工程结构物软硬交界区域复合土工膜力学特性研究

Composite geomembrane is a type of geosynthetics with the main components of geomembrane at one side or both sides stuck with nonwoven geotextile or woven geotextile. Composite geomembrane has broad prospect of application in the field of water conservancy, transportation and disposal of nuclear waste landfill for its low permeability, strong deformation adaptability, convenient erection and dismantling. Aiming at the problem of centralized damage and leakage induced by tensile failure or tear of composite geomembrane in the extensive use of rapid construction of high water head rockfill cofferdam, some analysis were conducted and revealed that structural damages were induced by strain concentration which exceed the limit elongation of composite geomembrane located in these junctional zone between hard foundation and soft composite material. This subject aims to propose some improved anchoring and impervious wall joint types based on the theoretical analysis of composite geomembrane material mechanical properties as well as microscopic simulation and centrifugal model test of interaction between the three of geomembrane, filler and joint. A description method of geometry and physics of composite geomembrane strain concentration as well as the corresponding FEM prediction mode will also be suggested. Valuable data and conclusions will be obtained to guide the safe utilization and generalization of composite geomembrane in high water head condition and complex stress state.

复合土工膜是由高分子聚合物制成的一种平面柔性薄膜并在其侧面黏有无纺织物或有纺织物的土工合成材料，其具有防渗性能好、适应变形能力强、施工简便等显著特点，在水利、交通、垃圾填埋以及核废料处理等方面应用前景广阔。针对我国水电工程中大量运用复合土工膜快速修建高水头土石围堰过程中普遍存在拉断、撕裂等集中破坏渗漏现象，分析发现复合土工膜在刚性基础锚固或防渗墙接头等工程结构物的软硬交界区域因应变集中且超出其极限延伸率而导致结构性的损坏。本课题拟从复合土工膜材料力学性能、复合膜与周围填料及锚固接头相互作用的模型试验、膜土相互作用的细观模拟等方面入手，建立复合土工膜应变集中的几何与物理描述方法，分析结构物软硬交界区域复合土工膜的受力变形机理，进而改进基础锚固及接头型式，并提高对应的有限元计算精度至实用层面，为高水头、大变形等复杂受力条件下复合土工膜的安全利用和推广起到有益的理论支持作用。

项目从分析水电工程高土石围堰复合土工膜软硬交界区域破坏现象出发，探索复合土工膜力学性能、刚性结构物的连接方式、膜土相互作用的细观机理及交界区域局部应变集中特性。通过室内试验、现场试验、本构理论和数值模拟等研究方法，开展复合土工膜力学特性与改善其应力状态的现场实践研究，评估高水头、大埋深及复杂边界条件下复合土工膜应用的安全性。主要内容如下：.1. 开展复合土工膜、填料及周边锚固相互作用的常重力物理模型试验：利用大型叠环式剪切仪，构建复合土工膜与防渗墙接头的结构模型，定性至半定量反映土工膜受力性态及应变分布规律，定性建议降低应变集中的膜墙连接型式及铺设方式。.2. 开展复合土工膜、填料及周边锚固相互作用的离心模型试验：以白鹤滩水电站大坝上游高土石围堰复合土工膜铺设方式为原型，在200g-t离心机中开展复合土工膜与防渗墙典型接头型式的离心机试验研究，测试获取了土工膜连接处应变量值，分析了应变集中程度随锚固距离的耗散规律，定量比较了连接处无伸缩节、常规伸缩节、改进U型伸缩节在围堰填筑过程、蓄水两种工况下的应变情况。.3. 开展复合土工膜、填料及周边锚固相互作用的细观数值分析：采用颗粒流软件PFC模拟各介质相互作用下复合土工膜的拉伸、剪切直至屈服破坏的渐进过程，探究土工膜受力变形过程中颗粒间相互作用及细观组构的变化，从细观组构方面证明U型伸缩节的有效性。.4. 建立复合土工膜周边锚固应变集中部位“周边膜单元”本构模型：建立反映复合土工膜应变集中的“周边膜单元”的几何与物理描述方法，并将其本构关系及位移模式植入三维有限元程序，计算获取了复合土工膜应变集中部位的应变状态。.5. 开展改进土工膜连接方式的现场生产性试验与工程应用研究：基于以上试验及计算，以白鹤滩水电站大坝上游围堰中复合土工膜铺设方式为工程实例，针对性设计了土工膜的连接方式，开展了U型伸缩节现场生产性铺设试验、锚固试验、保护层试验，确保土工膜应用安全可靠。