土壤-土工膜界面在单调温度循环下的性能：对基础设施耐久性的影响

《Results in Engineering》：Soil- Geomembrane Interfaces Performance Under Monotonic Temperature Cycles: Implications for Infrastructure Durability

本研究针对巴基斯坦干旱地区雨水收集 reservoirs 中的土壤-土工膜界面问题，通过直接剪切试验分析稳定（20℃）、低温（5-20℃）和高温（50-20℃）温度循环对剪切强度及界面摩擦角的影响。结果表明，稳定温度循环下界面剪切强度在4个周期内下降18.57%，低温循环影响较小（14.51%），而高温循环导致显著降低（27.19%），主要因HDPE材料微降解及接触面积减少。建议采用更厚或高热阻土工膜并考虑温度循环设计，以提高地质衬里长期性能。

　　### 土壤与土工膜界面在温度循环下的行为研究

#### 研究背景与意义

在工程实践中，土壤与土工膜之间的界面性能对于结构的稳定性至关重要。土工膜作为一种高渗透性和弹性材料，广泛应用于垃圾填埋场、水坝、防水工程、基础衬垫以及土壤边坡的复合衬垫等场景。然而，环境温度的变化可能会对这种界面造成潜在的失效风险。例如，在1988年，美国加利福尼亚州Kettleman Hills的垃圾填埋区因土壤与土工膜界面剪切阻力不足而发生严重破坏，导致废物位移和裂缝等。这一事件凸显了界面剪切强度在工程设计中的重要性。此外，随着气候变化和极端天气的增加，温度波动对土工膜界面性能的影响愈发显著，因此需要深入研究这一问题，以确保工程结构的长期可靠性和安全性。

温度变化对土工膜性能的影响主要体现在材料的机械特性上。高密度聚乙烯（HDPE）土工膜由于其聚合物结构对温度敏感，长时间暴露于高温环境下可能导致其内部分子间作用力减弱，从而影响其力学性能。这种材料在高温下的特性变化包括弹性模量、抗拉强度和抗剪切能力的下降，同时伴随更大的形变和蠕变率。相反，低温对土工膜的机械性能影响较小，其特性变化不显著，因此对界面剪切强度的影响也相对有限。然而，随着温度循环次数的增加，无论是高温还是低温，都会对界面的性能产生一定的影响，特别是在沙土与土工膜的组合中，这种影响更为明显。

#### 材料特性与实验设计

本研究使用的沙土样本来自巴基斯坦信德省Tharparkar地区的正在建设的水库工地，具体位置如图1所示。这些沙土样本在扰动状态下从约2.0米的深度采集，对应于水库的深度。通过标准的土木工程方法，包括美国材料与试验协会（ASTM）规定的实验程序，对这些沙土样本进行了详细的工程特性测试。测试结果表明，这些沙土样本的颗粒分布以细沙为主，颗粒大小介于0.075-0.425mm之间，占74%，而中砂占比为22%，颗粒大小介于0.425-2mm之间。此外，细颗粒（小于0.075mm）占比仅为4%。这些特性表明，该沙土样本属于细粒、低级配的沙土（SP），符合ASTM D2487分类标准中的A-3类别。

土工膜样本则来自巴基斯坦拉合尔的Geotech Lining Corporation公司，使用的是光滑的高密度聚乙烯（HDPE）土工膜，厚度为1.5mm，符合ASTM D5199标准。此外，这些土工膜的密度为940 kg/m3，抗穿刺强度为480 N，抗拉强度为22 kN/m，抗剪切开裂时间超过300小时，且含有2-3%的碳黑。这些特性使得土工膜具有良好的抗老化和抗变形能力。然而，随着温度循环次数的增加，土工膜的物理和机械性能可能会发生显著变化，特别是在高温环境下，这可能会对土壤与土工膜之间的界面性能产生不利影响。

#### 实验方法与过程

为了研究温度循环对土壤与土工膜界面性能的影响，本研究采用了一系列直接剪切试验（DST）。实验样本分为四组，分别代表不同的温度循环条件：自然沙土（SS）、稳定温度循环（20°C）下的沙土-土工膜界面（SGR）、低温循环（5-20°C）下的沙土-土工膜界面（SGL）以及高温循环（50-20°C）下的沙土-土工膜界面（SGT）。每组样本在不同的温度循环条件下进行了四次测试，每次测试后，样本都会被置于特定温度的烘箱中进行加热或冷却，以模拟实际环境中的温度变化。

在实验过程中，土工膜被粘接在一块木块上，然后放入剪切盒的下半部分，沙土则被放置在剪切盒的上半部分。通过数字位移传感器，记录了垂直和水平方向上的位移数据，同时剪切力（以kN为单位）也被记录在预设的位移间隔中。数据被编译到与数据输入工具相连的个人电脑中，以便进行进一步的分析和讨论。实验中应用的法向应力分别为50、100和200 kPa，以模拟不同的工程条件。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，随着温度循环次数的增加，土壤与土工膜界面的剪切强度和摩擦角均出现一定程度的下降。例如，在稳定温度循环（20°C）条件下，SGR样本的剪切强度从初始的66.22 kPa下降到56.61、55.77、54.54和53.92 kPa，分别对应第一到第四次温度循环，下降幅度为14.51%至18.57%。这一趋势表明，即使在稳定温度条件下，长期暴露也可能导致界面性能的显著降低。

相比之下，低温循环（5-20°C）对剪切强度的影响较小，SGL样本的剪切强度下降幅度为15.43%至18.9%，与SGR样本的变化趋势相似。然而，高温循环（50-20°C）对剪切强度的影响最为显著，SGT样本的剪切强度从66.33 kPa下降到52.25、49.87、48.44和48.22 kPa，分别对应第一到第四次循环，下降幅度为21.10%至27.19%。这一结果表明，高温循环对土壤与土工膜界面性能的影响远大于低温循环。

进一步分析表明，这种性能下降主要归因于土工膜的微降解现象，包括微裂纹、皱纹和局部变形等。这些变化会削弱土工膜表面的完整性，从而降低其传递剪切力的能力。此外，温度循环还会改变土壤颗粒的运动模式和接触面积，导致界面剪切强度的下降。例如，在高温循环下，颗粒的形状和尺寸会发生变化，从而影响其与土工膜之间的相互作用。

#### 机械响应与失效机制

在直接剪切试验中，土壤与土工膜界面的机械响应主要受到法向应力和剪切位移的影响。随着法向应力的增加，界面的剪切强度也相应提高，这是因为土壤与土工膜之间的接触区域和土壤密度增加，需要更大的剪切力才能导致破坏。然而，随着温度循环次数的增加，界面的剪切强度会逐渐下降，特别是在高温循环条件下，这种下降更为显著。

在高温循环条件下，界面的失效机制从单纯的滑动转变为滑动与犁耕的结合，导致接触区域的减少和颗粒的破碎。这种失效模式的变化表明，温度循环不仅影响了土工膜的物理特性，还改变了土壤颗粒的排列和形状，从而降低了界面的抗剪切能力。相反，在低温循环条件下，土工膜的机械性能保持相对稳定，因此对界面剪切强度的影响较小。

#### 对工程设计的启示

本研究的结果表明，在设计土工膜衬垫的工程结构时，必须考虑温度循环的影响。特别是在高温环境中，应选择具有更高热稳定性的土工膜材料，例如增加土工膜的厚度或采用交叉层压或增强型HDPE材料。此外，设计中应将温度循环条件纳入界面剪切测试，以更准确地模拟实际工程环境中的性能变化。

对于干旱地区、沙漠气候或高温区域的工程设计，应特别关注温度循环对土工膜性能的影响。这些地区的工程结构可能会经历频繁的温度波动，导致土工膜与土壤之间的界面性能下降，进而影响结构的稳定性和安全性。因此，设计人员应采用保守的界面剪切参数，以确保在极端温度条件下结构仍能保持足够的承载能力和抗剪切能力。

#### 结论与未来研究方向

综上所述，本研究揭示了温度循环对土壤与土工膜界面性能的显著影响。特别是在高温循环条件下，这种影响更为明显，可能导致剪切强度的大幅下降。因此，在工程设计中，必须充分考虑温度循环的作用，以确保结构的长期可靠性和安全性。此外，未来的研究可以进一步探讨不同厚度和粗糙度的土工膜材料在不同温度循环条件下的性能变化，以及土壤含水量对界面性能的影响。通过使用温度控制剪切盒装置，可以更准确地模拟实际环境中的温度变化，从而提高实验的准确性。此外，人工智能和机器学习技术可以用于建模和预测温度依赖的界面行为，为实际工程应用提供有价值的参考。

#### 数据与资金支持

本研究的所有数据、模型和代码均包含在提交的文章中。研究得到了巴基斯坦高等教育委员会（HEC）的支持，项目编号为15221，由博士Badee Alshameri担任首席研究员。项目名称为“土壤-土工膜界面剪切强度在蠕变、温度和载荷循环下的影响”。此外，研究的原创性声明表明，本研究尚未在其他地方发表或同时提交其他出版物。

#### 研究贡献

本研究的作者包括Muhammad Attique、Waqas Hassan、Badee Alshameri、Sufyan Ghani、Muhammad Junaid、Faizan Iqbal和Jawad Hassan。他们分别在研究的撰写、分析、监督、方法设计、实验执行、数据整理和概念化方面做出了贡献。研究的原创性和创新性在于，首次系统地探讨了单调温度循环对沙土与土工膜界面性能的影响，为相关工程设计提供了重要的参考依据。