摘要
结合H-V立体土工膜(Horizontal-Vertical three-dimensional geomembrane)及传统水平土工膜衬垫与土相互作用的力学模型试验,利用基于离散元理论的颗粒流软件(Particle Flow Code, PFC),从细观角度系统研究不同几何特征的土工膜与土之间的相互作用机理。分别从已完成土工膜复合衬垫模型试验所得的宏观力学特征、不同几何特征的土工膜衬垫与土颗粒之间的位移变化规律、土颗粒与膜之间的接触力分布、膜上的应力分布及整体衬垫系统中竖向应力的分布等方面进行对比分析。结果表明:与传统水平土工膜相比,H-V立体土工膜除了具有传统水平土工膜与土之间的摩擦作用外,还有竖向膜部分对土颗粒附加的侧摩阻力和咬合力作用;竖向膜不仅可以约束土颗粒的位移和力链从受荷中心向加载板两侧方向的传递,而且能使H-V立体土工膜与土形成良好的约束挤密区,一方面延缓了H-V立体土工膜衬垫内部形成连续滑移面,另一方面更有效地均化了整体衬垫中的应力分布,使得相同上覆荷载下H-V立体土工膜衬垫的整体沉降和不均匀沉降更小。
复合衬垫是目前卫生填埋场中最重要的防污屏
由于土体的离散介质特性,常规的剪切试验往往难以直接观测或表征土工膜与土之间复杂的界面力学行为。但离散元法却在此方面具有明显的优势,可以在试验基础上为进一步分析非连续介质的力学行为提供依
综上所述,利用离散元法可以较好地模拟离散颗粒与连续介质之间的细观作用机理,进而从细观角度解释宏观力学现象形成的本质。然而,尽管现有试验已经表明,相较传统水平土工膜复合衬垫,H-V立体土工膜复合衬垫具有更优的力学性
H-V立体土工膜复合衬垫力学模型试验主要模拟条形荷载作用在砂土表面且砂土与土工膜直接接触的情况。试验设备、材料及测量装置如

图1 试验装置照片
Fig. 1 Photo of test device

图2 H-V立体土工膜示意图
Fig. 2 Schematic diagram of Horizontal-Vertical three-dimensional geomembrane

图3 砂土位移范围
Fig. 3 Sand displacement range
在PF

图5 模型示意图
Fig. 5 Model Schematic diagram
在PFC模拟中,材料的细观参数,如接触刚度、链接刚度等常采用试错法标

图6 砂土颗粒分级加载荷载—沉降(p-S)曲线对比
Fig. 6 Comparison of load-settlement (p-S) curves of sand particles under graded loading

图7 土工膜单轴拉伸力—位移(F-ΔL)曲线
Fig. 7 Force-displacement (F-ΔL) curves of geomembrane under uniaxial tension

图8 不同衬垫系统p-S曲线
Fig. 8 p-S curves of different liner systems

(a) 纯砂

(b) 纯砂A区域放大详图

(c) 水平土工膜复合衬垫

(d) 水平土工膜复合衬垫B区域放大详图

(e) H-V立体土工膜复合衬垫

(f) H-V立体土工膜复合衬垫C区域放大详图
图9 不同衬垫位移分布及详图
Fig. 9 Displacement distributions and details of different liners
由
此外,对比可知,H-V立体土工膜复合衬垫中的土颗粒呈现出与传统水平土工膜不同的运动趋势。对比

(a) 纯砂

(b) 纯砂A区域放大详图

(c) 水平土工膜复合衬垫

(d) 水平土工膜复合衬垫B区域放大详图

(e) H-V立体土工膜复合衬垫

(f) H-V立体土工膜复合衬垫C区域放大详图
图10 不同衬垫接触力分布及详图
Fig. 10 Contact force distribution and details of different liners
由
同时,对比可知,H-V立体土工膜复合衬垫中从左至右水平向发展的力链被H-V立体土工膜的竖向膜阻断(

(a) 水平土工膜力链分布(俯视图)

(b) H-V立体土工膜中水平膜上力链分布(俯视图)

(c) H-V立体土工膜中竖向膜上力链分布(侧视图)
图11 不同形式土工膜上的力链分布图
Fig. 11 Distribution diagram of force chains on different geomembranes
此外,由

(a) 纯砂

(b) 水平土工膜复合衬垫

(c) H-V立体土工膜复合衬垫
图12 不同衬垫竖向应力分布
Fig. 12 Vertical stress distribution of different liners
结合已发表文献的试验结果,利用基于离散元的PFC软件,从细观上模拟了具有不同几何特征的土工膜复合衬垫中膜—土界面的作用机理,得到以下主要结论:
1)土工膜复合衬垫PFC数值模拟结果与实测值吻合良好。在相同上覆荷载作用下,水平土工膜和H-V立体土工膜均能较好地改善复合衬垫的受力性能,而相对于水平土工膜复合衬垫,H-V立体土工膜复合衬垫的整体沉降及不均匀沉降更小,能够承受更大的上覆载荷。
2)水平土工膜主要表现出阻隔作用和摩擦作用,其中,阻隔作用使得砂土颗粒未能进一步向衬垫下方和更深处运动,而摩擦作用限制了土颗粒的水平向运动,整体衬垫对土中的应力起到扩散作用。
3)H-V立体土工膜复合衬垫中,除了具有传统水平膜的阻隔作用和摩擦作用机理外,还主要体现在H-V立体土工膜中竖向膜的摩擦、侧阻和协同约束作用。竖向膜不仅约束了土颗粒在上覆荷载作用下力链向加载板两侧方向的传递,并与土颗粒形成了约束挤密区,使得H-V立体土工膜复合衬垫中颗粒的接触力链比水平土工膜复合衬垫分布更均匀;同时减缓了水平膜上拉力的扩展,进而减小了H-V立体土工膜的整体变形,使得H-V立体土工膜表现出更好的抗拉性能。
4)传统水平土工膜和H-V立体土工膜具有不同的膜—土界面相互作用机理。与传统水平土工膜复合衬垫相比,在相同上覆荷载作用下,H-V立体土工膜复合衬垫宏观上表现为衬垫系统的整体沉降及不均匀沉降更小、土应力分布更均匀及承载性能更高等优点。
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