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(1. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081； 2. 南京水利科学研究院, 江苏 南京 210029； 3. 东南大学 交通学院, 江苏 南京 211102)

高密度聚乙烯(HDPE)土工膜是一种强度较高的防水阻隔型材料，具有较好的耐低温、抗腐蚀性能[1]，经常被作为防渗材料应用于生活垃圾、工业固体废物填埋等防渗工程。 HDPE土工膜与土样直接剪切的摩擦特性是工程结构稳定性必须考虑的因素。根据相关规范标准[2-3]的要求，堆存第Ⅱ类一般工业固废及危险废物的渣场均需进行防渗，防渗结构一般采用HDPE土工膜或含HDPE土工膜的复合材料。

HDPE土工膜作为一种韧性材料， 双面与固体废物、 黏土、 混凝土或砂层接触， 且绝大部分HDPE土工膜铺设于边坡上。 在库存填料沉降变形的影响下， HDPE土工膜本身多处于拉剪状态。 如何采取措施保证土工膜在运行过程中不被拉坏和不发生沿土工膜的滑动， 是山谷型固废渣场要考虑的重要问题。 目前， 国内外对于HDPE土工膜与各种固体废弃物界面接触强度的试验研究主要有直接剪切、 拉拔、 三轴、 扭剪等形式。Ling等[4]通过100 mm×100 mm(长度×宽度)的直剪仪测量了土工膜与黏土接触界面的摩擦强度特性，分析了接触界面上剪切位移和最大剪应力之间的关系。林伟岸等[5]通过使用砂袋加载模拟废弃物填埋过程，分析了土工膜衬垫系统内部剪力的传递机理。高俊丽等[6]通过大量的界面直接剪切试验，研究了不同正应力作用下加肋HDPE土工膜与砂土之间的界面强度特性。总体来看，国内相关机构对各种固体废弃渣场在各种运行状态下防渗土工膜的应力 -应变关系进行的研究较少，各渣场防渗体系设计及施工仅参照个别工程经验而定，不利于渣场防渗系统的安全，因此有必要开展专门研究[7-10]。

本文中采用直接剪切仪对光面、糙面HDPE土工模和各种工业固体废物或土样进行直接剪切试验，模拟实际工程建筑结构中它们之间的相互作用过程，测定2种HDPE土工膜与各种固体废物接触面的摩擦强度参数(界面摩擦角、表观黏聚力)，在此基础上，评价分析2种HDPE土工膜与各种工业固体废物或土样接触界面的剪切特性。

1 试验方案

1.1 试验设备

试验仪器为南京水利科学研究院和西安力创材料检测技术有限公司合作研发的裂隙剪切 -渗流耦合试验机。试验仪器的技术参数如下：上剪切盒有效剪切尺寸为210 mm×210 mm×130 mm(长度×宽度×高度，以下同)，将原下剪切盒改装为一个有效尺寸为250 mm×250 mm×10 mm的实心刚性长方体，将它作为水平基座。水平基座长边尺寸较上剪切盒有效尺寸大40 mm， 可确保在试验过程中剪切面积保持不变。仪器水平加载系统最大静负荷可达1 000 kN，作动器行程达100 mm。压头采用球头结构，可有效补偿试样形位误差引起的试验力偏载，保证水平方向变形中心与试样中心重合。仪器的垂直加载系统最大静负荷可达500 kN，作动器行程达100 mm。负荷传感器由美国世铨公司生产，位移和变形分别采用高精度磁致伸缩位移传感器、线性可变差动变压器(LVDT)位移传感器进行测量，可实现荷载、位移数据的精确测量和传输。

1.2 试验材料

1.2.1 HDPE土工膜

试验选用厚度为2.5 mm的光面、糙面2种HDPE土工膜，如图1所示。土工膜的物理性质指标如表1所示。

(a)光面

(b)糙面图1 高密度聚乙烯(HDPE)土工膜实物照片

表1 高密度聚乙烯(HDPE)土工膜物理性质

1.2.2 填料

选用填料为贵州省内5种主要工业固体废物(脱硫石膏、粉煤灰、锰渣、汞渣、铅锌渣)以及黏土、砂土2种土样。

1.2.3 试验步骤

采用4个土工膜试样，根据库仑剪切准则，在逐级增大的4级垂直竖向荷载下，施加水平剪切力，测得土工膜试样与土体的接触界面破坏时的剪应力，然后确定土工膜与土样接触界面的摩擦角和表观黏聚力。根据相关规范[11]，具体步骤如下：

1)将光面(糙面)土工膜试样平铺在位于剪切盒下边部分内的刚性水平基座上中， 前端夹持在剪切区的前面并用4个螺栓固定。 土工膜试样表面保持平整、没有折叠和褶皱， 试验中试样与基座之间无相对滑移。 安装剪切盒， 填充土样， 保持土样厚度均匀。

2)安装传压板，对土样施加50 kPa的法向压力。

3)施加水平荷载，使上、下剪切盒之间作速率为1 mm/min的相对位移，仪器量测系统自动记录每秒的剪应力τ和对应的相对位移ΔL，间隔时间为1 s，直至横负荷不再增加，即说明试样已经剪破，如横负荷一直缓慢增加，则试验应进行至达到剪切面长度的16.5%时结束试验。

4)卸下土工膜，除去土工膜上的土样，检查试样是否发生伸长、褶皱或损坏。

5)另装土工膜，重复步骤1)—4)，在其他3种法向压力(100、 150、 200 kPa)作用下测量接触界面的摩擦特性。

2 结果及分析

2.1 接触界面剪应力与剪切位移的关系

分别以剪切位移、 剪应力作为横、 纵坐标， 绘制剪切位移与剪应力的关系曲线。 该曲线上剪应力的峰值即为最大剪应力， 当没有峰值时， 取剪切位移达到剪切面积长度的10%(2 cm)时的剪应力作为最大剪应力。 光面、 糙面土工膜与各种土样的剪应力与剪切位移关系曲线如图2所示。 由于篇幅限制， 因此本文中仅列出脱硫石膏剪应力与剪切位移关系曲线的结果， 其余土样的曲线形状与脱硫石膏的类似。

从图中可以看出，在4种法向荷载的作用下，土工膜与脱硫石膏接触界面上的剪应力 -剪切位移曲线近似呈斜率逐渐减小的抛物线状。剪应力发展经过2个阶段：第1阶段约在剪切位移的1 ～3 mm，这一阶段剪应力随剪切位移的增加而快速增大；随后进入应变硬化阶段，当剪切位移增大到一定程度后，土工膜与土样界面之间的剪应力逐渐趋于稳定。一般当剪切位移达到10～12 mm时，剪应力达到峰值强度。

(a)光面

(b)糙面图2 土工膜与脱硫石膏的剪应力与剪切位移关系曲线

通过对光面、糙面土工膜的剪应力 -剪切位移曲线对比可知，随着法向压力的增大，剪应力的峰值强度也明显增大，而糙面土工膜与土样界面之间最大剪应力的增加幅度明显大于光面土工膜与土样界面之间的。法向压力越大，两者与土样界面之间的最大剪应力差别越大。这是因为糙面土工膜的表面粗糙，与土样之间的摩擦力更大，具有更强的挤密作用，所以糙面土工膜与土样接触界面之间具有更大的峰值剪切强度。

2.2 最大剪应力与法向应力的关系

根据2.1节中的剪应力与剪切位移的关系曲线求得最大剪应力， 然后绘制最大剪应力和对应的法向应力的关系曲线。 首先以法向应力为横坐标， 以对应的剪应力为纵坐标给出4个应力点， 然后采用线性回归方法画出各点的最佳拟合直线， 直线与法向压力轴之间的夹角即为土工膜和土样的接触界面摩擦角γ， 最大剪应力轴上的截距为土工膜和土样的接触界面表观黏聚力。 光面、 糙面土工膜与各种土样的最大剪应力 -法向应力关系如图3所示。

(a)脱硫石膏(b)粉煤灰(c)锰渣(d)汞渣(e)铅锌渣(f)黏土(g)砂土图3 土工膜与不同土样接触面的最大剪应力-法向应力关系

从图中可以看出，当法向应力较小时，光面土工膜和糙面土工膜的界面抗剪强度非常接近并且没有确定的大小关系，但随着法向应力的逐渐增加，糙面土工膜与土样之间的界面抗剪强度开始明显大于光面土工膜与土样之间的。这是因为糙面土工膜在法向应力较大(如150、200 kPa)的情况下，糙面土工膜表面的摩擦系数较大， 与土样填料之间的摩擦力也较大，所以当承受较大的法向应力时，糙面土工膜的界面抗剪强度的增加幅度远大于光面土工膜的，说明与光面土工膜相比，糙面土工膜的抗剪强度和断裂性能均显著增大和改善。

2.3 光面、糙面土工膜摩擦比

为了更好地分析和比较不同法向应力条件下光面、糙面土工膜与不同土样的界面摩擦强度，引入光面、糙面土工膜试样摩擦比f的概念，定义为在相同法向应力条件下光面、糙面土工膜与相同土样接触界面的抗剪强度(剪应力达到稳定状态)的比值，即

(1)

式中：τmax为光面土工膜的界面抗剪强度；τs, max为在相同法向应力条件下的糙面土工膜的界面抗剪强度。

按照式(1)计算得到各种土样与光面、糙面土工膜接触界面的摩擦比，如表2所示。

表2 不同法向应力条件下各土样与光面、 糙面土工膜接触面的摩擦比

从表中数据可以看出，随着法向应力的增大，几乎所有土样的摩擦比都不断减小，这同样说明法向应力越大，糙面土工膜的界面抗剪强度相对于光面土工膜的界面抗剪强度越大。此外，在法向应力较小(50、 100 kPa)的情况下，黏土、砂土2种普通土样的摩擦比为0.65～0.78，明显小于其他工业固体废物。当正应力较大(150、 200 kPa)时，几乎所有土样的摩擦比都在0.6～0.8范围内。这是因为工业固体废物的颗粒较大，在法向应力较小的条件下与土工膜没有完全接触或接触面积不均匀，糙面土工膜的界面摩擦特性没有得到充分发挥，所以光面、糙面土工膜的界面抗剪强度差别不明显。

3 结论

1)随着剪切位移的增加， HDPE土工膜与工业固体废物之间的界面剪应力的增长幅度并不是线性的， 当剪切位移达到一定程度后，界面剪应力将保持稳定状态， 因此， 在设计固体废物渣场的防渗结构时， 土工膜与固体废物之间的剪应力取值应慎重考虑。

2)在法向应力较小的条件下，糙面土工膜与固体废物之间的界面抗剪强度与光面土工膜与固体废物的界面抗剪强度比较接近，当法向应力较大时，糙面土工膜与固体废物之间的界面抗剪强度明显大于光面土工膜与固体废物的，糙面土工膜具有更好的抗拉裂、抗剪切性能。

3)土样与土工膜的接触面积会影响它们接触界面的抗剪强度，当两者充分接触时，糙面土工膜的界面摩擦特性才能够充分发挥。