土工合成材料的隔离功能

隔离功能

一、隔离作用

隔离是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料，使它们不互相混杂。例如将碎石和细粒土隔离，软土和填土之间隔离等等。隔离可以为工程带来许多预期的良好效应，举简例说明如下：

(1) 通过隔离层，引起应力扩散作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。

(2) 隔离提供排水面，加速地基土固结，使承载力提高。

(3) 隔离层起整体性作用，可使要求的地基粗粒料支持层的厚度减少，节约建筑材料。

(4) 地基中有部分软弱区域，或有小范围洞穴，铺隔离层有架桥作用，以掩盖和减弱洞穴区或软弱区的影响。

(5) 在地下水位较高的地基中，隔离层可以切断毛细水上升，防止盐碱化，或减弱冻胀。

(6) 道路基床中，隔离是防治翻浆冒泥的有效措施。

(7) 隔离层还起一定的保温作用。

前面已经谈过，一种土工合成材料常具有多种功能。利用它作为隔离层，更能说明这一特征，在水利工程中，经常遇到的是水流从土体中通过，有时要穿越颗粒粗细不同的土层，或从土体中流出。因此，应用于隔离的材料除要求有一定的强度外，还需要有足够的透水性，让水流畅通，避免引起过高的孔隙水压力；有足够的保土性，防止形成土骨架的土粒流失，保证土体稳定性；堤坝坡防护层下的土工织物垫层要保护垫层下的土体不被冲刷带走，实际上也起到隔离作用。由此看来，隔离功能往往不是单独存在的，它常与排水、反滤，甚至防护功能连系在一起，难以截然分开。

本节中所述的隔离作用主要侧重于那种用于持力层，因而对材料的抗顶破和刺破能力特别需要关注。

二、材料及其应用举例

用于隔离的土工合成材料应以它们在工程中的用途来确定。应用最多的是有纺和无纺土工织物。如果对材料的强度要求较高，有时还要求以土工网或土工格栅作为材料的垫层。当要求隔离防渗时，则需

要土工膜或复合土工膜。

水利工程中要求隔离的实例很多，兹举典型的如下：

(1) 堤坝粘土心墙和斜墙上下游的过滤层。

(2) 堤坝排水体与坝体的隔离层。

(3) 岸坡防护层下的垫层以及地基上填筑粗粒料时的界面隔离层等。

为了重点阐明隔离层的受力状态，可以图2-7作示意性解释。图2-7(a)为在粗粒土上覆盖细粒土，并有荷载作用；图2-7(b)与图2-7(a)相反，为在细粒土上填筑粗粒土；图2-7(c)则既有粗、细粒土的相邻，又有渗流运动；图2-7(d)则是在两种不同界面处有孔穴存在。在这几种情况中，明显看出，在标有号码“1”处，隔离材料在粗粒土的孔隙部位或两种材料界面的孔穴部位将受到来自受压软土的挤顶作用，为此，要求隔离材料必须有足够的抗顶破能力；在标有号码“2”处，隔离材料则将受到由粗土粒棱角施加的穿刺力，故隔离材料还应有抵抗刺破的能力。

三、工程设计要点

设计及验算的内容应根据隔离层预计的工作条件来确定：

(一) 非持力层情况

隔离层不要求承受施工应力以外的较大荷载，不需要按受力部件来考虑，则按本节中“反滤”和“排水”两段所述要求来选择隔离材料即可。

图2-7 土工合成材料的隔离作用

(a)碎石地基；(b)软基(无渗水)；

(c)软基(有渗水)；(d)裂缝地基

1—顶坡；2—刺破

(二) 持力层情况

如图2-7所示情况，受上覆荷载作用，隔离材料有抵抗顶破和刺破的要求，则除满足反滤和排水准则，还需要对其进行力学分析。由于力学分析与Mullen胀破试验及CBR顶破试验紧密相连，因此有必要在这里先简单介绍这两种试验的情况。

1.胀破和顶破试验

(1)Mullen胀破试验。这个试验是为了模拟土工织物铺在凹凸不平的层面上受到挤压，评价其强度而设计的。所用仪器如图2-8。环形夹具中间为一可扩散的薄膜(加筋的人造橡胶)。试验时将土工织物试样覆盖在薄膜上，用环形夹具将其夹紧，然后开动机器加液压，使薄膜连同土工织物同时鼓胀，直到织物被胀裂，将胀破压力扣除使薄膜扩张至胀裂状态所需的压力称胀破强度或顶破强度。

(2)CBR顶破试验。这个试验是为模拟粗粒石料对土工织物的顶压作用，评价其强度而设计的。试验所用CBR试验仪如图2-9。试验方法是将土工织物试样紧夹在图2-8(a)的环形夹具中，然后用图2-8(b)中直径为50mm的CBR仪的圆柱顶压杆在织物

图2-8 Mullen胀破试验

l—薄膜；2—环形夹具；3—液压

图2-9 CBR试验仪

1—织物；2—夹具；3—顶压杆；4—百分表；5—应力环；6—托盘

平面垂直向以一定速率顶向织物，直至试样被顶破，顶破过程中的最

大顶压力称顶破强度或刺破强度。

2.力学分析

(1)顶破强度分析。针对图2-10的情况研究在两个相邻大颗粒下铺有土工织物时，孔隙空间处的土工织物受到基土的反力作用的情况。受力条件与Mullen试验相似，假设大颗粒的平均粒径为d50、颗粒与土工织物的平均接触面直径为dc，则根据接触面周边(假设图中段变形后呈半球形)单位长度上的拉力和Mullen试验达到顶破强度PM 时周边单位长度上的拉力相等的条件，并考虑一定的安全系数Fs(至少为3)，可以得到要求的顶破强度如下：

PM=Fs[（d50-dc）/dM]qu

(2-13)

图2-10 土工织物顶破与刺破分析

式中：dM为Mullen胀破仪的直径；qu为地基土的极限承载力，可借土力学一般方法计算。

故用作隔离的土工织物的Mullen试验的顶破强度应不小于按式(2-13)算得的数值。

有的学者建议dc取值如下：

dc＝（1/4）d50

圆钝颗粒dc＝（1/2）d50

(2)刺破强度分析。仍按图2-10，段的顶刺情况与CBR试验的相似。同样，按两种情况接触面周边径向拉力相等，且考虑一定的安全系数Fs(至少为3)，可得到CBR刺破强度FCBR的计算式如下：

FCBR=FsFp（dCBR/Dc）

(2-14)

式中：dCBR为CBR试验圆柱顶杆直径；Fp为接触点处颗粒所受向下压力和向上反力之差。

故用作隔离的土工织物的刺破强度应不小于按式(2-14)算得的数值。