土工膜的工程特性

为适应土工膜在工程中的应用，它必须具有一定的特性，例如，耐水压力，一定的强度和延展性以及应力应变关系，一定的抗滑稳定性，一定的耐久性和必要的抗化学腐蚀能力等。

（1）耐水压性。土工膜用作防渗材料时，它必然会承受一定的水压力的作用。当水压力超过一定的值，土工膜在支承层颗粒处被压破击穿。研究表明，击穿水头与支承层土料的级配和粒径大小有关。级配愈好，粒径愈细，其耐水压能力愈强。据前苏联水工科学研究院试验，PE膜的击穿水压力水头列在表3.4中（应用手册，2000）。耐水压性的理论分析参考本章第3.5节。

表3.4　聚乙烯膜击穿水头试验值

（2）拉伸强度和应力应变关系。土工膜在沿其平面方向承受单一方向拉伸时的强度称为拉伸强度。相应于最大荷载时的强度称为拉伸极限强度，而对应于屈服现象时的应力称为拉伸屈服应力。拉伸极限强度σt的表达式为

式中：P为最大荷载或屈服荷载；b为试样宽度；d为试样厚度。

除了强度指标外，还有应变指标（断裂时应变ε）和应力应变关系指标（弹性模量E）。

应当指出，上述指标是对单向拉伸而言的。实际工程中，土工膜可能承受三向应力，它与单向受力的情况是不一样的。此外，试验的成果还强烈地受到温度影响，如图3.6所示。

图3.6　三向应力下的应力应变关系

从图3.6可以看到，HDPE的强度比PVC大得多，而且关系较为简单，它的断裂应变值很小，仅为PVC材料的左右。

（3）摩擦特性。土工膜表面光滑，它与土或其他材料之间的摩擦角往往比土的摩擦角要小，据研究，光面土工膜与土之间的摩擦角仅为土本身摩擦角的3/4（Budiman J，1994）。容易在界面上产生滑动，因此往往成为稳定问题的控制因素。在工程中最好对该接触面的强度采用试验实测的参数指标，尤其对重要的和大型、中型工程，更应如此，而不宜仅从书本中找一个经验值使用，由此而发生事故的例子，已有报导（Giroud J P，1996）。试验的方法与土工织物的界面摩擦试验相似，有室内试验和现场试验等。

关于土工膜表面的摩擦特性，根据多方研究可归纳如下（陆士强，1994）。

1）界面上的剪应力与位移之间为非线性关系，取决于土的变形特性。如土为应变软化型，则摩擦特性也是应变软化型，反之亦然。在峰值点之前，应力与位移关系基本上符合双曲线关系。

2）界面的峰值摩擦力与正应力呈（通过原点的）直线关系。

3）摩擦角的大小与接触材料的特性有关。如砂的摩擦角比黏土的摩擦角大，尖角砂粒的摩擦角比圆角砂粒的摩擦角大等。在土工膜的材料中，HDPE的摩擦角最小，因为它系半结晶的热塑材料，其强度和硬度较大，故更光滑。有人认为HDPE膜与土工织物之间的摩擦角很小，甚至接近零。另据研究，水下的摩擦角要比干燥的小2°～5°。

为了解决界面摩擦角过小的问题，可以在材料上采取一些措施，如在土工膜表面加糙，或者采用土工膜与土工织物相黏合的复合土工膜等。

若干土与糙面膜之间的摩擦试验资料见图3.7和图3.8。

图3.7　温度对拉伸强度的影响

从图3.7和图3.8可看出，糙面土工膜与砂土之间的摩擦角在26°～38°的范围内，相当于土的摩擦角的92%～142%，亦即表示，糙面土工膜的摩擦角相当于或大于砂的内摩擦角。目前关于土工膜表面的糙度，尚无一个量化的指标可以表征。

图3.8　糙面HDPE土工膜与冰碛土黏土之间的摩擦角

（a）糙面HDPE土工膜与砂土之间的摩擦角；（b）糙面HDPE土工膜与冰碛土黏土之间的摩擦角

（4）防渗性和膜的渗漏问题。土工膜应该是不透水和不透气的，但由于制造上的不均匀性和其他缺陷，故也有一定的渗漏现象发生，不是绝对不透水的。据有些资料报导，出厂的土工膜每1.0m2大约有一个孔眼。因此，对其进行透水性测定时，可以测得渗透系数为1×10-9～1×10-10cm/s。这样低的渗透系数对于一般水利工程而言是允许的，甚至可能是微不足道的。但是对于卫生填埋场或有害水、气的密封贮存容器来说，则是不允许的。因此，研究防渗土工膜的渗透性就十分必要，尤其对于土工膜与相邻土体或其他材料接触时，在水头长期作用下的土工膜防渗问题。

当土体颗粒粗糙或者土的局部变形较大时，土工膜在高水头作用下，可能被刺破、撕裂而丧失其防渗能力。为此，有必要进行膜与实际土体接触条件下的渗透试验。这种试验比单纯进行土工膜的渗透试验更为重要。一般来说，压力愈大，土的粒径愈粗，土工膜也愈容易被刺破。例如，有一组试验成果，当PE膜分别与细、中、粗砂相接触时，刺破水压力分别为0.5MPa、0.4MPa和0.3MPa，当采用两层PE膜与粗砂接触时，刺破水压力为0.6MPa。由此可见，土工膜不宜与较粗的土粒直接接触，如确有必要，则以复合土工膜代替单一土工膜，以保安全。

（5）温度的影响。美国的J.Budiman就温度对土工膜力学特性的影响做过专门的试验（Budiman，1994）。他采用了大块层状聚乙烯土工膜承受温度循环，并在试样上切下尺寸为35cm×35cm的土工膜在经受不同次数的高温（65℃）和冷冻（-20℃）循环后测定应力应变曲线和强度值。试样按ASTM D-638类型Ⅳ的规格冲压成哑铃状，狭窄部分尺寸为0.6cm×3.8cm，然后在控制温度的条件下进行拉伸试验，试验的温度为20℃、0℃、-10℃、-20℃；试样的温度循环次数为0次、1次、5次、30次、60次和150次；试样厚度为1.0mm、1.5mm和2.0mm。由近600个试样试验后得出的特性曲线发现，在同一温度下它们都非常相近。对于低温下试验的试样，在0～10℃温度下，强度变化不及在-10～-20℃时的变化显著。同时，在低温下（例如-20℃）试验的破坏应变要低于常温下的破坏应变，如图3.9所示。

图3.9　试样在不同温度时的应力—应变关系（120周期）

这表明，屈服应变随温度的降低而降低，而屈服应力却随温度的降低而增加。此外，由在较小的应变时得到的极限强度值表明，随着温度的降低，试样的脆性有所增加。但总的看来，对工程影响不大，尤其当土工膜埋于土中或没于水下时。

（6）土工膜的耐久性问题。土工合成材料的耐久性问题是人们经常关心的问题。由于聚合物的性能往往会受到周围环境和作用时间的强烈影响，因此对它的使用寿命的研究是一个基本问题。这个问题对防渗土工膜来说尤其突出，因为土工膜往往会与有害有毒的液体和气体长期接触，受损害的可能性更大，而且它的更换往往也较困难，所以常为使用者关心。

我国在这些基本课题的研究上，进行得不多，故这里还得参考国外的研究成果，同时也尽可能叙述一些国内有关的成果。(www.xing528.com)

土工膜的老化问题主要与几方面因素有关：首先是聚合物的种类和特性，其次是土工膜的工作条件和周围环境。此外，研究方法和评判指标也是耐久性研究中需要确定的问题。

诱发土工膜老化的因素有：光、氧、热、臭氧、NO2、SO2，多种化学物质以及各种酶和微生物等，它们会导致膜聚合物降解、化学键断裂、分子量减小或失去增塑剂和其他辅助成分，从而使力学性能衰减、脆化，甚至开裂。目前研究表明，结晶型聚合物土工膜（如HDPE）不易老化，而非结晶型热塑性聚合物（如PVC）易老化；土工膜在阳光下特别容易老化；薄的膜较厚的膜容易老化。

在所用的土工膜中，聚氯乙烯（PVC—P）应用得广泛，然而它的化学组成是不稳定的。在PVC—P中通常PVC聚合物含量为60%～70%（稳定剂），塑化剂含量为30%～38%（填充剂），添加剂为2%～10%（润滑剂）。在通常的使用条件下，这样的聚合物的稳定性是能满足的，但塑化剂都不稳定，由于它颗粒极小，能够滑移出材料外，在一定的水和气的环境下可释放出来，于是导致材料性质和效能的衰化（尤其是柔性），从而影响材料的使用期限，因此视塑化剂随时间的损耗，可以预测土工膜的使用寿命。J.P.Benneton（德）（1994）选用11种PVC材料进行了持续8～10年的浸水试验，测定了塑化剂随时间的损耗量。其主要试验成果如图3.10和表3.5所示。

图3.10　塑化剂损失（PL）与浸水时间的关系

表3.5　浸水8年后测得的塑化剂损耗量

研究表明，塑化剂损耗PL是浸水时间的函数。11个试样在8年后的塑化剂损耗有6个很低（PL＜5%），有3个中等（PL=5%～10%），有2种材料很多（PL≥10%）（S材料和X材料）。

根据上述测值可以对塑化剂损耗进行长期预测，所用的方法为回归分析：

式中：T为时间，月；A、B为系数。

可以算出对于某些材料，当损耗值为50%时，历时需数百年，一般定为大于100年。例外的是，表中的S材料（达50%的时间为24年），这种材料是用热压延方法生产的。

上述浸水试验的试样是两面浸水的，实际工程中常是单面浸水的，因此老化的速度会更慢。

对于常用的HDPE土工膜的长期性能，加拿大的M、Marcotte等人认为，最重要是保证接缝的长期性能，因为这是比较薄弱的部位，而决定接缝处长期保持完整性的主要因素是它的变形（Marcotte，1994）。所以，土工膜的应变比强度能更适当地表示出力学的设计标准（Giroud等1993），因为强度总是与应变相关联。拉伸试验表明，随时间的增长，割线模量（屈服点应力/屈服点应变）是增大的，其增量为120%。断裂时的应变也降低。法国的C.Bernhard等（1994）对土工膜的耐久性也进行了专门的试验研究。他们对用于市政填埋场工程的不同种类的土工膜进行了长期性能试验，同时对取自实际建筑物的PVC土工膜的长期性能进行了力学的和物理的试验。成果表明，对废物稳定池中运用了3～10年的土工膜取样试验得出，位于池底部的土工膜、塑化剂只有很小的变化，从33%的初始值，到7年后的31.4%，到10年后的29.9%。位于池坡中部和顶部的试样，塑化剂为24%～26.5%，损失稍为大些。从模量的变化看（以5%变形时为准），其初始值为20.5MPa，以后为33.5MPa（底部）和66.0MPa（顶部）。拉伸强度和破坏延伸率与初始值只发生不大的变化。总的情况是，承受滤液和紫外线交替作用的边坡部位的土工膜性能，变化较为显著，但紫外线的作用在10年正常使用后，影响已经很小。池底部的土工膜其塑化剂的损失十分有限，不会对PVC土工膜产生大的负面作用。

对取自一座土工膜防渗的大坝中的土工膜试样进行试验，结果表明，在运用了3年和7年后，膜的拉伸强度没有明显变化，但极限延伸率从1989年的300%降低到1993年的235%。变形达到25%时的拉伸割线刚度从16kN/m增加到23kN/m。塑化剂含量从1989年33.5%变为1993年的31.3%～31.8%，与起始参照值32.5%相比，只有轻微的变化。而且这种变化主要发生在表层25～100μm内（Pierson和Pelte，1994）。

我国河海大学的沈长松等对土工膜的耐久性作过专门试验研究（2001），他们采用复合土工膜在曝露于阳光下、淹在水中、埋在土中等环境下进行了近5年的试验。得到了复合土工膜的老化规律及变化趋势，并按此资料进行拟合处理，得到了复合土工膜强度随时间变化的数学表达式。将淹在水中和埋于土中（80cm）的试样每隔半年取出进行试验，根据拉伸试验所得的拉力与膜的应变的关系，示于图3.11中。可见ε=10%～20%范围内，拉力—应变关系呈直线变化。顶破强度显示，在试验期限内，其值呈上升趋势，但数值不大。与此对应，曝露在大气中材料的T—ε曲线示于图3.12中。可以看出，拉伸强度明显比土中或水中的值要低很多，同时，延伸率也有较大幅度的降低，说明紫外线在短期内就可对材料强度及延伸率产生重大影响。

图3.11　不同时间材料拉伸T—ε曲线（沈长松，2001）

图3.12　拉伸T—ε曲线（沈长松，2001）

沈长松的研究得到了如下的结果。

1）工程中土工膜的应变一般在10%～20%范围内，在此情况下的拉力随时间变化，根据试验数据拟合，可建议如下：

式中：F为拉力；t为时间，以年为单位；P1为工作应变下复合土工膜的拉力随时间延长的渐进值（t→∞时，F→P1）；（P1-P2）为材料出厂时，工作应变对应的拉力，0＜P2＜P1；P3为反映拉力随时间变化的系数，与材料性质有关，P3＞0。

2）极限强度随时间的变化如图3.13所示。

3）延伸率随时间的变化如图3.14所示。

由图3.13、图3.14可见，随时间延长，材料的极限强度和延伸率都有不同程度的变化。极限强度随时间而下降，延伸率随时间延长而渐降，但仍可保持原始延伸率的50%以上，故工作应变（10%～20%）范围内，老化的影响不大。其他如胀裂试验也没有大的变化。

总之，土工膜在正常环境条件下使用时，其性状随时间的进展是稳定的。但若埋设在恶劣环境中，如浸入高浓度的化学液中和在拉伸时外露于阳光下，则土工膜会较快地老化。

还应指出，若土工膜在使用时处于永久拉伸状态，则会加速其老化，这点在进行结构物的设计时，应予注意。

图3.13　拉力—时间曲线图　（沈长松，2001）

图3.14　延伸率—时间曲线图　（沈长松，2001）