土工膜-砂土界面紫外老化剪切特性研究

土工膜作为一种高性能土工合成防渗材料，凭借极低的渗透系数、优良的环境适配性与良好的变形协调能力，能够有效适应复杂岩土工程工况，长期以来被广泛应用于面板堆石坝、尾矿库、固废填埋场等各类水利与环境工程，是此类工程防渗体系的核心结构。工程施工中通常配套铺设土工布，将其直接覆盖于土工膜表面并布置在各类岩土边坡之上，主要起到缓冲防护、分散应力、抵御机械损伤的作用，可有效避免土工膜在施工及服役过程中出现刺破、磨损等病害。在实际工程建设流程中，土工膜与土工布的铺设面积大、施工工序繁杂、整体工期较长，致使两类土工合成材料在施工阶段会长时间直接暴露在自然光照与大气环境中。

在自然环境中，紫外线辐射是导致土工高分子材料性能劣化的核心诱因，材料在紫外持续照射下的性能稳定水平，直接决定其长期服役耐久性，是工程耐久性设计必须考量的关键指标。现阶段，关于土工合成材料紫外老化的现场实测数据较为匮乏，材料多场耦合老化机理、界面性能劣化机制的研究仍不够系统深入，直接导致当前工程领域针对土工合成材料耐久性设计的相关标准与技术要求较为笼统，缺乏精细化、可落地的设计与管控依据。

国外诸多学者围绕土工膜、土工布的实际服役环境开展了大量老化特性研究，系统探讨了不同环境条件下土工合成材料的老化速率演变规律与长期服役寿命预判方法。现有主流的材料寿命评估体系，大多以材料内部抗氧化助剂的消耗速率、残余含量变化，或是材料宏观抗拉强度的老化折减比例作为核心判定依据。相较于国外完善的研究体系，我国针对复杂服役环境下土工合成材料的老化行为研究起步较晚、整体相对滞后，且国内现有多数研究多聚焦于材料本体抗拉强度、拉伸模量等基础力学性能的劣化规律分析，研究维度较为单一。

然而，对于垃圾填埋场、尾矿库等边坡类土工工程而言，土工膜与土工布的实际服役安全状态并非仅由材料自身抗拉性能决定。在长期老化作用下，材料界面剪切力学性能的衰减与演变规律，直接影响边坡土体与土工合成材料之间的协同受力特性，是控制边坡滑移变形、保障整体稳定性的核心因素。其中，以土工膜与周边介质形成的界面剪切强度为代表的界面力学特性，是评判边坡抗滑稳定性、把控工程运营安全的关键参数，自上世纪九十年代以来，一直是岩土工程、环境工程领域的重点研究方向。

大量工程试验研究证实，大尺寸直剪试验能够最大程度还原工程边坡失稳破坏时的真实应力应变状态，规避小型试样尺寸效应带来的试验误差，试验结果真实性与工程适配性更高，是开展土工合成材料界面剪切特性研究最为科学、可靠的试验手段。因此，系统开展紫外老化作用后土工合成材料的界面剪切特性试验研究，探明紫外老化对界面力学性能的影响规律，能够有效弥补现有研究体系的短板，丰富土工合成材料耐久性研究成果，进一步完善我国土工合成材料工程耐久性设计理论体系，为相关工程的安全设计与长效运维提供坚实的技术支撑。

近年来，学界逐步意识到材料老化效应对工程长期安全的重要影响，基于老化条件的土工合成材料界面剪切特性研究，突破了传统仅考量材料本体性能的研究局限，为填埋场等土工构筑物长期稳定性评估、服役寿命预测提供了全新的研究视角与技术思路。但总体而言，目前该方向的研究仍处于初步探索阶段，尚未形成系统完善的理论成果。紫外老化时长对土工合成材料界面剪切强度、剪切刚度、摩擦特性等关键力学参数的影响规律与内在机理尚不明确，同时现行工程设计规范中，也未针对土工合成材料施工现场暴露时长、紫外老化耐久性控制提出明确的限定标准与技术要求，难以精准指导实际工程设计与施工管控。

基于上述研究现状与工程痛点，本文以工程常用土工膜、砂土界面为研究对象，开展不同紫外老化时长条件下的界面直剪试验，系统分析紫外老化作用下土工膜-砂土界面剪切力学性能的演化特征，揭示紫外辐射诱发界面剪切性能劣化的内在机理，以期为复杂环境下土工合成材料的工程应用、耐久性优化设计及工程安全管控提供科学的理论依据与数据支撑。

不同紫外老化时长工况下，土工膜与砂土界面的剪切应力-水平位移关系曲线变化特征如图5所示。通过对比分析各组试验曲线可以发现，经历紫外老化后的土工膜-砂土界面剪切响应特征与未老化原始界面基本保持一致，曲线整体变化规律相近，均表现出显著的峰值强化与峰后软化特征，界面剪切破坏模式未因紫外老化作用发生本质改变。与此同时，紫外老化后的土工膜-砂土界面能够在更小的水平位移条件下达到破坏状态，仅需2～5 mm的水平位移即可抵达峰值剪切强度，表明紫外老化在一定程度上改变了界面剪切变形特性，缩短了界面屈服破坏的变形区间。

不同紫外老化时长对应的土工膜-砂土界面峰值剪切强度变化规律如图6所示。从试验结果可以清晰看出，所有紫外老化工况下的界面峰值剪切强度均低于未老化试样，证明紫外辐射会造成土工膜-砂土界面剪切承载能力的整体衰减。当紫外老化时长为20 d和40 d时，界面峰值剪切强度降至全程最小值，是性能劣化最显著的两个工况；而继续延长紫外照射时间，老化60 d、80 d的试样界面剪切强度出现小幅回升现象，材料界面力学性能呈现一定的恢复趋势。

对不同老化时长的土工膜-砂土界面剪切试验数据进行线性拟合可知，各工况下的界面剪切强度包线均具备良好的线性相关性，拟合效果优异。试验拟合结果显示，各组工况下的界面黏聚力数值极小，对整体界面剪切强度的贡献度极低。为简化数据分析过程、精准量化对比不同老化时长对界面摩擦性能的影响规律，本文忽略微小黏聚力的作用，假定界面黏聚力为零，进一步统计得到各工况下的界面峰值摩擦角变化规律，结果如图6(b)所示。未老化土工膜-砂土界面的峰值摩擦角最大，数值可达34.3°，界面摩擦性能最优。相较于未老化试样，经过20 d、40 d、60 d、80 d紫外老化处理后，土工膜-砂土界面的峰值摩擦角分别下降2.4°、3.1°、1.8°、1.6°，整体呈现先大幅衰减、小幅回升的变化规律，其中老化40 d时界面摩擦性能劣化程度最为显著。