土工防渗膜在地基中的力学作用机理分析

杨云，雒亿平，2，言志信

（1.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃兰州730050；2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000；3.河南城建学院土木工程学院，河南平顶山467036）

土工防渗膜在地基中的力学作用机理分析

杨云1，雒亿平1，2，言志信2，3

（1.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃兰州730050；2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000；3.河南城建学院土木工程学院，河南平顶山467036）

针对湿陷性黄土构建了土工防渗膜灰土垫层复合地基，并获得发明专利。结合理论和数值模拟探讨了上部灰土垫层、下部原状湿陷性黄土体之间设置土工防渗膜构建的复合地基中，土工防渗膜与灰土垫层和黄土体的相互作用机理及效应，揭示了土工防渗膜限制复合地基的侧向变形、增强地基自稳能力并与地基协调变形的规律。土工防渗膜对地基力及变形的影响不大，主要起防渗隔水作用。

土工防渗膜；复合地基；湿陷性黄土；承载变形特性；地基处理

土工防渗膜的应用可追溯到20世纪30年代［1-2］，在我国的应用始于20世纪60年代中期［3］。随着人们对它所具有的功能和特性及其在工程实践中卓越成效了解的深入，逐渐将其应用领域扩大到高速公路、铁路、飞机场、电厂、井灌、民用建筑等几乎所有土建行业［4-7］。尽管如此，人们对土工防渗膜仍缺乏系统研究，尤其是在我国西部黄土地区的应用研究甚少，仍未见土工防渗膜用于处理湿陷性黄土地基的报道。为此，本文利用有限差分软件FLAC3D探讨了在上部灰土垫层、下部原状湿陷性黄土体之间设置土工防渗膜构成的复合地基中，土工防渗膜与灰土垫层和黄土体的相互作用机理及效应，以期为土工防渗膜在湿陷性黄土地区地基处理中应用提供理论和技术支撑［8-9］。

1　复合地基作用机理分析

就力的相互作用而言，在地基中设置水平向的土工防渗膜，相当于对地基土体进行水平向增强。研究土工防渗膜、灰土垫层和地基土体所构成的复合地基中土工防渗膜对灰土垫层和地基土体的拉力机制，有利于揭示其与灰土垫层和地基土体之间的作用机理，了解土工防渗膜在地基中的作用及效应。

土工防渗膜与灰土垫层和地基土体的摩擦作用，能够在一定程度上限制灰土垫层和地基土体的侧向位移，从而增加灰土垫层和地基土体的自稳能力。在基础荷载作用下，上部灰土垫层发生沉降变形，与此同时，土工防渗膜随其上部灰土垫层协调变形。当基础施加圆形均布荷载时，土工防渗膜呈中心沉降最大的轴对称凹面形；当基础施加方形均布荷载时，变形截面近似于圆弧形状。由于土工防渗膜对地基内应力的均化，限制与其相邻的土体之间的侧向变形，使地基的差异沉降减小，有助于柱基与柱间土体共同分担上部荷载。随着土工防渗膜的变形，其膜体内部会产生一定的抵抗拉伸变形并恢复其原来形状的拉力，表现为“拉膜效应”，可承受一定的竖直向荷载。一部分荷载通过土工防渗膜拉力的垂直分量进行消减，减少土体的沉降量，另一部分荷载通过土工防渗膜与灰土垫层和地基土体之间的摩擦力进行消减或平衡，减小其水平位移［10-11］。

灰土垫层和地基土体与柔性土工防渗膜在变形模量之间存在巨大差距，灰土垫层和地基土体的抗拉、抗剪强度较小，而柔性土工防渗膜本身具有较强的抗拉强度，其变形能力也较大。因而灰土垫层、地基土体与土工防渗膜共同受力变形过程中，存在着相互错动的趋势。这种错动趋势被土工防渗膜与灰土垫层和地基土体之间存在的摩擦阻力抵抗，从而使土工防渗膜承受较大的拉力，同时使土体的侧向变形受到约束。

1.1摩擦作用

地基受到竖向荷载作用所导致的侧向土压力必定会使地基浅表层的灰土垫层侧向挤出，竖向荷载越大，产生的竖向沉降量越大，同时产生的水平侧向挤出量也越大。在设置土工防渗膜的地基中，通过土工防渗膜与灰土垫层和地基土体之间接触面的摩擦作用，地基浅表层土体的这种侧向挤出变形将会受到摩擦阻力的限制，同时相应地在土工防渗膜等柔性土工材料中产生一个附加拉应力。为探讨土工防渗膜表面与灰土垫层和地基土体之间的相互作用机理，取地基中图1所示的一微段进行分析。图中土工防渗膜上作用着由于上覆灰土垫层自重以及外加荷载共同产生的总应力σ，假设由灰土垫层和地基土体侧向挤出时的水平变形对土工防渗膜所产生的摩擦力沿土工防渗膜长度呈非均匀分布，在该微段所产生的拉力为dT=T1-T2。假设灰土垫层和地基土体与土工防渗膜之间的摩擦系数均为f（f=tanφ），若单位宽度的土工防渗膜能够提供的最大抗滑力2σ fdL＞dT，则土工防渗膜与土颗粒之间不会产生相对滑动变形；若能够提供的最大抗滑力2σfdL≤dT，则有发生相对滑动变形的可能，对地基土体的稳定性不利［7］。

图1　摩擦原理

1.2准黏聚力作用

土工防渗膜与灰土垫层和地基土体结合构成的各向异性复合地基，若土工防渗膜的弹性模量远大于灰土垫层和地基土体的弹性模量，则可大大提高地基的抗拉强度和抗剪强度。与此同时，灰土垫层和地基土体与土工防渗膜之间的摩擦力也会增大。

一般土体在侧限单轴压力作用下压密的同时也会发生侧向挤出变形，土体之间的侧向压力被土工防渗膜与土体之间的摩擦力（摩阻力）减弱甚至平衡，可在一定程度上减弱土体的侧向变形，相当于在土体中施加了一个抵消或者减弱土体侧压力的反力（如图2所示），取得减小土体侧向变形的效果［7，12］。

图2　应力状态示意

土工防渗膜是具有一定抗拉强度的柔性土工合成材料，设置土工防渗膜可有效地改善土体的刚度。文献研究表明：土工防渗膜可扩散上部荷载，将土体的模量提高10%～20%，从而可调整地基的沉降变形，减小最大沉降量［7，13-15］。

但土工防渗膜埋深较大时，亦即其上的垫层厚度较大时，对土体的作用效应不明显，主要起防渗阻水作用，以保护地基土体，防止发生地基湿陷。

2　复合地基作用效应分析

通过FLAC3D［16］进行分析，复合地基中土工防渗膜的弹性模量为2.6×108Pa，泊松比为0.33，厚度为5 mm，耦合弹簧的摩擦角为5.2°、黏聚力为0、刚度为2.3×106N/cm3。分析复合地基在50，300 kPa压力下的变形及应力的特性，计算结果见图3。

图3　土工防渗膜位移矢量及地基沉降时程曲线

图3的纵坐标为沉降量，横坐标为时间步。图中上曲线为基底面中心点下方土工防渗膜之下0.5 m处原状黄土体的沉降时程曲线；中曲线为基底面中心点下方土工膜的沉降时程曲线；下曲线为基底面中心点下方土工防渗膜之上0.5 m处灰土垫层的沉降时程曲线。可见，随着时间步的增加各时程曲线在时步较小时近似直线变化，当计算超过一定时间步，其曲线随时间步的变化趋缓，最终稳定。近似直线段表明的是弹性变形阶段，即随时间步的增大，沉降量呈线性增长；随时间步继续增加，沉降量增速减小，进入塑性变形阶段且渐趋稳定，即出现塑性变形，亦即产生永久沉降量。

另外，从图3和表1均可看出，随荷载的增加，土工防渗膜的变形量呈增加趋势，且增加值较大。

表1　各荷载作用下土工防渗膜最大沉降量和最大剪应力

荷载作用下灰土垫层和地基原状黄土体产生向四周的挤出变形。随着荷载的增加，侧向挤出变形增加，从而对土工防渗膜的剪应力增大，土工防渗膜发挥其抗力作用，该作用减小了土体的侧向挤出变形。不同荷载作用下土工防渗膜的最大剪应力见表1。

通过数值计算可以看出土工防渗膜在基底面中心下的变形量最大，向两边减小，呈倒钟形分布，如图4所示。结合图3可知，随着荷载的增加，中间部位的下沉增加较快，两侧的下沉增加较小，对应基底压力300 kPa时的下沉量为15.77 mm，该压力下土工防渗膜的剪应力云图如图5所示。在尺寸为2 m×2 m独立基础作用下，土工防渗膜受影响范围是以荷载中心点为圆心，半径为2～2.5倍基础边长的圆形。

图4　土工防渗膜变形模式

图5　土工防渗膜的剪应力云图（单位：300 kPa）

3　结论

针对湿陷性黄土构建了土工防渗膜灰土垫层复合地基，结合理论和数值模拟探讨了上部灰土垫层、下部原状湿陷性黄土体之间设置土工防渗膜构建的复合地基中土工防渗膜与灰土垫层和黄土体的相互作用机理及效应。其研究结论如下：

1）土工防渗膜与上部灰土垫层、下部原状湿陷性黄土体之间的摩擦作用能够在一定程度上限制复合地基的侧向变形，增加复合地基的自稳能力，弥补灰土垫层和地基土体抗拉强度的不足。

2）在基础荷载作用下，土工防渗膜能随上部灰土垫层和下部地基土体协调变形。

3）随着基础施加荷载的增大，土工防渗膜的变形量增大，剪应力也呈增大的趋势。

4）上部灰土垫层、下部原状湿陷性黄土体之间设置土工防渗膜构建的复合地基科学、合理、可行。

5）土工防渗膜的协调变形性能好，对地基力及变形的影响均不大。

6）土工防渗膜在复合地基中对土体的作用效应不明显，主要起防渗隔水作用，以防止发生地基湿陷。

致谢：感谢言志信的硕士生郭斌对本文所做的工作。

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（责任审编赵其文）

Analysis on Mechanical Behavior Mechanism of Geomembrane in Foundation

YANG Yun1，LUO Yiping1，2，YAN Zhixin2
（1.The Research Institute of Economics and Technology of Gansu Province Electric Power Company，State Grid Corporation of China，Lanzhou Gansu 730050，China；2.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou Gansu 730000，China；3.School of Civil Engineering，Henan University of Urban Construction，Pingdingshan Henan 467036，China）

In this paper，the geomembrane lime soil cushion composite foundation was constructed for the collapsible loess，which obtained the invention patent.Interaction mechanism and effect among the geomembrane，the lime soil cushion and the loess mass were studied in the composite foundation where the geomembrane was set between the upper lime soil cushion layer and the lower original collapsible loess mass layer.T he results showed that geomembrane could constrain lateral deformation of composite foundation，strengthen the self-stabilization ability of the composite foundation and concluded the coordinated deformation law interacted with foundation.Geomembrane has little effect on foundation force and deformation and mainly plays the role of seepage prevention and water isolation.

Geomembrane；Composite foundation；Collapsible loess；Bearing deformation characteristic；Foundation treatment

TU472.3+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.24

1003-1995（2016）10-0089-04

2015-08-31；

2016-07-01

国家电网公司科技项目（KJ［2013］9，SGGSJYOOGHJS1400056，SGTYHT/13-JS-175）

杨云（1967—），女，高级工程师，硕士。

言志信（1961—），男，教授，博士。