值只需要较小的剪切位 移就能达到,之后,峰后强度迅速下降,呈“软化 状态,随着位移增加缓慢趋于稳定 的残余剪切强度。研究人员发现,界面的稳定的残余剪切强度在实际工程应用中有着特 殊的重要性,对于填埋场的稳定有重大的意义,于是发明了扭转剪切仪( 下文通称为扭 剪仪) ,用以测得不同接触界面之间的残余剪切强度。扭剪仪构造如图1 5 所示。 _ _ _ 二= = 二= 二_ 匕弹性环 【二二 i 可雠断 二 【二 一翩 图1 5 扭转环剪仪示意图 通常情况下,稳定的残余剪切强度需要较大相对位移才能达到,而扭剪仪理论上可 以有无限的位移量,满足了大位移的设计需求。试验时,试样置于上下弹性环之间,对 8 第一章绪论 上托盘施加扭转力,使得上下弹性环之间产生剪切力,从而使得试样接触界面产生剪切 作用,s t 础n 3 1 等人具体描述了扭剪仪的使用情况。 扭剪仪可以在一个方向上产生无限大的位移,因而能得到稳定的残余剪切强度;在 剪切过程中,剪切面积始终保持不变,确保了剪切应力的稳定。 但是,扭转仪试样的尺寸一般较小,有着明显的尺寸效应;扭剪仪是环向剪切,适 合于各向均匀的土工膜与土之间的剪切,而对于土工网和土工布,由于试样的生产和制 备方向都不是环向的,因此存在着一个剪切方向上的差异,必然会导致试验结果的误差; 同时,由于是环向剪切,扭转剪切仪的两个弹性环的内外径长度的差异,必然导致剪切 时速度有差异,使得外边缘的剪切位移始终大于内边缘,从而直接导致剪切强度的不均 一o 1 5 1 4 斜板仪 一般来说,卫生填埋场的最终覆盖系统所受应力相对较小,使用直剪试验研究最终 覆盖系统中的土与土工合成材料、土工合成材料之间的界面剪切强度有较大误差,于是 l i n g 和b u r k e n 们等人使用斜板仪研究小压力下土与土工布之间的剪切强度。同济大学的 徐超、廖星越等人对普通斜板仪作了改进,使更适合于实验室数据收集。简单斜板仪的 构造如图1 6 所示。当斜板仪的合板盘旋转到一定角度时,试样界面之间发生一定距离 的滑动,即认为试样破坏,使用极限平衡定理,就可以求出接触界面之间的粘聚力和摩 擦角。 溪 、 :乔耋 图1 6 斜板仪示意图 斜板仪使用理论简单,能得到较大的相对位移,进而有利于残余峰值的取得,同时, 斜板仪设备简单,便于直观观察破坏情况,而且制造和使用费用低廉。 但是斜板仪只适用于法向应力较小的情况,对于压力较大的情况不适用。 9 河海大学硕士学位论文 1 5 2 研究成果综述 1 5 2 1 国外研究成果综述 c o l l i o s 玎5 1 在研究土工材料与土的界面特性时,首次提出摩擦效率的概念,并认为, 土工布与土的界面强度取决于土工布的孔隙尺寸,变形性能和土颗粒的尺寸及圆度,而 土工膜与土的界面强度主要取决于土工膜的表面粗糙度和硬度。 i n g o “1 6 1 研究土工材料与无粘性土的界面时发现,在法向压力大于8 0 k p a 时,尺寸效 应对土工布与无粘性土的界面强度影响可以忽略,法向应力小于6 5 k p a 时,大尺寸试验 值小于小尺寸试验值;土工膜与土的界面强度没有尺寸效应。 m a n i n 玎3 ,s a x e n a 和b u d i m a n n 8 3 ,w i l l i a m s 和h o u l i h a l l n 9 1 等分别研究了剪切速率对无 粘性土与土工材料的接触界面强度影响,发现速度在o 0 0 3 3 删m i n 之间时,剪切速 率对界面强度没有明显影响;嘶p l e t t 和f o x n 幻研究了剪切速率对加固g c l 和土工膜的 接触界面的影响,试验发现,当剪切速率小于1 m m m i n 时,剪切速率对g c l 和土工膜 的界面抗剪强度没有太大的影响;e i d 、s t a r k 和d o e 棚e r 瞳们等研究了剪切速率对g c l 内 部剪切强度的影响,试验结果表明,g c l 内部强度峰值与剪切速率和法向应力有密切关 系,但是稳定残余强度与剪切速率无关。 m i y 锄o r i 协1 、e i g e n b r o d 和l o c k e r 吻1 分别研究了密实度对无粘性土和土工材料的界面 强度的影响,结果表明,密实度对残余强度几乎没有影响;f o u r i e 和f a b i a l l 雎引、s e e d 幽3 等人分别研究了不同干密度和含水率对粘性土与土工材料的接触界面强度的影响; c o r o n e l 乜5 1 研究了正孔隙水压力、土的含水率、土的干密度对接触界面应力应变曲线的影 响。 n e g u s s e y ,s e e d 囱1 等人研究了法向应力对土与土工材料接触界面强度的影响,研 究表明,对于无粘性土,即使法向应力高达1 0 0 0 k p a 以上,界面的强度包线也没有明显 的曲线趋势; m a r t i n 和k o e m e r n 7 3 等研究了在小应力条件下土、土工膜、土工格栅的不同组合的界 面剪切,认为复合材料界面之间的剪切强度符合线性莫尔一库仑准则,剪切强度包线是 通过原点的直线:m u r a d 乜刀等人研究了粘土与土工织物的相互作用,认为加固后土与土 工织物的界面强度服从摩尔一库仑准则,强度包线仍然是线性的。k 咖n a 1 发现,法 向应力在5 0 3 0 0k p a 时,压缩粉煤灰与土工膜界面的强度包线是线性的。 e i g e n b r o d 啪1 等对不同类型的土工布与砂土的接触界面进行了研究,发现在法向应 l o 第一章绪论 力较小时,无纺土工布与砂土接触界面的应力一位移关系呈现硬化特征:b e r g a d o 啪1 研 究发现,当法向应力较大时,无纺布与砂土的应力一位移曲线有一个微弱峰值出现,随 后有一非常小的应力下降;界面屈服强度包线在法向应力较小时呈直线,随法向应力的 增加呈下弯趋势。a 曲e r 3 ,d e g o u 他m 3 也有相同的研究成果。k o u t s o u r a i s 3 ,l e e 1 观 察试验后土工布与砂土的接触面,发现接触界面非常模糊,布表面有少量砂渗入。 l v d i c k 口印研究了土工布与土工网接触界面的力学特性,发现应力一位移关系呈现明 显的软化特性,界面屈服强度包线呈直线趋势。k o u t s o u r a i s 3 副,b y m e 矧,z i m m i e 3 7 1 等 都有相同的结论。 b y m e 口副,l y d i c k 口朝在研究土工膜与土工网接触界面后发现,界面应力一位移关系没 有明显的软化特性。s t a r k n 3 等人研究后发现土工膜与土工网界面屈服强度包线整体呈直 线趋势。 c a r e y ,b y m e 3 6 1 ,s t a r k n 3 ,l i n g 研究土工膜与压实粘土接触界面后发现,当法 向应力较小时,应力一位移关系呈现软化特征;b y m e m l ,e s t e r h u i z e n 等发现,在高应 力条件下界面屈服强度包线呈现下弯趋势。 啊p l e t t 和f o x n 2 1 在研究加固g c l 和土工膜的接触界面时发现,在剪切峰值时都量测 到有正孔隙水压力存在,剪切峰值强速包线近似线性或者双线性,大位移强度包线近似 双线性,l i n g ,p 锄u l ( 1 等人研究p v c 膜和压实粘土的相互作用,试验结果表明剪切强 度破坏包线是非线性的;g i l b e r t 和b y m e “们对美国的已经失稳破坏的k e t t l e m a nh i l l s 填埋 场衬里使用的土工材料进行了接触界面研究,室内试验指出,强度包线呈现非线性特征。 h i l l m a l l 和s t a r k 研究p v c 土工膜与土工材料之间的界面抗剪特性时发现,p v c 和以 光面h d p e 土工膜为基底未加固的g c l 之间最薄弱层的位置有可能会有转变;b y m e h 幻 发现,当法向应力较小时复合衬里的最薄弱层是土工布和土工膜的接触界面,法向应力 较大时,复合衬里的最薄弱层是粘土与土工膜的接触界面;对含有未加固g c l 的复合衬 里,法向应力较小时,衬里最薄弱层为g c l 与土工膜的接触界面,法向应力较大时,g c l 内部破坏,膨润土沿承载基底膜滑动。 h s i e h h 3 3 研究了荷载板刚度对砂土与土工膜接触界面强度的影响,结果表明柔性荷 载板条件下界面剪切强度要比刚性荷载板条件下剪切强度略小。 f r o s t 和z e n l e r 4 引,m c c a n n e y 和z o m b e r g m l 等人研究了土工膜表面粗糙程度对接触 界面强度的影响。 a k p i n a r 和b e n s o n n 6 1 研究了温度对无纺土工布分别与光面和纹面h d p e 土工膜的接 1 l 河海大学硕士学位论文 触界面的抗剪强度的影响。研究结果表明,在0 3 3 之间,接触界面的抗剪强度随温 度升高而增加,光面土工膜的增加速率稍大。 w 己m e r 和s t e 最m 啪1 ,r o w e 和s a l l g 锄蚰1 等人都做了大量的时间对界面强度的影响研 究。 1 5 2 2 国内研究成果综述 国内开展有关卫生填埋场的研究比较晚,目前大多数研究还集中在对填埋场内的固 体废弃物的降解特性和力学性质的研究,对含有土工合成材料的多层复合衬里的研究多 集中于对衬里防渗应用的探讨,对复合衬里的剪切强度和填埋场的稳定分析的研究还很 少。 天津大学的吴景海、陈环钔等人采用直剪试验和拉拔试验方法对土与各种国产土工 材料之间的特性进行了探究。研究发现,土与土工合成材料的界面摩擦效率般低于 1 o ,得出加筋土工程需要验算沿土工合成材料平面的抗滑稳定性。不同填料、不同土 工合成材料的摩擦效率相差很小,一般都在o 7 0 9 之间,但是拉拔系数相差较大,具 体加筋土工程采用的拉拔系数需要通过拉拔试验确定。 崔伟刚等做了一些土工织物与土的直剪摩擦试验方面的研究,发现在含水量和密度 变化不大的情况下,土的颗粒组成是决定界面摩擦系数大小的主要因素,同时,土的含 水量对土与织物界面的摩擦有较大影响。 同济大学的徐超、廖星越啼等应用改进的斜板仪和直剪仪对土工复合材料的界面摩 擦进行了研究。研究指出,h d p e 膜与土工布的界面剪切,在水平位移为6 8 姗的时候产 生强度峰值,随后发生应变软化,稳定残余强度约为峰值的6 0 。数值回归可以发现, h d p e 膜一砂土的试验结果可以回归成为一条直线,由于截距c 值很小,可以认为回归直 线是通过原点的,h d p e 膜土工复合材料、有纺土工布的试验同样可以回归成为一条直 线,只是c 值一般不能忽略。 重庆大学尹光志、张东明2 3 等人,对土工合成材料与细粒尾矿界面作用特性做了试 验研究。研究结果发现,筋带与尾矿的拉拔力一位移曲线呈单峰状,分3 个阶段:受静 摩擦的拉紧阶段、动摩擦的滑动阶段、残余动摩擦的拉动阶段。土工合成材料与尾矿的 摩擦系数等界面作用特性与尾矿的密实度、含水量等关系密切,密度越大,摩擦系数越 大;含水量越高,摩擦系数越小。 1 2 第一章绪论 m a n i n 和k o e m e r n 7 1 等提出线性界面剪切强度模型: fp2c + 盯一tan 痧 f 口为剪切峰值强度,吒为法向应力,矽为界面摩擦角。 只= 盯一幽口( 历出口【a n 万+ ( 1 一口凼) 口c a n 九) p s 是抗剪强度,a 是剪切面积,吒是法向应力,是加固面积比例,万是界面 摩擦角,九是土的内部摩擦角。 矿”吒t a 岈茼 吒是法向应力,是吒= o 。时的粘聚力,瓦是吒= 时的界面摩擦角,是 = o 时的粘聚力,p 是常量,= ( 1 + 后) t a n 氏。 a l o b a i d p l 等人在研究了土工布在土中的拉拔试验后认为,土工布与土的接触界面 1 3 河海大学硕士学位论文 的男切压力| j l :位移的夫糸衍合j u 瑚提出的压力万程式: 警= 钞赫 o yk y + b y 其中, 口:。等掣,瑚警( t a n ngt a i l 沉 g 、 ,7 c = t a i l4 , ,= 1 + ( 1 一t a n 谚t a n 啦) 2 y 是水平位移,d 是界面厚度,g 是界面切向剪切模量,乞是界面峰值摩擦角,4 是残余强度摩擦角。 e s t e r h u i z e n 9 1 等人研究了土工材料界面的峰值强度包线、残余强度包线和残余强度 因子与位移率的关系曲线,在g i r o u d 的位移软化模型基础上,利用归一化原理,推出新 位移软化模型模拟晁面残余强度因子和位移率的关系: 肛枷 1 + 霓一1ld 其中 r 为残余因子,表达式为: d 为位移率,表达式为: 口一气p 一气f r = 2 ,_ 1p tr d :生 6 : 忌为曲线初始坡度,表达式为:七= ( l 等 2 为峰值剪切强度,o 为峰后剪切强度,0 为稳定残余剪切强度,万p 为塑性剪位 移,彤为稳定残余塑性变形。 e s t e r h u i z e n 等人还认为,界面剪切强度的应变软化特征主要是由于剪切破坏塑性功 变化引起的,因此提出功软化( w o r k s o r e l l i n g ) 模型,用以模拟界面连续加载情况的强 度位移变化: 孵= 虹蛙坐譬一 第一章绪论 野为剪切破坏塑性功,其值为: 叨= ( 弓一t 矽 蟛为产生0 所需的塑性剪位移,乙为峰值剪切强度,勺为峰后剪切强度,为稳 定残余剪切强度,艿p 为塑性剪位移,彤为稳定残余塑性变形。 w e m e r 和s t e f 抽n 6 1 等人认为,由于室内试验条件与现场条件的差异,特别是时间因 素的影响,使得由室内试验得来的填埋场衬里设计参数不尽合理。为此,他们提出一个 指数方程用以说明时间因素对界面强度的影响: p ( f ) = 尸o e 。 其中, 异为初始设计抗剪强度,露为阿列纽斯参数,取值如下: k=k o e e ,r t 含有多层接触界面的边坡稳定研究中,数值模拟技术是一个十分重要的分析手段。 随着数值模拟技术的日趋成熟,适用于数值模拟的各种应力应变关系得到深入研究。 g a b r 和h u n t e r 5 踟提出一个用于接触界面剪切强度数值分析的双曲线本构模型: k 吐7 。斟( ,一爿 其中, k 为切向切线刚度,恕切向弹簧系数,九水的密度,吒法向应力,只大气压力, 玎,墨都是试验常数,f 切向应力,o = c + 盯t a l l 6 ,c 为界面粘聚力,万为界面摩擦 角。 n a r e s h 和d e s a i 嘞3 等人在h i s s 模型基础上,考虑了时间因素对接触界面的强度影响, 提出了一个弹一粘塑性模型用以研究不同材料接触界面之间的抗剪强度: 弹性变形时 g 。7 ) = ,乞”f 罢。 ;辨 1 5 河海大学硕士学位论文 粘塑性变形时 茎:二:) = r 其中, g ,。为弹性法向变形,x 为法向粘塑性变形速率,为切向粘塑性变形速率,f 为 界面层厚度,吒为界面层法向刚度系数,颤为切向刚度系数,r 为与时间有关的流动参 数,矽为屈服流动方程,磊为无量纲化常数,9 为粘塑性势,取相关联流动法则时,恒 等于f 。 1 6 本章小结 现代生活垃圾的大量产生以及土地资源的紧张,急迫要求建立大容量、高安全的大 型卫生填埋场。因此,在高压力、大坡角条件下,建立能真实反映复合衬里界面本构关 系的数学模型对准确分析大型卫生填埋场稳定性有重大意义。目前,国内外大部分学者 的工作还集中在单独接触界面的试验研究,虽然研究仪器和研究方法改进了许多,但 是研究内容较为单一,并且试验所用压力相对较小。但是把复合衬里拆散为单个的界面 进行研究,不能真实模拟复合衬里的整体变形和多种材料间的应力应变的差异和相互作 用,也不能反映复合衬里中最危险界面随压力的增高和位移的增加而转移现象,而且由 于所用应力较小,其结果也不适用与大型填埋场的设计参考和稳定分析。所以,开展在 较大应力条件下复合衬里整体抗剪力学特性研究势在必行。 1 7 本文研究方向及重点 1 7 1 研究目标 通过对应用于现代卫生填埋场中的多种土工材料的复合衬里在加载条件下剪切强 度的变化规律,各材料之间的相互作用和衬里的整体变形破坏过程的研究,发现多层复 合衬里的破坏机理,建立多层复合衬里的整体力学模型,提出能够模拟多层复合衬里在 各级荷载下变形和强度特性的计算方法( 不考虑时间和温度因素的影响) 。 1 7 2 研究内容 1 7 2 1多层复合衬里力学性质的试验研究 1 6 盟峨百 第一章绪论 1 ) 利用单剪仪调查被研究衬里内各个单独界面在各级荷载下强度与变形的关系。 2 ) 利用改进的叠环式单剪仪调查被研究衬里在以上各级对应荷载下整体强度与变 形的关系和整体剪切过程中各界面的相对位移的变化。 1 7 2 2 多层复合衬里破坏机理的研究和力学模型的建立 在试验结果分析和研究的基础上,发现多层复合衬里的整体变形破坏机理并建立力 学模型。 1 ) 对衬里单个界面和整体剪切试验结果进行比较和分析,明确多层复合衬里的单 个界面力学性质与衬里整体变形的力学性质的差别。 2 ) 通过对整体剪切过程中各界面上相对位移的变化,明确多层复合衬里内部强度 最薄弱界面随荷载增加的变化规律。 3 ) 根据以上结果,明确复合衬里的破坏机理,在此基础上建立能够真实描绘复合 衬里在加载变形过程时的力学模型。 1 7 2 3 拟解决的关键问题 1 ) 多层复合衬里的单个界面的力学性质与衬里整体力学性质的区别。 2 ) 多层复合衬里在大荷载下的力学性质与荷载的关系。 3 ) 多层复合衬里的破坏机理与力学模型的建立。 1 7 河海大学硕士学位论文 第二章试验说明及成果分析 2 1 试验仪器说明 本文所做试验主要是复合衬里整体剪切试验和衬里内部不同土工材料之间的接触 面剪切试验,使用仪器主要有叠环式直剪、单剪两用剪切仪,如图2 1 所示。 口 幽2 1 叠环式单剪仪 试验时,将土工材料置于剪切仪的剪切盒内。剪切盒在主机中央,分上剪切环和下 剪切盒两部分,其中下剪切盒内径3 0 0 毫米,内高1 2 0 毫米;上部叠环共有六个,其中五 个是内径3 0 0 毫米,厚2 0 毫米的钢环,最顶上一个是厚5 0 毫米的钢环;压力盒内最大法 向应力2 8 m p a ,最大水平推力2 8 m p a 。 本文所作剪切试验主要为量测复合衬里整体抗剪强度及衬里内部各界面之间的强 度与相对位移之间的关系,因此,衬里内部各界面之间的相对位移量测是试验的重要组 成部分。在剪切试验中,实验室现有的大型叠环式剪切仪的剪切环厚度为2 0 毫米,而在 试验过程中,复合衬里的各组成材料,如土工膜、土工网和土工布等,在垂直压力作用 下,厚度都小于5 毫米之间,因此,直接使用实验室原有仪器设备无法完成试验既定的 研究工作。 第二章试验说明及成果分析 本文所做工作一个重点是改进实验室原有的大型叠环式剪切仪。为了能对厚度在 1 2 毫米之间的薄层的滑动位移进行量测,在原有设备基础上,制备了五个厚度为1 5 毫米的钢环,叠放在原有的剪切环上,如图2 2 所示。 n 鋈 砂土 篱 一t 图2 2叠环单剪仪截面示意图 新制备钢环使用普通不锈钢,外围及内径尺寸与原设备剪切钢环尺寸相同。通过各 层钢环的相对错动,可以量测衬里各接触界面之间的相对位移,从而可以判断出在一定 的法向应力条件下衬里内部强度最薄弱层的位置;综合法向应力,就可以得到整体剪切 条件下衬里内部各界面之问的应力应变关系。 2 2 试验材料简介 世界各地卫生填埋场复合衬里从结构上来说没有太多不同,但是由于经济发展程度 不同,材料工程进展不同,各地填埋场复合衬里具体组成部分各有差异。为使研究符合 我国国情,以便将来提出符合我国国情的衬里设计和填埋场稳定分析的方法,本文选用 “城市生活垃圾填埋技术规范( c j j l 7 2 0 0 4 ) ( 下简称“技术规范 ) 推荐的典型的单 复合衬里进行研究。 按照我国在“技术规范 中对场底单复合衬里的规定,用于试验的衬里断面构造从 上至下分别为:土工织物反虑层( 无纺型土工布) ;渗沥液导流层( 砂层) ;膜上保护层 ( 无纺型土工布) ;土工网格;光面土工膜( 1 5 姗厚的h d p e ) :膜下保护层( 夯实粘土) ; 地下水导流层( 中粗砂) 。 用于试验的粘土及土工材料基本特性如下所示。 。 1 9 河海大学硕士学位论文 试验粘土选用一般粘

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