將土工膜直接放置于低滲透性的土層上，以此組成復合襯墊的方式，自1980年制定以來受到了美國和德國的環(huán)境管理部門的肯定。當用密實軟黏土襯墊(CCL)作為這層低滲透性土層的時候，從土工膜(GM)的破孔中滲漏出來的滲濾液，通過這層密實軟黏土的滲漏率是非常小的。這就很容易用達西定律來發(fā)現(xiàn)何處發(fā)生了滲漏，如此一來，就可以更精確得對土工膜破口處發(fā)生的滲漏進行定位。同時這也可以避免更多滲漏量的發(fā)生，因此土工膜與密實軟黏土襯墊(GM／CCL)結合的防滲系統(tǒng)是很有效的。
到了1985年，開始嘗試使用膨潤土防水毯(GCL)來代替密實軟黏土襯墊。幾年之后，土工膜與膨潤土防水毯的復合襯墊(GM／GCL)廣泛應用于使用雙層防滲結構的垃圾填埋場中。我們可以從圖1中看到287座雙層防滲結構的垃圾填埋場的平均泄漏率。其中進行最后一層封場覆蓋的時候(第三階段)，土工膜與膨潤土防水毯的復合襯墊(GM／GCL)的滲漏率相比其他的復合襯墊更接近零。這里括號內的數(shù)字是得出的平均值。此數(shù)據(jù)得出以后，讓人看到了土工膜與膨潤土墊的復合襯墊(GM／GCL)的應用價值。
為了保證對CCL 下方的地基作完整的覆蓋,標準的制造工序是在每卷GCL邊緣印上一條或者兩條標記線來作為“搭接標線”。不同生產(chǎn)商的邊緣“搭接標線”可能存在差異,但規(guī)定至少都需要達到距離邊緣150mm(6.0英寸)。通過現(xiàn)場調度，一條或者另一條搭接標線(取決于疊蓋的方向)必須被相鄰的GCL面層完全覆蓋。上述的搭接程序已列為標準的施工規(guī)范,并受到了CQC與CQA組織機構的肯定。美國環(huán)保署的技術指導手冊建議,最小的搭接距離必須沿CCL縱向,距離邊緣150mm(6英寸)。
2GCL面層的分離現(xiàn)象
在5處施工現(xiàn)場,切開上層的土.工膜后發(fā)現(xiàn)下層的CCL面層間發(fā)生了分離。從圖2中可以看到,分離的距離最大達到300mm( 12英寸)。
-一旦GCL面層發(fā)生了分離,那么先前在緒論中提到的復合材料的防滲作用也就形同虛設了。本文就是要研究和調查造成此類情況的原因,并且提出對材料與施工方面的改進,以此來避免此類事件的再次發(fā)生。
3對已知GCL面層分離地區(qū)的觀察結果
第一例被觀察到發(fā)生面層分離的,是在1993年,靠近波士頓的馬塞諸塞州發(fā)電廠的垃圾填埋場。南面邊坡上的土工膜被移除后發(fā)現(xiàn)下面的CCL面層間發(fā)生分離大約300mm( 12英寸)。David Daniel與Robert Koerner討論了此種現(xiàn)象不過并未找出其中的原因。自2000年以來,另外還有4個垃圾填埋場也發(fā)生了此類情況。
在2004年,美國土工合成材料協(xié)會(GSI)受邀調查在加利福尼亞的一處垃圾填埋場發(fā)生的此類情況。那里的土工膜暴露在外大約已有三年時間,并且正在進行粗粒料土壤層的鋪設作業(yè)。觀察到石子對土工膜造成損壞并正在進行修補,同時發(fā)現(xiàn)土工膜下方的CCL出現(xiàn)搭界面層的分離跡象。對另外一個區(qū)域作進一步檢查后發(fā)現(xiàn),GCL搭界面層的分離范圍在60mm 到450mm(2.5~18英寸)不等,而有一處的間隙則達到了1200mm(47英寸)。正如圖3所示,沿著上方朝南的垃圾填埋場斜坡階,每個GCL面層相鄰處都有露出土基的縫隙?？偣残枰?65m( 870英尺)的CCL與土工膜,按照CQC和CQA規(guī)程來進行修復。顯然,因為此事的發(fā)生,提升了對GCL面層發(fā)生原位分離的關注。
至今為止已知的GCL面層分離的情況的特性概括在表1 ,并注釋如下:
(1)以上的5個案例的CCL都是被長期處于自然環(huán)境下的土工膜所覆蓋著的。(2)這些土工膜無任何遮蓋物覆蓋,長期暴露在外至少有2個月至5年之久。(3)這些土工膜均是粗糙面朝下覆蓋于GCL上的。
(4)其中有4個案例使用的GCL 都是針刺無紡土工布(GT)型的,并且針刺無紡布的一面是對著上層土工膜的粗糙面的。
(5)有4例都是發(fā)生在邊坡上的(通常都是朝向南面的),只有1例是發(fā)生在垃圾填埋場底部平坦面上的。
(6)4個邊坡案例中的3例,發(fā)現(xiàn)在斜坡底部或斜坡坡階處有土工膜呈波浪形起伏。而在平坦面上，土工膜有形成較高幅度的波狀聳起。
(7)4例中的CCL制成品的原始含水率都達到24% ~44% ,而馬薩諸薩州的濕度估計大約在20%左右;這些產(chǎn)品隨后就不再使用。
( 8)使用的三種GCL類型:
·黏結結合的不加筋的GCL——由上下兩層相同的機織土工織物組成;此產(chǎn)品現(xiàn)已不再使用?！め槾绦图咏頒CL—-—由上層無紡布和下層裂膜絲機織布組成。
·針刺型加筋GCL-—由上下兩層相同的無紡布組成。
(9)其中用無紡布加工的GCL的時候,都是用的針刺的方式結合的,但均未使用任何類型的“棉麻織物”來加筋,也就是說起加筋作用的棉麻織物均未被復合在無紡布里。
4造成GCL面層分離的原因
結合前期的觀察和隨后的實驗室研究,本節(jié)將討論可能造成GCL面層分離的一些原因。4.1GCL縮水;可能是GCL由濕至干的循環(huán)所造成的
發(fā)現(xiàn)鋪設好的CCL含水率相當高,達到20% ~40%。造成這個的原因,可能是由于日照后濕氣上升并聚集在了黑色的土工膜下方,從而增加了GCL的濕度（Daniel，等人，1993 , Daniel and Seranton,1996)。在鋪有土工膜與膨潤土防水毯的復合襯墊(GM/CCL)的邊坡上,水分會沿著斜坡向下流動。如果邊坡腳處沒有回填土工膜,水分流下斜坡后,就會繼續(xù)流動到整個設施相對平整區(qū)域的土工膜下方。如果在相對平整區(qū)域的坡腳處回填了土工膜,那水分就會積聚在邊坡腳處,并使土工膜發(fā)生隆起,形成一個縱向的泡狀物。這就是表1中所述的其中的三個案例。GCL起的實際作用就是吸水,然而吸水的同時也會因為織物的收縮,最終導致面層搭接處的分離。
圖4匯總了各個實驗室得出的測試結果。從中可以看到,最大縮水幅度達到2.1%。在110°C下膨潤土與土工織物都會發(fā)生收縮,然而在60°℃下,僅僅只有膨潤土會發(fā)生收縮。這就表明,門幅寬為4.4m( 14.5英尺)的GCL,它的搭接距離的損失最大可達到93mm(3.6英寸)。因此, 150mm(6.0英寸)搭接寬度,可以保證即使CCL面層有分離的趨勢,也不足以導致搭接面出現(xiàn)分離而暴露出下面的土基。顯然,真正導致GCL面層發(fā)生分離另有其因,而且要比前面所述的GCL因干燥而出現(xiàn)的收縮要嚴重得多。
4.2 GCL在陡坡上受的縱向張力的影響
斜坡上的土工膜受縱向張力的影響,同時伴隨著夜以繼日的膨脹和收縮,表面產(chǎn)生了許多逐漸向坡下運動的波浪形起伏,并在坡腳處積聚。這就是表1中所描述的三個案例并且對無遮掩的滲濾液襯墊做了定期的觀察,如圖5所示。
由于土工膜的粗糙面對下方CCL的無紡布面層的摩擦力較大,放置在斜坡上的GCL就會受到上層糙面膜緩慢拖拽力的影響。假若GCL錨固在坡頂處沒有滑動,那么GCL就會受到整個面層寬度的張應力而導致橫向面層發(fā)生收縮,即頸縮現(xiàn)象。
為了研究實際效果,實驗室對表1中的3種不同類型的GCL進行一系列的實驗測試。圖6a)所示的是目前基本被淘汰的那種上下兩層使用相同的機織物的不加筋的GCL。圖6b)為一面使用針刺無紡布,一面使用裂膜絲機織布的加筋GCL。圖6c)為兩面都使用針刺無紡布的加筋GCL?？v橫比就是指試樣的夾持距離與試樣的寬度的比值。依據(jù)在現(xiàn)場斜坡鋪設的CCL面層的長度,確定出試驗的縱橫比的范圍為2～10。
依照材料實際運用的縱橫比來確定試樣的長度,并按ASTM D6768來進行試驗。
對這三類的CCL在不同的縱橫比下,進行了諸多此類測試并且繪制出圖形表,如圖7所示。
從曲線中可以很容易得出并解釋為什么加利福尼亞地區(qū)會發(fā)生如此大的CCL面層分離(表1的案例)。表2對標準幅寬為4.4m(14.5英尺)的CCL,進行必要的計算。所得出的數(shù)據(jù)可以有力地證實所有案例中GCL面層分離的距離范圍(包括加利福尼亞地區(qū))。
4.3GCL在相對平坦表面發(fā)生的收縮
因為單糙面土工膜的粗糙面,會對GCL上層無紡布的任意位置,包括橫向面層的搭接部位,產(chǎn)生一種所謂的“環(huán)勾效應”。由于受到暴露在外的土工膜發(fā)生的膨脹和收縮交替的周期性影響,發(fā)生波浪形起伏的土工膜(圖8)下的GCL,也會在白天溫暖的時候皺起,隨夜晚的到來而舒展。在每24h循環(huán)作用下,褶皺幅度會慢慢增加﹐漸漸地CCL會出現(xiàn)了“聚成一束”的現(xiàn)象,同時使每個搭接面出現(xiàn)少量的減
少。隨著這個效果的累計疊加,搭接面層將會越來越少,同時伴隨著CCL縮水的影響,最終導致CCL的面層間出現(xiàn)分離。雖然這可能不是斜坡處的CCL發(fā)生面層分離的主要機理,但這或許能解釋為什么在相對平坦的表面(案例中的南美洲垃圾填埋場)會發(fā)生GCL面層的分離情況。
5建議
對現(xiàn)場觀察后得出的造成CCL面層分離的原因,提出一些建議與進一步的改進措施,從而來避免和消除GCL的面層分離的問題。
(1)不要讓土工膜與膨潤土防水毯復合襯墊( GM/GCL)長時間的暴露在大氣下,應及時回填300mm(12英寸)的土(特別是氣候比較惡劣的地區(qū))。
(2)除非有一面使用棉麻織物加筋,否則避免使用兩面都是針刺無紡布的GCL。加筋的方法有許多種,諸如采用內嵌或黏合織物成分于無紡織物內。
(3)增加CCL面層間的搭接面,以此來補償可能出現(xiàn)的面層分離。除了加利福尼亞的情況比較特殊外,一般搭接面增加到100mm(4英寸)到300mm(12英寸)是比較合適的。因此,在制造期間,依據(jù)產(chǎn)品的用途,應將CCL上印刷的搭接線從現(xiàn)在的150mm(6.0英寸)增加至250mm( 10英寸)與450mm(18英寸)之間。
(4)在土工膜/膨潤土復合襯墊暴露期間,可以用保溫墊層、土工泡沫板或者其他的一些隔離方法。
(5)開發(fā)一種無損檢測的方法來檢測CCL面層的分離情況?，F(xiàn)在有幾種無須移除覆蓋在上面的土工膜的無損檢測的方法(NDT)用來調查現(xiàn)場的GCL面層是否有分離情況的發(fā)生。美國土工合成材料協(xié)會(GSI)目前正在基于不同的電學特性的傳感材料基礎上,研究探地雷達與超聲脈沖回波技術。如有新的進展,會及時公布。
