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膨润土挤压对GCL /土工膜界面抗剪强度的影响

Ana Vukelic#39;a，Antun Szavits-Nossanb，Predrag Kvasnickac

a克罗地亚土木工程学院，Janka Rakuse 1,10000克罗地亚萨格勒布

b土木工程学院，Fra Andrije Kacic#39;a-Miosic#39;a 26,10000克罗地亚萨格勒布

c萨格勒布大学采矿，地质和石油工程学院，Pierottijeva 6,10000克罗地亚萨格勒布

2006年1月23日收到;收到修订后的2007年4月5日;2007年4月6日接受

2007年5月29日在线提供

摘要

在10-400kPa的法向应力下进行针刺土工合成粘土衬垫（GCL）/织构土工膜界面的一系列剪切强度试验。土工膜与GCL的编织土工织物接触。一半的测试是在低正常应力（约1kPa）下对预水化的GCL样品进行的，而另一半是在未预水化的样品上进行的。在剪切到100kPa及以上的正常应力期间暴露的预水化样品表明膨润土挤出到与土工膜接触的区域，这是肉眼可见的。通过引入挤出系数来量化挤出的膨润土。膨润土挤出量随正应力的增加而增加，与膨润土接触面积的润滑导致剪切强度降低。最后，测试表明，对于在较低剪切速率下对预水化样品进行的测试，获得了较低的接触剪切强度，并且观察到更广泛的膨润土挤出到接触区域。

关键词：GCL; 土工膜; 剪切强度; 膨润土挤出

1. 介绍

土工合成粘土衬垫（GCL）作为衬垫安装。在垃圾填埋场，它们被安装在（1）垃圾填埋场底部衬里以减少

污染的渗滤液渗透到地下，以及（2）在覆盖系统中，以最大限度地减少沉淀水渗入沉积的废物中，从而最大限度地减少渗滤液的渗透。土工合成粘土衬垫代表一种复合材料，主要由膨润土（粉末或颗粒）和土工合成材料（土工织物或土工膜）组成（Bouazza和Vangpaisal，2003年).正在对它们进行深入研究，特别是在它们的水力和扩散特性，化学相 容 性 和 机 械 性 能 方 面 （ Bouazza 和 Vangpaisal ，2003)。

在过去几年中，他们的水力性能受到特别关注（Barroso等，2006; 洛尔- enzetti等，2005; Rowe等，2007; 单和陈，2003;Southen和Rowe，2007年; Touze-Foltz等，2006），阳离子交换（Bouazza等，2006; Touze-Foltz等，2006），热致干燥（Southen和Rowe，2005年），内部侵蚀（Rowe和Orsini，2003年），挥发性有机化合物吸附（湖和罗, 2005），变形（狄金森和布拉赫曼，2006年），内部力量（林中小丘 和Rowe，2006年; Koerner等，2001），界面剪切强度（Bergado等，2006），以及通过它们的天然气迁移（Bouazza和Vangpaisal，2003年，2006年).本文研究了GCL的界面剪切强度。对于城市垃圾填埋场和危险废物填埋场的底部衬里，通常使用复合衬里，其由放置在GCL上的土工膜组成。安装这种衬管系统是为了增强渗滤液渗滤或通过废物引入的水的安全性欧盟理事会 (1999) 并由美国环境保护署（EPA）提供。原子能机构还建议将复合衬里安装在城市废物覆盖物中。在这种复合衬里中，一层总是土膜，而另一层是天然的液压衬里或适当的替代材料，如GCL，这是经常使用的。

出于稳定性计算的目的，必须确定GCL和土工膜的剪切强度。土工合成材料界面剪切强度根据标准确定（ASTM D 5321, 2002; ASTM D 6243, 1998;（专门测试GCL的唯一标准）;EN ISO 12957-1, 2005）在实验室直接剪切试验中。考虑到存在不同类型的GCL和土工膜的全部范围，并且这些材料在安装后的执行条件不同，最好对特定产品进行测试，这些产品将在现场使用，并且在条件下密切模拟原地条件（Bouazza，2002年; koerner, 1997年; Koerner等，1998b).

到目前为止，在实验室和现场进行的GCL /土工膜界面剪切强度测试表明，膨润土挤出到与土工膜接触的区域可能会导致界面剪切强度降低（Daniel et al。，1998; 吉尔伯特等人，1996年; 克尔纳 等人，1998a，b; 理查德森和蒂尔，2001年; Triplett和 福克斯，2001年).膨润土主要通过编织土工布和薄的非织造土工布挤出，质量高达22克/米2 （Bouazza，2002年; 吉尔伯特等人， 1997).当膨润土湿润和移动时，认为膨润土挤出（休伊特等人， 1997; Koerner, 1998a, 1998b）与水合膨润土相当;因此，当膨润土在较低的法向应力下预水化时，其挤出比在直接剪切试验中应用的更为广泛（吉尔伯特等人，1997年).最后，发现膨润土挤出直接取决于剪切过程中施加的正应力，即剪切过程中

的正应力越高，挤出越高（Triplett和Fox，2001年)。

2. 目的和研究描述

2.1. 研究目标

bouazza (2002年)表示#39;#39;常规进行实验室界面剪切试验，以评估GCL与土壤或土工合成材料在操作条件下的界面摩擦。因此，现在可以使用更广泛的数据库，然后强调“可能，值得注意的主要发现是土工膜和GCL之间的摩擦阻力可能会降低，因为膨润土通过编织土工布挤出”。

这项研究的目的是在实验室直接剪切试验中建立在特定条件下通过针刺GCL的编织土工织物挤出膨润土的程度，以及这种情况在多大程度上影响针刺GCL剪切强度的降低/纹理土工膜界面。考虑到上述目的，测试以两种不同的方式进行，样品制备方法的选择是主要考虑因素。因此，第一个程序旨在实现最广泛的。

可以进行膨润土挤出（因此GCL样品在仅1kPa的正常应力下预水合，并且一次性施加测试法向应力），而第二

步骤设计为实现最不广泛的挤出（没有GCL样品的预水化）。在测试后在接触区域上观察到的剪切结果和膨润

土量的比较使得可以确定膨润土挤出对GCL /土工膜界面剪切强度的影响。

2.2. 测试程序

测试的材料是增强型BENTOMAT AS 100 GCL，由一层土工织物组成，单位面积质量为105 g / m2，一层200 g / m² 质量的非织造土工织物区域和粒状钠膨润土的中间层，其面积质量为4500g / m 22。复合衬里的第二个元素是喷涂在纹理土工膜上，由厚度为2.5毫米的高密度聚乙烯（HDPE）制成，型号为T / T（光滑的土工膜表面在两侧喷涂，材料与哪种土工膜制成）。土工膜与聚丙烯，GCL的切膜薄织织土工布接触。

一半的测试是在非预水化的样品（系列标记为A）上进行的，另一半是在低正常应力下的预水化样品上进行的（系列标记为B）。A系列样品未经特别准备;也就是说，#39;#39;干#39;#39;样品安装在剪切装置中（样品的初始含水量在11％和13％之间，如在实验室测试中获得的，这也符合制造商的技术数据表） 。安装后，将样品暴露在一起测试正常应力;然后将它们浸没（使用自来水）约18小时。在此之后，剪切样品。

在将它们安装在剪切装置中之前，系列B中的样品在两侧用自来水在非常低的法向应力（约1kPa-顶部剪切

装置压板的重量）下水合。水化持续时间为17天（系列B.1）和7天（系列B.2，B.3和B.4）。水合后，将样品置于剪切装置中并一次性暴露于测试法向应力;然后将它们浸没（使用自来水）在这样的条件下保持24小时。之后，剪切样品。

B系列样品水合所需的时间是根据GCL进行的GCL溶胀测试确定的ASTM D 4546 (2003) (图。1).基于所进行的测试，发现GCL样品的初级水合在约1kPa的正常应力下花费约8000分钟（约5.5天）。所进行的测试的总结在下面给出表格1.

表格1进行的测试总结

样品制备 系列标志 剪切过程中的正应力 剪切速率（mm / min） 正常应力约1 kPa

（kPa） （天）的水化持续时间

非预水化样品 A.1 10, 20, 40 0.91 0

A.2 100, 200, 300, 400 0.91 0

A.3 100, 200, 300, 400 0.1219 0

A.4 100, 200, 300, 400 0.0091 0

预水化样品 B.1 10, 20, 40 0.91 17

B.2 100, 200, 300, 400 0.91 7

B.3 100, 200, 300, 400 0.1219 7

B.4 100, 200, 300, 400 0.0091 7

2.3. 剪切设备

本研究中使用的剪切装置如图所示图2.将纹理化的土工膜放在和上固定在14 14 cm的底部固定压板上，并将GCL固定在10 10 cm的顶部移动压板上。将GCL样品切割成1212cm，即，在压板的每一侧上具有比顶板更大的尺寸约1cm。以这种方式，防止水平膨润土挤出润滑边缘上的接触区域。在GCL和顶部压板之间，插入3D过滤网以在剪切期间实现排水条件。通常的做法是对尺寸较大的样品进行土工合成材料的剪切强度测试，因为现有标准要求样品的最小尺寸为30 30 cm（ASTM D 5321, 2002; 阿姆斯特丹 6243, 1998; EN ISO 12957-1, 2005).尽管如此，许多作者（吉尔伯特等人，1997年; Koerner等，1998b; Kovacevic#39;Zelic#39;，2000）考虑在用于测试针刺GCL的较小设备上进行的测试不一定会产生较差的结果。此外，Koerner等。(1998b) 说#39;针刺GCL有如此多的纤维穿透，100毫米方形剪切箱通常是足够的#39;#39;。然而，本研究中使用的剪切装置。有一些限制，例如有限的最大位移（1.8厘米）和夹持系统，允许GCL在剪切测试期间伸展。

3. 获得剪切强度

共进行了30次试验，并给出了剪切强度的总结表2和表3（注意，结果是针对特定材料测试和使用的测试方

法）。给出的值表2和表3因为在剪切中有限的水平位移和GCL拉伸，在试验中没有获得峰值剪切强度，因此动员

了剪切强度（图3);在300和400kPa的应力下，这种拉伸更明显。出于这个原因，应用了一个标准，根据该标准，动员的剪切强度等于在1.5cm水平位移（样品总长度的15％）下实现的剪切应力。对于在低于300kPa的正常应力（A系列和B系列）下进行的试验，1.5cm的水平位移接近达到峰值剪切强度。

表2为A.1和B.1系列试验获得的动员剪切强度

系列标志 剪切速率（mm / min） 应用法向应力的动员剪切强度（kPa）

10千帕 20千帕 40千帕

A.1 0.91 6 10 19

B.1 0.91 5 9 19

表3为A.2-A.4和B.2-B.4系列试验获得的动员剪切强度

系列标志 剪切速率（mm / min） 应用法向应力的动员剪切强度（kPa）

100千帕 200千帕 300千帕 400千帕

A.2 0.91 41 79 115 135

A.3 0.1219 40 64 110 139

A.4 0.0091 42 72 105 137

B.2 0.91 39 64

资料编号：[3581]