土工膜岩土力学性质的温度影响
土工膜（geomembrane，GM）具有良好的防渗性能 和 比 土 体 更 好 的 抵 抗 变 形 能 力 ，在 城 市 卫 生 填 埋场 、有 色 金 属 冶 炼 池 和 输 水 渠 道 等 环 境 土 工 和 水 利工程中的应用 越 来 越 广 泛 . 土 工 膜 的 岩 土 力 学 性 质（例 如 拉 伸 特 性 和 界 面 剪 切 特 性）是 其 工 程 应 用 的重 要 支 撑 ，拉 伸 和 剪 切 等 试 验 手 段 是 GM 岩 土 力 学性 质 测 试 的 主 要 手 段（包 承 纲 ，2006；冯 世 进 等 ，2008；肖 朝 昀 和 涂 帆 ，2010；钱 学 德 等 ，2011；Bacaset al.，2015；Li et al.，2020；Morsy and Rowe，2020）.现有关于 GM 拉伸和界面剪切等工程力学特性的研究 大 都 在 室 内 常 温 下 进 行 ，然 而 这 与 GM 在 填 埋 场衬 里 、有 色 金 属 冶 炼 池 等 环 保 工 程 中 所 处 的 地 质 温度环境有较大出入 .岩 土 工 程 中 土 工 膜 所 处 的 温 度 环 境 差 异 较 大 ，常温下的 GM 力学测试结果未必能反映其工作状态时的真实力学 性 能 . 地 质 温 度 环 境 的 差 异 性 会 影 响岩 土 材 料 的 力 学 性 能 ，进 而 直 接 关 到 工 程 安 全 性 的正确评估（刘明亮等，2020；何成等，2021）. 研究人员通过对 Philadelphia 某一填埋场监测发现，填埋场封盖 系 统 的 温 度 环 境 会 随 季 节 而 发 生 变 化 ，其 温 度 与当地季节温度循环吻合并在 0~30 ℃间循环（Koern⁃er and Koerner，2006）. 填 埋 场 内 部 发 生 的 有 机 物 降解 及 各 类 化 学 反 应 可 使 内 部 温 度 超 过 60 ℃（Calderand Stark，2010；Stark et al.，2012；Hanson et al.，2015）；铝 矿 和 镍 矿 等 有 色 金 属 冶 炼 过 程 中 的 酸 浸废 土 则 可 达 到 近 100 ℃ 的 高 温（Martin et al.，2013；Listyarini，2017；Rowe et al.，2020）.GM 的 弹 性 模 量随 温 度 升 高 显 著 降 低 ，线 膨 胀 系 数 随 温 度 升 高 而 增大（Rodriguez and Filisko，1987；许四法等，2010）. 长时间光照或温度升高也可能使得 GM 内形成较大温度 应 力 甚 至 产 生 褶 皱（Chappel et al.，2012；Takeet al.，2012），所 幸 具 有 一 定 法 向 压 力 的 砂 保 护 层 厚度 能 够 极 大 限 制 褶 皱 的 形 成（Fairbrother et al.，2019；Rowe and Yu，2019）. 如 前 所 述 ，温 度 变 化 对GM 的 材 料 力 学 性 能 影 响 显 著 ，而 考 虑 温 度 效 应 的GM 抗拉强度和界面剪切强度等工程岩土力学特性对工程安全和 GM 应用具有重要参考价值 .现有关于 GM 界面剪切特性的温度效应研究尚不 多 见 ，在 温 度 0~33 ℃ 范 围 内 ，GM/GT（geotex⁃tile）界 面 的 界 面 强 度 会 随 温 度 的 增 加 稍 许 增 大 ，同样 温 度 的 周 期 变 化 显 著 影 响 土 工 膜 的 界 面 剪 切 特性 （Akpinar and Benson，2005；Abdelaal et al.，2015）. 为了进一步揭露 GM 的工程力学特性和量化填埋场等工程中环境温度对 GM 工程力学特性的影响 规 律 ，本 文 开 展 不 同 温 度 条 件 下 的 HDPE 膜 拉 伸试 验 、GM/GT 界 面 和 GM/砂 土 界 面 剪 切 强 度 试 验研 究 . 拟 通 过 试 验 揭 露 GM 工 程 力 学 特 性 的 温 度 影响 机 制 ，为 完 善 高 温 地 质 环 境 中 GM 工 程 力 学 特 性的温度效应研究提供支撑试 验 用 HDPE 土 工 膜 由 长 沙 建 益 新 材 料 有 限公 司 生 产 ，土 工 膜 的 类 型 有 双 面 光 滑 与 单 面 粗 糙 两种 . 土 工 布（GT）与 GM 同 样 为 常 见 的 土 工 合 成 材料 ，两 者 在 工 程 中 相 互 接 触 的 情 况 非 常 普 通 ，因 此GM/GT 界 面 剪 切 强 度 也 是 本 文 关 心 的 内 容 之 一 .试 验 中 所 用 土 工 布 选 取 为 无 纺 类 土 工 布 ，土 工 膜 与无纺土工布的岩土参数如表 1 所示 . 为了聚焦 GM/表 1 土工合成材料的岩土参数
Table 1 The geotechnical parameters of geosynthetics
试验材料
光面土工膜(GMS)
糙面土工膜(GMX)
无纺土工布(GT)
厚度
(mm)
2
1.5
厚度
(mm)
5.5
密度
(g•cm -3 )
0.94
0.94
单位面积质量
(g/m2)
300
断裂强度(N/mm)
54
26
拉伸强度(kN/m)
40
断裂伸长率
(%)
718
400
伸长率
(%)
75
穿刺强度
(N)
640
534
撕裂强度
(kN)
1.1
撕裂强度
(N)
251
268
刺破强度
(kN)
7.9
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第 6 期 林 海等：土工膜岩土力学性质的温度影响试验
砂 土 界 面 剪 切 强 度 的 温 度 影 响 和 减 少 砂 土 含 水 率
等 因 素 对 结 果 的 影 响 ，本 次 试 验 采 用 烘 干 后 的 南 昌
砂 土 . 干 砂 的 密 度 为 1.54 g/cm 3，土 粒 相 对 密 度 为
2.68，孔隙比为 0.74，其颗粒配曲线见图 1
