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热压共同作用下土工膜褶皱形成机理及基于能量法的褶皱

HDPE土工膜作为一种常见的土工合成材料广泛应用于垃圾填埋场和矿山尾矿库等工程的防渗系统中。环境温度的升高或太阳光照辐射的作用容易使土工膜产生褶皱变形,土工膜褶皱现象的出现对填埋场底部衬里的防渗性能与含土工膜填埋场边坡的稳定性产生劣化作用。目前土工膜褶皱问题的已得到国内外学者的广泛关注,但现有研究成果尚不能够完全揭露土工膜褶皱的形成机理性,且上覆土层压力对土工膜褶皱的定量影响难以评估。为了明确土工膜褶皱在温度升高和上覆压力共同作用下的变化规律,本文从简化二维的角度对土工膜褶皱受力变形机理进行理论分析,并开展了热压作用下土工膜褶皱形成的室内模型试验。基于所得理论求解和试验分析,深入讨论分析了热压耦合影响下土工膜褶皱形态的变化规律。本文主要研究工作包括:(1)基于薄板理论、热弹性力学理论和高斯变形假定,对无压状态下土工膜随温度升高起褶的临界条件和褶皱形态变化过程进行了理论分析,对温度变化下土工膜褶皱的变形特征进行了建模和求解。 (2)采用能量法对含上覆压力作用土工膜在温度升高下的褶皱形成物理过程进行理论建模和求解,对先压情况下土工膜褶皱随温度变化的变化机理和几何形态特征进行分析。采用能量法对已形成褶皱后的土工膜后在压力作用下的褶皱变形特征进行了建模和求解,然后通过最小势能原理对后覆土状态下土工膜褶皱形态做进一步的研究。 (3)自主研制土工膜褶皱生成模型试验盒并提出针对性的土工膜热压致褶模型试验方法,开展土工膜分别在无上覆压力(无压)、土工膜施加上覆压力后温度升高(先压)和土工膜温度升高生成褶皱后施加上覆压力(后压)三种情况下土工膜褶皱形成试验。 (4)将理论计算结果与试验结果进行对比分析,提出土工膜褶皱宽度随温度和上覆压力变化的经验公式,以此对理论推导结果进行优化,得到能够抑制土工膜褶皱变形的工程措施或方案,研究为工程中控制土工膜褶皱提供理论支撑。

近年来,伴随我国经济高速增长与城市规模扩张,城市人口激增,资源消耗剧增,城市生活垃圾量随之大幅攀升。以2017年为例,我国202个大城市与中城市产生了约20194.4万吨生活垃圾,其中约99.5%得到了妥善处置,前十大城市的垃圾产量占比达28.2%[1, 2]。若不对垃圾产生与处理问题采取有效对策,将对生态环境、城市发展及居民生活环境构成重大威胁[3]

目前,我国处理固体废弃物的主要手段包括卫生填埋、焚烧和堆肥等[4]。尽管如此,填埋依然是处理大多数垃圾的主要途径[5]。然而,垃圾中蕴含的有害物质即使在常温下长期降解,也可能导致污染物通过渗滤液迁移,污染土壤与水源,对生态环境及公众健康构成风险。因此,在填埋场设计中,防渗衬垫系统至关重要,其设置于填埋场底部及四周,旨在阻止有害物质渗入地下。常用的防渗衬垫有土工膜(GMB)、土工膨润土防水垫(GCL)和压实黏土衬垫等[6]。其中,HDPE土工膜凭借优异的延展性、耐腐蚀性和防渗性能,成为现代复合防渗层的核心组件,广泛应用于环保(填埋场)、矿业(尾矿库)、水利(边坡防渗、大坝防渗)等领域。

在实际填埋场环境中,土工膜等合成材料受温度影响的问题日益凸显,特别是施工及运行期间遭遇阳光直射与气温升高[7-12]。在晴朗天气,土工膜表面温度可由常温25℃迅速升至70℃[13],导致显著的膨胀变形及表面褶皱。由于土工膜并非完全弹性材料且受施工条件制约,即使夜间温度下降,褶皱虽有所缓解但并不能完全消除[14]。褶皱的出现会破坏土工膜与相邻材料间的接触状况,如土工膜与GCL复合衬里的褶皱部位会产生空隙,影响两者有效接触,降低整体防渗性能,扩大潜在渗漏区域[15-19]。值得注意的是,即便在无阳光直射的填埋场区域,垃圾中有机物的降解及矿山冶炼过程中化学反应产生的热量,仍能使土工膜处于动态温度环境中。通常填埋场底部温度可达60℃[20],极端情况下甚至高达70℃以上[13, 21],为土工膜的膨胀变形创造了条件。尽管上覆土层、垃圾负荷等压力因素能在一定程度上限制土工膜变形,但至今尚无法明确温度与压力对土工膜褶皱变形的具体影响规律,更无法定量预测土工膜在热-力耦合作用下的褶皱形态[22, 23]

土工膜褶皱不仅会降低复合防渗系统的防渗效能,还会改变其与周围材料的接触特性及界面力学性能,对填埋场边坡稳定性产生显著影响。因此,深入研究土工膜在热-压耦合作用下的褶皱变形机理,对于理论发展与实践应用具有重大意义。

 


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