粘土衬垫与 HDPE 土工膜

城市固体废弃物 (MSW) 的时变性会影响填埋体的稳定 [1-3]。MSW 组分复杂，随着填埋龄期增 加，大量有机物和纤维状物质产生降解，其抗剪强度也会随之改变。而抗剪强度的降低是造成分 层 垃 圾 填 埋 体 滑 移 的 主 要 原 因[4-6]。 填 埋 体 的 滑 移 失 稳 破 坏 会 导 致 大 量 填 埋 垃 圾 和 渗 滤 液 滑 出 场 外，造成严重的环境污染及财产损失[7]。 抗 剪 强 度是 MSW 重 要 的 力 学 性 能 之 一 ， 其 变 化 规 律 与 填 埋 龄 期 密 切 相 关 。 随 着 龄 期 的 增 加，MSW 的内摩擦角会增大，而粘聚力逐渐降低直至为 0[8-10]，这会导致填埋体沿衬垫发生滑移破 坏。因此，土-膜界面的剪切特性得到了学者们的广泛研究[11-15]。PUNETHA 等[13] 通过直剪实验研 究了光面及糙面 HDPE 土工膜和各类土颗粒物界面抗剪强度。BACAS 等[14] 对 8 种土工合成材料和 18 种不同界面进行了直剪实验，分析了界面剪切强度特性。LI 等[15] 研究了冻融循环作用下，密实 粘土衬垫与 HDPE 土工膜界面剪切特性。在稳定性分析方面，ZIENKIEWIEZ 等[16] 首次将强度折减 法引入到有限元边坡分析中。UGAI 等[17]、郑颖人等[18] 和陈雪珍等[19] 将有限元分析的安全系数应 用在工程中，推动有限元强度折减法的发展。 学者们通常以实验确定各层垃圾土的抗剪强度，对分层填埋场进行稳定性分析[4,6]。但目前对 分层填埋场的稳定性分析都集中在以粘土作为中间衬垫，HDPE 土工膜因为其耐久性好、化学性质 稳定、柔韧性佳等特性而被视为替代粘土的理想材料[20]，同时又缺乏将土工膜作为中间衬垫的应用 研 究 。 因 此 ， 本 研 究以 HDPE 土 工 膜 代 替 粘 土 作 为 中 间 衬 垫 ， 进 行 土-膜 界 面 剪 切 实 验 ， 利用 PLAXIS 有限元软件模拟分层填埋体的滑移过程及其整体稳定性变化，并分析 HDPE 土工膜作为中 间衬垫的可行性，以期为土工膜应用于填埋场作为中间衬垫提供参考。

直剪实验的材料取自某苏南平原型垃圾填 埋 场 ， 总 计 填 埋 库 容 量为 476.5×104 m3。 实 验 土 样 分 别 取 自 该 场 地 的 改 扩 建 工 程 、 二 期 工 程、续建工程、续建二期工程。其物理指标如 表 1 所 示 。 选用 3 种 不 同 规 格的 HDPE 土 工 膜，分别为喷着式、柱点式和光面式。其中， 柱点式表面排布规则的小凸点；喷着式表面具 有不规则纹理，粗糙程度比柱点式低；光面式 表 面 则 是 光 滑 的 平 面 。3 种 土 工 膜 厚 度 均 为 1.5 mm，密度大于 0.94 g·cm-3，炭黑含量在 2%~ 3%。HDPE 土工膜的物理参数如表 2 所示。 1.2 实验装置 实验仪器与试样布置如图 1 所示，采用大 尺寸直剪仪 (THE-1 000，天水红山实验机有限 公 司)， 上 下 剪 切 盒 尺 寸为 500 mm×500 mm× 410 mm，根据《土工合成材料测试规程》 (SL 235-2012) [21] 进行实验 。

面剪切实验结果如图 3 所示。由图 3 (a) 可知，11 a 内土-膜界面粘聚力呈现下降趋势，但在 小于 6 a 时，土-膜界面粘聚力降低不明显。其原因可能是，在龄期较短时，MSW 中有机质组分迅 速降解，纤维物质降解缓慢导致其质量占比增加，因此，在剪切过程中能持续提供粘聚效果[9]。随 着龄期增长，生物降解充分导致纤维物质含量降低，废渣等组分中颗粒含量增高[9]，增大了土-膜 界面的摩擦，因而，MSW 失去粘聚力，土-膜界面内摩擦角呈现上升趋势，如图 3 (b) 所示。垃圾 土与 HDPE 土工膜界面剪切实验表明，相同的竖向荷载作用下，由于土工膜表面粗糙程度不同， 随着法向应力的增大，表面越粗糙的的土工膜与 MSW 之间的摩擦越大，界面抗剪能力越好。