土工防滲膜在地基中的力學(xué)作用機(jī)理分析

楊云，雒億平，2，言志信

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050；2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；3.河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南平頂山467036）

土工防滲膜在地基中的力學(xué)作用機(jī)理分析

楊云1，雒億平1，2，言志信2，3

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050；2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；3.河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南平頂山467036）

針對濕陷性黃土構(gòu)建了土工防滲膜灰土墊層復(fù)合地基，并獲得發(fā)明專利。結(jié)合理論和數(shù)值模擬探討了上部灰土墊層、下部原狀濕陷性黃土體之間設(shè)置土工防滲膜構(gòu)建的復(fù)合地基中，土工防滲膜與灰土墊層和黃土體的相互作用機(jī)理及效應(yīng)，揭示了土工防滲膜限制復(fù)合地基的側(cè)向變形、增強(qiáng)地基自穩(wěn)能力并與地基協(xié)調(diào)變形的規(guī)律。土工防滲膜對地基力及變形的影響不大，主要起防滲隔水作用。

土工防滲膜；復(fù)合地基；濕陷性黃土；承載變形特性；地基處理

土工防滲膜的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)30年代［1-2］，在我國的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代中期［3］。隨著人們對它所具有的功能和特性及其在工程實(shí)踐中卓越成效了解的深入，逐漸將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到高速公路、鐵路、飛機(jī)場、電廠、井灌、民用建筑等幾乎所有土建行業(yè)［4-7］。盡管如此，人們對土工防滲膜仍缺乏系統(tǒng)研究，尤其是在我國西部黃土地區(qū)的應(yīng)用研究甚少，仍未見土工防滲膜用于處理濕陷性黃土地基的報(bào)道。為此，本文利用有限差分軟件FLAC3D探討了在上部灰土墊層、下部原狀濕陷性黃土體之間設(shè)置土工防滲膜構(gòu)成的復(fù)合地基中，土工防滲膜與灰土墊層和黃土體的相互作用機(jī)理及效應(yīng)，以期為土工防滲膜在濕陷性黃土地區(qū)地基處理中應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐［8-9］。

1　復(fù)合地基作用機(jī)理分析

就力的相互作用而言，在地基中設(shè)置水平向的土工防滲膜，相當(dāng)于對地基土體進(jìn)行水平向增強(qiáng)。研究土工防滲膜、灰土墊層和地基土體所構(gòu)成的復(fù)合地基中土工防滲膜對灰土墊層和地基土體的拉力機(jī)制，有利于揭示其與灰土墊層和地基土體之間的作用機(jī)理，了解土工防滲膜在地基中的作用及效應(yīng)。

土工防滲膜與灰土墊層和地基土體的摩擦作用，能夠在一定程度上限制灰土墊層和地基土體的側(cè)向位移，從而增加灰土墊層和地基土體的自穩(wěn)能力。在基礎(chǔ)荷載作用下，上部灰土墊層發(fā)生沉降變形，與此同時，土工防滲膜隨其上部灰土墊層協(xié)調(diào)變形。當(dāng)基礎(chǔ)施加圓形均布荷載時，土工防滲膜呈中心沉降最大的軸對稱凹面形；當(dāng)基礎(chǔ)施加方形均布荷載時，變形截面近似于圓弧形狀。由于土工防滲膜對地基內(nèi)應(yīng)力的均化，限制與其相鄰的土體之間的側(cè)向變形，使地基的差異沉降減小，有助于柱基與柱間土體共同分擔(dān)上部荷載。隨著土工防滲膜的變形，其膜體內(nèi)部會產(chǎn)生一定的抵抗拉伸變形并恢復(fù)其原來形狀的拉力，表現(xiàn)為“拉膜效應(yīng)”，可承受一定的豎直向荷載。一部分荷載通過土工防滲膜拉力的垂直分量進(jìn)行消減，減少土體的沉降量，另一部分荷載通過土工防滲膜與灰土墊層和地基土體之間的摩擦力進(jìn)行消減或平衡，減小其水平位移［10-11］。

灰土墊層和地基土體與柔性土工防滲膜在變形模量之間存在巨大差距，灰土墊層和地基土體的抗拉、抗剪強(qiáng)度較小，而柔性土工防滲膜本身具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，其變形能力也較大。因而灰土墊層、地基土體與土工防滲膜共同受力變形過程中，存在著相互錯動的趨勢。這種錯動趨勢被土工防滲膜與灰土墊層和地基土體之間存在的摩擦阻力抵抗，從而使土工防滲膜承受較大的拉力，同時使土體的側(cè)向變形受到約束。

1.1摩擦作用

地基受到豎向荷載作用所導(dǎo)致的側(cè)向土壓力必定會使地基淺表層的灰土墊層側(cè)向擠出，豎向荷載越大，產(chǎn)生的豎向沉降量越大，同時產(chǎn)生的水平側(cè)向擠出量也越大。在設(shè)置土工防滲膜的地基中，通過土工防滲膜與灰土墊層和地基土體之間接觸面的摩擦作用，地基淺表層土體的這種側(cè)向擠出變形將會受到摩擦阻力的限制，同時相應(yīng)地在土工防滲膜等柔性土工材料中產(chǎn)生一個附加拉應(yīng)力。為探討土工防滲膜表面與灰土墊層和地基土體之間的相互作用機(jī)理，取地基中圖1所示的一微段進(jìn)行分析。圖中土工防滲膜上作用著由于上覆灰土墊層自重以及外加荷載共同產(chǎn)生的總應(yīng)力σ，假設(shè)由灰土墊層和地基土體側(cè)向擠出時的水平變形對土工防滲膜所產(chǎn)生的摩擦力沿土工防滲膜長度呈非均勻分布，在該微段所產(chǎn)生的拉力為dT=T1-T2。假設(shè)灰土墊層和地基土體與土工防滲膜之間的摩擦系數(shù)均為f（f=tanφ），若單位寬度的土工防滲膜能夠提供的最大抗滑力2σ fdL＞dT，則土工防滲膜與土顆粒之間不會產(chǎn)生相對滑動變形；若能夠提供的最大抗滑力2σfdL≤dT，則有發(fā)生相對滑動變形的可能，對地基土體的穩(wěn)定性不利［7］。

圖1　摩擦原理

1.2準(zhǔn)黏聚力作用

土工防滲膜與灰土墊層和地基土體結(jié)合構(gòu)成的各向異性復(fù)合地基，若土工防滲膜的彈性模量遠(yuǎn)大于灰土墊層和地基土體的彈性模量，則可大大提高地基的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。與此同時，灰土墊層和地基土體與土工防滲膜之間的摩擦力也會增大。

一般土體在側(cè)限單軸壓力作用下壓密的同時也會發(fā)生側(cè)向擠出變形，土體之間的側(cè)向壓力被土工防滲膜與土體之間的摩擦力（摩阻力）減弱甚至平衡，可在一定程度上減弱土體的側(cè)向變形，相當(dāng)于在土體中施加了一個抵消或者減弱土體側(cè)壓力的反力（如圖2所示），取得減小土體側(cè)向變形的效果［7，12］。

圖2　應(yīng)力狀態(tài)示意

土工防滲膜是具有一定抗拉強(qiáng)度的柔性土工合成材料，設(shè)置土工防滲膜可有效地改善土體的剛度。文獻(xiàn)研究表明：土工防滲膜可擴(kuò)散上部荷載，將土體的模量提高10%～20%，從而可調(diào)整地基的沉降變形，減小最大沉降量［7，13-15］。

但土工防滲膜埋深較大時，亦即其上的墊層厚度較大時，對土體的作用效應(yīng)不明顯，主要起防滲阻水作用，以保護(hù)地基土體，防止發(fā)生地基濕陷。

2　復(fù)合地基作用效應(yīng)分析

通過FLAC3D［16］進(jìn)行分析，復(fù)合地基中土工防滲膜的彈性模量為2.6×108Pa，泊松比為0.33，厚度為5 mm，耦合彈簧的摩擦角為5.2°、黏聚力為0、剛度為2.3×106N/cm3。分析復(fù)合地基在50，300 kPa壓力下的變形及應(yīng)力的特性，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3　土工防滲膜位移矢量及地基沉降時程曲線

圖3的縱坐標(biāo)為沉降量，橫坐標(biāo)為時間步。圖中上曲線為基底面中心點(diǎn)下方土工防滲膜之下0.5 m處原狀黃土體的沉降時程曲線；中曲線為基底面中心點(diǎn)下方土工膜的沉降時程曲線；下曲線為基底面中心點(diǎn)下方土工防滲膜之上0.5 m處灰土墊層的沉降時程曲線。可見，隨著時間步的增加各時程曲線在時步較小時近似直線變化，當(dāng)計(jì)算超過一定時間步，其曲線隨時間步的變化趨緩，最終穩(wěn)定。近似直線段表明的是彈性變形階段，即隨時間步的增大，沉降量呈線性增長；隨時間步繼續(xù)增加，沉降量增速減小，進(jìn)入塑性變形階段且漸趨穩(wěn)定，即出現(xiàn)塑性變形，亦即產(chǎn)生永久沉降量。

另外，從圖3和表1均可看出，隨荷載的增加，土工防滲膜的變形量呈增加趨勢，且增加值較大。

表1　各荷載作用下土工防滲膜最大沉降量和最大剪應(yīng)力

荷載作用下灰土墊層和地基原狀黃土體產(chǎn)生向四周的擠出變形。隨著荷載的增加，側(cè)向擠出變形增加，從而對土工防滲膜的剪應(yīng)力增大，土工防滲膜發(fā)揮其抗力作用，該作用減小了土體的側(cè)向擠出變形。不同荷載作用下土工防滲膜的最大剪應(yīng)力見表1。

通過數(shù)值計(jì)算可以看出土工防滲膜在基底面中心下的變形量最大，向兩邊減小，呈倒鐘形分布，如圖4所示。結(jié)合圖3可知，隨著荷載的增加，中間部位的下沉增加較快，兩側(cè)的下沉增加較小，對應(yīng)基底壓力300 kPa時的下沉量為15.77 mm，該壓力下土工防滲膜的剪應(yīng)力云圖如圖5所示。在尺寸為2 m×2 m獨(dú)立基礎(chǔ)作用下，土工防滲膜受影響范圍是以荷載中心點(diǎn)為圓心，半徑為2～2.5倍基礎(chǔ)邊長的圓形。

圖4　土工防滲膜變形模式

圖5　土工防滲膜的剪應(yīng)力云圖（單位：300 kPa）

3　結(jié)論

針對濕陷性黃土構(gòu)建了土工防滲膜灰土墊層復(fù)合地基，結(jié)合理論和數(shù)值模擬探討了上部灰土墊層、下部原狀濕陷性黃土體之間設(shè)置土工防滲膜構(gòu)建的復(fù)合地基中土工防滲膜與灰土墊層和黃土體的相互作用機(jī)理及效應(yīng)。其研究結(jié)論如下：

1）土工防滲膜與上部灰土墊層、下部原狀濕陷性黃土體之間的摩擦作用能夠在一定程度上限制復(fù)合地基的側(cè)向變形，增加復(fù)合地基的自穩(wěn)能力，彌補(bǔ)灰土墊層和地基土體抗拉強(qiáng)度的不足。

2）在基礎(chǔ)荷載作用下，土工防滲膜能隨上部灰土墊層和下部地基土體協(xié)調(diào)變形。

3）隨著基礎(chǔ)施加荷載的增大，土工防滲膜的變形量增大，剪應(yīng)力也呈增大的趨勢。

4）上部灰土墊層、下部原狀濕陷性黃土體之間設(shè)置土工防滲膜構(gòu)建的復(fù)合地基科學(xué)、合理、可行。

5）土工防滲膜的協(xié)調(diào)變形性能好，對地基力及變形的影響均不大。

6）土工防滲膜在復(fù)合地基中對土體的作用效應(yīng)不明顯，主要起防滲隔水作用，以防止發(fā)生地基濕陷。

致謝：感謝言志信的碩士生郭斌對本文所做的工作。

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（責(zé)任審編趙其文）

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

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（KJ［2013］9，SGGSJYOOGHJS1400056，SGTYHT/13-JS-175）

楊云（1967—），女，高級工程師，碩士。

言志信（1961—），男，教授，博士。