土工膜与土工布组合方式对分离式复合土工膜鼓胀变形的影响

普勇柽，卫如春，李旺林，薛 霞

(1. 济南大学水利与环境学院，山东济南250022； 2. 山东大学海洋研究院，山东青岛266237)

修建平原水库能促进沿黄地区经济发展并缓解水资源供需矛盾，是我国平原省份水利建设的重要组成部分[1]，但平原水库的坝基渗漏问题不仅会导致库区附近地下水位抬升，而且会造成土地荒漠化、土壤盐碱化，影响下游生态环境及经济发展[2]。目前，与传统工程防渗措施相比，“两布一膜”复合土工膜防渗工艺因具备适应性强、施工简单等优点被广泛使用，但是，复合土工膜的防渗效果通常因破损而受到影响[3]。此外，土工膜与土工布(膜布)的热效应不一样，在焊接时，容易因焊接温度不当而造成复合土工膜烫损或虚焊[4]。针对上述缺陷，在水库建设中通常选择分离式复合土工膜，以此减少土工膜的损伤。

李旺林等[5-6]以“南水北调工程”东线大屯水库为原型建造了小型试验水库，认为库区渗水形成的压力气体会导致土工膜鼓胀变形，试验研究了土工膜鼓胀压力下的鼓胀过程及破坏机理，并把土工膜鼓胀变形的应力-应变曲线分为线性、强化、弱化和胀破拉断4个阶段。吴海民等[7-8]对土工膜双向拉伸的力学性质进行试验研究，自主研发了土工膜合成材料双向拉伸多功能试验机，对比单、双向拉伸试验结果后，认为单向拉伸试验结果不能直接用于实际的工程设计。束一鸣等[9]模拟不同厚度、不同孔径的土工膜在水压作用下产生鼓胀变形，并推导出慢速加压时的鼓胀极限荷载计算公式。

Merry等[10]在研究土工膜单向拉伸的力学性质[11]的基础上，又研究了土工膜多向拉伸，并推导了土工膜在试验过程中的应力-应变方程。Giroud等[12]进行了土工膜单向窄条拉伸试验，试验中哑铃状土工膜试件拉伸应变不均匀，实验结果与实际受力情况不对应。de Focatiis等[13]通过拉伸试验，研究了四氟乙烯无织物基材(ETFE)膜的热响应和力学响应，证明温度对ETFE膜拉伸应力、应变的影响较大，拉伸速率对ETFE膜拉伸应力、应变的影响较小。

Charalambides等[14]使用预测试验变量(如应变、壁厚和曲率半径)的分析程序来推导应力-应变曲线，表明球形鼓胀试验中，不同曲率半径、膜厚是影响应力-应变曲线的重要因素。Bacas等[15]通过土工布与土工膜大型直剪试验，研究了土工布与土工膜的剪切相互作用机理，并验证了试验中膜布界面模型的准确性。

本文中利用自主研发的鼓胀变形试验设备，研究不同膜布组合方式对分离式复合土工膜破坏时胀破高度、胀破压力的影响，并探究其复合性能。

1 试验

1.1 试验设备

球形鼓胀变形试验仪主要由加载系统、基础平台和测控系统3个部分组成(见图1)。

图1 球形鼓胀变形试验仪

1.1.1 基础平台

基础平台由控制平台、操作平台和不锈钢法兰盘组成。上、下法兰盘均为不锈钢圆环，其内径分别为100、200 mm(见图2)，在试验时形成密闭空间并提供环向约束。加载系统的开关位于控制平台中，控制设备起闭。压力传感器连接显示器后能实时显示试样的鼓胀压力。

图2 不锈钢法兰盘

1.1.2 测控系统

数显压力传感器记录试样鼓胀变形时的鼓胀压力和胀破时间，激光位移传感器记录试样鼓胀变形时的鼓胀高度，高清录像设备与计算机连接，实时记录试样鼓胀破坏过程中的鼓胀压力和鼓胀高度。以上3个部分共同构成测控系统。

1.1.3 加载系统

加载系统由三相异步电机、液压泵、连杆、液缸和高压胶管组成(见图3)。在试验过程中，加载系统通过高压胶管向基础平台上的试样提供持续稳定的压力，可以通过控制平台调节加载速率。

1.2 试验方案

试验分别使用内径为100、200 mm的环形法兰盘； 选取“两布一膜”“一布两膜”“一布一膜”3类组合方式为实验组，并选取单、双层土工膜为对照组。试验数据取其8次试验的平均值，试验方案见表1，加载速率均为100 kPa/s。

图3 加载系统

1.3 试验材料

选择大屯水库水平防渗设计中使用的土工膜和土工布进行分离式复合土工膜球形鼓胀变形试验，试验材料参数见表2。

表1 试验方案

表2 试验材料参数

2 结果与分析

2.1 试验结果

不同膜布组合方式试样发生鼓胀破坏时的胀破压力、胀破高度的统计结果见图4。由图4(a)可以看出，试样胀破时，胀破压力随组合方式呈现较明显的分组特征，其中“膜-布-布”的组合方式承受了最大的鼓胀压力；其余分组如“膜-布-膜”和“膜-膜-布”组、“布-膜-布”和“膜-布”组、“布-膜-膜”和“双层膜”组以及“布-膜”、“布-布-膜”和“单层膜”组，每组内复合土工膜试样承受的胀破压力基本相同。由图4(b)可以看出，“双层膜”“布-膜-膜”这2种顶

(a)胀破压力(b)胀破高度图4 不同土工膜与土工布组合方式的复合土工膜胀破压力及胀破高度统计结果

层为双层土工膜的组合方式在破坏时的胀破高度较大，其余组合方式的复合土工膜试样的鼓胀高度小于前者的，且数值上相差较小。

2.2 结果分析

环形约束造成分离式复合土工膜球形鼓胀变形，用分离式复合土工膜长度的增量与变形前的长度之比来表示土工膜试样的应变，使用根据薄膜理论推导出的张应力计算公式来代替应力计算公式，即

(1)

(2)

式中：ε为球形鼓胀变形产生的应变，%；L为夹具直径，mm；δ为鼓胀冠顶高度，mm；T为鼓胀变形产生的张应力，kN/m；P为鼓胀压力，MPa。

不同膜布组合方式复合土工膜试样发生鼓胀破坏时的张应力、应变统计结果见图5。由图5(a)可以看出，张应力随着组合方式变化特征与试验结果中胀破压力基本对应，其中“膜-布-布”的组合方式承受了最大的张应力；其余组如“膜-布-膜”和“膜-膜-布”组、“布-膜-布”和“膜-布”组、“布-膜-膜”和“双层膜”组以及“布-膜”“布-布-膜”和“单层膜”组，每组组内土工膜试样承受的张压力基本相同。由图5(b)可以看出，“双层膜”“布-膜-膜”这2种顶层为双层土工膜的组合方式在破坏时的应变较大，其余组合方式的土工膜试样在破坏时的应变较小，且数值上相差较小。

(a)张应力(b)应变图5 不同土工膜与土工布组合方式的复合土工膜张应力及应变统计结果

1)取法兰盘内径为100 mm的试验数据，对比3组不同组合方式的复合土工膜张应力随应变的变化及鼓胀压力随鼓胀高度的变化，结果见图6—8。具体分组如下：第1组为“布-膜”“单层膜”和“布-布-膜”组合，第2组为“膜-布”和“布-膜-布”组合，第3组为“双层膜”和“布-膜-膜”组合。由图可以看出，由于液压能穿透具有渗透性的土工布，因此组内各组合方式的复合土工膜张应力随应变变化曲线和鼓胀压力随鼓胀高度变化曲线变化趋势一致，曲线基本吻合，可认为直接与压力介质接触的土工布基本不影响土工膜试样的力学性质和鼓胀变形的效果，为无效布。

2)由于土工布抗拉强度很大，因此在干湿状态下都能保持充分的强度和拉伸性能。由4(a)、5(a)可看出，当布位于膜上时，能充分发挥土工布高强的特性，为有效布。试验中，“膜-布-布”(有效布层数为2)组合方式的胀破压力、张应力最大，“膜-布”(有效布层数为1)组合方式的次之，“单层膜”(有效布层数为0)组合方式的最小，因此，可以认为随着鼓胀变形有效布层数的增加，胀破时能承受的胀破压力、张应力也随着增加。

“膜-布”“膜-膜-布”2种组合方式的有效布层数相同，均为1，在发生胀破时，“膜-膜-布”组合方式能承受的胀破压力、张应力大于“膜-布”组合方式的，因此认为处于有效布层数相同时，土工膜层数越多，胀破时能承受的胀破压力、张应力越大。

3)由于土工布的塑性低于土工膜的，因此顶层土工布会约束土工膜变形。由图4(b)可以看出：布在顶层的试样在破坏时的胀破高度较小，如“膜-布”“膜-布-布”；膜在顶层的复合土工膜试样在破坏时的胀破高度相对较大，如“布-膜”“布-布-膜”。

(a)鼓胀压力随鼓胀高度的变化(b)张应力随应变的变化图6 “布-膜”“单层膜”和“布-布-膜”组合方式的复合土工膜鼓胀压力随鼓胀高度及张应力随应变的变化

(a)鼓胀压力随鼓胀高度的变化(b)张应力随应变的变化图7 “膜-布”和“布-膜-布”组合方式的复合土工膜鼓胀压力随鼓胀高度及张应力随应变的变化

(a)鼓胀压力随鼓胀高度的变化(b)张应力随应变的变化图8 “双层膜”和“布-膜-膜”组合方式的复合土工膜鼓胀压力随鼓胀高度及张应力随应变的变化

增加土工膜层数能在一定程度上提高整个分离式复合土工膜的塑性。对于土工膜层数不同的试样，如“单层膜”试样的胀破高度低于“双层膜”，“布-膜”试样的胀破高度低于“布-膜-膜”，因此可以认为，随着土工膜层数的增加，复合土工膜试样的胀破高度增加。

3 结论

通过对比不同土工布与土工膜组合方式的分离式复合土工膜的试验结果，并分析试验数据，可得以下结论：

1)由于液压能穿透具有渗透性的土工布，当压力介质直接接触土工布时，土工布不会影响整个复合土工膜试样鼓胀变形的力学性质，因此可以把位于直接接触压力介质一侧的土工布称作“无效布”，把位于不直接接触压力介质另一侧的土工布称为“有效布”。

2)有效布层数相同时，复合土工膜试样的胀破压力随着组合方式中膜的层数的增加而增大；膜的层数相同时，复合土工膜试样的胀破压力随着组合方式中有效布的层数的增加而增大；不同组合方式的复合土工膜在鼓胀变形时产生的张应力具有同样的特点，即不同组合方式下复合土工膜的胀破压力和张应力随土工膜和有效布的层数增加而增大，呈正相关。

3)由于顶层土工布约束复合土工膜试样变形，因此土工膜在最顶层的试样的胀破高度会大于土工布在最顶层的试样的胀破高度；随着土工膜层数的增加，复合土工膜试样的胀破高度和应变增大。