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卓丰
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1 第 33 卷第 6 期岩土工程学报 Vol.33 No 年.6 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering June 2011 垃圾填埋场多层复合衬垫的破坏面特征钱学德 1, 2, 3 2,, 施建勇 3* 2,, 刘慧 3 2, 3, 朱月兵 (1. 密歇根州自然资源和环境保护厅, 美国, 密歇根, 兰辛 48913;2. 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 江苏南京 ; 3. 河海大学岩土工程科学研究所, 江苏南京 ) 摘要 : 多层土工合成材料复合衬垫的极限破坏面特性是垃圾填埋场稳定分析的重要问题, 单一固定破坏面的观点已经被广泛接受在多层土工合成材料复合衬垫的整体叠环式单剪试验后发现极限破坏界面并非单一固定, 而是随着法向应力的变化发生由一个界面向另一界面转移, 且在一定的法向应力范围内还可能同时出现两个具有相同剪切强度的极限破坏界面 ; 多层土工合成材料复合衬垫中各层的剪切应力位移曲线是硬化型的, 衬垫系统的剪切强度总是低于极限破坏界面的剪切强度试验结果表明, 叠环式单剪仪能更正确和合理地模拟填埋场中的多层复合衬垫在加载过程中的实际剪切变形情况和复合衬垫中材料间的相互作用, 从而能更好地揭示多层复合衬垫系统的整体剪切特性关键词 : 多层复合衬垫 ; 叠环式单剪 ; 极限破坏界面 ; 剪切特性中图分类号 :TU411 文献标识码 :A 文章编号 : (2011) 作者简介 : 钱学德 (1949 ), 江苏张家港人, 博士, 教授, 主要从事环境岩土工程研究 xuedegian@yahoo.com Failure interface behavior of multilayer landfill liner system QIAN Xue-de 1, 2, 3, SHI Jian-yong 2, 3, LIU Hui 2, 3, ZHU Yue-bing 2, 3 (1. Michigan Department of Natural Resources and Environment, Lansing, Michigan 48913, USA; 2. MOE Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering, Nanjing , China; 3. Geotechnical Research Institute of Hohai University, Nanjing , China) Abstract: The behavior of critical interface in geosynthetic multilayer liner system is an important problem in stability analysis of landfills. The point of single and fixed critical interface is widely adopted. By using the ring simple shear apparatus it is found that the critical interface in geosynthetic multilayer liner system is not single and fixed, and it can shift from one to another with changes of the normal, and two critical interfaces with the same strength may exist in a certain extent of the normal stress. The relationship between shear stress and displacement for the tested geosynthetic multilayer liner system is hardening behavior under various normal stresses. The shear strength of liner system is always lower than that of the critical interface. The test results show that the ring simple shear apparatus can better reveal the shearing behavior for the entire liner system and more reasonably simulate the interaction of various liner materials of a multilayer liner system. Key words: multilayer liner system; ring simple shear apparatus; critical interface; shear behavior 0 引言目前, 垃圾填埋场呈向高大型发展的趋势, 填埋场的稳定问题成为设计和运行中最重要的考虑因素之一填埋场的失稳不仅会引起渗滤液大量泄漏, 严重污染周围环境, 甚至会导致财产损失和人员伤亡, 因此其后果将是灾难性的近年来, 填埋场的失稳现象时有发生 1988 年 3 月 19 日, 美国加利福尼亚州的 Kettlemam Hills 危险废弃物填埋场的填埋体沿背坡和底部土工合成材料衬垫界面发生整体滑动, 大约 49 万 m 3 危险废弃物产生侧向位移 10.7 m, 竖向位移 4.3 m [1] 1994 年, 法国的一座垃圾填埋场的填埋体沿背坡和底部的土工膜与黏土界面发生滑移破坏, 大约 10 万 m 3 的填埋体失稳滑动 1997 年, 南非的一座进行侧向扩容的垃圾填埋场在 48 h 的降雨后, 大约 30 万 m 3 的填埋体沿侧向新老垃圾的界面和底部土工布与土工膜界面发生滑移破坏 [2-3] 中国南方城市的一个大型填埋场在 2008 年 6 月连续强降雨期间, 垃圾坝前堆体边坡发生了失稳事件, 该填埋场是中国首批在场底铺设土工合成材料复合衬垫系统的大型卫生填埋场, 堆体边坡失稳是由沿场底复合衬垫系统中薄弱界面的深层滑移引起的基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 江苏省自然科学基金项目 (BK ) 收稿日期 : * 通讯作者

河海大学岩土工程科学研究所, 江苏南京 210098) 摘要 : 多层土工合成材料复合衬垫的极限破坏面特性是垃圾填埋场稳定分析的重要问题, 单一固定破坏面的观点已经被广泛接受在多层土工合成材料复合衬垫的整体叠环式单剪试验

2 第 6 期钱学德, 等. 垃圾填埋场多层复合衬垫的破坏面特征 841 现代大型垃圾填埋场是一个包含有多种材料的体积庞大的土工构筑物, 特别是对使用多层土工合成材料复合衬垫的现代垃圾填埋场, 其破坏原因就变得更加复杂钱学德和 Koerner 对国际上近 20 年来发生的 15 起大型垃圾填埋场失稳破坏实例进行了的调查和研究, 发现其中 11 个为垃圾体沿衬垫系统的平移破坏, 仅 4 个为垃圾体内部的圆弧滑动破坏, 而且, 所有含有土工合成材料衬垫的填埋场其破坏型式都是破坏面沿衬垫系统的平移破坏 [3-5] 由此可知, 以土工合成材料为主组成的复合衬垫界面剪切特性将成为控制现代填埋场稳定和进行现代填埋场平移破坏分析的一个重要的因素 [6-7] 目前研究不同材料界面剪切特性的常用试验方法主要为大型直剪试验 [8-9] [10-12] 扭剪试验和斜板试验 [13-15] 但研究多层土工合成材料复合衬垫剪切特性的位移为 80 mm 剪切盒系统含叠环系列加载板 120 mm 厚的下盒及 50 mm 厚的上盒剪切盒的内径为 300 mm 叠环与剪切盒的平面尺寸相同, 内开 300 mm 的圆孔加载和剪切系统示意图见图 2 试验尚处于探索之中目前的研究成果发现在多层土工合成材料复合衬垫中的破坏面会因法向应力的变化 [12, 而发生转移 16-18], 但是单一破坏面的观点并没有受到怀疑本文着重讨论利用大型叠环式斜面单剪仪对多层土工合成材料复合衬垫的剪切特性进行研究的问题 1 试验设备和试验材料试验设备是在岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室已有的用于土石坝填料与混凝土结构界面特性的大型单剪仪上, 特别研制 1.5 mm 厚的剪切叠环, 经多次改装调试完成的该设备由多层剪切盒系统法向应力加载控制系统水平向剪力加载控制系统数据采集与传输系统组成, 设备示意图如图 1 所示图 1 叠环式单剪仪示意图 Fig. 1 Schematic diagram of ring simple shear apparatus 仪器的法向应力加载能力为 2.8 MPa, 通过上盒由法向荷载压力缸施加 ; 水平剪应力加载能力为 2.8 MPa, 通过下盒由水平荷载压力缸施加 ; 水平剪应力施加时下盒发生剪切位移, 仪器允许的最大水平剪切图 2 叠环式单剪仪加载和剪切系统示意图 Fig. 2 Schematic diagram of loading and shearing systems of ring simple shear apparatus 试验过程中多层土工合成材料复合衬垫试样按序叠放在剪切盒系统中, 通过荷载板施加恒定的法向应力, 叠环本身只受到很小的压力, 能够沿剪切方向自由位移 ; 衬垫的破坏发生在最软弱的界面, 有别于直接剪切试验中破坏面是预设的情况, 故叠环单剪仪能合理模拟多层土工合成材料复合衬垫的界面强度和破坏特性一组位移传感器用于监测每一叠环的位移, 可以测量在剪切试验时复合衬垫中每个界面材料之间的相对位移 ; 复合衬垫系统的总的剪切位移可以通过量测上下盒间的剪切位移来得到 ; 试验时试样总的竖向位移由两只位移传感器监测, 试验中任一法向应力下各位移传感器监测得到的位移信息和对应的剪切应力均由计算机采集处理在试验中模拟的常见复合衬垫自上而下为 : 砂层无纺型土工布 CE131 双向土工网 1.5 mm 厚的光面 HDPE 土工膜和压实黏土压实黏土的含水率控制为

近 20 年来发生的 15 起大型垃圾填埋场失稳破坏实例进行了的调查和研究, 发现其中 11 个为垃圾体沿衬垫系统的平移破坏, 仅 4 个为垃圾体内部的圆弧滑动破坏, 而且, 所有含有土工合成材料衬垫的填埋场其破坏型式都是破坏面沿

3 842 岩土工程学报 2011 年 18%, 比最优含率量高约 1%, 压实度约为 95%; 砂为风干标准砂 ; 土工布土工网土工膜裁剪成直径 350 mm 的圆形试样并黏结在 1.5 mm 厚的剪切环上防止剪切过程中起褶皱为了防止试验过程中砂的散落和下盒中土体产生较大的压缩变形, 使得叠环中多层土工合成材料复合衬垫的每层都能在法向压力下沿水平向自由位移, 试验时标准砂放在下盒, 依次叠放含有土工布土工网土工膜的叠环, 压实黏土放在上盒经前期试验结果证明, 下盒中的砂土即使在较高的法向应力下压缩变形也很小, 位于各叠环中的各层土工合成材料的位移没有受到任何限制 [19] 已有的试验结果表明, 多层土工合成材料复合衬垫界面中极限破坏面并不固定, 而是随法向应力变化 (112~224 kpa 之间 ) 由某一界面向另一界面转移, 但是极限破坏面随法向应力变化的转移特征还并不清楚 [16 18] 为了调查极限破坏面随法向应力变化而转移的详细过程, 补充进行发生破坏面转移法向应力范围内的单剪试验补充试验的法向应力为 112,168,196, 224 kpa 四个不同的法向应力试验时的剪切位移速率控制为 0.2 mm/min 试验终止条件为, 剪切应力位移曲线出现峰值并达到残余强度或上下盒间的剪切位移达到 18 mm 2 衬垫系统极限破坏界面的分析在新的单剪试验中得到的砂土土工布土工布土工网土工网土工膜土工膜压实黏土 4 个界面在 4 个不同法向应力下的相对位移与时间之间的试验曲线见图 3 图 4 是对应法向应力下的各界面的剪切应力位移曲线试验中, 同一法向应力下各剪切界面承受的剪切应力相同, 某一界面的位移持续增加并达到破坏, 该界面即为此法向压力下多层复合衬垫中的极限破坏界面由图 3(a) 可见, 当法向应力为 112 kpa 时, 土工网土工膜界面的位移的增加比衬垫系统中其它的界面都要快, 并随时间持续增加 ; 而砂土工织物和土工织物 - 土工网界面的位移很小, 位移量约为 0.5 mm; 土工膜 - 压实黏土界面的位移次之, 最大位移量约 3 mm, 但是远小于土工网土工膜间的位移在相同的剪切应力下土工网土工膜界面位移比衬垫系统中的其它界面大, 因此在法向应力为 112 kpa 时土工网土工膜界面是可能的极限破坏面土工合成材料界面的应力 - 位移曲线如有峰值, 一般峰值发生在位移小于 6 mm 范围内 [20], 因为图 4(a) 的应力位移曲线位移已经超过 6 mm 尚未出现峰值, 界面的应力位移曲线将会持续硬化直至破坏, 故土工网土工膜界面是最软弱的界面, 即为极限破坏面由图 3(d) 可见, 当法向应力为 224 kpa 时, 土工膜压实黏土界面的位移增速快于衬垫系统中的土工网土工膜以及其它界面, 且土工膜压实黏土界面的位移随时间持续增加, 大位移界面的强度低于衬垫系统中的其它界面, 极限破坏面已经转移到土工膜压实黏土界面图 4(d) 同样表明土工膜压实黏土界面是已经转移后的极限界面图 3 剪切位移时间曲线 Fig. 3 Relationship between displacement and time for various liner interfaces

土工布土工网土工膜的叠环, 压实黏土放在上盒经前期试验结果证明, 下盒中的砂土即使在较高的法向应力下压缩变形也很小, 位于各叠环中的各层土工合成材料的位移没有受到任何限制 [19] 已有的试验结果表明, 多层土工合成材

4 第 6 期钱学德, 等. 垃圾填埋场多层复合衬垫的破坏面特征 843 图 4 剪切应力位移曲线 Fig. 4 Relationship between shear stress and displacement for various liner interfaces 更有意义的现象由图 3(b) (c) 可见, 当法向地量测在大应变时不同土工合同成材料界面上或土工应力为 168 kpa 时, 土工膜压实黏土界面的位移增合成材料与土的界面上的强度变化情况, 但是这些仪速快于衬垫系统中的其它界面, 但土工网土工膜界器都只能用于量测单个界面上的剪切强度, 而不能模面的位移随时间也在同步增加, 两个界面的位移时拟位于填埋场底部的多层复合衬垫系统在整体剪切时间试验曲线基本平行, 两个大位移界面的强度相同, 的实际情况而考虑多层复合衬垫系统的整体变形和土工网土工膜与土工膜 - 压实黏土界面都可能是极多种材料间的应力应变的差异或相互作用, 国内外在限破坏面当法向应力增加为 196 kpa 时, 土工膜这方面的研究还几乎是空白另外, 在直剪试验中, 压实黏土和土工网土工膜界面的位移几乎相同再极限界面的剪切应力剪切位移只能从衬垫中限定的根据图 4(b) (c) 判断, 土工网 - 土工膜与土工膜界面试验得到, 通常情况下直剪试验中极限界面的应压实黏土界面都是极限破坏面力位移关系并不能代表整个衬垫系统, 除非假设剪试验结果表明, 多层土工合成材料复合衬垫中的切过程中界面的位移只在极限界面上产生, 衬垫系统极限破坏面不是固定在某一界面, 而随法向应力的变其它界面不再有任何位移由图 3,4 所示的复合衬垫化由一个界面向另一个界面转移 ; 在发生转移的过程系统的整体单剪试验结果可见, 虽然位移主要发生在中, 在一定的法向应力范围内将会同时出现两个具有极限界面上, 但是在其它界面上也会产生较小的位移相同剪切强度的极限破坏面的情况, 如本次试验法向 ( 如图 5 所示 ) 因此, 极限界面的应力位移不能代应力 168~196 kpa 范围, 土工网土工膜与土工膜表衬垫系统的整体特征, 因为极限界面的位移总是小压实黏土界面都是极限破坏面, 这是其他研究文献没于衬垫系统的整体位移衬垫系统的整体位移是上盒 [12, 有报道的 14] 和下盒间的位移 ( 见图 5) 3 多层复合衬垫系统的强度特性目前国内外在研究多层复合衬垫系统剪切变形特性时都是把复合衬垫系统的多层界面拆为彼此相邻的界面, 分别进行抗剪强度试验, 用单个界面试验的结果来进行复合衬垫系统稳定分析在复合衬垫系统多层界面力学特性的试验研究方面利用经过改进或重新设计的大型直剪仪或其他的试验仪器, 虽然能够较好图 6 是复合衬垫系统在不同法向应力下由整体单剪试验得到的应力位移曲线由图 6 可见, 衬垫系统整体单剪试验的应力位移曲线也是持续硬化型由图 6 可以确定衬垫系统的整体强度包线, 如图 7 所示综合图 3~6 可见, 在单剪试验中由于衬垫系统的整体位移大于极限破坏界面的位移, 即相同破坏位移下衬垫系统的强度应略小于极限破坏界面的强度 ;

面的位移增合成材料与土的界面上的强度变化情况, 但是这些仪速快于衬垫系统中的其它界面, 但土工网土工膜界器都只能用于量测单个界面上的剪切强度, 而不能模面的位移随时间也在同步增加, 两个界面的位移时拟位于填埋场底

6 844 岩土工程学报 2011 年图 5 多层复合衬垫各界面在整体剪切试验时的相对位移示意图 Fig. 5 Shear displacement for each interface in a composite liner system during shear tests 在出现两个极限破坏界面的情况下, 衬垫系统的强度地模拟填埋场中的复合衬垫在加载过程中的实际剪切明显小于其中的任一极限破坏界面的强度试验结果变形情况, 而且还能模拟复合衬垫各层材料在加载和说明叠环式单剪试验能更好地模拟衬垫系统整体的相剪切过程中的相互作用 [17] ; 而目前常用的把复合衬垫互作用, 更全面发现多层土工合成材料复合衬垫的实的多层界面拆为单个界面分别进行抗剪强度试验的方际剪切变形特性法, 不能够正确地反映填埋场中的复合衬垫在加载过程中的衬垫单元的实际受压变形情况和在剪切变形过程中极限破坏面转移的情况, 也不能模拟复合衬垫各层材料在加载和剪切过程中的相互作用 ; 因此, 目前常用的试验方法可能会得出不符合实际的结果图 6 多层复合衬垫的整体应力位移曲线 Fig. 6 Relationship between shear stress and displacement for a.multilayer system 图 7 多层复合衬垫的整体强度包线 Fig. 7 Strength envelop for a multilayer 由上述的试验结果可以看出, 利用叠环式单剪仪进行的多层复合衬垫整体剪切试验的结果能够较正确 4 结论通过多层土工合成材料复合衬垫的叠环式单剪试验, 得到如下几点结论 (1) 多层土工合成材料复合衬垫的极限破坏界面不是固定在某一界面, 而是随着法向应力的变化会从一个界面向另一界面转移, 在一定的法向应力范围内还可能两个界面同时出现极限破坏 (2) 试验中多层土工合成材料复合衬垫中各界面的剪切位移以及整个衬垫系统的剪切位移都可以直接测得, 衬垫系统的剪切应力位移曲线没有出现峰值或软化现象, 是硬化型的 (3) 衬垫系统的剪切强度不等于极限破坏界面的剪切强度, 总是低于极限破坏界面的剪切强度 (4) 叠环式单剪仪能更正确和合理地模拟填埋场中的多层复合衬垫在加载过程中的实际剪切变形情况和复合衬垫中材料间的相互作用, 从而能更好地揭示多层复合衬垫系统的整体剪切特性更多的各种多层土工合成材料包括复合土工排水网糙面 HDPE 土工膜土工聚合黏土衬垫 (GCL)

破坏界面的强度试验结果变形情况, 而且还能模拟复合衬垫各层材料在加载和说明叠环式单剪试验能更好地模拟衬垫系统整体的相剪切过程中的相互作用 [17] ; 而目前常用的把复合衬垫互作用, 更全面发现多层土工合成材料复合

7 第 6 期钱学德, 等. 垃圾填埋场多层复合衬垫的破坏面特征 845 组成的复合衬垫叠环式单剪试验以及对比试验还在继续进行参考文献 : [1] MITCHELL J K, SEED R B, SEED H B. Kettleman hills waste landfill slope failure I: liner system properties[j]. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1990, 116(4): [2] KOERNER R M, SOONG T Y. Stability assessment of ten large landfill failures[c]// Advances in Transportation and Geoenvironmental Systems Using Geosynthetics, Proeedings of Sessions of GeoDenver 2000, ASCE Geotechnical Special Publication (103): [3] QIAN Xue-de, KOERNER R M. Translational failure analysis of solid waste landfills including seismicity and leachate head calculations[r]. Geosynthetic Research Institute, Drexel University, Philadelphia, Pennsylvanian, 2007, GRI Report. [4] QIAN Xue-de, KOERNER R M, GRAY D H. Geotechnical aspects of landfill design and construction[m]. New Jersey: Prentice Hall Inc., Upper Saddle River, [5] QIAN Xue-de, KOERNER R M. Stability analysis for using engineered berm to increase landfill space[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2009, 135(8): [6] QIAN Xue-de, KOERNER R M, GRAY D H. Translational failure analysis of landfills[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2003, 129(6), [7] QIAN Xue-de, KOERNER R M. Effect of apparent cohesion on translational failure analyses of landfills[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2004, 130(1): [8] FOX P J, ROWLAND M G, SCHEITHE J R. Design and evaluation of a large direct shear machine for geosynthetic clay liners[j]. Geotechnical Testing Journal, ASTM, 1997(6): [9] ESTERHUIZEN J J B, FILZ G M, DUNCAN J M. Constitutive behavior of geosynthetic interface[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2001, 127(10): [10] STARK T D, POEPPEL A R. Landfill liner interface strengths from torsional-ring-shear tests[j]. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1994, 120(3): [11] STARK T D, WILLIAMSON T A, EID H T. HDPE geomembrane/geotextile interface shear strength[j]. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1996, 122(3), [12] EID H T. Interactive shear strength behavior of landfill composite liner system components[c]// Proceedings of the 7th Geosynthetics International Conference, Nice, France, 2002: [13] MIZYAL I, YIDIZ W. Geomembrane-sand interface frictional properties as determined by inclined board and shear box tests[]. Geotextiles and Geomembranes, 1998, 16: [14] PALMEIRA E M, LIMA JR N R, MELLO L G R. Interaction between soils and geosynthetic layers in large-scale ramp tests[j]. Geosynthetics International, 2002, 9(2): [15] DHANI B N. A simple tilt table device to measure index friction angle of geosynthetic[j]. Geotextiles and Geomembranes, 2003, 21: [16] SHI Jian-yong, QIAN Xue-de, ZHU Jun-gao, et al. Applications of shear strengths of solid waste and multilayer liner in landfills[c]// Proceedings of 2009 International Symposium on Geoenvironmental Engineering, Hangzhou, China, September 2009: [17] 施建勇, 钱学德, 朱月兵. 垃圾填埋场复合衬垫剪切特性单剪试验研究 [J]. 岩土力学,2010, 31(4): (SHI Jian-yong, QIAN Xue-de, ZHU Yue-bing. Shearing behavior of landfill composite liner by simple shear test[j]. Chinese Journal of Geomechanics, 2010, 31(4): (in Chinese)) [18] 施建勇, 钱学德, 朱月兵. 垃圾填埋场土工合成材料的界面特性试验方法研究 [J]. 岩土工程学报, 2010, 32(5): (SHI Jian-yong, QIAN Xue-de, ZHU Yue-bing. Experiment methods for interface behavior of geosynthetics in landfills[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(5): (in Chinese)) [19] 朱月兵. 现代卫生填埋场复合衬里的力学特性研究 [D]. 河海大学, (ZHU Yue-bing. Mechanical behavior of composite landfill liner systems[d]. Nanjing: Hohai University, (in Chinese)) [20] 施建勇. 弹性薄膜理论及其应用 [J]. 河海大学学报, 1993, 21(1): (SHI Jian-yong. The theory of elastic membrane and application[j]. Journal of Hohai University, 1993, 21(1): (in Chinese))

Stability assessment of ten large landfill failures[c]// Advances in Transportation and Geoenvironmental Systems Using Geosynthetics, Proeedings of Sessions of GeoDenver 2000, ASCE Geotechnical

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知第卷第期年月开放教育研究何秋琳张立春华南师范大学未来教育研究中心广东广州随着图像化技术和电子媒体的发展视觉学习也逐步发展为学习科学的一个研究分支得到研究人员和教育工作者的广泛关注基于此作者试图对视觉学习