土工合成材料在整治路基病害工程中的应用

第一篇：土工合成材料在整治路基病害工程中的应用

土工合成材料在整治路基病害工程中的应用 2.1 土工合成材料的含义及其应用概况

土工合成材料是土木工程应用的合成材料的总称。作为一种新型的土木工程材料，它是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。

土工合成材料在土木、水利、交通、铁道和环境工程中得到广泛的应用，起到排水反滤、防渗、加筋、隔离、防护和减载等作用。这些作用是以不同的形式的产品来实现的，例如，土工织物用于滤层、隔离和防护；土工网和三维植被网垫用于排水和坡面的稳定；土工格栅、条带和有纺或编织土工织物用于加筋、土工膜用于防渗等。复合型土工合成材料则结合了各自的优点，例如，兼有过滤和排水性能的土工织物和土工网复合材料，结合加筋和隔离功能的土工织物和土工格栅复合材料，而土工织物和土工膜结合形成的复合土工膜则既能防渗又具有防刺破的作用，同时具有与土较高的界面磨擦系数。

尽管有众多的产品和更多的潜在的应用形式，对于具体的工程应判断土工合成材料的主要作用，选择合理的设计公式，确定要求达到的性能指标，并寻求一个经济上合适的施工方法。目前证明较成功的应用有：无纺土工织物代替粒状级配滤层应用于反滤排水工程中，土工合成材料加筋挡土墙代替重力式挡土墙，塑料排水带代替砂井，土工膜用于防渗材料等。在应用的初期，最担心的是耐久性，忽视铺放的位置，认为铺土工合成材料总比不铺好。而现在经验证明在土中耐久性是可以保证的，相反，土工合成材料铺放的位置不当或施工质量差，会降低作用，甚至适得其反。

土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。聚乙烯是在1931年前后，首先由英国ICI公司研制成功的，1939年成为商品在市场上出售，它是聚合物中分子结构最简单的一种，可分为低分子量和高分子量两类。聚乙烯的比重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，低湿时仍具柔性，电绝缘性极好。在1950年前后，又开发出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、机械强度、熔点和硬度等都比低密度的为优。聚酰胺约在1935年研制成功，俗名为尼龙，其吸湿性较高，干燥时有一定绝缘性、机械性能好。聚酯于1941年前后问世，它包括聚酯树脂、聚酯纤维和聚酯橡胶等。聚丙烯于1954年研制出来，1957年成为商品出售。它的比重为0.90～0.91，耐温范围-30 ℃～140 ℃，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，是目前应用最多的原材料之一。

此外，常用的原材料还有聚氯乙烯，它的比重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。以上五种原材料的性能对比如表2-1所示。表2-1 几种高分子聚合物性能对比 性能 高分子聚合物

聚酯 聚酰胺 聚丙烯 聚乙烯 聚氯乙烯 单位质量 高 中 低

低 高 强度 高 中 低 低 低 弹性模量 高 中 低

低 低 破坏应变

中 中 高 高 高 蠕变性 低

中 高 高

抗紫外线 高

中

中

低

高 耐碱性 低 高 高 高 高 耐霉，耐虫 中 中 中 高 高

应当指出，材料的强度还与纤维的制作方法有关。在应用土工合成材料时，其性能更受施工方法、应用环境和侧限压力大小的影响。土工合成材料在我国的应用，可以追溯到20世纪60年代，例如，北京市东北旺农场南干渠使用聚氯乙烯土工膜防渗。有纺织物首次应用的成功实例，是在1974年江苏省江都县嘶马长江的护岸工程。该工程采用聚丙烯编织布，聚氯乙烯绳网和混凝土块组成整体沉排，防止河床冲刷。无纺织物作为隔离材料，1981年，铁路部门首先应用于防治“翻浆冒泥”现象。无纺织物作为反滤材料，1984年首次成功地应用于云南麦子河工程大坝上。1983年铁路部门在广茂铁路路基中第一次采用了土工织物铺设在软土地基表面，增加了路堤的稳定性。

目前，品种繁多的人工合成材料陆续问世，它们可制成各种符合特定目的的产品，而且由于其具有质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉料源丰富等优点，为土木工程提供了一种崭新的较为理想的材料，并由此带来一种实施简便和经济有效的技术途径。土工合成材料是以合成材料为原材料制成的应用于岩土工程的各种产品的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”两字，称为土工合成材料，以区别于天然材料。近些年来，土工合成材料在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的应用，取得了良好的经济、社会和环境效应。土工合成材料技术被人们誉为20世纪岩土工程中的一项技术革命。2.2 土工合成材料的种类 2.2.1 土工织物

2.2.1.1 土工织物的种类

土工织物为透水性土工合成材料。土工织物的制造一般要经过两个步骤：首先把聚合物原料加工成丝、短纤维、纱或条带，然后再制成平面结构的土工织物。许多不同的高分子聚合物已经用作不同土工织物产品的原料，土工织物按制造方法分为针织型、无纺或非织造型和机织或有纺型三类。针织型目前已很少应用，有纺土工织物由两组平行的呈正交或斜交的经线和纬线交织而成，其主要缺点是沿经线和纬线的强度高，而与经纬线斜交方向的强度低，无纺土工织物是把纤维作定向的或随意的排列，再经过加工而成，按照联结纤维的方法不同，可分为化学(粘结剂)联结、热力联结和机械联结三种。其主要优点是强度没有显著的方向性，对变形的适应性较大，目前世界上80 %的土工织物属于这种类型。

土工织物突出的优点是重量轻，整体连续性好(可做成较大面积的整体)，施工方便，抗拉强度较高，耐腐蚀和抗微生物侵蚀性好。缺点是未经特殊处理，则抗紫外线能力低，如暴露在外受紫外线直接照射容易老化，但如不直接暴露，抗老化及耐久性能仍较高，土工织物的性能与其聚合物原料、土工织物的种类及加工制造方法密切相关。(1)织造型土工织物

这类产品又称有纺土工织物，是最早的土工织物产品。它的制造分两道工序：先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再借织机制成平面结构的布状产品。织造时常包括相互垂直的两组平行丝，沿织机(长)方向的称经丝，横过织机(宽)方向的称纬丝。这种织物看来简单，却有着不同的丝种和不同的织法。丝种包括单丝、多丝及二者的混合。单丝是单根丝，典型直径约为0.5 mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分子定向，以提高丝的强度。多丝是由若干根单丝组成的，在制造高强土工织物时常采用多丝。多丝也有用切割成的短丝(一般长100 mm)搓拧而成的。早期的土工织物系由单丝织成，后来发展为采用扁丝。扁丝是由聚合物薄片经利刀切成的薄条，其厚度比单丝薄得多，且在切片前后都要牵引拉伸以提高其强度。扁丝宽度约为3 mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多数编织土工织物是由扁丝织成，而圆丝和扁丝结合织成的织物有较高的渗透性。

另一种特殊的扁丝叫裂膜丝，它是将一根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在一起。由裂膜丝织成的织物较为密实，柔软而渗透性小。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度可达1～2 mm，比扁丝织成的要厚。织造型土工织物有三种基本的织造型式：平纹、斜纹和缎纹。平纹是一种最简单、应用最多的织法，其形式是经、纬丝一上一下。斜纹则是经丝跳越几根纬丝，最简单的形式是经丝二上一下。缎纹织法是经丝和纬丝长距离的跳越，例如经丝五上一下。这种织法运用于衣料类产品。

在织造时，由于梭子要不断地牵引纬丝从经丝的空间中穿过，故要求经丝强度比纬丝的高。采用不同的丝和纱以及不同的织法，可以使织成的产品具有不同的特性。例如平纹织物有明显的各向异性，其经、纬向的摩擦系数也不一样；圆丝织物的渗透性一般比扁丝的要高，每厘米长的经丝间穿越的纬丝愈多，织物也愈密愈强，渗透性则愈低。单丝的表面积较多丝的要小，其防止生物淤堵的性能要好一些。聚丙烯的老化速度比聚酯和聚乙烯的要快等等。由此可见，可以借调整丝(纱)的材质、品种和织造方式等来得到符合工程要求的强度、经纬强度比、摩擦系数、等效孔径和耐久性等各项指标。在工程实施中应根据具体要求来优选产品，铺设时要注意材料的合理铺设方向。(2)非织造型土工织物

这类产品又称无纺土工织物。根据粘合方式的不同，非织造型土工织物分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。热粘合法织造型土土织物的制造，是将纤维在传送带上成网，让其通过两个反向转动的热辊之间热压，纤维网受到一定温度，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。该法主要用于生产薄型土工织物，厚度一般为0.5～1.0 mm。由于纤维是随机分布的，织物中形成无数大小不一的开孔。再因为无经纬丝之分，故其强度的各向异性不明显。

纺粘法是粘合法中的一种，是将聚合物原料经过熔融、挤压，纺丝成网，纤维加固后形成的产品。这种织物厚度薄面强度高，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好，品种规格多，成本低，用途广，近年来在我国发展较快。

化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维网中，待粘合剂固化。纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3 mm。常用的粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的产品。这类产品在工程中的应用较少。

机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广的是针刺法，还有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让网内的纤维互相缠结，从而织网得以加固。产品厚度一般在1 mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。水刺法是利用高压喷射水流射入纤维网，使纤维互相缠绵加固。其产品较为柔软，主要用作卫生用品，工程中尚未应用。2.2.2 土工膜

土工膜是一种基本不透水的材料。根据原材料不同，可分为聚合物土工膜和沥青土工膜两大类。为了适应工程应用中不同强度和变形的需要，两类中又各有不加筋(单一或混合材料)和加筋或组合的类型。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。制造土工膜的聚合物有热塑塑料(如聚氯乙烯)、结晶热塑塑料(如高密度聚乙烯)、热塑弹性体(如氯化聚乙烯)和橡胶(如氯丁橡胶)等。工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.25～4 mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.25～2 mm。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。

制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。例如掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺入铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺入滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。对于沥青类土工膜，其主要的掺入材料是一些填料或纤维。填料可为细矿粉，它能增加膜的强度且降低其成本；加入纤维，也是为提高膜的强度。2.2.3 土工复合材料

土工织物、土工膜和某些特种土工合成材料，以其两种或两种以上的土工材料互相结合起来，成为土工复合材料。土工复合材料可将不同构成材料的性质结合起来，更好地满足具体工程的需要，能起到多种功能的作用。如复合土工膜，将土工膜和土工织物按要求制成土工膜—土工织物组合物，称复合土工膜。土工膜主要用来防渗，土工织物起加筋、排水和增加土工膜与土面之间的摩擦力的作用。又如土工复合排水材料，它是以无纺土工织物和土工网、土工膜或不同形状的合成材料芯材组成的排水材料，用于软基排水固结处理、路基纵向横向排水、建筑地下排水管道、集水井、支挡建筑物的墙后排水、隧道排水、堤坝排水设施等。不同的工程有不同的综合功能要求，故土工复合材料的品种繁多，可以说土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。这里主要介绍复合土工膜和土工复合排水材料两类。2.2.3.1 复合土工膜

复合土工膜是用土工织物或其他材料与土工膜结合而成的不透水材料。根据主要功能的不同，复合土工膜可划分为加筋型土工膜和横向排水型土工膜两种。(1)加筋型土工膜

加筋型土工膜具有较高的强度和模量，以满足工程中防渗与受力的要求，如氯丁橡胶土工膜和经编土工膜。加筋土工膜的厚度：聚合物有涂料的三层压延加筋土工膜厚0.75～1.5 mm；聚合物五层压延加筋土工膜厚1.0～1.5 mm。(2)横向排水型土工膜

横向排水型土工膜一般由无纺土工织物与土工膜复合而成，常见的有“一布一膜”、“两布一膜”。其中，无纺土工织物不仅具有横向排水作用，而且对土工膜起保护作用。2.2.3.2 土工复合排水材料

土工复合排水材料是薄型土工织物包裹不同材料制成的不同形状的芯材组合成的一种复合型排水产品。这种产品克服了土工织物沿织物平面方向排水能力小的缺点，可以沿产品芯材水平方向的排水通道通畅地排水，而外包的土工织物作为滤层以阻止土颗粒进入排水通道。复合排水带主要用于软土地基竖向排水固结处理等，我国生产及工程上普遍采用的产品主要是塑料排水带。复合排水板具有广泛的用途，如路基纵向横向排水、支挡建筑物的墙后过滤排水、隧道衬砌后防排水、建筑物地下排水通道、堤坝排水设施等。(1)塑料排水带

塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物(滤膜)而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、口琴式和乳头式等。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，面滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。

塑料排水带的施工是利用插带机将其埋设在土层中的预定位置。塑料带前端与锚靴相连，用插带机导杆顶住锚靴，插入土层中，达到预定深度后拔出导杆，但排水带仍留在预定位置，在高出地面一定高度(0.5 m左右)剪断排水带，施工时可用静荷或动荷送杆，静荷送杆对土层扰动小，较为常用。我国插带机的插入深度可达约25 m，入土速率可达6 m/min。排水带的平面分布间距可借理论计算确定，一般为1～2 m。排水带插入软基后，为排除土中的多余水量提供了捷径，多余水可水平向通过带的滤膜进入芯板沟槽，再向上由地表的透水料垫层排走。排水带在公路、码头、水闸等软基加固工程中应用广泛，以加速软土固结。(2)软式排水管

软式排水管又称为渗水软管，是由高强钢丝圈作为支撑体，以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的。高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理，外包—层PVC材料，使其与空气及水隔绝，避免氧化生锈。包裹材料有三层，内层为透水层，由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱，特殊材料为纬纱制成；中层为非织造土工织物过滤层；外层为与内层材料相同的覆盖层。为确保软式排水管的复合整体性，支撑体和管壁外裹材料间，以及外裹各层之间都采用了强力粘结剂粘合牢固。软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能，又有软水管的柔性和轻便特点，过滤性强，排水性好，可用于各种排水工程中。(3)其他复合排水材料

现在已生产出各种型式芯材和外包滤膜的复合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各种奶头形的，有土工网的，还有用塑料丝缠成的网状体的等等，它们均具有较大的排水能力，可按工程需要选用。2.2.4 土工特种材料

土工特种材料是为工程特定需要而生产的产品，品种多，现选择几种主要产品说明如下。2.2.4.1 土工格栅

土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸(孔近矩形)和双向拉伸(孔近方形)两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。土工格栅的品种和规格很多，目前开发的新品种有用加筋带纵横相连而成的，也有用高强合成材料丝纵横连接而成的等等。2.2.4.2 土工网

土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。一般而言，土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高。这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。2.2.4.3 土工模袋

土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。这种袋体代替了混凝土的浇注模板，故而得名。模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔，可以控制填充时的厚度。浇注在现场用高压泵进行。混凝土或砂浆注入模袋后，多余水量可从织物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使强度增高。按加工工艺的不同，可将模袋分为两类，即机织模袋和简易模袋。前者是由工厂生产的定型产品，而后者是用手工缝制而成的。2.2.4.4 土工格室

土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2 mm、宽100 mm，每隔300 mm进行焊接。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。2.2.4.5 土工管及土工包

土工管、土工包是用经防老化处理的高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，可有效地护岸和用于崩岸抢险，或利用其堆筑堤防，解决疏浚弃土的放置难题。

土工包是将大面积高强度的土工织物摊铺在可开底的空驳船内，充填200～800 m3料物，将织物包裹闭合，运到一定部位，沉至预定位置。在国外，该技术大量用于环保。2.2.4.6 聚苯乙烯板块

聚苯乙烯板块称泡沫塑料，是以聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。由于其质轻，可用它代替土料，填筑桥端的引堤，解决桥头跳车问题、其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害，例如在挡墙背面或闸底板下，放置泡沫塑料以防止冻胀等。2.2.4.7 土工合成材料粘土垫层

土工合成材料粘土垫层是由两层或多层土工织物(或土工膜)中间夹一层膨润土粉末(或其他渗透性材料)以针刺(缝合或粘接)而成的—种复合材料。它与压实粘土垫层相比，具有体积小、质量轻、具柔性、密封性良好、抗剪强度较高、施工简便、适应不均匀沉降等优点，可以代替—般的粘土密封层，用于水利或土木工程中的防渗或密封设计。国外大量用于废料坑的底部防渗衬砌和顶部封盖。2.3 土工合成材料的工程特性 2.3.1 物理特性 2.3.1.1 厚度

土工合成材料厚度用mm表示，厚度变化对织物的孔隙率、透水性和过滤性等水力特性有很大的影响。常用的各种土工合成材料的厚度是：土工织物一般为0.1～5 mm，最厚的可达十几毫米；土工膜一般为0.25～0.75 mm，最厚的可达2～4 mm；复合型材料有时采用较薄的土工膜，最薄可达0.1 mm；土工格栅的厚度随部位的不同而异，其肋厚一般由0.5 mm至几十毫米。有些材料在受压时厚度变化很大，需规定在某固定压力下测定厚度。一般规定此压力为2 kPa。根据工程需要还应测试在20 kPa、200 kPa压力下的系列厚度。土工织物厚度可采用专门的厚度测试仪，土工膜厚度可直接用千分尺测定，—般要求加压面积为25 cm2，试样面积应大于加压面积的2倍，加压时间30 s，试样不少于10块。2.3.1.2 单位面积质量

单位面积质量为单位面积土工合成材料具有的质量，它反映材料多方面的性能，如抗拉强度、顶破强度等力学性能以及孔隙率、渗透性等水力学性能。通常以g/m2表示，是土工合成材料的主要物理性能之一。土工织物和土工膜单位面积质量受原材料密度的影响，同时受厚度、外加剂和含水量的影响，常用的土工织物单位面积质量一般在50～1 200 g/m2的范围内。测定单位面积质量采用秤量法，试样面积为100 cm2，数量不得少于10块，天平秤量读数应精确到0.01 g(现场测试为0.1 g)。测试前要求试样在标准大气压下恒温(20±2 ℃)，恒湿(65 %±2 %)24 h。2.3.2 力学特性

反映土工合成材料力学特性的指标主要有拉伸特性及抗拉强度、撕裂强度、顶破强度、刺破强度、穿透强度及握持强度等。

2.3.2.1 拉伸特性及抗拉强度

土工合成材料是柔性材料，大多通过其抗拉强度来承受荷载以发挥工程作用，因此抗拉强度及其应变是土工合成材料的主要特性指标。土工合成材料的抗拉强度与测定时的试样宽度、形状、约束条件有关，必须在标准规定的条件下测定。土工织物在受力过程中厚度是变化的，不易精确测定，故其受力大小一般以单位宽度所承受的力来表示，单位为kN/m或N/m，而不是习惯上所用的单位面积的应力来表示。目前测定抗拉强度基本上是沿用纺织品条带拉伸试验方法，即把试样两端用夹具夹住，以一定的速率施加荷载进行拉伸直到破坏，测得试样自身断裂强度及变形，并绘出应力—应变曲线。目前条带拉伸试验的试样分宽条与窄条两种，宽条试样宽200 mm、长100 mm，宽长比B/L＝2；窄条试样宽50 mm、长100 mm，宽长比B/L=1/2。试验机具应选择具有等速拉伸性能、能测读拉伸过程中拉力和伸长量或直接记录拉力—伸长关系曲线的拉力机，同时要求试样的最大断裂力在满量程的10 %～90 %范围内。国内规定拉伸速率为50 mm/min。

目前关于土工合成材料的拉伸力学特性一般采用室内无侧限拉伸试验进行测试。但现场埋设在填料中的土工筋材的力学特性因填料的约束作用而不同，人们曾通过对不同宽带的试件进行拉伸试验，以评价筋材受侧向约束的影响。但更科学的是应将筋材埋在填料中进行测试。此时的力学特性所受影响因素较多。有约束的拉伸试验表明，约束力将增加土工织物的抗拉强度和模量，对于土工格网和土工格栅，约束力的影响更为显著，因为除了界面的摩擦阻力外，筋材横肋所受拉伸方向的土压力还将约束其变形，从而增大了模量。

2.3.2.2 握持强度

土工织物承受集中力的现象普遍存在，握持强度是反映其分散集中力的能力。握持强度试验选用的仪器一般与条带拉伸试验相同，但试验方法不同。握持强度试验是握持试样两端部分宽度而进行的一种拉力试验。它的强度由两部分组成，一部分为试样被握持宽度的抗拉强度；一部分为相邻纤维提供的附加抗拉强度。它与条带拉伸强度之间没有简单的对比关系。由于各单位所采用的试样和夹具的尺寸不尽相同，试验的难度也较大，因此测得的成果相差很多。一般不宜作为设计依据。只可用作不同土工织物的抗拉强度的比较。土工织物握持力一般为0.3～6.0 kN。2.3.2.3 撕裂强度

土工织物和土工膜在铺设和使用过程中，常常会有不同程度的破损。撕裂强度反映了试样抵抗扩大破损裂口的能力，可评价不同土工织物和土工膜被扩大破损程度的难易，是土工合成材料应用中的重要力学指标。目前撕裂强度试验仍沿用纺织品标准测试方法。常用的纺织品撕裂试验，按试样形状分为梯形法、翼形法以及舌形法，舌形法又分为单缝与双缝两种。目前多采用梯形法测定土工膜及土工织物的撕裂强度，这种试验从其加力方式看，近似于张拉试验。土工织物梯形撕裂强度值一般为0.15～30 kN，不加筋土工膜的梯形撕裂强度值一般为0.03～0.4 kN。2.3.2.4 顶破强度 刺破强度及穿透强度

在工程应用中，土工织物及土工膜常被置于两种不同粒径的材料之间，受到粒料的顶破作用，同样也将受到抛填粒料引起的法向荷载。根据粒径大小形状、土工织物及土工膜接触面的受力特征和破坏形式的不同，可分为顶破、刺破和穿透几种受力状态。

(1)顶破强度是反映土工织物及土工膜抵抗垂直织物平面的法向压力的能力。顶破试验与刺破强度试验相比，压力面积相对较大，材料呈双向受力状态。所用试验方法有液压胀破试验、圆球顶破试验和相CBR顶破试验。

(2)刺破强度是反映土工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载(如有棱角的石子或树枝等)的能力。试验方法与圆球顶破试验相似，只是以金属杆代替圆球。(3)穿透强度可通过穿透试验测得，这种试验是模拟工程施工中具有尖角的石块或其它锐利物落在土工织物或土工膜上的情况，用穿透试验所得孔眼的大小，评价土工织物或土工膜抵御穿透的能力。2.3.3 水力学特性

由于土工织物、细孔土工网等土工合成材料可以使水及空气自由地通过，并能有效地截留和控制土颗粒的流失，因此被广泛他用作排水和过滤材料。为此必须研究其水力学特性，其主要包括两方面：—是透水与导水能力；二是阻止颗粒流失的能力。这些特性涉及到土工合成材料的孔隙率、孔径大小与分布情况、渗透特性等。土工织物的渗透特性是其重要水力学特性之一。在过滤标准及其它有关水力学中，是一项不可缺少的重要指标。根据工程的需要，通常要确定垂直于织物平面的渗透特性和平行于织物平面的渗透特性。垂直于织物平面的渗透特性，主要用垂直渗透系数 表示。该系数是渗流的水力梯度等于1时的渗流速度，一般服从达西定律，土工织物的渗透系数约为 ～ cm/s，其中无纺织物的渗透系数为 ～ cm/s。使用土工膜的目的在于防渗，它可以阻挡水、水气、气体及有害物质(例如甲醇、丙酮和二甲苯等)的渗透。土工膜在水压力作用下产生渗流的原因是由于制造时的不均匀性和缺陷等因素所造成的，有些细微的通道，则是在一定的水压力下被水冲破而形成的，温度变化引起水体积变化，土工膜的渗透系数愈小，温度对试验结果的影响愈大。

土工织物用作滤层时，水从被保护土中流过织物，在流动中使土颗粒集聚在织物表面的孔口上，堵塞水流通道的进口，或是细颗粒沉积在孔隙内部，逐渐减小通道的有效过水面积。前者称为堵塞，后者称为淤堵，堵塞一般发生在渗流开始阶段，而淤堵则随时间增长而加重。目前判断织物滤层淤堵，通常是通过观察通过织物的流量减小以及进入织物的土颗粒增多的现象来评估，还不能给出淤堵程度的允许值，只能通过被保护土与织物滤层的长期工作试验，观测渗透流量的变化与稳定情况来评估。2.3.4 耐久性

土工合成材料的耐久性包括许多方面，主要是指对紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、干湿变化、冻融变化和机械磨损等外界因素变化的抵御能力，材料的耐久性主要与聚合物的类型及添加剂的性质有关。土工合成材料的老化现象主要是因为高分子聚合物具有链节结构，受外界因素的影响发生降解反应或交联反应的结果。使材料老化的各种因素中，阳光辐射起着最重要的作用。紫外线具有很大的能量，能够切断许多聚合物的分子链，或者引发光氧化反应。其试验方法主要有自然老化和人工老化两大类，近几年采用了一系列措施以增加聚合物的抗老化能力，并取得了很好的效果。添加防老化剂、方法简便，效果显著，是当前防老化的主要途径。土工合成材料在有覆盖的情况下(或埋在土中)，老化速度缓慢。

聚合物对化学腐蚀一般具有较高的抵抗能力，但某些特殊的化学药剂或废品对聚合物有腐蚀作用。因而利用土工合成材料(土工膜)作污水或废物存储池的防渗材料时，对其化学稳定性要认真对待。土工合成材料在铺设过程中易受损伤，且不易被发现，国外试验研究发现，埋在土中的织物老化主要是由于机械伤引起的，铺设造成的孔洞是使材料强度降低的主要因素。孔洞数愈多，原始强度降低得愈多。在高温条件下，合成材料将发生熔融现象。有时温度虽未达到融点，聚合物分子结构也可能发生变化，影响材料的弹性模量和强度。有些聚合物在特别低的温度下，也使柔性降低、质地变脆，影响其力学特性，给施工及接缝造成困难。

此外，干湿度和冻融变化可能使一部分空气或冰屑存在织物内部，影响其渗透特性。2.4 土工合成材料的功能

土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。随着土工复合材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的主要功能可归纳为六类，即过滤作用、排水作用、隔离作用、防渗作用、防护作用以及加筋作用。2.4.1 过滤作用

把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过。从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体通过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。

土工织物可适用于土石坝粘土心墙或粘土斜墙的滤层，土石坝或堤坝内的各种排水体的滤层，储灰坝或尾矿坝的初期坝上游坝面的滤层。堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡的滤层，水闸下游护坡下部的滤层，挡土墙回填土中排水系统的滤层，排水暗道周边或碎石排水暗沟周边的滤层，水利工程中水井、减压井或测压管的滤层等。2.4.2 排水作用

有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着材料的平面排出体外。较厚的针刺型无纺织物和某些具有较多孔隙的复合型土工合成材料都可以起排水作用。

它们可适用于土坝内垂直或水平排水，土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水。埋入土体中消散孔隙水压力，软基处理中垂直排水，挡土墙后面的排水，各种建筑物后面的排水，排除隧洞周边渗水、减轻周边所承受的外水压力，人工填土地基或运动场地基的排水等。2.4.3.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。

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。2.4.4 防渗作用

土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物的安全。它们可用于土石坝和库区的防渗，渠道防渗，隧道和涵管周围防渗，防止各类大型液体容器或水池的渗漏和蒸发，屋顶防漏，用于修筑施工围堰等。2.4.5 防护作用

多种土工合成材料对土体或水面，可起防护作用。它们主要用于防止河岸或海岸被冲刷，防止垃圾、废料或废液污染地下水或散发臭味，防止水面蒸发或空气中灰尘污染水面，防止土体冻害等。2.4.6 加筋作用

很多土工合成材料埋在土体中，可以分布土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移；还可以增加土体和其它材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性，土工织物、土工格栅、土工网及一些特种或复合型的土工合成材料，都具有加筋作用。它们可用于加强软弱地基，加强边坡稳定性，用作挡土墙回填土中的加筋或锚固挡土墙的面板，修筑包裹式挡土墙或桥台，加固柔性路面、防止反射裂缝的发展等。第3章省略见谅

第4章 结论

4.1 土工合成材料应用中存在的问题

(1)在工程实际应用中，设计对土工合成材料的技术指标、施工工艺和方法常有特定的要求，但个别工程实施后达不到预期效果。主要原因是施工技术问题，部分施工人员对这一新型材料还比较生疏，施工设备和方法比较落后，操作不规范，以致施工质量达不到设计要求。

(2)土工合成材料本身制约着工程质量，有些产品工艺落后，成本较高，质量难以达到规定标准。(3)工程施工中，部分单位在购买材料时低价竟标，更有相当多的单位没有检测设备和检测人员，没有把好质量关。因此，土工合成材料在生产及施工应用上，还缺乏必要的、严格的行业管理。4.2 结论

《铁路路基土工合成材料应用技术规范》自发布实施以来，有力促进了铁路土工合成材料的应用，路基工程质量得到了质的提高。但由于设计理论的相对滞后，土工合成材料生产厂家众多，产品质量参差不齐，技术规范有关条款不易操作等诸多原因，限制了进一步的推广应用。我认为在规范修订时，如下方面予以考虑完善。

(1)增加土工合成材料生产原料的技术要求，分不同地区、不同的应用条件提出相应产品技术指标。对作为重要受力构件的材料(如加筋土挡土墙拉筋带)，要增加蠕变强度等指标。

(2)各类结构、构筑物的计算理论和方法要在规范中明确和进一步细化；随着工程实践的积累，宜增加高墙(如单级超过10 m的加筋土挡土墙)、包裹式加筋土挡土墙、加陡边坡加筋路堤、土工格室加固软基等计算方法。

(3)补充新型土工合成材料，如经编土工格栅、立体植被网、双向拉伸土工格栅的应用条件和技术要求。(4)吸收近年来土工合成材料应用的成功经验和教训，进一步完善设计和施工质量检验条款。(5)实践证明，基床铺设隔断材料(如复合土工膜)宜全断面满铺。

(6)参照国标和其它标准，统一材料名称，制定较详细的技术指标、检验(测)项目和标准。

土工合成材料在工程应用中有着极为突出的优势，在公路、铁路、水利、环保工程等方面，就地取材，原来不能利用的淤泥、沙土、碎石等采用土工合成材料后都能变成坚固的路基和挡墙，无需开山取石取土修建，有效地保护了自然生态环境，防止了水土流失和山体滑坡。随着科技的不断发展土工合成材料的用途将不断延伸，推广土工合成材料的首要目的和优势就是保护生态环境，有着其他材料不可替代的优点。土工合成材料作为一项新技术，在我国应用的历史尚短，与先进国家相比，其应用和发展水平还有一定差异。今后对土工合成材料的应用我们要做到“用对、用好、用精”：“用对”是指使用的场合和部位要正确，所选的材料要对路，不能选错或用错；“用好”是要求做出合理的设计，组织精心的施工，实行经常性的维护；“用精”即在使用中要有发展、有创新。

第二篇：土工合成材料的主要性能及在工程中的应用

土工合成材料的主要性能及在工程中的应用

一、国内外土工合成材料的应用概况

土工合成材料的开发和使用已有几十年的历史。1926年，美国最早用棉织物加固公路路面；20世纪30年代末或40年代初，聚氯乙烯薄膜应用于土工的防渗；50年代末期，Ｒ.Ｊ.Ｂarrtt在美国佛罗里达州利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层；1956～1957年著名的荷兰三角洲工程用机织土工织物加固防海潮大坝；20世纪60年代，合成纤维土工织物在美国、欧洲和日本逐渐推广，但是其生产技术主要是机织型的，主要用于护岸防冲等工程，机织土工织物的强度高，但价格也较高，反滤、排水功能差，限制了它的发展。非织造布的应用给土工积物带来了新的生命，它的特点是把纤维做成多方向的或任意排列使得其性能上各向同性，非织造型土工积物在20世纪60年代末期开始应用于欧洲，70年代从欧洲传到了世界各地。到70年代土工合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。高性能的原料赋予产品高的强力与耐用性，先进的生产工艺赋予产品良好的功能，使其应用范围不断扩大，特别是近30年来，由于非织造针刺法、纺粘法工艺的推广，产品成本低，而且具有良好的化学物理性能和水工性能，使非织造土工织物的应用飞速地发展起来。目前世界上已有100多个国家和地区(包括发达国家和部分发展中国家和地区)在10万多个工程中采用了土工布。据统计,全世界目前合成纤维土工布年耗量约40万吨,其中美国最多,达10万吨,。土工合成材料已经成为继钢材、水泥、木材之后的第4种新型建筑材料。目前，发达国家在产品种类、质量、应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国家快，尤以北美发展最快，欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利等西欧国家发展较快，亚洲主要是日本、马来西亚、韩国发展较快，国外产品类型、品种较多，规格齐全，以非织造型、合成型、复合型所占比例较大。在我国，土工合成材料在岩土工程等领域的应用历史较短。最早应用的是土工膜，大约在20世纪60年代初期，用于渠道防渗；70年代中期，在长江护岸和长江堤防中首次用织造型土工织物；80年代初期，非织造型土工织物开始应用于工程中；80年代末，土工膜袋首次引入工程应用。纵观土工合成材料40多年的发展史，可将其应用历程大致分为三个阶段：80年代中期以前的初创阶段；80年代中期至90年代中期的发展阶段和90年代后期开始的逐渐成熟阶段。

二、土工合成材料的主要类型

土工合成材料的主要类型有： 土工织物、土工膜、土工格栅、土工网、土工复合材料和土工织物粘土垫。

土工织物是可渗透的土工合成材料，是一类最古老和用量最大的土工合成材料。土工织物主要有两种类型：纺织的和无纺的。纺织的土工织物是在普通纺织机上使用单纤维、多纤维丝或细长薄膜或带制成。无纺土工织物还可按照纤维连接在一起的方法细分为：以特殊设计的针将纤维缠结在一起的机械连接或针刺的无纺土工织物，在纤维交接点上以加热；或加压方法将纤维焊接在一起的无纺土工织物，纤维网喷涂或浸渍以丙烯酸树脂的化学或树脂粘结无纺土工织物。纺织的土工织物通常具有较高的强度和刚度（因此可以用在土壤加固中）以及较差的过滤、排水特性。无纺的土工织物具有低到中等的强度和高断裂延伸率，过滤、排水性能良好。在制造土工织物中使用的主要原材料是聚丙烯，也使用聚酯。

土工膜是渗透性很低的土工合成材料，用作流体或蒸气阻拦层。使用最广泛的土工膜是主要由ＰＶＣ、ＣＳＰＥ、高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）和低密度聚乙烯（ＶＬＤＰＥ）制成的柔软薄片材。浸渍沥青或喷涂聚合混合物的土工织物或土工织物—沥青复合材料也可用作土工膜。聚合物片材土工膜以挤出法、压延法和刮涂法制造。所有的聚乙烯土工膜都是以挤出法生产的，并进行“压花”加工以获得粗糙的表面。世界各地颁布的环境法规，特别是关于有害物质处理的法规都要求广泛地、强制性地使用土工膜。

土工格栅是格子状材料，带有足够尺寸的格孔与周围的土壤结合，起加固作用。挤出格栅的制造方法是首先在聚合物片材上冲等边的孔（单轴向格栅用聚或双轴向拉伸。比较柔软的土工格栅由两组90°相交的高韧性聚酯纱制成，在相交点以编织法或热焊法连接，然后涂以聚合物（通常是聚乙烯、聚氯乙烯或沥青，双轴向格栅用聚丙烯），然后将片材进行单轴向土工网是两组平行的大致呈圆形的聚合物股，通常以 60°相交，形成网状外观。虽然土工网可用作较低强度的土壤加固，但它的主要用途是在输送液体或气体的复合排水制品中用作芯材或隔片。土工网往往用PE 以连续挤出法制成。

土工复合材料是由土工织物、土工格栅、土工网、土工膜和其他材料进行不同组合而成。多数土工复合材料用于排水。土工合成材料粘土衬材是低渗透性的复合材料，典型的组合是干膨润土薄层与土工织物和%或土工膜制成，用针刺、缝合或胶粘剂固定在一起。

三、土工合成材料的主要功能

土工合成材料的功能是多方面的，综合起来，可以概括为过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护六大功能。3.1 反滤

土工合成材料具有细小的孔隙通道，将其铺在地下水渗流的土体中，水可以通过织物，而土粒被阻挡住，从而避免因土粒过量而造成的土体破坏以及由于孔隙水压力而造成的土体失稳。广泛应用于水利、铁路、公路、建筑等各项工程，特别是水利工程中用作堤、坝基础或边坡反滤层已极为普遍。在砂石料紧缺的地区，用土工织物做反滤层，更显示了它的优越性。在土木工程中为了防止管涌破坏，常需设置由经过设计的砂石料所组成的“反滤层”，而土工织物完全可以取代这种常规的砂石料反滤层起到防渗反滤作用。3.2 排水

土工织物主要是无纺织物，是良好的透水材料。无论是织物的法向或水平向，均具有较好的排水能力，能将土体内的水积聚到织物内部，形成一排水通道，排出土体。较厚的针刺无纺土工布和一些具有较多孔隙的复合土工布都可以起排水作用。在岩土工程中很多情况下需要采取排水措施，以降低渗透压力，或加速土体的固结，或降低无压渗流场的浸润线的位置。过去所采用的常规措施是在适当的部位（如两种透水性不同的土层的交界面，或土料与混凝土建筑物表面的交界面等）铺放在碎石层进行排水。用土工织物则可取代这种碎石层。这种取代不仅可以收到排水效果，而且施工特别简单（特别对倾斜或垂直方向的施工面），工程造价也可以大为节省。可用于土坝内垂直或水平排水，土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水，埋入土体中消散孔隙水压力，软基处理中垂直排水，挡土墙后面的排水等。3.3 防护

在实际工程中，土工合成材料可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物的安全。可用于土石坝和库区的防渗，渠道防渗，隧道和涵管周围防渗，防止各类大型液体容器或水池的渗漏和蒸发，屋顶防渗，用于修筑施工围堰等。3.4 加筋

所谓加筋，即将土工合成材料按照一定的方式埋入土中，使土工合成材料与土之间良好地结合，利用合成材料的较高强度性能，重新分布土体应力，增加土体变形模量，传递拉应力，限制土体侧向位移，增加土体的抗剪强度，从而提高土体及有关建筑物的稳定性。土工合成材料较多的应用于软弱地基处理、陡坡、挡土墙等边坡稳定方面。加筋作用可以通过“宏观加筋”与“微观加筋”两种方法获得。宏观加筋就是在土体中埋入土工合成材料，形成所谓“加筋土”。土工合成材料在其中可以约束土体的拉伸应变，减少土体变形，从而增加土体的模量，改善土体的受力状况，提高土体的稳定性。各类土工织物都可埋入土体内起加筋作用，特别是土工格栅效果更好。微观加筋就是在土体中掺合土工合成连续纤维丝，形成所谓“纤维土”（或“织物土”），以提高土体的强度和稳定性。与加筋土相比，纤维的加固是三维的，而加筋土的加固一般是一维的，只有经过特殊设计才可能成为二维或三维的加筋结构。可用于加强软土地基，加强边坡稳定性，用作挡土墙会填土中的加筋或锚固挡土墙的面板，修筑包裹式挡土墙或桥台，加固柔性路面，防止反射裂缝的发展等。3.5 隔离

将土工合成材料放在不同的材料之间或同一材料不同粒径之间及土体表面与上部建筑结构之间，使其隔离开来。当受外部荷载作用时，虽然材料受力互相挤压，而由于土工织物在中间隔开，不使互相混杂或流失，保持材料的整体结构和功能。隔离用的土工织物必须有较高的强度来承受外部荷载作用时而产生的应力，保证结构的整体性。可用于道路基层与路基之间或路基与地基之间的隔离层，在土石混合坝中隔离不同的筑坝材料，用作坝体与地基之间的隔离体，堆场与地基间的隔离层等。3.6 防渗

将土工织物表面涂一层树脂或橡胶等防水材料，也可将土工织物与塑料薄膜复合在一起形成不透水的防水材料即土工膜。主要用于防止河岸或海岸被冲刷，防止垃圾、废料或废液污染地下水或发散臭味，防止水面蒸发或空气中灰尘污染水面，防止土体冻害等。

四、土工合成材料在岩土工程中的应用

土工合成材料是岩土工程的新型建筑材料，我国20世纪70年代末开始在工程中应用。20世纪80年代初，非织造布开始在铁路工程和水利工程上试用，到20世纪80年代后期，土工织物的生产能力、应用范围、测试技术、理论研究等各个方面都得到了较快的发展，并且有相当大的规模和较广泛的分布范围，各地均有其应用。产品和应用技术在不断发展，国外先进技术的应用与发展给我国以极大的促进，针对我国实际情况，在生产技术、测试技术、施工技术、理论研究、设计水平等各个方面的工作，均在不断提高和完善。4.1 在水利水电建设工程中的应用

水电建设是我国土工合成材料应用最广泛、用量最大、应用品种最多的一个方面，主要用作软弱地基基加固、反滤、加筋、防渗等。在全国各地的各项水电工程中土工织物均有不同程度的应用。如：中国最大的水电建设工程三峡工程围堰防渗、福建水口水电工程大坝上下游围堰、上海陈行水库存围堤筑堤及边坡反滤、浙江秦山核电站围堤工程、京杭大运河整治边坡反滤、湖南省湘乡市桐子水库的粘土斜墙堆石坝、重庆市长江护岸工程以及黄河治理、淮河治理、长江口整治工程等一些较大的水利水电工程。电力能源系统新建电厂粉煤灰库90%以上采用土工织物修建库堤。有40%的老灰库维修或扩建也均采取土工织物。如上海外高桥电厂灰库、上海石洞口电厂灰库、嘉兴电厂灰库、江苏谏壁电厂真观山贮灰场等，尤其近几年在全国各地先后发生的几次特大洪水的防汛抢险中发挥了突出的作用。

防汛抢险洪涝灾害是我国范围较广、损失较大的自然灾害，受洪水威胁的地区总的土地面积约73.8万Kｍ2,占全国总土地面积的8%，土工合成材料是一种较好的防汛材料，在防汛抢险中主要利用其排水、反滤和防渗功能。如：1998年长江流域大洪水期间，利用编织袋快速抢筑子堤得成功。子堤绵延数百公里，最高达2.2ｍ，挡水1.7ｍ。利用编织布防浪也取得了很好的效果。工程实例如：1991年6月14日滁洒大水，在跣跃坪堤段有61处漏水洞，有的漏水洞口有碗口大，主要是因为白蚁凿孔贯穿堤身所引起。查明原因后，迅速用土工布袋装土等物料将蚁窝夯实，用土工膜在迎水坡截渗，漏洞下游出水口用无纺布等滤水材料作反滤井,险情得到控制。

石笼沉床土工合成材料可做成石笼放入水中，加固水库边(岸)坡或海岸，防止海水冲刷,免去水下作业的麻烦。

防止水土流失土工织物管是用高强纤维制成，是为海岸和内地水土流失提供防护发展的一项技术。现在已经有采用直径达3ｍ的有纺织或编织的土工织物管，在长度上没有限制，只是充填和处理上的困难需要考虑。充填方法是通过泵将水砂混合体压入土工织物管，由于内壁阻力，一般每10ｍ设置一个进口。进口常常采用一个小直径的土工织物管，在大土工织物管的上游侧将其锚固。一般情况下，需要用土覆盖,以防紫外线照射或人为破坏。

堤岸的加筋土挡墙在码头河岸、江岸及海岸均采用直立或坡度挡墙。

坝体增强，在水库坝体这种永久性负载面积上铺设两层土工合成材料，可防止坝底发生细微沉陷。

渠道衬砌美国垦务局从20世纪50年代开始试验用土工膜进行渠道防渗衬砌，取得了较大的进展，几乎在所有的渠道上都采用土工膜衬砌。许多国家也采用该方法。

水产养殖区域衬砌土工膜作为池塘底或边的衬砌,以便养殖贝类及其它水产品。现在的进展是用于这种目的的土工膜有一坚固的保护面,以防止使用和维修过程中的损坏。因而，土工膜应选择较厚的(比如，厚于2.5ｍｍ)编织的土工膜。未来的发展是开发土工膜新品种,使其能达到营养、防污染和防氧化的目的。4.2 在铁路建设中的应用

土工合成材料主要用于铁路路基加固处理、路基隔离、排水、防治翻浆冒泥、防治严寒地区冻融灾害等方面，并可在不停止列车运行的情况下进行处理，因此不论是老干线维修，还是新干线建造，都可应用土工合成材料，并取得良好效果。研究如何有效地防治路基灾害的产生和发展中，铁路科技工作者较早地注意到了土工合成新材料，继20世纪70年代初大量试用土工聚合材料不透水薄膜作防水覆盖层之后，20世纪70年代中以来，很多国家如法国、美国、澳大利亚、日本、苏联、匈牙利等在铁路上进行了多种应用的试验研究和工程实践。国内的应用如京九铁路路基处理、大连至秦皇岛铁路路基加筋、上海至杭州外环线路基加固以及京广铁路翻浆冒泥整治等。

铁道路基加固，土工格栅用于铁路路基增强，合成材料和路面材料融合在一起，可有效的分配载荷，防止道渣流失和路基变形，提高路基的稳定性，承受更大的变形载荷。

铁道道渣保护，由于火车震动及风吹雨淋，造成道渣流失，用土工合成材料包裹，防止道渣流失，提高路基的稳定性。

铁路挡墙，土工合成材料用于铁道边上的挡墙增强，如用于火车站内月台和货台，可延长使用寿命，减少维修费用。铁道边坡防护土工合成材料用于铁道两旁的边坡防护，可防止石块和土体滑落，提高铁路的使用寿命，减少维修费用。4.3 在公路建设工程中的应用

公路建设主要是应用针刺无纺布解决路基沉陷、软基加固、防治翻浆冒泥、防止路基冻融等。另外利用薄型无纺布防止沥青路面产生反射裂缝，其效果也很显著。近20年来国内外公路交通的高速发展，高等级公路网扩展，为土工合成材料在公路工程中的应用开拓了广阔的前景。据国外的统计资料，土工合成材料在公路工程中的应用占全部用量的1/3以上。

加筋土挡墙，在公路旁边和垂直挡墙中加铺土工合成材料，可提高挡墙的承载能力。

路面、路基增强，土工合成材料可用于公路路面、路基的增强，尤其是在软地基的公路，解决路面裂缝、车辙压痕，在填充物之间加铺土工合成材料，可大大提高路面、路基的承载力和使用寿命。

边坡防护，用土工合成材料铺在公路边坡上，可防风吹雨淋，坡上的石块和泥土滑落。

桥台加固，公路桥台地基一般很容易向下沉陷，使桥梁出现裂纹，在桥台地基下铺设土工合成材料，可提高承载力。4.4 在港湾与海岸工程建设中的应用

土工合成材料主要是用作反滤材料、软土地基加固、海岸防护以及防波堤工程。另外港区集装箱堆场及港区内道路的地基加固、场内的排水盲沟等也都采用土工合成材料。如：天津新港在突堤软基处理及码头滤层、青岛前港湾区防波堤工程、上海芦潮港及金同石化防波堤工程。4.5 环境工程中的应用

土工合成材料是环境工程中比较理想的应用材料。利用土工织物处理工业废料，建造废料库、垃圾场、废水处理池等工程越来越多。另外土工织物在保护水源、环境绿化等方面也有很大的发展前景。可以肯定，土工合成材料因其优良特性，必将在环境工程中得到更广泛的应用。我国的环境保护工程中，土工合成材料的应用起步较晚，应用范围较窄，目前，仅限于尾矿和粉煤灰贮存方面的应用报导。实际上，应用的潜在范围是广阔的，一些大中城市相继建成的垃圾填埋场、水处理厂等工程均可运用土工合成材料。例如：四川绵阳市塔子岭填埋场和杭州的天子岭填埋场。

4.6 在建筑工程中的应用

土工合成材料在建筑工程方面的应用是近年来才开始发展的。土工合成材料可以制成多种功能制品，因此在建筑工程上的应用也是多方面的。迄今为止，虽然应用尚不广泛，已发展了地基加筋垫层、深基础排水减压、排水固结、桩基处理、膨胀土地基等多种应用类型。除上述几个方面外，在矿山尾矿坝、机场跑道、地铁、隧道、市政建设、环保工程、军事工程等各个方面都不同程度、不同数量的应用土工织物。

第三篇：简述土工合成材料在水利工程中的应用

简述土工合成材料在水利工程中的应用

何丽雅

摘 要：土工合成材料是岩土工程领域中一种新型的岩土工程材料,在各类工程中应用广泛。本文以土工合成材料在水利工程中的应用为例，就土工合成材料的功能、分类、特性及工程实际应用概况进行了较详细的阐述。

关键词：土工合成材料

应用

防护加固工程

一、前言

土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物,制成各种类型的产品,置于土体内部、表面或各层土体之间,发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料等类型。土工材料是工业发展的产物,其出现已经有100多年的历史,但应用于土建工程则是20世纪30年代末才开始的。首先是将塑料薄膜作为防渗材料应用于水利工程。到20世纪50年代末,土工织物开始应用于海岸护坡工程。直到20世纪70年代末,随着非织造型织物(俗称无纺织物或无纺布)的应用,给土工织物带来了新的生命,土工织物才以很快的速度发展起来,从而在岩土工程学科中形成一个重要的分支。1977年在法国巴黎举行的第一届国际土工织物会议上,J.P.Giroud把它命名为“土工织物”(Geotextile),并于1986年在维也纳召开的第三届国际土工织物会议上将它称之为“岩土工程的一场革命”。从20世纪60年代中期到20世纪70年代末,有纺织物开始在我国应用于河道、涵闸及防治路基翻浆冒泥等工程;20世纪80年代初,无纺织物开始在铁路工程上试用;20世纪80年代中期,土工织物才在我国的水利、铁路、公路、军工、港口、建筑、矿冶和电力等领域逐渐推广应用。

二、土工材料的种类和功能

1、土工合成材料种类：

土工合成材料（Geosynthetics）是一种新的岩土工程材料，它以人工合成的聚合物，如料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥强或保护土体的作用。“土工合成材料”是一概括性术语，标识很广泛的产品，土工合成材可分为土工织物、土工膜、复合型土工合成材料和特种土工合成材料等类型。目前已广泛应于水利、水电、公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等工程的各个领域。

（1）土工织物。土工合成材料是以高分子聚合物等制成的新型建筑材料。目前大致可分为：①有纺土工织物；②针织土工织物；③无纺土工织物；④复合土工织物。

（2）土工膜。它主要是由透水性低的聚合物、沥青以及合成纤维和织物另加一定的填充料和外加剂制成的材料。它具有很好的防渗和防水性能及很强的抗变形能力和耐久性。它的厚度一般为0。25~7。5mm，它主要有以下优点：①改进荷载分布状况；②减少填料层厚度，并能满足抗剪强度的要求；③限制土体的侧向位移；④抗拉性能高，能避免产生裂缝；⑤增加土层刚度。

（3）复合型土工合成材料。它包括土工格栅、土工网、超轻型土工合成材料、土工膜袋、土工垫、土工格室等。常用的特种土工合成材料为前3种。

（4）特种土工合成材料。它由土工织物、土工薄膜和某些特种土工合成材料中两种或两种以上的材料互相组合而成，它可将不同构成材料的性质结合起来，满足具体工程的需要。

2、土木合成材料的功能：（1）隔离作用：

将土工合成材料放在两种不同的材料之间或同一材料不同粒经之间以及土体表面与上部建筑结构之间，使其隔离开来。当受外部荷载作用时，虽然材料受力相互挤压，但由于土工合成材料在中间隔开，不使其互相混杂或流失，保持材料的整体结构和功能。土工合成材料隔离作用己广泛应用于铁路、公路路基、土石坝工程、软土基础处理以及河道整治工程。

（2）防护作用：

土工合成材料可以起到分散应力的作用。也可由一种物体传递到另一物体，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，从而起到对材料的防护作用。土工合成材料的防护作用分两种情况：一是表面防护，即将土工合成材料放置于土体表面，保护土体不受外力影响、破坏：二是内部接触面保护，即将土工合成材料置于两种材料之间，当一种材料受集中应力作用时，而不使另一种材料破坏。

（3）滤层作用

滤层作用是土工织物的主要功能，被广泛地应用于水利、铁路、公路、建筑等各项工程中，特别是水利工程中用作堤、坝基础或边坡反滤层已极为普遍。在沙石料紧缺地区，用土工合成材料做反滤层，更显示出它的优越性。因此通过把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，土中水分可以通过织物排同时织物可阻止土颗粒流失，以免造成土体失稳（管涌），可代替砂、砾石等反滤层。

（4）排水作用

土工合成材料是良好的透水材料，无论是材料法向或水平向均具有较好的排水能力，能够将土体内的水集聚到织物内部，形成排水通道，排出土体。土工合成材料现己广泛应用于土坝、路基、挡土墙建筑以及软土基排水固结等方面。它与工程中的其他排水结构充分配合，形成完善的排水体系，排除地下水、地表水和结构中的多余水份。

（5）加筋作用 土工合成材料有较高的抗拉强度，将土工合成材料埋在土体中或路面结构适当位置，可以分布土体或路面结构应力、传递拉应力、限制其侧向位移，增强它与土体或路结构层材料之间的摩阻力，使土或路面结构层———土工成材料复合体的强度提高，从而约束土体或路面结构层的形，并抑制或减少土体的不均匀沉降，提高土体或路面结构层的稳定性具有加筋功能。

（6）防渗作用

土工膜和复合型土工合成材料，可以作为各种工程的防渗材料。土工合成材料用于某一项工程会发挥主次作用，如公路的碎石基层与地基之间铺放织物，一般说，“隔离”是主要的，“滤层”和“加筋”是次要的，“排水”是不甚重要的设计者合考虑，如选用光滑的土工膜来隔离，则可能引起路基中孔隙水压力升高，造成路基失稳。弱地基上修路，“加筋可能起控制作用。

三、土工合成材料在南水北调中线应急供水工程中的应用：

1、工程概况

南水北调京石段19标段桩号范围为307+000～312+790.6，位于河北省曲阳县境内的支曹村、南杏树村及辛庄村等附近，工程区为华北冲积平原，地形总体平坦，地面高程66.0～79.0m。

本标段所在区域属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，冬季天气寒冷干燥，春季气温回升快，风速大，蒸发量大，天气干燥少雨；夏季气候温湿多雨，为河北省的雨季；秋季降雨量较少。据渠段附近气象站资料统计，多年平均气温12.3℃，极端最低气温-19.2℃，极端最高气温41.7℃。多年平均风速2.1m/s，最大风速20m/s。多年平均无霜冻期189天，最大冻土深度66cm，稳定冻结初日最早为11月29日，开始解冻日期最晚为3月9日。多年平均降水量524mm。

本渠段位于华北冲积平原，地形总体平坦。沿线范围内地面高程66.0m～79.0m。本渠段处于倾斜平原，其间夹河流地貌。

本渠段地表全部被第四系地层覆盖，揭露的地层为第四系冲洪积层及人工堆积物。岩性多为黄土状壤土、黄土状砂壤土、砂壤土、壤土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂、卵砾石；人工堆积(rQ)弃土、弃渣、人工堤防、路基等。

本渠段所处区域地质构造单元为三级构造单元的太行山隆起的东部边缘。主要区域断裂构造有望都—新乐断裂、石家庄断裂、井径—长冶断裂、元氏断裂、柏乡断裂、衡水断裂。

本渠段地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度区。渠段内地下水的类型主要为孔隙水，主要赋存于第四系全新统的砂土及砾卵石含水层中。地下水埋深一般9.5m～15m，多属潜水。地下水与地表水联系紧密，具有较强或强的富水性和强透水性，部分具中等透水性。地下水对混凝土均无腐蚀性。

渠段内冻土为季节性冻土，冻土厚度0.62m～0.66m。

2、土工织物应急处理技术

渠道采用明渠设计，梯形断面，型式为上口宽53.6～57.1m，底宽18～21m，边坡1：2，渠深8.9m，坡面长20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道底板结构型式自下而上为：土基面、5cm粗砂垫层、2cm厚的保温板、防渗复合土工膜、8cm厚混凝土面层；渠道衬砌混凝土面板全部采用4m×4m分缝设计，底板纵缝全部是通缝设置，横缝依次为半缝、通缝、半缝„„，交叉布置，缝宽统一为2cm，半缝深度统一为6cm，通缝深度底板8cm。

由于特殊原因，渠道需提前临时过水。由于时间紧迫，若按原设计施工将无法满足过水要求。经南水北调京石段指挥部及设计、监理、施工单位四方会议研究决定，采取应急处理办法，用无纺土工布结合混凝土锚固带对开挖渠道进行防护加固处理，确保渠道按时供水。具体措施如下：

2.1施工方案

选用300g/m2无纺土工布（幅宽不小于6m），沿渠道纵向分别于坡脚及距上口1m处各设一道混凝土锚固带，横向间距30m；锚固带截面尺寸30×30cm，采用C20一级配混凝土。

2.2土工布的铺设方法

渠道大面积开挖完成后，采用人工开挖锚固槽，装载机配合自卸车清运土方。土工布采用人工滚铺，布面要平整，并适当留有变形余量。长丝或短丝土工布的安装通常用搭接、缝合和焊接几种方法。

2.3土工布的缝合

本工程采用专用缝纫机缝合。所有的缝合必须要连续进行（不允许点缝）。在重叠之前，土工布必须重叠最少150mm。最小缝针距离织边（材料暴露的边缘）至少是25mm。

缝好的土工布接缝最少1行线锁口链形缝法。用于缝合的线应为最小张力超过60N的树脂材料，并有与土工布相当或超出的抗化学腐蚀能力。

任何在缝好的土工布上的“漏针”必须在受到影响的地方重新缝接。必须采取相应的措施避免在安装后，尖锐物质进入土工布层。

2.4锚固带混凝土浇筑

锚固带为30×30cm、C20一级配混凝土，采用泵送法浇筑。泵管铺设时应垫砂袋，泵管安装、拆移、及抹面时应注意，防止对土工布造成破坏。

3、土工布铺设的基本要求

3.1基层检查：检查基层是否平整、坚实，如有异物，应处理妥善。

3.2试铺:根据现场情况，确定土工布尺寸，裁剪后予以试铺，裁剪尺寸应准确。3.3接缝须与坡面线正交，缝合时缝合线应平直，针脚应均匀。

3.4在坡面上，对土工布的一端进行锚固，然后将卷材沿坡面放下以保证土工布保持拉紧的状态。

3.5所有的土工布铺设时都须用砂袋压住，砂袋将在铺设期间使用并保留到锚固槽混凝土浇筑时。

3.6缝合后应检查土工布是否铺设平整，是否存在缺陷。如存在不合要求的现象，应及时进行修补。

四、结论

通过采取应急方案，确保了本渠段在2008年9月28日（规定时间内）成功通水。渠道过水后，经联合工作组沿线勘查，本渠段无水力冲刷破坏痕迹，渠坡未出现垮塌现象，渠道运行安全。并且本渠段还经受住了08年严冬的考验，开春解冻之后，联合工作组再次对渠道沿线进行勘查，未发现土工布有冻裂破坏现象，也未发现明显的冰排割裂损伤，渠道岸坡未发生失稳现象。本应急方案取得了圆满成功。

通过对土工合成材料在工程中应用的介绍,可得出如下意见:1)土工合成材料，尤其是新型的合成型材料,在工程中占有越来越重要地位。2)合成材料应用于边坡表面防护,能够提高边坡的稳定性和承载能力。3)合成材料应用于严寒地区，有较好的使用工况。4）由于合成材料的特性和价格上的双重优势,应用前景广泛。

参考文献:：

[1]蔡宁，陈红；土工合成材料在工程中的应用；工程研究；29—30 [2]马兴华，张晴波，陈学良；土工合成材料在堤坝工程中的应用；中国港湾建设；2008.10；5—20 [3]李春风；简述土工合成材料在水利工程中的应用；水利工程；60—61 [4]傅江霞；土工合成材料在道路和桥梁工程中的应用；中国水运09卷第10期；2009.10；241—244

第四篇：土工合成材料在路基加固中的运用与技术探讨

土工合成材料在路基加固中的运用与技术探讨

摘要

土工合成材料是用人造聚合物制作而成的土工产品，是用于岩土工程的合成材料的总称，被广泛应用于道路工程路基处理的沿途工程领域常见的建筑材料。本文针对土工合成材料的分类、特性、应用情况、设计计算进行了论述与阐述

关键词：土工合成材料；道路；应用

1土工合成材料的发展与类别

1.1土工合成材料的发展史

土工合成材料是通过合成纤维、塑料、合成橡胶和其他聚合物经过加工制造而成的新型材料。它现在被广泛运用于特殊地基处理中。土工合成材料是工业发展和建筑需求的产物，始于20世纪50年代。第一个项目是在水利工程中使用塑料薄膜代替防水材料。到20世纪50年代末，开始用于海防项目。20世纪70年代末，土工合成材料在促进非线性材料方面发展迅速，在地质工程领域发挥着重要作用。在1977年的法国巴黎第一届俄罗斯民间社会会议上，JPGroud称它为“土工布”，并于1986年在维也纳举行的第三届国际土工合成会议上举办。它被称为“工程革命

地质”。从20世纪60年代中期到70年代末，中国开始利用纺织物，对洪水闸门和洪水进行治理和处理，可谓是第一阶段发展；从20世纪80年代初到80年代中期，土工合成材料在我国水利，铁路，公路，军工，港口，建筑，矿山，冶金，电力等领域逐渐普及这也到了中期发展阶段；20世纪90年代以后，特别是1998年的洪水之后，土工合成材料在国家重要部门的直接关注下又迈出了新的一步。

大规模生产土工合成材料的材料已经出现。

各种工业标准和国家标准相互引入，制作几何材料。

随之而来的是法规的应用，并进入了生态学逐渐成熟的阶段。

1.2土工合成材料原料和类别

土工合成材料制成的合成纤维。由煤，石油和天然气制成的合成纤维的原料。它们已经成为一个化学过程例如高分子聚合物，然后加工成纤维，带网格，和薄膜。土工合成材料有着广泛的不同种类的产品。原料，制造方法和使用各种类型的土工合成材料的列于表1中。

表1土工合成材料的制造方法及用途汇总表

序号

分类

制作方法

主要用途

编制型土工纤维

以单股丝或多股丝经纬线交织，有平纹、斜纹

排水、反滤、防护、加筋、隔离等

无纺型土工纤维

热粘法、化学粘法

条带织物

以带状条大孔眼制造

加筋强化

土工网垫

以粗硬纤维丝在交点处粘接

排水、反滤

土工格栅

以聚丙烯或聚乙烯单向或双向拉伸扩展，孔径1~10mm

加筋强化

土工薄膜

以塑料、橡胶或土工纤维加强防水涂料制成防水、防渗、封闭

土工复合材料

以上分类的组合2土工合成材料的特性

土工合成材料的优点是重量轻，整体连续性好，根据需要长度从几百米到几千米不等，结构简单，抗拉强度高，耐腐蚀性好，抗菌抗腐蚀性。

缺点是，除非采用特殊处理，否则抗紫外线能力较低，直接暴露于阳光直接照射下会趋于老化，但除非直接暴露，否则抗老化性能和耐候性能

它仍然很高。

土工合成材料产品的性能指标包括以下几个方面。

2.1产品形式和属性

由于不同的制造方法和应用，土工合成材料产品在宽度和重量规格方面差别很大，宽度为1米至20米，一般为50至1200克/平方米，而软土处理一般有几百克。

非织造土工布的孔径（等效孔径）为0.05〜0.5mm，编织土工布为0.1〜1.0mm，土工布为5〜10cm，土工格栅和土工格栅为5〜100mm。

2.2机械性能

机械性能的主要指标是聚合物与土壤之间的拉伸强度，断裂伸长率，撕裂强度，穿透强度，抓地力抗拉强度，爆裂强度，疲劳强度，蠕变和摩擦系数。

最常用的非织造土工织物的拉伸强度为10至30

kN

/

m。

高强度为30至100

kN

/

m，最常用的机织土工布为20至50

kN

/

m，高强度为50至100

kN

/

m。

个别机织土工织物可以达到100至1000

kN

/

m。

2.3渗透性

渗透率是土工合成材料重要的水动力学性质之一，可分为垂直于材料平面的渗透率和平行于材料平面的渗透率，用渗透系数表示。

编织土工布的渗透率通常为8×10

-4至5×10

cm

/

s，非织造土工布的渗透率一般为4×10

-3至5×10

cm

/

s，地质织物

膜的渗透系数为3×10

-10至5×10

cm

/

s。

3土工合成材科加固软土地基施工要点

3.1材料使用标准

使用前必须对土工合成材料进行详细检查，如果有外观，材料厚度，孔隙大小和孔隙分布，土工材料拉伸强度，土工材料的抗撕裂强度等证据。

检验可以用抽样标准进行。

此外，为了确保土工合成材料严格符合质量要求，我们还需要检查地质材料的抗蠕变性，摩擦系数，渗透性和耐久性。

3.2铺设配置

在铺设土工合成材料之前，砂垫应平整，铺设时不应起皱或破裂，并应在适当的时候用砂填充。

铺设土工合成材料后，根据设计要求铺设折叠砂，并用刮刀削平。

上述沙垫应手动或机械运输至沙地，铺展平整并不直接压缩。,在顶盖填满土壤后，发生压缩，第一层压缩的压缩发生在两侧中间，土工合成材料上的填充物和压缩层的厚度逐渐大于0.6米

只有重型机器可以用于压缩时。

对于使用地质合成材料的地下铁路工程，铁路地下室建设不仅要遵守常规的一般施工程序和规定，还要满足土工合成材料铺设的特殊施工要求

你应该专注：：在铺设土壤合成材料之前，将土壤表面弄平，以便软土，铁枝，桩和其他砾石上的硬土是透明的，并且土工合成物很容易破碎，我们需要推动。

防止加载后的土工合成材料破裂或破裂。确保设计区域和质量要求的施工，在施工过程中始终注意现场检查。

根据项目的具体情况和具体情况，地质合成材料的施工可以采用各种施工方法和机械，但需要注意土工合成材料的有效性和施工方法的适用性。

在柔软的基础上，必须小心构造，以确保加工后有足够的强度和稳定性。在铺设过程中，必须使织物平整以便与软地面紧密接触，从而达到均匀一致的标准，从而使织物不会连续，变形，起皱或重叠

有。

为了保持材料的坚固和平缓，有必要压缩路面的初始位置，以防止在施工过程中迁移，以避免由于超拉引起的土壤合成材料的破坏。

3.3端头锚固

铺设土工合成材料时，注意尖端的位置和固定。当使用土工合成材料进行加固和加固时，终点的锚将影响路基的应力，变形和稳定性。在倾斜的防护边坡上，地下复合材料的末端可以缠绕管道并嵌入顶部破碎槽中，以防止聚合物材料掉落。一般情况下，它埋与岩石堤的砾石滤层，在此期间，纤维过滤器层被终止在护坡岩石坡脚超过岩石保护表面的水和纤维的作用下延伸避免侵蚀，并将凹槽带到梯度的底部。复合材料铺设过程的完整性不允许中间中断，并且在中断时注意材料连接，以防止在工作期间路基不均匀沉积和塌陷银行导致。

3.4接缝处理

土工合成材料的长度和宽度必须比长度和软地基的宽度稍大，通常可以连接如果尺寸是不够的，包裹物，缝，到另一个使用订书钉的土工合成材料的。用重叠法和缝经常方法，连接在接缝的整体质量没有接缝或线是必需的，密合性，焊接包括，在采用冗余的方法，该土工材料的重叠长度的情况下它必须足够长。地面的压力和地质变化通常为60厘米至90厘米。所述保护结构中，水不规则铺设，重量增加和岩石的体积，在搭接接头的长度的增加，斜率保护的作用，使用上坡土工布幅和重叠方法纸幅之间垂直耦合如果您还有形成，如果在土工网之间形成的垂直债券和web是，包装宽度必须0.3米〜0.5米。土工格栅没有被包裹并且必须彼此紧密接触，土工合成材料必须采用与力的方向有关的可靠手段，并且接缝强度不得低于设计允许的强度。请交替关节和交替。土工合成材料的连接也可以通过拼接法完成。土工合成材料用尼龙线缝制，另一边有两种针迹缝制。该方法的接缝强度可达到整个工地的80％，工程性能可以满足工程要求，工程应用较为普遍采用折叠接缝和使用两根缝线应该在敷设前修复受损部位，避免在铺设工作时因火灾而引起烧伤，并且在场地施工过程中避免长期暴露，如果地面合成材料受损。水稳性物料应贮存土工合成材料以避免高温以防止空气老化。

3.5路基土回填

在土壤中填充土壤时，为了避免材料变形，需要均匀铺设，并且必须防止排水受到干扰。

横截面80厘米

10厘米土壤和岩石的材料在合适的土壤复合材料中具有足够的回填水稳定性，一般超过50厘米，并且还具有机器操作的优点

有。

为了防止由于承载能力不足导致的地面沉降，必须轻轻压缩第一埋层，并且只有当土壤深度超过60厘米时才能使用重型机械。

4土工合成材料的作用原理及应用

根据土工合成材料的特性，岩土工程的主要功能是渗透，排水，隔离，加固，防护等。

在本文中，我们将有选择性地讨论三个应用程序。

4.1反滤及排水作用

一些土工织物与土工织物土壤紧密接触，并且一些穿过土工织物表面的颗粒留下粗糙的颗粒并逐渐移动到过滤层。

这样，在与过滤层相邻的土壤层中，自然形成过滤带层和骨架网层以防止土壤颗粒的流失并最终稳定平衡。

过滤系统。

为了确保渗透情况下结构的稳定性，建议在土壤保护层上放置适当尺寸的土工布以防止流出，管道和堵塞

你可以。

与砂滤层相同的效果。

目前，新型土工布还具有良好的立体透水性，但利用这种特性不仅起到了回滤的作用，而且还允许水在土工织物的平面内水平流动

快速行走，形成一个水平排水层。

它还可以与其他排水材料（粗骨料，穿孔排水口，塑料排水管等）配合使用，构建更高效的排水系统。

使用土工织物作为过滤层的优点是土工织物的孔隙率比砂的孔隙度高得多，并且合成纤维的密度远低于砂的密度，并且在相同渗透性的情况下砂

所需的砂砾过滤层是土工织物质量的10倍，所需厚度是土工织物的100至1000倍，并且总重量可以在1000至10000倍之间变化。

工程应用包括土工织物作为防洪结构下的防渗结构，用于淹没护坡，如使用包裹在砾石中的土工织物形成与沉积物有关的灾害和壕沟，土工织物（土工织物）的回滤，软基处理，包括使用。

地面排水垫（土工布）等

4.2隔离作用

由于土工布具有优异的抗撕裂性，耐穿透性，耐酸性，耐碱性，耐腐蚀性，易受外力，变形，环境变化等因素影响，整体几何连续性和柔韧性较高。

在这种情况下它不会被破坏。

土工布位于两种不同的材料之间，两种比土工布多孔的材料彼此分开，并且可以在结构经受应力的同时发挥它们各自的功能，有助于结构的形式。

请避免混合效果。

分离是地基合成在软土处理中的一个更重要的应用，通过地面支撑能力的丧失防止路基填充和软土地面混合，地基中剪切强度不足的补偿，圆形隔离滑道

有效加速施工期，降低成本，减少岸滩间的不均匀集群，同时促进排水，促进土壤强化。

4.3加固效果和计算方法

高强度，增韧土工膜机械性能可以分配负载增加土壤的刚度系数，以形成复合材料的基础和用于改善土壤的机械性能。

土工织物对软土的加固作用主要是水平加固的方法。

复合地，土工布主要位于张力，同时，由于其具有的孔隙率土工布是打开到一定程度，具有由交互和土壤颗粒和其他颗粒填料的闭塞相同的副作用。围压的影响通常可以通过翻转复合材料来改善，使得复合土可以形成稳定的高剪切强度和变形模量并且可以抵抗水平剪切。复合结构类似于柔性平台，施加在顶部的载荷均匀分布在地层内。

当当地的基地产生剪切破坏时，安装的土工布可以防止破坏的表面出现，从而增加地基的支撑能力。

当土工织物经受集中载荷时，在高负荷下，土工织物的高模量产生垂直分力的一部分并且抵消部分载荷。

在软地下和地面之间放置土工织物是道路工程中常用的浅层处理方法，尤其是土工织物和颗粒材料的垫子更常用。

此外，铺设土工布后，施工机械可以轻松操作，也可以在灌装预载下发挥排水作用，从而促进废水的整合和和解的稳定性。

一种特殊的处理方法是在软土地表上放置一块硬的，张紧的土工布，然后在堤坝的作用下铺上一层颗粒状的垫子（压碎或严重）。

路基上的土工布产生拉应力，土工布和土体的抗剪承载力相对地限制了基层的位移，作用在土工布上的拉应力也可以起到荷载的作用。图1所示。

图1

土工合成材料受力示意图

为了计算用土工合成材料加固的基础强度，可以使用下面的公式。

在公式中，Ps

+

c

复合基础强度kN

/

m;

Q

原始基金会的最终支持能力，kN

/

m;

α，β

基本形状因子。

C

土壤的内聚力。

Nc，Nq

与土壤质量有关的容量系数。

B底宽，m：

地质体的T

张力，kN

/

m;

θ

底边和土工织物的倾斜角度。

一般为10°。

R

虚圆的半径，一般等于3米或一半的软土层厚度不得超过5米。

γ

土壤容重，kN

/

m

3。

Df

填充沉降和横向隆起。

作为路堤底部的垫层，土工织物在减少路基差异方面起着重要作用，除了提高基础的支撑能力和提高基础的稳定性外，在正常情况下，土工布和沙子作为一层被缓冲在一起，并且这层具有不同的刚性，路堤本身和软地面。

有了这个缓冲垫，不仅当土壤本身的荷载传递到软土基层时的排水层，当软土基层被整合时，堤坝还有一个灵活的基础。

基础变形均匀，基础最终沉降小于非模拟土工织物，施工速度快，达到所需要的固结程度，提高了基础的承载力

参见图2）。

图2

土工合成材料在软基处理中作用示意图

4.4工程应用示例

东西路位于天津市鲜水峪镇。

干线长度约3.8公里，两侧布置6车道，非电动车道和人行道，路基宽度为41米。

该项目所在地区基本上是一个鱼塘，污泥已经堆积了很多年，一些路段位于老河的河底。

低，层厚一般为4-6米，软土与典型的浅层沉积。

物理指标如表2所示。表2

软土物理力学指标汇总表

由于土壤厚度大，分布范围广，彻底清除大大增加了项目的投资成本，并且不允许及时使用排水固结软基处理。处理。

换句话说，通过回填钻出弱碱部，磁导率和高强度的材料（例如，土壤，砾石，砂石，渣等），软地基的处理。

由于土层较厚，底层土壤仍然存在，被替代的松散物料在压力作用下被压缩成软土基层，从而降低了置换效果。

为了解决这个问题，支撑层整体，以增强交换材料的完整性（即，“人造硬壳层”）必须是软土层的重量应力和附加应力从顶部如图所示。土工格栅的应用可以解决这个问题，以避免由于局部应力集中和承载能力的丧失而导致局部解不均。

对于处理方法，在表层开挖1.5〜2.0m的可流动塑料污泥后，铺设两根竹子，穿过聚丙烯二元土工格栅层，拆除80cm土层作为支撑层，被使用。

拆开包装顶部的土壤制成2.0米的土壤，用土填充路基。

虽然东北方向的交通流行近两年，但从使用地面卵石加工软基的工程效果来看，基础的屈服强度得到了很大的提高，对不平衡的村庄进行了有效的管理。

参考文献

第五篇：《堤防工程土工合成材料应用技术》

《堤防工程土工合成材料应用技术》 第一章 综述 目 录 前 言

第一章 综述

第二章 土工合成材料的功能和设计原则 第三章 堤防系统的防渗、排渗和加固 第四章 防护工程 第五章 防汛抢险工程

第六章 使用和开发中的一些问题

前 言

洪涝灾害是我国自然灾害中危害最大、损失最严重的灾害。长江、黄河等七大江河的中下游及沿海平原地区，面积占国土总面积的8％。这里有全国40％的人口和35％的耕地，工农业总产值占全国的70％，也是中国人口最密集、经济最发达的地区。该地区的洪涝灾害严重，是我国国民经济和社会持续发展的心腹之患。

我国在防御洪涝灾害方面做出了很大努力并取得非凡成就，但由于自然、社会和经济条件的限制，我国现在的防洪减灾能力仍较低，江河和城市防洪标准普遍偏低，不能适应社会、经济迅速发展的要求，防洪减灾仍是一项长期而艰巨的任务。

河道堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分。在长江、黄河等七大江河的中下游地区，堤防是防御洪水的最后屏障。目前我国建有各类堤防25万km，其中主要堤防6.57万km。我国现有的堤防有三大特点。一是堤基条件差，堤防傍河而建，在堤线选择上有很大的局限性，基础大多为沙基，而且绝大部分堤防的基础基本上没有进行处理。二是堤身质量差，不少堤防是在原民堤的基础上，经历年逐渐加高培厚而成，往往质量不佳。三是堤后坑塘多，尤其是长江干堤和洞庭湖、鄱阳湖区，筑堤土料严重不足，多年来，普遍在堤后取土筑堤，取土坑、塘多未做处理，覆盖薄弱。因此当遭遇洪水时，经常发生管涌、滑坡、崩岸和漫溢等险情，严重者导致大堤溃决。在1998年的洪涝灾害中，仅长江中下游干堤就出现险情6100多处，高水位时每天出险300余处。

在夺取1998年抗洪斗争全面胜利后，全国各地掀起了以堤防工程建设为重点的水利建设新高潮。党中央、国务院多次强调，在灾后重建工作中，要运用先进技术，坚持质量第一。对土工合成材料的推广应用给予了高度重视，朱镕基总理亲自指示要在大修堤防工作中采用，并对推广应用土工合成材料作了多次重要批示。为贯彻落实党中央、国务院的指示精神，科学有序、积极稳妥地做好土工合成材料的推广应用工作，在国家经贸委的支持下，水利部国际合作与科技司、水利部建设与管理司以及国家防汛抗旱总指挥部办公室，共同组织从事科研、管理、设计、施工、教学的专家，在总结多年土工合成材料应用经验和国内外最新进展的基础上，编写了这本《堤防工程土工合成材料应用技术》。本书也是“水利科技减灾系列丛书”之一。它的出版，旨在向广大工程技术人员和基层干部群众推广普及土工合成材料在堤防工程中的实用技术和应用知识，为在堤防工程中推广应用土工合成材料提供技术支撑。本书也可作为水利工程设计、施工、管理等技术人员的培训教材。在本书的编写过程中，龚履华研究员，李广信教授以及天津水利勘测设计院和浙江省水科所等为本书提供了许多资料。李广信、俞仲泉、徐少曼等专家对本书进行了审阅，提出了许多宝贵意见。此外，还得到了长江科学研究院、水利部科技推广中心的大力支持，在此一并向他们表示衷心的感谢。

由于编写时间紧迫，书中定会存在许多不足乃至错误，敬请广大水利工作者给予批评指正。第一章 综 述

千百年来，在水利工程中，人们广泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金属材料，但它们都有一些固有的缺陷，例如性能单一，质量大，寿命不长，价格昂贵等，故不能全面满足工程的特定需要。同时天然材料毕竟数量有限，而且不少天然植物材料如过分利用还会影响自然界的生态平衡，破坏人们赖以生存的环境空间，例如大规模地砍伐森林树木，破坏地表植被，会造成水土流失和荒漠化。有些金属材料虽然性能良好，但容易锈蚀，且成本较高，从而限制了其应用范围。随着近代化学工业的迅速发展，品种繁多的人工合成材料陆续问世。它们具有多种能满足工程需要的性能，可制成各种符合实用目的的产品，而且由于其质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉、料源丰富等优点，为岩土工程提供了一种崭新的较为理想的材料，并由此带来一种实施简便和经济有效的技术途径。鉴于这种人工合成材料的强大生命力，因此近二三十年来在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的使用。据不完全统计，它们已在数十万项工程中得到成功的应用，取得了良好的经济、社会和环境效益；在一些抗御自然灾害的斗争中，更显出其快捷、有效、简便的特点。无怪乎这一项新材料和新技术被人们誉为20世纪岩土工程中的一项技术革命。第一节 土工合成材料的含义及其应用概况

什么是土工合成材料，概括而言，土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的各种产品的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”(geo一)两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。

土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”(geotextile)和“土工膜”(geomembrane)。随着工程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如土工格栅、土工网和土工模袋等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品，这样，在其后的一段时期内，把它们称之为“土工织物、土工膜和相关产品(related product)”。显然，这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为此，1994年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的名称为“土工合成材料”(geosynthetics)。

土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。

聚乙烯是在1931年前后，首先由英国ICI公司研制成功的，1939年成为商品在市场上出售，它是聚合物中分子结构最简单的一种，可分为低分子量和高分子量两类。聚乙烯的比重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，低湿时仍具柔性，电绝缘性极好。在1950年前后，又开发出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、机械强度、熔点和硬度等都比低密度的为优。

聚酰胺约在1935年研制成功，俗名为尼龙，其吸湿性较高，干燥时有一定绝缘性、机械性能好。

聚酯于1941年前后问世，它包括聚酯树脂、聚酯纤维和聚酯橡胶等。

聚丙烯于1954年研制出来，1957年成为商品出售。它的比重为0.90～0.91，耐温范围-30～1400C，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，是目前应用最多的原材料之一。

此外，常用的原材料还有聚氯乙烯，它的比重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。

以上五种原材料的性能对比如表1-1所示。

应当指出，材料的强度还与纤维的制作方法有关。在应用土工合成材料时，其性能更受施工方法、应用环境和侧限压力大小的影响。

土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。1926年美国南卡罗林拉州公路部门曾采用过在棉布上洒沥青而制成的材料，其形式类似于土工膜。其后，人们曾采用聚氯乙烯PVC土工膜作为游泳池的防渗材料。50年代初，美国垦务局采用PVC土工膜作防渗衬砌。前苏联以聚乙烯膜进行渠道防渗也有较长历史。

以近代人工聚合物为原料的土工织物的最早应用实例，是50年代初的荷兰三角洲工程。据估计，用量超过了1000万m2，大大促进了土工合成材料的工程应用。60年代，美国逐渐扩展了采用土工织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将土工织物铺在沥青路面中以防止路面反射裂缝。土工网于1968年在日本开始应用，主要用在填土坡，帮助坡缘填土压实，以增大其强度和稳定性。与此同时，土工网也被用在软基上筑堤，以后又发展为在堤底全面铺设。

非织造土工合成材料技术可能于1967年在美国、法国、英国开始应用，它是一种较厚的聚酯非织造土工织物，作为大坝上游抛石护坡下的反滤层，或作为基土与其上覆盖的粗粒料之间的隔离层。非织造织物的出现为土工织物的应用开辟了较广阔的天地。

80年代后出现了排水带，路堤下用非织造织物作加筋，以及土工织物加筋挡墙等应用实例。我国应用土工合成材料开始较晚，但发展速度很快。目前几乎在各种类型的岩土工程和大量的水利及堤防工程中都得到应用。1974年江苏省江都嘶马用织造型土工织物制成的软体排，结合混凝土块压重，进行长江护岸。稍后江都西闸和湖北省长江堤防也都采用了软体排。非织造土工织物用作反滤料的工程实例更多，云南麦子河水库用得最早。80年代中期，非织造土工织物在尾矿坝和灰堤等工程中得到应用。塑料排水带早在80年代初即在天津新港用于加固软基，目前排水带在高速公路和机场工程已应用得十分广泛。混凝土模袋最早用于江苏南宫河口岸，80年代末已成功应用于30多项工程。加筋土挡墙已修建不少。近年来我国已能生产土工格栅，其工程需求量很大，预计会大大促进加筋土技术的快速发展。聚苯乙烯板块在我国寒冷地区早已用于工程防冻。近来土工格室、植被土工网垫等新技术也已开始应用。根据不完全统计，迄今我们采用土工合成材料的工程已逾8000项。

在1998年夏秋，在长江和松花江、嫩江特大洪灾的防汛抢险工作中，土工合成材料发挥了重要作用。国务院领导高瞻远瞩，在灾后多次批示和指示，工程界和制造厂商积极响应，展现了前所未有的应用土工合成材料热潮。可以预见，我国的土工合成材料的应用程度、技术水平、以及产品的质量和品种在不远的将来必将迈上一个新台阶。第二节 土工合成材料的种类

我国GB50290—98《土工合成材料应用技术规范》将土工合成材料分为以下四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料，它们又各分为数种。现择要介绍如下。

一、土工织物（geotextile）

土工织物是一种透水性材料，按制造方法不同。可进一步划分为图1-1所示的各种类型。

(一)织造型土工织物(woven geotextile)这类产品又称有纺土工织物，是最早的土工织物产品。它的制造分两道工序：先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再借织机制成平面结构的布状产品。织造时常包括相互垂直的两组平行丝，如图1-2。沿织机(长)方向的称经丝，横过织机(宽)方向的称纬丝。这种织物看来简单，却有着不同的丝种和不同的织法。

丝种包括单丝、多丝及二者的混合。单丝是单根丝，典型直径约为图1-2土工织物的经纬丝0.5mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分子定向，以提高丝的强度。多丝是由若干根单丝组成的，在制造高强土工织物时常采用多丝。多丝也有用切割成的短丝(一般长100mm)搓拧而成的。

早期的土工织物系由单丝织成，后来发展为采用扁丝。扁丝是由聚合物薄片经利刀切成的薄条，其厚度比单丝薄得多，且在切片前后都要牵引拉伸以提高其强度。扁丝宽度约为3mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多数编织土工织物是由扁丝织成，而圆丝和扁丝结合织成的织物有较高的渗透性，如图1-3。

另一种特殊的扁丝叫裂膜丝(fabrillated yarn)，它是将一根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在一起。由裂膜丝织成的织物较为密实，柔软而渗透性小。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度可达1～2mm，比扁丝织成的要厚。

织造型土工织物有三种基本的制造型式：平纹、斜纹和缎纹。平纹是一种最简单、应用最多的织法。其形式是经、纬丝一上一下，如图1-

2、图1-3。斜纹则是经丝跳越几根纬丝，最简单的形式是经丝二上一下，如图1-4。缎纹织法是经丝和纬丝长距离的跳越，例如经丝五上一下，这种织法适用于衣料类产品。

在织造时，由于梭子要不断地牵引纬丝从经丝的空间中穿过，故要求经丝强度比纬丝的高。采用不同的丝和纱以及不同的织法，可以使织成的产品具有不同的特性。例如平纹织物有明显的各向异性，如图1-5，其经、纬向的摩擦系数也不一样；圆丝织物的渗透性一般比扁丝的要高，每厘米长的经丝间穿越的纬丝愈多，织物也愈密愈强，渗透性则愈低。单丝的表面积较多丝的要小，其防止生物淤堵的性能要好一些。聚丙烯的老化速度比聚酯和聚乙烯的要快，等等。由此可见，可以借调整丝(纱)的材质、品种和织造方式等来得到符合工程要求的强度、经纬强度比、摩擦系数、等效孔径和耐久性等项指标。在工程实施中应根据具体要求来优选产品，铺设时要注意材料的合理铺设方向。

(二)非织造型土工织物(non-woven geotextile)这类产品又称无纺土工织物。根据粘合方式的不同，非织造型土工织物分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。

热粘合非织造型土工织物的制造，是将纤维在传送带上成网，让其通过两个反向转动的热辊之间热压，纤维网受到一定温度后，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。该法主要用于生产薄型土工织物，厚度一般为O.5～1.0mm。由于纤维是随机分布的，织物中形成无数大小不一的开孔。再因为无经纬丝之分，故其强度的各向异性不明显。

纺粘法是粘合法中的一种，是将聚合物原料经过熔融、挤压，纺丝成网，纤维加固后形成的产品。这种织物厚度薄而强度高，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好，品种规格多，成本低，用途广，近年来在我国发展较快。

化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维网中，待粘合剂固化，纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3mm。常用的粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的产品。这类产品在工程中的应用较少。

机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广的是针刺法，还有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让网内的纤维互相缠结，从而织网得以加固。产品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。水刺法是利用高压喷射水流射入纤维网，使纤维互相缠结加固。其产品较为柔软，主要用作卫生用品，工程中尚未应用，二、土工膜(geomembrane)土工膜是一种基本不透水的材料。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。

制造土工膜的聚合物有热塑塑料(如聚氯乙烯)、结晶热塑塑料(如高密度聚乙烯)、热塑弹性体(如氯化聚乙烯)和橡胶(如氯丁橡胶)等。工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.25～4mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.25～2mm。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。

制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。例如掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺人铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺人滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。对于沥青类土工膜，其主要的掺人材料是一些填料或纤维。填料可为细矿粉，它能增加膜的强度且降低其成本；加入纤维，也是为提高膜的强度。

三、土工复合材料(geocomposite)土工复合材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。这类制品将各组合料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故土工复合材料的品种繁多，可以说土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。(一)复合土工膜(composite geomembrane)复合土工膜是将土工膜和土工织物（包括织造和非织造型）复合在一起的产品。应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200～600g/m2。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；另外也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。

复合土工膜有许多优点，例如：以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。(二)塑料排水带(prefabricafed strip drain）

塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物（滤膜）而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、和乳头式等，如图1-6。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，而滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。塑料排水带的宽度一般为100mm，厚度3.5～4mm，每卷长100～200m，每米重约0.125kg。我国目前排水带的宽度最大达230mm，国外已有2m以上的宽带产品。

塑料排水带的施工是利用插带机将其埋没在土层中的预定位置。塑料带前端与锚靴相连，用插带机导杆顶住锚靴，插入土层中，达到预定深度后拔出导杆，但排水带仍留在预定位置，在高出地面一定高度(0.5m左右)剪断排水带。施工时可用静荷或动荷送杆，静荷送杆对土层扰动小，较为常用。我国插带机的插入深度可达约25m，入士速率可达6m/min。排水带的平面分布间距可借理论计算确定，一般为l～2m。排水带插入软基后，为排除土中的多余水量提供了捷径，多余水可水平向通过带的滤膜进入芯板沟槽，再向上由地表的透水料垫层排走。排水带在公路、码头、水闸等软基加固工程中应用广泛，以加速软土固结。

(三)软式排水管

软式排水管又称为渗水软管，是由高强钢丝圈作为支撑体，以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的，如图1-7。高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理，外包一层PVC材料，使其与空气及水隔绝，避免氧化生锈。包裹材料有三层，内层为透水层，由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱，特殊材料为纬纱制成；中层为非织造土工织物过滤层；外层为与内层材料相同的覆盖层。为确保软式排水管的复合整体性，支撑体和管壁外裹材料间，以及外裹各层之间都采用了强力粘结剂粘合牢固。目前市场出售的管径分别为50.1mm、80.4mm和98.3mm，相应的通水量(坡降i＝1/250)为45.7cm3/s、162.7cm3/s、311.4cm3/s

软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能，又有软水管的柔性和轻便特点，过滤性强，排水性好，可用于各种排水工程中。(四)其他复合排水材料

现在已生产出各种型式芯材和外包滤膜的复合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各种奶头形的，有土工网的，还有用塑料丝缠成的网状体的等等(图1-8)，它们均具有较大的排水能力，可按工程需要选用。

四、土工特种材料

土木特殊材料是为工程特定需要而生产的产品，品种多，现选择几种主要产品说明如下。(一)土工格栅(geogrid)土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材，如图1-9。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸(孔近矩形)和双向拉伸(孔近方形)两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。

土工格栅因其高强度和低延伸率而成为加筋的好材料，例如英国奈特龙(Netlon)公司生产的坦萨(TENSAR)SR2(单向)的纵、横向抗拉强度分别为80kN/m和13kN/m，延伸率分别为9％和15％(常温下)。土工格栅埋在土内，与周围土之间不仅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其开孔中，还有较高的咬合力，它与土的摩擦系数可以高达0.8～1.0。

土工格栅的品种和规格很多，目前开发的新品种有用加筋带纵横相连而成的(图1-10)，也有用高强合成材料丝纵横连接而成的，等等。(二)土工网(geonet)土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。一般而言，土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高，以英国NETLON系列为例，其抗拉强度仅为2～8kN/m，延伸率一般达到20％以上。

这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。(三)土工模袋(fabriform)土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。这种袋体代替了混凝土的浇注模板，故而得名。模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔，可以控制填充时的厚度。浇注在现场用高压泵进行。混凝土或砂浆注入模袋后，多余水量可从织物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使强度增高。

按加工工艺的不同，可将模袋分为两类，即机织模袋和简易模袋。前者是由工厂生产的定型产品，而后者是用手工缝制而成。

机织模袋按其有无排水点和充填后成型的形状分成许多种。我国现行的机织模袋有下列五种，其形状、规格与用途见表1-2

1．有过滤点模袋(FP)过滤点将上下两片织物连在一起，滤点处不让泵液进入，它可供排除土坡渗水，消除孔隙水压力。这类模袋充填砂浆。2．薄型无过滤点模袋(NF)这类模袋只有接缝排水，充填料用砂浆，适用于无水位骤降和无防渗要求的护坡。3．厚型无过滤点模袋(CX)充填细砂混凝土，厚度大，用于重型防护工程，如海湾、码头护岸。4．铰链型模袋(RB)这类模袋充填砂浆凝固后，形成许多独立而又以尼龙绳相联的块体，块与块间能自由转动，排水通畅，适用于有较大不均匀沉降和地形变化大的坡面或地基防冲。5．框架型模袋(NB)这类模袋充填砂浆后形成方形或长方形格子，格中可种植花草，既可护坡，又美化环境。此外，近年来美国HYDROTEX公司还生产一种称为AB型的模袋，其中插有钢筋，为铰链式，强度高，适用于海岸防护。(四)土工格室(geocell)土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2mm、宽100mm，每隔300mm进行焊接。闭合和张开时的形状如图1-11。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。

(五)土工管(geotex tube)、土工包(geocontainer)土工管、土工包是用经防老化处理的高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，可有效地护岸和用于崩岸抢险，或利用其堆筑堤防，解决疏浚弃土的放置难题。

土工包是将大面积高强度的土工织物摊铺在可开底的空驳船内，充填200～800m3料物，将织物包裹闭合，运到一定部位，沉至预定位置。在国外，该技术大量用于环保。(六)聚苯乙烯板块(EPS)聚苯乙烯板块称泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。其单位体积质量仅20.4～40.8kg/m3，为砂和混凝土的1/50～1/100，属超轻型材料；导热系数为λp＝0.03～0.038kcal／mH·℃，吸水率仅为O.15～0.20g/100cm3。由于其质轻，可用它代替土料，填筑桥端的引堤，解决桥头跳车问题。其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害，例如在挡墙背面或闸底板下，放置泡沫塑料以防止冻胀等。(七)土工合成材料粘土垫层(Geosynthetic Clay Liner简称GCL)土工合成材料粘土垫层是由两层或多层土工织物(或土工膜)中间夹一层膨润土粉末(或其他低渗透性材料)以针刺(缝合或粘接)而成的一种复合材料。它与压实粘土垫层相比，具有体积小、质量轻、具柔性、密封性良好、抗剪强度较高、施工简便、适应不均匀沉降等优点，可以代替一般的粘土密封层，用于水利或土木工程中的防渗或密封设计。国外大量用于废料坑的底部防渗衬砌和顶部封盖。产品的具体规格和用途可参见第六章第三节。第三节土工合成材料的耐久性和防护保养

一、影响耐久性的主要因素

土工合成材料的原材料是高分子聚合物。这种物质是链节结构，它对氧化(老化)十分敏感，容易发生降解反应和交换反应，导致材料破坏。为此，土工合成材料的使用寿命自然引起工程人员的高度关注。氧化包括热和温度引起的热氧化，以及阳光中紫外线产生的光氧化。其中光氧化的破坏作用很强，因为紫外线具有很大能量，能切断聚合物的分子链，或引发光氧化反应。此外，影响材料耐久性的还有化学与生物侵蚀、干湿作用、冻融变化和机械磨损等，但以日照紫外线的影响最重要。

各种原材料抗紫外线的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚酯最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其间，颜色浅的比深的差。由于老化是从表层逐渐向内部发展，故产品厚的较薄的耐老化。

二、延缓老化的措施

老化是高分子材料的固有特性之一，不能完全消除，但如果采取有效措施，可以大大延缓。延缓老化的措施可以从两方面着手：一方面是在原材料中加人防老化剂，抑制光、氧、热等外界因素对材料的作用，如掺适量的抗氧剂、光稳定剂和深色碳黑等。有的单位在聚丙烯中加入防老化剂，经4年日光直接爆晒，强度仅损失25％，如果不加防老化剂，直接在日光下照射2～3月，强度即损失殆尽。另一方面是在工程中采取防护措施，如尽量缩短材料在日光中的暴露时间，用岩土(要求在30cm厚以上)或深水覆盖等。老化破坏程度常以材料的某物理力学量的变化率来反映，例如材料抗拉强度的损失或延伸率的变化等。

三、部分现场观测成果

以下是一些实际工程中土工合成材料经长期工作后的检测结果。

(1)1958年，美国佛罗里达州海岸护坡首先用PVC织造型土工织物作垫层，27年后取样试验，其性能仍十分良好。

(2)1965年，中国水利水电科学研究院在北京东北旺农场用PVC土工膜(厚0.12～0.15mm)铺在渠道上作防渗试验，埋在土下30～40cm，运行20年后仍保持良好防渗性。

(3)1970年，法国法拉克罗斯土坝用涤纶(聚酯)非织造土工织物作护坡垫层，运行6年后取样测定，抗拉强度仅减小8％。法国许多工程采用这种织物，运行12年后，绝大部分强度损失不到30％。

(4)1981年，葛洲坝水力发电工程二江泄水闸基础按长江委长科院的研究成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、涤纶织造土工织物的组合体作为基岩排水孔的过滤体。运行15年后抽样检测，发现织物在pH值为9.02～10.58的水下工作，其经向强度仅下降4％～8.5％，纬向强度下降7.5％～22.5％。

(5)西德汉诺威大学的试验表明，在有防护条件下，运行15年，涤纶织物强度损失不到5％，丙纶织物强度损失不到10％。而且老化速度随时间明显减缓。鉴于土工合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力，故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定，如前苏联BCH07-74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道：“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明，它们的化学和生物稳定性高；织物的最大损坏是在施工中；铺设以后没有大变化；……可预期超过100年的稳定性”。

综上所述，根据经验和合理推论，一般认为土工合成材料的使用寿命至少在30年以上。事实上，英国NETLON公司对其产品的设计年限是120年。第四节 土工合成材料的性能和测试方法

一、土工合成材料性能指标的分类

土工合成材料被广泛应用于水利和岩土工程的各个领域。不同的工程对材料有不同的功能要求，并因此而选择不同类型和不同品种的土工合成材料。为使土工合成材料在施工期和运用期能正常工作，必须有合理的设计方法和使用规范，统一的设计指标，并通过实验验证。土工合成材料的指标一般可分为物理性能指标、力学性能指标、水力性能指标、土工合成材料与土相互作用指标及耐久性指标等。下面逐一加以简单介绍。(一)物理性能指标 1.单位面积质量

单位面积质量，系1平方米土工织物的质量，称为土工织物的基本质量，单位为g/m2。它是土工织物的一个重要指标。对于任何一种系列产品来说，土工织物的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增大而提高。因此，在选用产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。2.厚度

指土工织物在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。土工织物厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa压力表示土工织物在自然状态无压条件下的厚度。由图1-12可见不同类型土工织物的压缩量差别很大，其中针刺非织造土工织物的压缩量最大。因此，当考虑非织造土工织物水力特性时，必须注意到上覆压力变化使水力特性变化的特点。3．孔隙率

定义为非织造土工织物所含孔隙体积与总体积之比，以百分数(％)表示。该指标不直接测定，由单位面积质量、密度和厚度计算得到。可按下式计算

土工织物常用原材料的密度为：聚丙烯0.91g/m3，聚乙烯0.94～0.96g/m3，聚酯1.22～1.38g/m3，聚酰胺1.05～1.14g/m3，聚乙烯醇1.26～1.32g/m3，聚氯乙烯1.39g/m3。孔隙率与厚度有关，所以孔隙率也随压力增大而变小。有时织造和非织造土工织物的孔径和渗透系数很接近，但不能认为两者水力性能相似。非织物土工织物的孔隙率远大于织造土工织物，因此其具有更好的反滤和排水性能。(二)力学性能指标

针对土工织物在设计和施工中所受荷载性质不同，其力学强度指标分为下列几种：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度等。在前3项试验中，试样为单向受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后4项试验中，试样为圆形，承受轴对称荷载，纵横双向同时受力。在上述众多力学指标中，最基本的是抗拉强度。1.抗拉强度和延伸率

抗拉强度也称为条带法抗拉强度，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工织物在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，单位为kN/m。对应抗拉强度的应变为土工织物的延伸率，用百分数(％)表示。抗拉强度是力学性能中的重要指标。在各种功能的应用中对抗拉强度都有一定的要求。当用于加筋和隔离功能时，抗拉强度是主要的设计指标，而在排水和反滤功能的工程中，抗拉强度虽不是主要指标，但由于铺设过程中会受到扯拉、顶压、撕破等各种施工荷载，运用过程中也可能因建筑物变形而受拉，所以对强度也有一定要求。2.握持强度

握持强度表示土工织物抵抗外来集中荷载的能力，试验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工织物对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高，单位为N。3.撕裂强度

撕裂强度表示沿土工织物某一裂口将裂口逐步扩大过程中的最大拉力，单位为N。4.胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度

这四个强度的试验都表示土工织物抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样为圆形，用环形夹具将试样夹住；其差别是试样尺寸、加荷方式不同，各试验示意图见图1-13。不同顶杆尺寸模拟不同顶压物，如块石、树枝等。胀破强度单位为kPa，其他3项强度单位为N。此外，落锥强度也属此类，其试样尺寸与CBR相同，试验时一个重1kg的圆锥自50cm高处自由落下，测定试样被刺破的孔洞尺寸，单位为mm，该试验重复性较差。除抗拉强度外，其他各力学强度指标直接用于设计的情况还不多见，它们主要是做为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。

（三）水力性能指标

水力性能指标主要为等效孔径和渗透系数，是土工织物两个很重要的特性指标。由于土工织物是与土共同工作的，对织物的基本要求是既能保土又能排水，这就要求土工织物的孔径很小(能挡住土)而排水又很通畅，两者看来是有矛盾的，而土的多变性更增大了问题的复杂性。某一土工织物对这种土是合适的，而对另一种土未必也是合适的。目前常用保土准则和透水准则来选择土工织物的等效孔径和渗透系数，即将土工织物的等效孔径和土的特征粒径建立关系式，同时将织物的渗透系数与土的渗透系数建立关系式，以求达到既保土又排水的目的。保土准则和透水准则由实验得到。由于实验时控制的条件不同，得到的准则也有差异。可按具体情况选择准则，有条件进行模拟实验则更好。鉴于目前仍以保土和透水作用做为选择土工织物反滤层的准则，因此等效孔径和渗透系数两个水力特性指标是反滤和排水功能中的重要指标。

1.等效孔径(表现孔径)以土工织物为筛布，用某一平均粒径的玻璃珠或石英砂进行振筛，取通过土工织物的过筛率(通过织物的颗粒质量与颗粒总投放量之比)为5％(留筛率为95％)所对应的粒径为织物的等效孔径O95，表示该土工织物的最大有效孔径，单位为mm。用同样的步骤，则相应得到O85、O50和Ol5的孔径值。土工织物的孔径分布曲线形状与土的颗粒分布曲线相似，见图l-14。

2.垂直渗透系数和透水率

垂直渗透系数为水力梯度等于l时，水流垂直通过土工织物的渗透速率，单位为cm/s。透水率为水位差等于1时的渗透速率，单位为1/s 3.水平渗透系数和导水率

水平渗透系数为水力梯度等于1时水流沿土工织物平面的渗透速率，单位为cm/s。导水率为沿土工织物单位宽度内的输水能力，单位为cm2/s。(四)土工织物与土相互作用性能指标 1.土—织物界面摩擦系数 埋在土中的土工织物，通过土—织物界面摩擦力将外荷传递至土工织物，使土工织物承受拉力，形成加筋土。工程实例有加筋土挡墙、堤基加筋垫层等。按试验方法可分为直剪摩擦系数和拉拔摩擦系数。2.土 织物渗透特性

土—织物联合应用时，如何使土工织物能长期保持良好的保土及排水性能，不发生淤堵，目前还没有满意的理论准则。为判断织物是否会发生淤堵，可进行长期淤堵试验或梯度比试验，前者试验历时达500～1000h，后者需测试24h或更长。两种试验都还存在一些问题，有待积累经验逐步改进。(五)耐久性能指标

耐久性能指标主要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗化学、抗大气环境等多种指标。大多没有可遵循的规范、规程。一般按工程要求进行专门研究或参考已有工程经验来选取。(六)有关土工合成材料功能、设计指标种类及其品种的考虑 在表1-3中列出了土工合成材料用作不同功能时，其常用的设计指标种类和通常选用的材料品种。

二、测试方法

(一)试验操作和资料整理时应泣意和遵守的事项 1.制样原则

每项试验一般剪取6～10个试样，应从卷材长度和宽度方向上随机剪取样品，距卷材边缘不小于100mm。同一项试验的各试样应避免它们位于卷材同一纵向或横向位置上。2.试样调湿

大多数织造或非织造土工织物在测试时对试验室无温湿控制要求，只要记录试验时温度和湿度即可。而一些对温度较敏感的土工合成材料，如土工格栅、土工网等，试验前应对试样进行调湿，即将试样在温度为20土2℃和湿度为65土5％环境中静置24h以上，然后在该环境下试验。3.夹具

在力学指标试验中离不开夹具，单向拉伸用扁夹具，圆形试样用环形夹具。都要求夹具能均匀可靠地夹住试样，应能防止试样在钳口内打滑，且不会被夹坏。当有打滑或夹坏现象时应采取下列措施：①钳口内加衬垫；②钳口内试样用涂料加强；③改进钳口面。在试验过程中应随时观察夹具边缘试样是否有打滑或局部损坏现象。任何打滑、夹坏或局部损坏现象均将大大降低测试结果。4.资料整理

式中符号意义见式(1-2)。

Cυ反映样品的均匀程度。当样品很不均匀，测试值变化范围较大，Cυ就大，平均值的代表性就差。增加试样数量，平均值更具代表性，同时Cυ下降。(3)按式(1-5)计算所需要的试样块数nN。

上式表明了试样个数与Cυ 的关系。土工织物均匀性越差，要求试样的数量就越多。非织造土工织物均匀性比织造土工织物差些，因此前者的试验通常取10块试样，而后者可取6块。对于同一等级的两个产品，由Cυ值可比较两者的均匀性。(二)几项主要试验测定方法的一些问题

关于土工合成材料各项指标的测定方法可参阅有关的规程规范，这里只对几项测定技术比较复杂的项目作些说明。

1.孔径试验(干筛法)中的几个问题(1)振筛用的颗粒材料，按标准筛孔径分级如下：0.063～0.075mm，0.075～0.090mm，0.090～0.106mm等等。

(2)需测定孔径分布曲线时，应取得不少于3～4级连续分级颗粒的过筛率，并要求试验点均匀分布。若仅测定等效孔径O95，则有两组的筛余率在95％左右即可。

(3)孔径试验有干筛法、湿筛法、显微镜直读法、水银压入法等，不管哪个方法都存在一些问题。最近国际标准(ISO)及我国国标(GB)都规定孔径试验采用湿筛法。但实际应用中国内和国外都普遍采用干筛法。

(4)孔径曲线的纵标为筛余率。由于筛余量包括了留在织物上面和嵌在织物内的颗粒，因此是不容易直接测准的，而过筛量可以准确测定，所以通常测定过筛量，计算筛余率。2.拉伸试验中的几个问题

(1)目前国内试验室大多采用窄条试样，即试样宽50mm、长100mm。国际上大多采用宽条试样，试样宽200mm、长100mm。这两种试样的试验方法相同，但宽条试样试验要具备一对实际有效宽度为210mm的夹具，试验荷载相应增大，操作技术也复杂一些。目前国际上只认定宽条法试验成果，为此国内有关部门还需不断改进设备、提高操作技术，逐步过渡到宽条法。

(2)拉伸过程中应记录拉力 伸长量曲线。目前设计往往要求提供某一应变时的抗拉强度，有时要求提供初始模量，两者都由拉力 伸长量曲线上获得。

(3)握持试验和撕裂试验的方法与条带拉伸试验方法相似，仅夹持方法不同。握持和撕裂试样如图1-15所示，图中阴影线部分为夹持部分。由图可知，握持试验夹持面积(长×宽)为50mm×25mm，撕裂试验夹持宽度为84mm。两试验拉伸速率为100mm/min。拉伸过程中最大拉力即为握持强度或撕裂强度，单位为N。

(4)土工带、土工格栅和土工网等的抗拉强度试验方法类似，而取样方法各不相同。土工带取整条带进行拉伸，计量长度100mm，拉伸速率为50mm/min。拉伸过程中的最大拉力即为土工带的抗拉力，单位为kN。土工格栅和土工网试样，在宽度和长度方向上均以一根筋(或一孔)作为单元进行拉伸。拉伸速率每分钟为试样计量长度的20％。拉伸过程中的最大力为一根筋(或孔)的拉力，再计算l米宽度范围内的筋(或孔)数，即可得出每米宽的抗拉力，即抗拉强度，单位为kN/m。

(5)拉力机上配一反向器即有加压功能，可进行刺破和圆球顶破试验。两种试验的试样直径相同，可用同一环形夹具，再分别配一个φ8mm顶杆和一个φ25mm圆球顶杆即可。项压速率为100mm/min，单位为N。

对于CBR试验，试样直径φ150mm，顶杆φ50mm，通常在压力机上加压，顶压速率为60mm/min，单位为N。另胀破试验应用专门设备进行试验。3.垂直渗透试验中的几个问题

(1)垂直渗透系数的定义为水力梯度等于1(或单位水力比降)时的渗透速率。这并不是规定试验时的水力梯度为l。试验用的水力梯度变化范围较大，主要由织物的透水程度、测读精确度和保证层流条件而定。

(2)通常进行无压下的垂直渗透试验，而实际工程上都是有压的。有压时的垂直渗透系数很重要，但试验比较困难。若要在试样上加压，势必在试样上面有加压板，同时在试样下面有托板。这上下两块板，即使用开孔面积很大的板，也会影响试样的过水面积。目前还没有直接测定的好办法。

(3)渗透试验采用单片试样还是多片试样取决于试样类型。从理论上说，用单片试样最好，但往往难以实施。如非织造土工织物由于孔隙大，透水性大，若用单片，则要求所用的水位差很小，但过小的水位差测读误差大，为此应该加大渗径长度，取多片试样进行测试。通常非织造土工织物试样的总厚度应达到20mm左右。对于织造土工织物，视其孔隙而异，有时用单片，有时用2～3片。

(4)土工膜的防渗性能也可用垂直渗透系数表示。一般土工膜的渗透系数值小于1×10-11cm/s。试验原理与土工织物垂直渗透试验相同。不同之处有，试验在有压力(一般为100kPa，相当于1000cm水位差)下进行，由于渗水量很小，试验持续时间较长。

第二章 土工合成材料的功能和设计原则

土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。随着土工复合材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的主要功能可归纳为六类，即反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护功能以及加筋和加固功能。现分别加以叙述。有关各种材料在不同工程中的应用原则和施工方法参阅后续各章。第一节 反滤功能

一、反滤作用

当土中水流过土工织物时，水可以顺畅穿过，而土粒却被阻留的现象称为反滤(过滤)。反滤不同于排水，后者的水流是沿织物表面进行的，而不是穿越织物。当土中水从细粒土流向粗粒土，或水流从土内向外流出的出逸处，需要设置反滤措施，否则土粒将受水流作用而被带出土体外，发展下去可能导致土体破坏。土工织物可以代替水利工程中传统采用的砂砾等天然反滤材料作为反滤层(或称滤层)。

用作反滤的土工织物一般是非织造型(无纺)土工织物，有时也可以用织造型土工织物。

二、典型应用(举例)堤坝工程中可以用土工合成材料作滤层的情况很多，以下是一些常见的使用场合。（1）堤坝粘土斜墙和粘土心墙的反滤层。（2）堤坝内部和下游排水体滤层。

（3）渠道、堤防、海岸等乱石或混凝土板护面下的滤层。（4）水闸分缝处、下游护坦、河漫下的滤层。（5）挡土墙、岸墙等背面排水系统中的滤层。（6）排水暗管或排水暗沟外面的包裹体。（7）减压井或测压管的外裹体。以上应用的示意见图2-1。

此外，公路和机场跑道的基层，铁轨下道渣与土基间的隔离层等，也都同时要求反滤功能。

三、反滤和淤堵机理

以往的直观概念都认为土工织物起反滤作用等同于过筛作用，后来的研究却证明土工织物所以发挥反滤功能主要是由于它具有促进天然滤层形成的“催化”作用。另外，当土工织物作为滤层而长期作用时，发现有淤堵现象，从而使其反滤作用减弱或至消失。为此需要弄清淤堵的成因，方能有效地防止淤堵发生。

（一）反滤机理

土工织物的反滤作用可以用图2-2来说明。图中左侧为大孔隙堆石体，右侧为被保护土，二者之间夹有起反滤作用的土工织物。当水流从被保护土自右向左流入堆石体时，部分细土粒将被水流挟带进入堆石体。在被保护土一侧的土工织物表面附近，较粗土粒首先被截留，使透水性增大。同时，这部分较粗粒层将阻止其后面的细土粒继续被水流带走，而且越往后细土粒被流失的可能性越小，于是就在土工织物的右侧形成一个从左往右颗粒逐渐变细的“天然反滤层”。该层发挥着保护土体的作用。可见土工织物的存在只是起了促成天然反滤层形成的“催化”作用。(二)淤堵机理

土工织物中的孔道被堵塞，过水面积减小，渗透性下降的现象称淤堵。形成淤堵的原因可分为机械淤堵、化学淤堵和生物淤堵。一般情况下，机械淤堵为主要形式。

机械淤堵是土体中的细颗粒随水流进入土工织物孔隙中，并停留其中，随时间增长，停留的细粒愈来愈多，织物的透水性愈来愈小。化学淤堵是由于渗流水中的各种离子，受化学作用形成不溶于水的化合物，如CaC03、Fe02等，停留于织物孔隙中，减少水流通道从而降低织物的渗透性。生物淤堵是土体或土中水内的藻尖、菌头微生物和有机质在织物孔隙中滋长繁殖，堵塞孔隙所造成。

淤堵对织造型和非织造型土工织物有着不同影响。织造型织物孔口通道单一，管状通道间不连通，故孔口或通道内任一处被堵塞，整个通道即不通。针刺非织造土工织物则兼有垂直和水平结构，而且它们之间是相通的，织物孔隙呈迂回树枝状的立体结构，水分进入后即可相互串通，所以即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相当的透水性。

四、反滤设计准则

为了让所选用的土工织物能长期发挥反滤作用，对织物应该提出一定的要求。正像以往采用粒状土料(砂砾料)作反滤层时那样，应使土料粒径符合一定的准则。对用作反滤的土工织物，基本要求如下，(1)被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走，即需要有“保土性”，以便防止管涌破坏。

(2)水流必须能顺畅通过织物平面，即需要有“透水性”，以防止积水产生过高的渗透压力。(3)织物孔径不能被水流挟带的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反滤作用失效。(一)保土性准则

既然要求织物保土，则织物的孔径与土的粒径之间就必须符合一定的关系。孔径过大，土粒会穿过孔洞而流失；过小又妨碍透水和容易被堵塞。

借鉴传统的粒状土反滤层的保土要求，并依据众多的试验研究表明，为了保土，织物的某等效孔径Oe和被保护士的特征粒径d85之间应该符合以下关系：

式中Oe是一个由试验测得的等效孔径值。目前国内外采用最多的是Oe＝O95，或者Oe＝O90。O95和O90之间的统计关系为O95/O90≈1.2。d85是被保护土的一个特征粒径，可从被保护士的颗粒分析试验曲线上查得，它表明土中粒径小于该值的颗粒的质量是全土质量的85％。而式中的n则是与土中的细粒(土粒粒径d≤0.075mm的部分)含量和不均匀系数Cu(＝d60/d10)等相关的经验系数。

SI/T225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，Oe＝O95，n一般为1～2，选用该值的详细规定请参考该《规范》。必须指出，以上对n值的规定是针对一般水流情况而定的，对于较为复杂的情况，例如对有往复水流或有动力作用的情况，则织物的孔径应该要求大一些。因为在往复水流情况下，织物的保土侧难以形成“天然反滤层”；对有浪击的情况，负压会通过织物孔隙对土产生抽吸作用，等等。鉴于上述情况，故SL/T225—98对此作出如下规定：

另外在一些特殊场合的特殊工程，如防汛抢险，往往要求滤层中水流十分畅通，此时需要采用孔径较大的材料，有时甚至采用窗纱来做反滤。(二)透水性准则

目前对土工织物透水性的要求，是以织物和被保护士的渗透系数的相对关系来表示。规范对此作了如下规定：

(1)被保护土级配良好，水力梯度低和预计不致发生淤堵(中粗砂等)时

(2)若排水失效会导致土体结构破坏，且修理费用高，或水力梯度高，流态复杂等情况

有的标准要求比式(2-4)中10更大的系数，是考虑土工织物在实际工作中，其渗透系数可能会由于织物被阻塞或受压变薄而降低的情况发生。(三)防堵性准则

为防止土工织物在长期工作中被淤堵，应该用选定的织物和被保护的现场土料作较长期试验来检验。这样做费时费事，因此SL/T225—98对于土工织物防堵性提出了以下要求：(1)被保护土级配良好，水力梯度低，流态稳定，修理费用小及不发生淤堵时

(2)被保护土易管涌，具有分散性、水力梯度高、流态复杂、修理费用大的情况。

这里需要解释一下“梯度比”的意义。梯度比是美国陆军工程师团为了用较短时间判断土工织物滤层的工作状态而建议的一个指标，由淤堵试验装置测定，如图2-3。图中的6代表待测定的土工织物，它被安放在作为支承体的透水铜丝布7上。织物上面是由现场取来的并按要求压实的土。在织物上面25mm和再上面50mm处的试验筒两侧壁上，各安装有测压水管(同一高程两侧各设一管是为了取其平均值作为测读水位)，试验筒顶不断供水，使水流通过土体、织物，由图中的调节管8排出。量测通过上面50mm土层后测压管的水位差，计算出相应的梯度is；同样量测通过下面25mm土层和土工织物的测压管水位差，计算出相应的梯度isg。后一梯度对前一梯度的比值，即GR＝isg/is称为梯度比。GR≤3的准则可以转化为渗透系数的概念。按此，应该有

附带说明，上面所述的和其他一些现有的保土准则都是针对非织造型土工织物制定的。对于织造型土工织物，现在还没有公认的准则，SL/T225—98的条文说明中介绍了部分单位的经验，可供参考。另外，为了防堵，许多专家主张，采用的土工织物的孔径宜较准则要求的适当加大。

五、设计要点

采用土工织物作为反滤层时，首先要求选用的材料必须满足反滤准则；其次，它们在铺设后必须是稳定的；再次，虽然它们并不是作为受力部件来作用，但需要有一定的强度，应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。因此一般的设计应该包括以下内容。(一)提供必要的基本数据

1.被保护土的主要物理力学性指标

被保护土的主要物理力学性指标包括：土的分类、颗粒分析曲线(由此可查取土的特征粒径d85、d60、d15、d10…)、土的不均匀系数Cu＝d60/d10、土的渗透系数K、土的抗剪强度指标、土的化学成分等，它们可由试验确定。2.填土的性质指标

填土的性质指标即回填土的击实试验曲线，从曲线上确定填土的最大干容重γdmax和最优含水率Wop。

3.待选土工织物的性质指标 待选土工织物的性质指标包括土工织物的单位面积质量M、等效孔径O95、垂直渗透系数Kυ、水平渗透系数Kh、抗拉强度以及由淤堵试验测得的梯度比GR等。(二)一般的强度要求

织物要求的强度T很难计算确定，通常可以根据经验按以下情况取值。

(1)一般闸坝，要求无纺土工织物的M≥300g/m2，T≥8.0kN/m，纵横向强度比为2/3～3/2(M为单位面积质量，T为抗拉强度)。

(2)预计应力较大时，M≥400g/m2，T≥10kN/m，纵横强度比为2/3～3/2。(3)应力更大时，M≥500g/m2，T≥12kN/m，纵横强度比为2/3～3/2 第二节 排水功能

一、排水作用

水利工程中需要将土中水排走的情况很多，例如堤坝工程中降低浸润线位置，以减小渗流力；挡墙背面排水，以消减水压力，提高墙体稳定性；土坡排水，减小孔隙压力，防止土坡失稳；隧道和廊道排水，以减轻渗水压力；软土地基排水，以加速土固结，提高地基承载力等等。传统的排水材料多采用强透水粒状材料，土工织物用作排水时兼起反滤作用，同时，不致因土体固结变形而失效，它具有施工简便，缩短工期，节约工程费用等优点。

二、典型应用(举例)以下是堤坝工程中可以应用土工合成材料作为排水设施的一些常用场合。(1)堤坝体内烟囱式排水及下游排水褥垫层。(2)堤坝防渗土工膜下的排水、排气垫层。(3)设于水力冲填坝中的孔压消散层。(4)土堤下游坡的排水层。(5)挡墙及岸墙后的排水层。

(6)加速软基固结的排水带或排水板。

(7)冻胀区用于截断毛细水上升，防止冻害；干旱区防止毛细水上升造成盐碱化。

三、设计要点

土工合成材料用作排水体的设计方法与反滤层的基本相同。但由于在此项用途中，织物应有足够的平面排水能力以导走来水，所以要进行排水能力的校核。本节先介绍一般的排水设计方法，而后再就几种特殊情况，做些说明。(一)一般的排水设计 1.所需的基本资料

与反滤设计中要求的类似，应提供土体的物理力学特性，如土的分类、土的颗粒分析曲线、土的渗透系数等；有关地质、水文资料；来水量(或根据条件估算)；土与水的化学成分等。另外，应提供待选土工织物的厚度δ、等效孔径O95、水平渗透系数Kh、垂直渗透系数Kυ等。

2.以反滤准则检验待选土工织物

用于排水的无纺土工织物首先应符合反滤准则，故待选材料应先按第一节中的三项准则逐一加以检验，如不合格，应更换其他合格材料。3.排水能力校核

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Kh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：

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：

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。

(二)烟囱式排水布置

上游来水流到竖向排水体土工织物(图2-4)，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)，其底部流量最大，应该逐段验算。

(三)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)假设土工织物的最大承压力为地基中最大水压力的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。(四)塑料排水带垂直排水设计

在第一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，不设砂井时的最大排水距离为H，设砂井后，相应距离为de/2。式中的de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）2/H2]T，所以只要调整de，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Cυ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。第三节 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。

(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

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： 带棱角颗粒dc＝（1/4）d50 圆钝颗粒 dc＝（1/2）d50

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。第四节 防渗功能

一、防治作用及其应用举例

防渗是防止流体渗透流失的作用，也包括防止气体的挥发扩散。日常生活中要求防渗的事例很多，水利工程中要修建大量的挡水蓄水、引水和输水等建筑物，更有防渗、防漏的要求。在水利工程中常见的防渗工程可列举如下。(1)堤坝的防渗斜墙或心墙。

(2)透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙。(3)混凝土坝、圬工坝及碾压混凝土坝的防渗体。(4)渠道的衬砌防渗。(5)涵闸、海漫与护坦的防渗。(6)隧道和堤坝内埋管的防渗。(7)施工围堰的防渗。

图2-11是一些防渗结构的示意。

以往的防渗材料大多为透水性低的粘土、沥青油毛毡和各种涂料，它们的用量大，施工复杂，还往往出现干裂等质量事故。土工合成材料为防渗材料增加了一种极有前途的品种，国内外的使用经验证明，土工膜用于防渗效果很好，质量轻，运输方便，施工简单，造价不高，只要使用得当，在绝大多数情况下，完全可以替代传统的防渗材料。但是，为了保证土工膜发挥其应有的防渗作用，应该注意一些关键性问题。

(1)土工膜材质。土工膜的原材料有多种，应该根据当地的气候条件等进行适当选择。例如在寒冷地带，应考虑土工膜在低温下会不会变脆破坏，是否会影响焊接质量；土质和水质中的某些化学成分会不会给膜材或粘结剂带来不良作用等。

(2)排水、排气问题。铺设土工膜后，由于种种原因，膜下有可能积气、积水，如不将它们排走，可能因受顶托而破坏。

(3)表面防护。聚合物制成的土工膜容易因日光紫外线照射而降解或破坏，故在储存、运输和施工等各个环节，都必须时时注意封盖遮阳，特别是在施工过程中，应尽量缩短其外露时间，原则上应随铺随用土覆盖。

二、防渗结构

土工膜的厚度很薄，容易遭破坏，为了有效保护和提高其在坡面上的稳定性，要求按一定的结构形式铺设。原则上防渗结构应包括5层，如图2-12。1.防护层

防护层是与外界接触的最外层，是 为了防御外界水流或波浪冲击、风化浸蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设置。该层由透水的堆石、砌石或预制混凝土板构成，要求有一定厚度。2.上垫层

上垫层是防护层和下卧土工膜之间的过渡层，由于防护层多是大块粗糙材料，如果直接置于土工膜上，很容易破坏土工膜，如果防护层的块体有移动，更会伤害膜材，因此上垫层必须做好。上垫层可以采用透水性良好的砂砾料，厚度应不小于10cm，根据具体情况，有时也可采用无砂混凝土或沥青砂浆等；如果防渗材料采用的是复合土工膜，则膜两侧的非织造土工织物可以起保护膜的作用，不必另设垫层。3.土工膜

土工膜是防渗主体，除要求有可靠的防渗性外，还应该能承受一定的施工应力和使用期间结构物沉降等引起的应力，故也有强度要求。土工膜的强度与其厚度直接有关，可通过理论计算或工程经验来确定。单一土工膜表面光滑，摩擦系数小，铺在坡面上要考虑下滑的可能性。为此，在可能条件下，一般要求采用复合土工膜，其表面的非织造土工织物与土的摩擦系数要比单膜的大得多；另外，也有地方将单膜加上纹路以增加糙度；再有则是从铺设方式上着眼，例如按锯齿形、台阶形铺设，或在坡面上设戗台等(图2-13)。

4.下垫层

下垫层铺在土工膜的下面，有双重功能：一是排除膜下的积水、积气，确保膜的稳定；二是保护土工膜，使其不受支持层的破坏。

对于粗粒的堆石坝，下垫层也可起堆石与土工膜之间过渡层的作用，这时的下垫层由砾石、细砾和砂构成，三者之间的粒径应符合一定的层间关系。如果采用的是非织造土工织物复合膜，而且是用于碾压式土坝，则下垫层一般可以省去，因为非织造土工织物已经可以起到保护和排水排气作用，而且又增加了与土工膜的摩擦力。

下垫层对土工膜起支持层的重要作用。如果土工膜直接放在粗粒料上，在水压力作用下，它会被压进粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，如果膜下为平整硬层或细粒土料，则情况就会不同了。前人的试验研究证明，0.25mm厚的聚乙烯土工膜铺在级配良好的砂卵石层上，作用水头甚至达到200m，土工膜也没有破坏，这表明膜下垫层的状态对膜的安全至关重要。5.支持层

土工膜是柔性材料，必须铺设在可靠的支持层上，它可以让土工膜受力均匀。除上述的下垫层外，支持层还可采用级配良好的压实土层，粒径应根据膜厚来选择。有学者建议，对于0.2mm厚的土工膜，支持层的最大粒径应不大于6mm，不均匀系数应不小于20。如果是碾压式土石坝，由于其坝面平整，又有较大密实度，可以不专门设置支持层。

三、设计要点(一)堤坝的防渗

土工膜仅是土石坝的一个组成部分，其总体布置、设置范围与高程等应遵循SDJ218—84《碾压式土石坝设计规范》的规定。针对土工膜的核算有两方面。1.稳定性验算

心墙土工膜不存在滑动失稳问题，对于斜墙稳定目前主要验算两种失稳情况。

(1)土工膜以上的防护层、上垫层连同膜本身沿下垫层或支持层面的滑动。这种情况一般不致发生，因为膜上端要求固定于坝顶，加之膜下下垫层要求透水，不致产生过高的孔隙水压力使接触面强度降低。这种形式的破坏可不考虑。

(2)土工膜以上防护层和上垫层沿土工膜表面的滑动。这种情况的抗滑稳定验算一般采用土力学中的极限平衡法。由于土坡有不同工况，验算需要按正常运行(即水位保持不变，堤坝内有稳定渗流和非常情况(通常指外水位由某水位快速下降到某一低水位)进行。对于非常情况，还有上垫层材料是透水和不透水之分，后一情况是当该层与膜的交界面处存在过高的孔隙水压力，使强度显著下降造成的，这是验算中的一种最危险的控制工况。2.土工膜下的排水能力的验算

前面已经提及，堤坝坡面铺土工膜后，其下仍将会有一定的渗流量，应该及时充分排除，以避免孔隙水压力的产生。但是，对此迄今还没有较好的估算方法，最好是采取防预措施较为稳妥。例如采用非织造土工织物复合土工膜，通过织物排水，就是一种方便途径。若预计来水量较大，则不妨用较厚的织物复合，甚至在膜下再铺薄砂层。以上两种验算的具体方法可以参考有关规范。(二)堤坝前的水平防渗铺盖 土石堤坝建在透水地基上，当地基厚度过大，采用其他方式防止地基渗流不经济或不可能时，可采用铺盖防渗。它是将透水性小的材料水平铺设在堤坝上游的一段长度内，并与堤身或坝身的防渗体系相连接，以增加渗流路径，减小渗透坡降，防止地基渗透变形并减少渗流量。一般用于铺盖材料的渗透系数至少应比地基的透水性小100倍，故以往常用的材料为粘性土。土工膜比粘土的透水性还要小，具有极大的柔性，能和地面密切贴合，而且施工相当方便，只要正确应用，就能收到良好的效果。

土工膜铺盖设计与粘土铺盖的基本相同，主要是根据透水地基的厚度、地层土渗透系数、坝前水深和地层土容许的渗透坡降等指标，通过水力学计算来确定垂直于堤坝轴线的合理长度。

根据规范，土工膜所需厚度应按作用水头，地层中可能存在裂隙的形状与大小，以及膜材的抗拉强度和破坏应变等，借薄膜理论来估算，根据经验，对于中水头堤坝，要求厚度一般为0.5～0.6mm。土工膜铺盖长度也应按计算确定，不过，大量的工程经验表明，长度取为坝前水深的5倍左右即可，太长了效果不大。

应指出：①土工膜下应该设反滤层，以防止铺盖万一穿孔时造成地层土流失，采用非织造土工织物的复合土工膜可以同时满足运行需要。②大面积铺盖下很可能会积水、积气，应根据具体情况设排放措施，将它们排除，例如在膜下建纵横排放沟或采用专门的排放设备(如逆止阀)。③注意铺盖和堤坝防渗体、与其连接的结构物以及岸坡的有效连接，以形成完整的封闭防渗系统。

与建铺盖类似，土工膜也可用于库区防渗。使用时，将其妥善地铺在需要堵漏的部位。(三)地基垂直防渗墙

垂直防渗墙是在透水地基内造孔或挖槽，以透水性极低的材料填入建成的连续墙。我国堤坝中以往常用的混凝土防渗墙厚度为0.6～1.3m，目前在堤防工程中的墙厚已减至0.3m，甚至更薄。建造这样的防渗墙，除需要造孔设备外，还要有浇注混凝土的专用机具，施工比较复杂。我国现在已经用土工膜完成多处垂直防渗墙工程。修建防渗墙的土工合成材料可以采用土工膜、复合土工膜或防水塑料板。国外采用打钢板桩的技术和设备来插入高密度聚乙烯板，板的两侧附有锁口，用以将两块板连接在一起。锁口中的间隙则放人密封条，遇水后密封条膨胀，充满间隙，可以做到基本不漏水。安装时由震动打桩机实施，板前端有一铁靴，保护膜板的插入，深度可达40m。若采用插入土工膜，则膜厚度应不小于0.5mm。在目前技术条件下，插入深度可以达到约15m，要求地基土中大于5cm的粗颗粒不多于10％，最大颗粒粒径不大于15cm，否则将超出开槽宽度。

造墙的基本步骤是：首先用高压水冲，或链斗或液压式锯槽机开槽，以泥浆护槽壁，将与槽深相当的整卷土工膜铺入槽内，倒转轴卷，使土工膜展开，相邻两幅之间用搭接的方式连接；及时进行膜两侧的填土，并在槽底回填粘土，厚度不少于1m，目的是密封，以防止水从下部绕渗；接着填一般土，待其下沉稳定后，往槽内继续填土压实；最后待土工膜出槽后，立即将其与建筑物连接，不得外露。应当注意在与建筑物连接处土工膜应留有足够的富裕，以防建筑物变形时拉断土工膜。第五节 防护功能

一、防护作用及其应用举例 防护作用具有广泛的涵义。为了消减自然现象、环境影响和人类活动对堤坡和岸坡造成的危害，常要采取适当的防护措施。岸坡防护包括河岸、湖岸、海岸等的防水流冲刷，波浪冲击等，这类防护措施古已有之，有许多迄今仍在继续采用。传统的防护办法有利用埽枕、柴排、石笼、抛石保护岸坡或打护坡桩等。它们虽然也能起到护坡的良好作用，但耐久性较差，常要不断维修。根本的弱点，是它们放在被保护土面上，不具有反滤功能，受水流冲蚀和潮浪淘刷抽吸的作用，被保护土颗粒容易被水流带走，导致剥蚀和坍塌。

土工合成材料的发展，为上述岸坡防护提供了新的途径，简单地说，只要在被保护士面上覆一层有良好反滤性能的土工织物，压上一定盖重，即能有效地保护岸坡不受水流和波浪等的破坏。

不仅如此，土工织物质轻、耐腐、有柔性、整体性强、价廉、施工简便，它们在防护工程中的推广应用正在迅速发展。其实，这类材料不只有抗水流的能力，它们的产品之一——泡沫塑料板(聚苯乙烯EPS)在岩土工程中还被用于防止土体冻胀。水利工程中利用土工合成材料的常见防护工程有：(1)江河湖海岸坡防护。(2)水库岸坡防护。

(3)水道护底和水下防护。(4)渠道和水池护坡。(5)水闸护底。(6)岸坡防冲植被。

(7)水闸、挡墙等防冻胀措施等。土工合成材料用于防护的范围很广，本节仅介绍利用软体排、模袋和三维植被土工网作岸坡防护，利用土袋、土枕及土工管筑堤坝护坡等，其他利用可举一反三。

二、防护制品

防护用的土工织物应符合反滤准则和具有一定的强度。由于要受到往复双向水流作用，对织物应有更高的反滤要求，故应符合式(2-1)，同时强度也应符合第一节“五”中的规定。为满足防护的各种特殊需要，应先将土工合成材料预制成符合一定需要的制品。举例说明如下。1.土袋、土枕 土袋、土枕是以织造型(有纺)土工织物缝制成的管袋形制品。土袋尺寸较小，类似于一般草袋，充填土料后成为块状土体，可用于堵塞洞坑，建筑堤坝，或作为压载。土枕是尺寸较大的长土袋，直径可达0.4～ 1m，长度可达数米或更长，一般沿长度每隔0.5m要绕一道横箍，它们既能作筑堤坝的填充体，又可作为压重。2.软体排

软体排是用织造型土工织物缝制成的大片排布，分单片和双片两种，单片排四周边和中间缝上纵横绳网，既加强排体，又可作为定位索之用，排上加压重块，保证其稳定；双片排由双层土工织物缝制成，其中还缝有管袋，供充填土料，形成自身压重，它也需缝上纵横绳网。软体排应用时，排体铺在需要防护的部位，再加上足够压重，即可防止土体被冲刷。3.土工模袋

前面已对土工模袋作了简单介绍，是由两层编织型土工织物缝成的四周封闭的袋体，放于被保护岸坡上，并往其中浇注混凝土或砂浆，凝固成硬块体护坡。模袋由工厂预制，有不同厚度、不同规格。此外，还有在现场缝制成的简易模袋。4.泡沫塑料板块

泡沫塑料板块是由聚苯乙烯块锯成的薄板，其导热系数为土的1/3～1/4，具有保温性，放于混凝土板护面或土面上，可达到防止土体冻害的目的。

三、设计原则

(一)软体排护坡与护底 1.排体布置

软体排布置于可能受冲刷破坏的部位，它的铺设范围及高程等应遵从《堤防工程设计规范》GB50286—98的规定。

排体顺水流方向的尺寸为排宽，垂直水流方向的尺寸为排长。枯水位以上为水上部分，以下为水下部分。排体水上部分长度为坡面长和挂排所需长度之和；水下部分长度由与水上部分衔接段长度、水下坡面长度(其中应包括排体褶皱和收缩长度)以及因坡底可能发生冲刷需要预留的长度三部分组成。水上部分与水下部分长度之和为要求的排长。排宽应为待保护区的宽度、相邻排块搭接所需宽度和考虑排体收缩需预留的宽度之和。相邻两块排的搭接宽度一般为0.5m，上游排块盖在下游排块上。2.排体稳定性

排体应始终处于稳定状态，故应进行排体的抗飘浮、抗沿坡面下滑和要求压载的验算，要求的压载可参考规范，或参考图2-14。当水流流速不大于3m/s时，压载可为1kPa。为确保排体稳定，要求排体在坡顶和坡底给予锚固，底部为防止冲刷，锚固可采取沟埋方式。坡底防冲非常重要，应根据具体条件做成有效的防冲结构，图2-15是几种参考形式。(二)土工模袋护坡

1.选型

模袋有多种形式，应根据现场地形、工程类型和重要性以及水流条件等综合因素选型。按工程类别选择时，可参考表2-1。

2.模袋稳定性

一般情况下，模袋稳定性按其在斜坡上的抗滑安全系数Fs来评价(图2-16)

为了改善模袋稳定性，可以补充采取一些抗滑措施，参考图2-17。

另外，模袋底部的渗水应及时排除，如果模袋排渗能力不足，可以在模袋浇注后1小时，在袋内插排水管，如图2-18。

(三)三维植被网植草护坡 1.护坡机理

植被网是一种类似于丝瓜瓤状的植草土工网垫，以加入炭黑的尼龙丝加工制成。丝与丝的交叉点熔合粘接，相互缠绕，质地蓬松，孔隙率在90％以上，在其孔隙中可填加土料和草种。植草穿过网垫生长后，其根系深入土中，植物、网垫、根系与土合为一体，形成牢固密贴于坡面的表皮，可有效地防止坡土被暴雨径流或水流冲刷破坏。以往植被网垫应用于无水或背水坡，目前国外已用于河道迎水坡防护，在有水流条件下，植被起良好的消能作用，促进落淤。有报导说，在水流较深情况下，它甚至能抗御高达6m/s的短期流速，对历时两天的水流，也能经受4m/s的流速，这种植被可使流速显著降低。2.设计要点

植被护坡设计主要包括判别采用植被的必要性；确定铺设范围；草种选择。

(1)植被必要性。坡上受冲刷破坏的程度与土类密切相关。另外对于水上坡，要不要防护，决定于降雨强度；对于水下坡，则要看水流流速的大小。植被必要性判别，对于水上坡和水下坡可分别参考图2-19和图2-20。

(2)铺设范围。植被应遍及要求防护的部位，在高程上，水上坡应铺到坡顶，再横向延伸不少于0.5m；水下坡下端应至低水位以下1m(斜坡长)，上端应达高水位以上0.5m(斜长)。(3)草种选择。各地气温、降水和土质条件等差别很大，应根据当地大体情况，遵循几项基本原则来选择草种：适应当地环境，如耐寒、耐旱、耐涝等；适应土质条件，如耐盐、耐碱，耐酸等；生长期快，根系发育且长；价格经济等。(四)土袋、土枕筑堤坝 1.堤坝形式

土袋、土枕筑堤坝可以采取不同的形式，归纳起来可分为两类：①全断面式，即整个堤坝体均由充填土料的袋或枕堆成，其底部铺设透水织造土工织物垫层，坡面设置防护层。②土心填筑式，即堤坝中心部分为填土，两侧外坡用袋、枕堆筑，或填土后外部用土工织物整体包裹，如图2-21(a)，或填土即是逐层包裹而成，它们的底部及背部为土枕，如图2-21(b)。2.设计要点

(1)制作枕、袋采用织造土工织物，它们应符合反滤准则，且能承受施工应力，其单位面积质量应不低于130g/m2，抗拉强度应不小于18kN/m。

(2)为了保证袋、枕的稳定性，它们的尺寸应符合以下条件：

上式中的L、B、H、分别为填土后袋枕的长度、宽度和高度。土料充盈系数应不小于80％，但也不宜过大，填土应压实到规定密度。

(3)堤坝稳定性可按传统的圆弧滑动法验算。

(4)堤坝外坡都必须作好保护层，例如块石或模袋混凝土护面等。第六节 加筋功能

一、加筋作用

土体一般具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低。设想有一块自由土体，即其侧面上全无约束，在其顶面上施加压力，则在不大的压力下，土体即将被压坏。如果同样的一块土被放进一个刚性盒中，即其侧面受到完全约束，不可能有横向扩张，则在其顶面上加压，压力虽然达到很大值，土块也不会被压坏。这个现象阐明了一个简单的道理：土体受压时，其破坏与否与土的侧向变形大小有关，允许的侧向变形愈小，它能承受的压力将愈高，所以，要提高土的承受能力，可以从设法减小其侧向扩张着手。

加筋土正是利用了这一原理。在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土与加筋材密切结合成一复合土体(加筋土)，当在复合土体的表面施加荷载，由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(有时尚有咬合力)，限制了土的侧向变形，相当于在土体侧面上施加了约束力。从上面的道理可知，这种复合土体的承压能力理所当然地得到提高。

以往人们只是从概念上懂得这个道理，一直到了本世纪的60年代，法国工程师维德尔才从理论上建立了一套加筋土的设计方法，最初采用的加筋材料是金属条带，到70年代后期，金属材料才逐渐被土工合成材料所取代。

二、加筋材料和加筋土应用(一)加筋材料

加筋土中的加筋材料通常采用织造土工织物、土工带和土工格栅等，只有当对强度和变形要求不高时，才采用非织造土工织物。从以上的加筋原理得知，加筋在于最大限度地限制受压土体的侧向变形，而限制要靠土体中的筋材与周围土的相互作用，为此，要求筋材与土之间应结合好，亦即两者之间应有较高的界面强度(摩擦力与咬合力大)。此外，加筋材料的蠕变性应较低。蠕变性指材料受不变的拉力下，长度不断伸长的现象。蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降。因此，在目前的加筋材料中，土工格栅的蠕变性较低，是较为理想的加筋材料。(二)加筋土应用

加筋土主要用于三个方面，形成三种类型的加筋土结构。1.软土地基加固

软土地基上建堤坝的困难在于土的抗剪强度低，承载力不足，压缩性过高。传统的方法是将填筑速度放得极慢，以待在增加的荷载下软土固结，强度增加；或采取分期填筑方法；或在堤坝两侧，将填土延伸一定距离，形成戗台或反压马道，以平衡部分促进滑动的滑动力矩等等。这样，工期会拖得很长，费用高，有时填筑高度仍受到一定限制。而若在填筑之前，先在场地上预铺一层织造土工织物或土工格栅，对地基进行加固，可以较好解决这一难题。2.堤坝边坡加筋

堤坝如果将边坡做陡，不仅能减少填土方量，还可节约用地，是一举两得的好事。如果地基的承载力较高，堤坝不致因坡度过陡而破坏，这时采用土工织物加筋陡坡即可达到此目的。3.加筋土挡墙

它可以代替混凝土重力式挡墙。其最大优点是对地基的要求比重力式挡墙要低，抗震性较好。这三种加筋土结构各有其不同的设计方法，下面分别作介绍。

三、加筋土设计要求(一)软土地基加固 1.筋材及其布置

地基加固用的筋材可为织造土工织物或土工格栅，使用时将它水平铺放在软基面上，两端包折，如果土很软，可以先铺层薄砂，再铺加筋材，如图2-22(a)。如果一层筋材强度仍不足，可在第一层筋材上填约0.5～1.0m厚度土层(最好是透水料)，再铺第二层筋材，两层筋材在端部连接起来。2.稳定性验算

根据软土层分布情况不同，稳定性验算分为两种：深层滑动和平面滑动。

(1)深层滑动。当软土层较厚，土坡失稳可能是沿某一圆弧面滑动的，如图2-22(b)。深层抗滑稳定一般采用传统的圆弧条分法校核，在没有加筋前，可以通过试算求得堤坝土坡的最小安全系数Fs1如下：

注意：在采用一层以上加筋材料时，每二层间应铺一定厚度的土料（最好是透水砂料）。(2)平面滑动。当软土层较薄，其下为硬层，则上述滑动圆弧不易切入下卧硬层，因而可能产生浅层的平面滑动。浅层滑动可能有三种形式，如图2-23。①土坡的一部分沿加筋材的顶面滑动，如图2-23（a）；②土坡的一部分连同部分软土沿下卧硬层的顶面滑动，如图2-23（b）；③加筋材底面与下卧顶面间的部分软土被挤出，如图2-23（c）。三种形式中给出最小安全系数的一种是最可能发生滑动的情况。

平面滑动验算采用一般的极限平衡法求取安全系数，这种方法已为广大土工工作者所熟悉，不再赘述。

注意：计算中应保证加筋材料不被拉断，才能发挥加筋作用。并且根据经验，要求加筋材顶面的摩阻力的大小不能超过加筋材料在下列应变时的抗拉力 对压实粘土，ε=5.0%～10%； 对无粘性土和少粘性土，ε≤2%。

（二）堤坝加筋 1.筋材及其布置

加筋材可采用与软土地基方式示意图如图2-24。筋材水平向铺设，其长度和沿堤坝高度要求的垂直间距应根据试算来确定。

2.稳定性验算

稳定性验算的目的有二：①确定加筋要求的范围，即水平向不同高程上加筋需要的长度；②求得为使加筋后土坡的稳定性达到规定的安全系数Fsr，需要加筋材提供的加筋力Ts。(1)加筋范围的确定。针对要求加筋的土坡，用传统的稳定分析圆弧滑动法，对不同滑动圆心和半径的圆弧逐一求其安全系数，可以得到许多个Fsu，将这些圆弧画在同一张纸上，勾划出Fsu≈Fsr的那些圆的外包线，如图2-25中所示的实线，该线包围的区域即是需要加筋的范围。

(2)需要的加筋力。为将土坡的安全系数从Fsu提高到Fsr，可以将滑动土坡视为一个整体，先求出所需的总加筋力Ts，假设它作用位置在坡高的1/3处，如图2-26。为此，针对上述的许多试算滑动圆的每一个，按下式算出对应的Ts：

(3)加筋力的分配。求得的Tsmax需要分配到沿坡高的各个高程上去。建议对低于6m的土坡可以均匀分配，两层间的垂直间距一般不宜大于0.6m。当坡高大于6m，则建议按以下比例分配。

按二区分：底区Ts=（3/4）Tsmax；顶区Ts=（1/4）Tsmax 按三区分：底、中、顶各为（1/2）Tsmax、（1/3）Tsmax和（1/6）Tsmax(4)强度验算和抗拔验算。按以上方法分配后的筋材还应该满足两方面的要求：①每层加筋材不得因受拉力过大而断裂，并有一定的安全系数，所以加筋材拉力不应超过其许可抗拉强度；②每层筋材不得因所受拉力过大而被拔出，因此，超出滑弧的筋材要有足够长度，以提供充分的握裹力，且具有所需的安全系数。(三)加筋土档墙构造

加筋土挡墙有四个基本组成部分，即：加筋材料、填土、墙面板和墙面板基础，如图2-27加筋材是织造土工织物、加筋带或土工格栅；墙面板大多为预制混凝土整体板或板块，一般不作受力杆件处理，仅供表面防护和装饰之用；填土最好是透水材料，若必须采用不透水材料填充时，应做好排水通道，以及时将进入填土内的水排走；墙面板基础一般为预制混凝土构件。

1.挡墙的初设断面

挡墙的设计方法，一般是先假设一个计算断面，再进行外部整体性稳定验算，然后再进行内部筋材的稳定性校核。初设断面即是要假设水平铺设的加筋材长度，各层垂直间距一般可初取0.4～0.5m。? 根据经验，初设加筋材长度可为墙高的0.7倍，如果墙后填土为斜坡或填土面还有超荷载作用，可设为墙高的0.8倍。2.外部稳定性验算

将加筋材范围内的土体连同墙面板视为一个刚性的整体，与重力式挡墙类似，进行以下各项验算：整个墙体沿其底面的抗平面滑动稳定性；抗深层圆弧滑动稳定性；抗绕墙趾转动的倾覆稳定性和墙基的承载力验算。以上各项安全系数都应该达到规定的数值。3.内部稳定性验算

(1)加筋材的拉力。加筋土挡墙分为两种基本类型：①柔性筋式挡墙。加筋材的强度低，延伸率高，即材料的抗拉模量低，如织造土工织物即属此类。②刚性筋式挡墙。加筋材的强度高，延伸率低，即材料的抗拉模量高，加筋带或土工格栅属此类。两类墙的设计方法基本一致，不同之处在于材料模量不同，其变形有异，造成土中应力分布有一定差异，即用于确定土中加筋材拉力的土压力分布图形不一样。对于柔性筋式挡墙，每根筋条分配的拉力对应于朗肯土压力分布图中相应的土压力部分，如图2-28中第i条筋材中的拉力应等于图2-28(b)中阴影部分的土压力，假设等于Ti，图中的γ和Ka分别为填土容重和主动土压力系数。若是刚性筋式挡墙，其土压力分布图略有不同，而确定加筋材拉力的方法却完全一致。

(2)加筋材的强度验算。为了墙的稳定，每一层加筋材的拉力都必须满足以下条件：

(3)加筋材的抗拔验算。每一层加筋材的拉力还要求不超过其端部段(超出滑动面以外的加筋材长度)埋在土内发挥的握裹力。握裹力系由该端部段上下面与土产生的摩阻力所提供。所以这一验算实际上是校核端部段埋藏的加筋材长度Lc是否足够，因为摩阻力的大小是与埋长有关的。4.加筋材长度

加筋材全长度由两个部分组成：填土破坏面以内长度La和以外的埋藏长度Le。如果加筋材是织造土工织物，一般在其靠面板的一端要将织物折回，包裹土体如图2-27(b)，包裹长度为Lω，所以加筋材全长应为：

第三章 堤防系统的防渗、排渗和加固

在前两章中已对土工合成材料的性质、功能、作用机理、使用原理和设计原则等作了全面的介绍，本章将对堤防系统中土工合成材料的设计和施工方面的一些问题作进一步叙述和讨论。这里所谓的“堤防系统”是指土堤和堤线上的涵闸(如破堤建闸等)及其相连的过水渠道，内容包括江河堤防的防渗和排渗、水闸的排渗和闸基的加固以及海堤的地基加固等。为了使读者易于理解有关原理，本章将列举一些应用实例。这些实例都是一些成功的工程实录，其中一些是早期应用的报导。按目前我国的应用水平来看，所报导的内容还有可以改进和提高的地方，因此当学习这些经验时，应结合工程实际情况和现有发展水平因地制宜地使用。

此外，应当说明，土工合成材料在上述的某些方面目前应用尚不普遍，如堤的防渗等，为此本章将引用一些类似的在低土坝中的应用实例作为参考，以期促进土工合成材料在堤防中应用。

第一节 防渗、排渗和加固在堤防中的应用

一般来说，在堤防的主体和附属工程中，土工合成材料都有着能发挥第二章所提及的各种主要功能的场合。鉴于堤防的渗透控制原则仍是“上堵下排”，因此本节着重于土工合成材料的防渗、反滤和排水三个方面功能的应用，同时也叙及加筋加固功能。

一、堤防防渗(一)国内外应用情况

土工膜作为一种良好的防渗材料，目前在坝工中，特别是土石坝中已被广泛地采用，在混凝土坝或碾压式混凝土坝的修补中，作为防渗护面也逐渐增多，其使用量约为土工织物使用量的11％左右。然而在我国的堤防建设中，它的应用则刚刚才开始，如作为垂直防渗墙的墙体材料等，但可以预计，它在今后新建的堤防和已有堤防的加固中将会广泛地被使用。为了说明堤防防渗问题，借鉴一些坝工中的应用实例，或许是有益的。表3-1(见参考文献[3])和表3-2中分别给出了国内外坝工中采用土工膜防渗的工程情况。从中可以看出一些特点：①土工膜在坝工中的应用，从地域上看已很广泛，国内外已经普遍接受了这种新型的防渗材料和技术。许多工程实录都表明它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用价值。②国内在坝工中使用土工膜防渗虽然较晚(1978年开始，比国外晚19年)，但从土工膜承受20m以上水头的实例所占的百分数来看，已与国外相当，且国内也有土工膜承受超过50m水头的实例。这些都说明国内在坝工中使用土工膜的技术水平已逐渐接近国际先进水平。③关于土工膜的厚度目前有两种观点：一种主张用厚膜(膜厚＞1.0mm)，以欧洲国家为多；另一种观点是使用薄膜(膜厚＜1.0mm)，以美洲国家和我国的实例较多，这些坝的使用情况至今仍然良好，因而值得很好地总结经验。根据上述情况以及目前SL/T225—98和GB50290—98《土工合成材料应用技术规范》中所列入的土工膜在坝工中的防渗使用规定，都表明土工膜防渗技术在我国坝工中的应用已经渐趋成熟。这将为这项新技术和新材料在堤防中的推广应用提供良好的范例。

(二)设计和施工中的几个问题 l.土工膜在堤防中铺设的范围和部位

土工膜在土堤中铺设的范围可从堤基开始，直到堤顶。土堤迎水面若设置铺盖，则铺盖长度应按渗流计算确定，或大于等于5倍水头。土工膜材料目前的挡水水头已达30～40m，因此可以完全满足一般江河堤防的要求。

PVC为聚氯乙烯，LDPE为低密度聚乙烯，HDPE为高密度聚乙烯，CSPE为氯磺化聚乙烯，RI为异丁橡胶，PUR为聚氨脂。

土工膜的铺设部位，对新建的土堤，可以铺在堤的中间（即心墙）或迎水面（即斜墙），两种形式各有特点。心墙布置方式比较省料，但施工时要求堤身填筑与土工膜心墙同时上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设（图3-1），以适应堤身的沉陷，因此施工比较复杂。斜墙式布置的优点是堤身填筑完成后才铺膜，施工干扰小，铺膜质量较易保证。因此，国内外新建的堤防工程中大都采用斜墙形式的结构。但对于已建堤防的修补和加固工程，由于迎水面有水，为避免水下施工，故采用堤内开槽铺膜方法施工，筑成心墙。当然，若迎水面无水，则用斜墙形式更为方便。

图3-1 2.土工膜防渗结构形式

在土工膜与堤身或堤基接触处应加一定的垫层(过渡层)或反滤层，尤其对于膜与粗粒料直接接触的情况，应防止粗粒的尖角刺破土工膜，影响其防渗性能。若防渗膜选用复合土工膜材料(膜的侧面为非织造织物)，则反滤层可以简化。对于已有的堤防加固的情况，由于铺反滤层较困难，可以直接选用复有较厚的非织造土工织物的复合土工膜作为反滤层，以便利施工。但应强调指出，不管什么情况下，反滤层是必不可少的。还应指出，心墙式与斜墙式的选用还与堤基地层结构及其渗透性有关。关于堤基的地层结构，一般可分为单层结构、双层结构和多层结构三种。单层结构是指从地表往下至基岩基本上是同一类土，粘性土的单层结构均质地层不会发生渗透变形，而均质的砂性土单层结构在靠近背水坡的地面易发生渗透变形，远离堤段的地方则是安全的，这种地层在大江大河上比较少见。双层结构(常称二元结构)是指地层大致由两种土层组成，上层透水性较弱，其下为较厚的透水性较强的土层，当地层受深泓切割直接与江水连通时，往往是最容易出现渗透失稳状态的。这种“二元结构”在长江、黄河等大江大河上比较常见，是一种在我国颇具代表性的堤基地层结构。多层结构往往是弱、较强、弱、较强、强透水层的组合，即在深度上有弱透水层与透水地层相间，而深部则往往是砂卵石等强透水层，这种地层也比较常见。对于不同的地层形式，在堤防防渗措施上有明显的不同特点。①对于堤基透水性土层厚度不大(10m左右)的情况，采用心墙防渗是有效和可靠的，因为土工膜心墙可以从堤身穿过透水地层直接与不透水土层相连，形成封闭式的防渗结构，保证背水坡不发生渗透破坏。②对于透水性土层比较深厚的地基，心墙达不到不透水土层，故只能形成“悬挂式”的防渗结构。然而研究和经验已经表明，这种“悬挂式”防渗体系的防渗效果不佳，因此不宜采用。例如长江科学院对湖北荆江大堤的垂直防渗深度分析表明，对于“二元结构”，上层透水性弱，下层透水性强的情况，防渗墙进入地层的深度h1小于0.8倍的地层总厚度(h2)时，堤后最大出逸比降J垂仅降低0.02～0.3，J水平降低0.01～0.05，相当于削减渗透水头10％～20％(荆南长江干堤加固工程可行性研究阶段渗流控制措施专题研究报告。长江委长江科学院，1998：12.)，如图3-2。这时就应采用土工膜斜墙加铺盖或者其他专门研究的防渗结构了。③近年，在堤防建设中还遇到渗透性各异的另一种多层地基结构的情况，其特点是在深厚的透水层中存在一层相对不透水的土层，埋深也不大，这时仍可以用心墙的形式，使其达到相对不透水土层，以形成“半封闭”的防渗结构(图3-3)。在采用心墙式的防渗结构时，还有一个实际问题，就是要注意水环境的变化，以及非汛期地下水位的升高。

3.土工膜的选择

土工膜的选择涉及两个问题，一是选择何种原材料的土工膜，二是选用何种形式的土工膜（单膜或复合膜）。

(1)国内外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两种。工程选料时，主要根据以下几个方面来选定合适的土工膜：①力学特性，上述两种材料制成的土工膜的拉伸强度相差不大。由于土工膜只用于防渗而不作为加筋材料使用，故其拉伸强度不是选材的重要指标。但从另一方面来说，PVC膜因添加有塑化剂，使得其伸长率比PE膜的大一些，柔性较好，与砂粒接触时可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，从而增加二者之间的摩擦系数。因此，PVC膜与砂之间的摩擦系数明显大于PE膜与砂之间的摩擦系数，摩擦角平均至少大50～60。这是一个关键性的指标，会影响到膜与土体接触面以及膜与其上保护层之间的滑动稳定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三种：一是采用复合膜，因复合膜外层的土工织物与土料的摩擦系数较大，接近于PVC膜与土料的摩擦系数。二是对PE膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑表面上压纹或喷涂加糙材料。三是改变水工建筑物的结构，如调整坝坡，加防滑槽或防滑槛等。另外，当PE膜的厚度从0.12mm增加到0.24mm时，其与粗砂的摩擦系数可以增加30％。②可连接性。土工膜无论出厂时幅有多宽，在实际使用时仍需将其幅与幅之间连接起来，以成为一个整体的防渗膜体。一般PE膜只能用加热熔合的方式连接，而PVC膜除此之外，还可以采用特殊的粘合剂进行粘接。薄型土工膜由于不能用热焊方法连接而必须用粘接法连接，因此只能选用PVC膜。③经济性。目前两种材料的价格大体相当，一般均在10000元/t左右，而PE的比重小于PVC的比重，所以同样厚度的情况下每单位面积的价格PE膜要少一些。另外PVC膜出厂时的幅宽一般为1.5～ 2.0m，PE膜幅宽可达4～4.5M，相应地PE膜的接缝数量就比PVC膜的要少，因而搭接的用量就少一些，现场接缝的工作量也少一些。综合这三个方面的优缺点，再结合工程实际情况，可以对膜材作出合理的选择。(2)选用单膜还是复合膜主要是从复合膜的作用和经济性两个方面综合考虑来选定。复合膜的一个作用已如上述，可以增加与土料之间的摩擦系数，第二个作用是保护士工膜不受运输和施工过程中外力的损害。复合膜的力学性能比单一膜有很大提高，其破坏应变虽不如单膜的大，但仍远大于土体的破坏应变，因而有较强的适应各种情况的能力，例如重物冲击，临时性的局部荷载等等。据长江科学院为三峡工程所做的研究表明，复合土工膜的强度和防渗性能要优于单一膜和土工织物两者简单叠加的性能，其优良的程度与膜和织物之间复合的紧密程度密切相关，因此复合膜的设计不能简单地参照膜和织物各别的性能指标直接套用。第三个作用是复合土工膜具有反滤排水功能。由于土工膜不可避免地总会有一些缺陷，如生产过程造成的不均匀性，或施工中机械刺破形成的漏洞等等，此时膜一侧的土工织物能够起到反滤排水作用，从而维护了保护层的稳定。如复合土工膜是铺在透水性不强的坝体表层，则膜下的土工织物可以迅速消除库水位骤降时在膜后形成的水位差，避免土工膜被水压力顶起的危险。要达到这种排水作用的必要条件是土工织物要与坝后的排水通道相连接。

我国的堤坝建设在1993年以前大多采用单膜或多层单膜，这和当时复合膜尚处在研制阶段，未大规模生产有关。1994年后大多数工程都采用了复合土工膜。但从已往采用单膜的土石坝防渗效果，以及SL/T225—98规范中对土工膜类型的规定上看，单膜对低水头的小型水库防渗效果良好，仍然是一种具有竞争力的膜材。当然，在有条件的情况下复合膜有着更为优越的工程特性，但工程造价也会相应地有所增加。

4.土工膜的防渗性、厚度和缺陷的渗流分析

(1)从表面上看土工膜是一片密不透水的材料，但实际上在压力作用下膜的孔隙大小可以变化，仍能够透水，只不过其渗透系数很小而已。一般来说渗透系数取为1×10-12cm/s是稳妥的。这个数值较之粘土要小得多，这就是为什么土工膜用作防渗材料的原因。实际工程中更关心的是土工膜与土层接触时能承受多大的水头。当土工膜与粗粒土相接触时，由于土粒之间的孔隙较大，土工膜在上覆水压力作用下被迫向土孔隙中陷进，因而产生拉伸应变、承受拉应力。如拉应力过大，土工膜被拉裂，则会产生漏水点，影响其防渗性能。

(2)土工膜能承受多大的水头取决于土工膜的力学性能(极限拉伸强度，拉伸模量)、厚度和垫层土(如土粒大小和级配)的情况。确定土工膜的防渗性有两类办法，一类是直接法，即将拟用的土工膜在试验仪器中铺在实际使用的垫层土料上，然后施加水压力，直到土工膜破裂或施加的水压力超过工程最大水压力一个安全倍数而不破裂为止。这类方法最为可靠，但工作量大，一般重要的工程才采用。对低水头的堤防工程似无必要。另一类是间接法。这类方法有两种途径，一是通过公式计算；二是按规范规定的数值取用，对于堤防工程适用此法。现行规范要求土工膜的厚度不小于0.5mm，但目前国内土工膜产品的厚度一般均小于0.5mm。因此在选料时，经过论证，对于较小的工程也可选用厚度为0.3mm左右的土工膜，但要特别注意施工质量。例如以表3-2中湖北毛儿冲土坝用土工单膜修复补漏工程为例，所用的PVC膜的厚度只有0.22mm，接缝为粘接缝，水头达20m，从1993年到现在，经历了多年的汛期高水位的考验，防渗效果一直是良好的。可见土工膜防渗的成败关键之一是施工质量。

(3)土工膜的缺陷也是工程中可能发生和比较关心的一个方面，不论是由于生产制造，还是焊接或施工造成的漏水点，都会影响到土工膜的防渗效果。据国外对某工程28处共20万m2土工膜的质量检测结果来看，平均每1万m2中有26个漏水孔，其中15％是自身的孔眼，69％出现在焊缝处，由此可见焊接质量的重要性。而当严格控制施工质量时因焊接而产生的漏水孔的发生率可以降到平均l万m2中仅有2.5个。

从渗流角度来讲，如果膜中的孔其上下完全不受阻碍地敞开漏水，其漏水量是不小的，但实际上水的流动受到膜上保护层渗透性、膜两侧土工织物(对复合膜而言)以及其下垫层或堤的土料渗透性的限制，要精确地估计其渗漏量是不容易的。但问题是要防止因漏水引起土体的渗透变形，图3-4中给出土工膜中一小孔产生渗漏时的情况。图3-4(a)为流线分布图，超出浸润线则无渗流。图3-4(b)给出在b/Hs＝0.02和hW/Hs＝1的条件下平面状态的渗流等势线图，hω为1。从3-4(a)图中可以看到水通过小孔后开始以圆形(空间问题则以球形)的形状扩散，渗透面积迅速扩大，因而水头降低较快，但到一定距离后渗透面积稳定，水头下降减慢并维持一定的水力坡降，到最后仍保持一定的水头。如果多个漏水点的最后逸出水头叠加起来，则坝体下游的渗透水头是不可忽视的，必须采取反滤层措施。应当强调指出，土工膜后的反滤层是十分重要的，不管土工膜有无破损，反滤层都应十分认真地做好。

当进行土工膜的定量渗流分析时，可以把渗透系数很小(Km＝l×10-2cm/s)，厚度很薄(1mm)的土工膜，换算为1m厚的渗透系数Ks为l×10-9cm/s的粘土层进行计算；同时考虑到土工膜中不可避免的缺陷，再将其渗透系数加大100倍，亦即按Ks＝10-7cm/s的lm厚的不透水材料进行渗流量和水头分布的数值计算，可以得到近似值。

5.斜墙式土工膜的稳定性

斜墙式土工膜的失稳情况除第二章中列举的两种以外，还可能有以下两种，即土工膜上的表面保护层被水压力顶起失稳和土工膜受其下水压力的作用而被拉断或被顶起失稳。

(1)第一种失稳情况主要和保护层的渗透性有关。当保护层是透水的，且其坡角与土工膜铺设垫层的坡角相同时，一般都利用通常的斜坡稳定分析法(见第二章)。但若保护层透水性不良(如现浇混凝土板等)，库水位下降时，容易在保护层上下形成水位差．到一定程度后，就可能造成面板的抬动而失稳。此时的关键问题在于如何使保护层下的透水垫层与底部排水通道连通，以迅速消散保护层下的滞留水。如王甫洲工程(图3-5)，其现浇混凝土面板下的透水垫层下部有排水通道，当库水位变化时，透水层中的水位也随之变化，水位差有限，故不会影响到膜上保护层的稳定性。据估算，1m水头就足以把250mm的混凝土板推动上抬，造成失稳。解决问题的关键是采取措施令透水层的水位基本上与库水位同步下降。