这里我们先介绍一种反映土工织物透水性的指标。土工织物排水是依靠其平面渗透性，按照理论应该以其水平渗透系数K h 来表示。但是，由于织物埋在土内

要受到一定的压力，其厚度δ要变薄，垂直渗透性和水平渗透性都将减小，为了回避可变的厚度δ，根据达西定理，推导出反应织物渗透性的另外两个指标： 透水率导水率 ψ=Kυ/δ=q/△hA θ=Kh δ=q/i (2-8) (2-9)式中： q表示单位宽度的来水量；△h为土工织物上下两侧的水位差值；A为通过水流的面积； i为水流通过织物时的水力梯度。

某种土工织物用作排水时是否合适，需要先计算两种导水率：一个是由需要排除的水量q(亦即来水量)计算得要求的导水率θr ，另一个是根据所提供织物的

指标算出的织物可提供的导水率θa ，按以上所述，它们可以按式(2-10)及式

(2-11)计算：θr =q/iθa =Kh δ} (2-10)

显然，合格的土工合成材料应该满足下式：θa ≥Fs θr (2-11)

式中：Fs是安全系数，一般应不小于3；q为来水量，可以借流网法或其他方法估算(可参考有关资料)。式(2-11)如果得不到满足，可以更换厚一些的织物，或改用排水量大的其他排水土工合成材料。@

烟囱式排水布置上游来水流到竖向排水体土工织物(，将沿织物往下流，通过下游底部排水层导向堤外。这种情况下的计算与上述（一）中所述的基本相同，即先按流网估算进人烟囱式排水体的来水量q，由此按式(2-9)算出θr (其中的i＝sinβ)；其次由提供的土工织物指标，按式(2-10)算出θa ；再由式(2-11)检验提供的织物是否合适。要注意的是流入织物的渗流量是由上而下累计增大的，如图2-4(b)，其底部流量，应该逐段验算。堤坝底部排水层 软基上堤坝底部铺设土工织物作为排水层的示意如图2-5。饱和软土地基在堤坝重力作用下将排水固结，排出的水量通过土工织物向两侧流走。这种情况的排水计算较前述的稍复杂，因为它要涉及土的固结计算。这里不作详细介绍，仅写出以下公式作为参考。式(2-12)假设土工织物的承压力为地基中水压力的10％～15％，并根据单向固结理论推导得出：@

式中：B为堤坝底宽；Ksυ是地基土的垂直向渗透系数； Cυ为土的固结系数，它

是由地基土的固结试验求得的反映固结快慢的一个指标；t为筑堤的时间。 同样，可按式(2-11)检验所采用的织物是否有足够的导水能力。 图2-4 烟囱式排水计算图 (a)堤坝横断面团；(b)土工织物内部渗流示意图 l—土工织物；2—浸润线 图2-5 土堤底部排水示意图

 塑料排水带垂直排水设计在***章中已简单介绍了塑料排水带的构造，它是由塑料排水芯材外包非织造土工织物(滤膜)构成的一种土工复合排水材料，在软土地基加固中应用广泛。这种材料是由早期的“排水砂井”演变而来。利用砂井加速软土地基固结的基本概念如下：假设有一处饱和软土地基，如图2-6(a)，在其表面施加外荷载(建筑物重 量)，土中会产生超过静水压力的孔隙水压力，于是，土体中多余水分逐渐从排水面(地表)排出，这种现象称为排水固结。当土层厚度H(假设其下为不透水层) 较大时，排水行程(即H)太长，土层完成排水固结的时间也将增大。若粘土渗透性小，则固结时间需要很长，故建造在软土上的建筑物将长期处于持续下沉的状 态。为了加速固结，可以在软基中设置垂直方向的砂井(砂井是用造孔机械在平面上按一定间距和布置方式(常为正方形或梅花形分布)造孔(一般穿过软土

层)， 同时填入砂料，形成砂柱，如图2-6(b)。砂柱为软土提供了排水面，排入砂柱的水向上进入地面的砂垫层，再沿水平方向排走。@

根据固结 图2-6利用砂井加速软土地基排水固结 l—排水；2—砂井；3—砂垫层

理论，排水固结的时间与排水距离的平方成反比。例如在图2-6中，不设砂井时的排水距离为H，设砂井后，相应距离为d e /2。式中的d e 约为砂井间距，则

为达到一定的固结度后者所需的时间t 与前者时间T 的关系为：t＝[（de /2）22/H]T，所以只要调整d e ，即可使固结所需的时间缩短到要求的时间。事实上，

所需时间比上式计算的还要短一些，因为在砂井水平排水的同时，还有土层自身的垂直向排水。砂井设计的要点在于按现有的土质特性(固结系数C υ等)、砂井的直径和深度，

现有的造孔设备规格(孔径和造孔深度)，以及许可的固结时间，通过三维固结理论来估算砂井的分布间距。很明显，间距愈小，固结将愈快，但为了使地基土不因砂井造孔而过分地扰动，砂井的间距不宜过小，一般为2～3m。@

塑料排水带加速地基固结的概念与砂井的完全相同，只是以截面为矩形的排水带代替了截面为圆形的砂井，排水带计算 仍然采用砂井理论中的固结理论，所以需要将排水带截面的周长(宽度和厚度分别为b 和δ)转化为等效砂井直径d，显然d＝（2/π）(b十δ)。这样排水带 就可以完全按直径为d 的砂井设计。 　在塑料排水带插带过程或砂井施工过程中，不可避免会引起地基土的扰动，并因此在排水带或砂井周围形成一相对不 透水的土层，这种因对地基土扰动引起透水性降低的作用，称为涂抹作用。同时，塑料排水带或砂井的导水能力需要在一定的水头差作用下才能起作用，以排出从地 基土流人的水量，这种砂井导水能力的有限性可称之为井阻。考虑涂抹和井阻作用的计算方法很多，有的方法可估算扰动土层的范围和渗透系数，以及塑料排水带的 渗透系数，然而，这些量的确定仍然是困难的。这里不再介绍有关的计算方法，仅引用《建筑地基处理技术规范》中的规定：对长径比较大和井料渗透系数小的袋装 砂井或塑料排水带，应考虑井阻作用，当采用挤土方式施工时，尚应考虑土的涂抹和扰动影响。考虑的方法是将理想条件下计算得到的平均固结度乘以 0.80～0.95的折减系数。@

用以上介绍的方法进行软土地基的排水固结计算一般已能满足工程设计的要求。在设计中还可针对实际情况进一步考虑其他因素(如分级加载，井深不穿过软土层，或地基土强度等)的影响，这里不再作进一步介绍，如有需要可参考有关文献。

隔离功能

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***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，***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。

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。@

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。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： 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

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。@

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。

胀破和顶破试验

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。图2-8 Mullen胀破试验 图2-9 CBR试验仪 1—织物；2—夹具；3—顶压杆；4—***表；5—应力环；6—托盘

CBR顶破试验。这个试验l—薄膜；2—环形夹具；3—液压 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，顶破过程中的顶压力称

顶破强度或刺破强度。@

力学分析

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F s (至少为3)，可以得到要求的顶破强度如下：

P M =Fs [（d50-d c ）/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d c 取值如下：

带棱角颗粒　d c ＝（1/4）d50圆钝颗粒 　d c ＝（1/2）d50

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F s (至少为3)，可得到CBR 刺破强度F CBR 的计算式如下：F CBR =Fs F p （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。