第一篇：土工合成材料的主要性能及在工程中的應用

土工合成材料的主要性能及在工程中的應用

一、國內外土工合成材料的應用概況

土工合成材料的開發和使用已有幾十年的歷史。1926年，美國最早用棉織物加固公路路面；20世紀30年代末或40年代初，聚氯乙烯薄膜應用于土工的防滲；50年代末期，Ｒ.Ｊ.Ｂarrtt在美國佛羅里達州利用聚氯乙烯織物作為海岸塊石護坡的墊層；1956～1957年著名的荷蘭三角洲工程用機織土工織物加固防海潮大壩；20世紀60年代，合成纖維土工織物在美國、歐洲和日本逐漸推廣，但是其生產技術主要是機織型的，主要用于護岸防沖等工程，機織土工織物的強度高，但價格也較高，反濾、排水功能差，限制了它的發展。非織造布的應用給土工積物帶來了新的生命，它的特點是把纖維做成多方向的或任意排列使得其性能上各向同性，非織造型土工積物在20世紀60年代末期開始應用于歐洲，70年代從歐洲傳到了世界各地。到70年代土工合成材料的應用及其產品的發展達到一個鼎盛時期。高性能的原料賦予產品高的強力與耐用性，先進的生產工藝賦予產品良好的功能，使其應用范圍不斷擴大，特別是近30年來，由于非織造針刺法、紡粘法工藝的推廣，產品成本低，而且具有良好的化學物理性能和水工性能，使非織造土工織物的應用飛速地發展起來。目前世界上已有100多個國家和地區(包括發達國家和部分發展中國家和地區)在10萬多個工程中采用了土工布。據統計,全世界目前合成纖維土工布年耗量約40萬噸,其中美國最多,達10萬噸,。土工合成材料已經成為繼鋼材、水泥、木材之后的第4種新型建筑材料。目前，發達國家在產品種類、質量、應用范圍的廣度與深度等方面的發展都比發展中國家快，尤以北美發展最快，歐洲則以德國、法國、荷蘭、意大利等西歐國家發展較快，亞洲主要是日本、馬來西亞、韓國發展較快，國外產品類型、品種較多，規格齊全，以非織造型、合成型、復合型所占比例較大。在我國，土工合成材料在巖土工程等領域的應用歷史較短。最早應用的是土工膜，大約在20世紀60年代初期，用于渠道防滲；70年代中期，在長江護岸和長江堤防中首次用織造型土工織物；80年代初期，非織造型土工織物開始應用于工程中；80年代末，土工膜袋首次引入工程應用?？v觀土工合成材料40多年的發展史，可將其應用歷程大致分為三個階段：80年代中期以前的初創階段；80年代中期至90年代中期的發展階段和90年代后期開始的逐漸成熟階段。

二、土工合成材料的主要類型

土工合成材料的主要類型有： 土工織物、土工膜、土工格柵、土工網、土工復合材料和土工織物粘土墊。

土工織物是可滲透的土工合成材料，是一類最古老和用量最大的土工合成材料。土工織物主要有兩種類型：紡織的和無紡的。紡織的土工織物是在普通紡織機上使用單纖維、多纖維絲或細長薄膜或帶制成。無紡土工織物還可按照纖維連接在一起的方法細分為：以特殊設計的針將纖維纏結在一起的機械連接或針刺的無紡土工織物，在纖維交接點上以加熱；或加壓方法將纖維焊接在一起的無紡土工織物，纖維網噴涂或浸漬以丙烯酸樹脂的化學或樹脂粘結無紡土工織物。紡織的土工織物通常具有較高的強度和剛度（因此可以用在土壤加固中）以及較差的過濾、排水特性。無紡的土工織物具有低到中等的強度和高斷裂延伸率，過濾、排水性能良好。在制造土工織物中使用的主要原材料是聚丙烯，也使用聚酯。

土工膜是滲透性很低的土工合成材料，用作流體或蒸氣阻攔層。使用最廣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）制成的柔軟薄片材。浸漬瀝青或噴涂聚合混合物的土工織物或土工織物—瀝青復合材料也可用作土工膜。聚合物片材土工膜以擠出法、壓延法和刮涂法制造。所有的聚乙烯土工膜都是以擠出法生產的，并進行“壓花”加工以獲得粗糙的表面。世界各地頒布的環境法規，特別是關于有害物質處理的法規都要求廣泛地、強制性地使用土工膜。

土工格柵是格子狀材料，帶有足夠尺寸的格孔與周圍的土壤結合，起加固作用。擠出格柵的制造方法是首先在聚合物片材上沖等邊的孔（單軸向格柵用聚或雙軸向拉伸。比較柔軟的土工格柵由兩組90°相交的高韌性聚酯紗制成，在相交點以編織法或熱焊法連接，然后涂以聚合物（通常是聚乙烯、聚氯乙烯或瀝青，雙軸向格柵用聚丙烯），然后將片材進行單軸向土工網是兩組平行的大致呈圓形的聚合物股，通常以 60°相交，形成網狀外觀。雖然土工網可用作較低強度的土壤加固，但它的主要用途是在輸送液體或氣體的復合排水制品中用作芯材或隔片。土工網往往用PE 以連續擠出法制成。

土工復合材料是由土工織物、土工格柵、土工網、土工膜和其他材料進行不同組合而成。多數土工復合材料用于排水。土工合成材料粘土襯材是低滲透性的復合材料，典型的組合是干膨潤土薄層與土工織物和%或土工膜制成，用針刺、縫合或膠粘劑固定在一起。

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，綜合起來，可以概括為過濾、排水、隔離、加筋、防滲和防護六大功能。3.1 反濾

土工合成材料具有細小的孔隙通道，將其鋪在地下水滲流的土體中，水可以通過織物，而土粒被阻擋住，從而避免因土粒過量而造成的土體破壞以及由于孔隙水壓力而造成的土體失穩。廣泛應用于水利、鐵路、公路、建筑等各項工程，特別是水利工程中用作堤、壩基礎或邊坡反濾層已極為普遍。在砂石料緊缺的地區，用土工織物做反濾層，更顯示了它的優越性。在土木工程中為了防止管涌破壞，常需設置由經過設計的砂石料所組成的“反濾層”，而土工織物完全可以取代這種常規的砂石料反濾層起到防滲反濾作用。3.2 排水

土工織物主要是無紡織物，是良好的透水材料。無論是織物的法向或水平向，均具有較好的排水能力，能將土體內的水積聚到織物內部，形成一排水通道，排出土體。較厚的針刺無紡土工布和一些具有較多孔隙的復合土工布都可以起排水作用。在巖土工程中很多情況下需要采取排水措施，以降低滲透壓力，或加速土體的固結，或降低無壓滲流場的浸潤線的位置。過去所采用的常規措施是在適當的部位（如兩種透水性不同的土層的交界面，或土料與混凝土建筑物表面的交界面等）鋪放在碎石層進行排水。用土工織物則可取代這種碎石層。這種取代不僅可以收到排水效果，而且施工特別簡單（特別對傾斜或垂直方向的施工面），工程造價也可以大為節省?？捎糜谕翂蝺却怪被蛩脚潘?，土壩或土堤中的防滲土工膜后面或混凝土護面下部的排水，埋入土體中消散孔隙水壓力，軟基處理中垂直排水，擋土墻后面的排水等。3.3 防護

在實際工程中，土工合成材料可以防止液體的滲漏、氣體的揮發，保護環境或建筑物的安全?？捎糜谕潦瘔魏蛶靺^的防滲，渠道防滲，隧道和涵管周圍防滲，防止各類大型液體容器或水池的滲漏和蒸發，屋頂防滲，用于修筑施工圍堰等。3.4 加筋

所謂加筋，即將土工合成材料按照一定的方式埋入土中，使土工合成材料與土之間良好地結合，利用合成材料的較高強度性能，重新分布土體應力，增加土體變形模量，傳遞拉應力，限制土體側向位移，增加土體的抗剪強度，從而提高土體及有關建筑物的穩定性。土工合成材料較多的應用于軟弱地基處理、陡坡、擋土墻等邊坡穩定方面。加筋作用可以通過“宏觀加筋”與“微觀加筋”兩種方法獲得。宏觀加筋就是在土體中埋入土工合成材料，形成所謂“加筋土”。土工合成材料在其中可以約束土體的拉伸應變，減少土體變形，從而增加土體的模量，改善土體的受力狀況，提高土體的穩定性。各類土工織物都可埋入土體內起加筋作用，特別是土工格柵效果更好。微觀加筋就是在土體中摻合土工合成連續纖維絲，形成所謂“纖維土”（或“織物土”），以提高土體的強度和穩定性。與加筋土相比，纖維的加固是三維的，而加筋土的加固一般是一維的，只有經過特殊設計才可能成為二維或三維的加筋結構?？捎糜诩訌娷浲恋鼗?，加強邊坡穩定性，用作擋土墻會填土中的加筋或錨固擋土墻的面板，修筑包裹式擋土墻或橋臺，加固柔性路面，防止反射裂縫的發展等。3.5 隔離

將土工合成材料放在不同的材料之間或同一材料不同粒徑之間及土體表面與上部建筑結構之間，使其隔離開來。當受外部荷載作用時，雖然材料受力互相擠壓，而由于土工織物在中間隔開，不使互相混雜或流失，保持材料的整體結構和功能。隔離用的土工織物必須有較高的強度來承受外部荷載作用時而產生的應力，保證結構的整體性?？捎糜诘缆坊鶎优c路基之間或路基與地基之間的隔離層，在土石混合壩中隔離不同的筑壩材料，用作壩體與地基之間的隔離體，堆場與地基間的隔離層等。3.6 防滲

將土工織物表面涂一層樹脂或橡膠等防水材料，也可將土工織物與塑料薄膜復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沖刷，防止垃圾、廢料或廢液污染地下水或發散臭味，防止水面蒸發或空氣中灰塵污染水面，防止土體凍害等。

四、土工合成材料在巖土工程中的應用

土工合成材料是巖土工程的新型建筑材料，我國20世紀70年代末開始在工程中應用。20世紀80年代初，非織造布開始在鐵路工程和水利工程上試用，到20世紀80年代后期，土工織物的生產能力、應用范圍、測試技術、理論研究等各個方面都得到了較快的發展，并且有相當大的規模和較廣泛的分布范圍，各地均有其應用。產品和應用技術在不斷發展，國外先進技術的應用與發展給我國以極大的促進，針對我國實際情況，在生產技術、測試技術、施工技術、理論研究、設計水平等各個方面的工作，均在不斷提高和完善。4.1 在水利水電建設工程中的應用

水電建設是我國土工合成材料應用最廣泛、用量最大、應用品種最多的一個方面，主要用作軟弱地基基加固、反濾、加筋、防滲等。在全國各地的各項水電工程中土工織物均有不同程度的應用。如：中國最大的水電建設工程三峽工程圍堰防滲、福建水口水電工程大壩上下游圍堰、上海陳行水庫存圍堤筑堤及邊坡反濾、浙江秦山核電站圍堤工程、京杭大運河整治邊坡反濾、湖南省湘鄉市桐子水庫的粘土斜墻堆石壩、重慶市長江護岸工程以及黃河治理、淮河治理、長江口整治工程等一些較大的水利水電工程。電力能源系統新建電廠粉煤灰庫90%以上采用土工織物修建庫堤。有40%的老灰庫維修或擴建也均采取土工織物。如上海外高橋電廠灰庫、上海石洞口電廠灰庫、嘉興電廠灰庫、江蘇諫壁電廠真觀山貯灰場等，尤其近幾年在全國各地先后發生的幾次特大洪水的防汛搶險中發揮了突出的作用。

防汛搶險洪澇災害是我國范圍較廣、損失較大的自然災害，受洪水威脅的地區總的土地面積約73.8萬Kｍ2,占全國總土地面積的8%，土工合成材料是一種較好的防汛材料，在防汛搶險中主要利用其排水、反濾和防滲功能。如：1998年長江流域大洪水期間，利用編織袋快速搶筑子堤得成功。子堤綿延數百公里，最高達2.2ｍ，擋水1.7ｍ。利用編織布防浪也取得了很好的效果。工程實例如：1991年6月14日滁灑大水，在跣躍坪堤段有61處漏水洞，有的漏水洞口有碗口大，主要是因為白蟻鑿孔貫穿堤身所引起。查明原因后，迅速用土工布袋裝土等物料將蟻窩夯實，用土工膜在迎水坡截滲，漏洞下游出水口用無紡布等濾水材料作反濾井,險情得到控制。

石籠沉床土工合成材料可做成石籠放入水中，加固水庫邊(岸)坡或海岸，防止海水沖刷,免去水下作業的麻煩。

防止水土流失土工織物管是用高強纖維制成，是為海岸和內地水土流失提供防護發展的一項技術?，F在已經有采用直徑達3ｍ的有紡織或編織的土工織物管，在長度上沒有限制，只是充填和處理上的困難需要考慮。充填方法是通過泵將水砂混合體壓入土工織物管，由于內壁阻力，一般每10ｍ設置一個進口。進口常常采用一個小直徑的土工織物管，在大土工織物管的上游側將其錨固。一般情況下，需要用土覆蓋,以防紫外線照射或人為破壞。

堤岸的加筋土擋墻在碼頭河岸、江岸及海岸均采用直立或坡度擋墻。

壩體增強，在水庫壩體這種永久性負載面積上鋪設兩層土工合成材料，可防止壩底發生細微沉陷。

渠道襯砌美國墾務局從20世紀50年代開始試驗用土工膜進行渠道防滲襯砌，取得了較大的進展，幾乎在所有的渠道上都采用土工膜襯砌。許多國家也采用該方法。

水產養殖區域襯砌土工膜作為池塘底或邊的襯砌,以便養殖貝類及其它水產品?，F在的進展是用于這種目的的土工膜有一堅固的保護面,以防止使用和維修過程中的損壞。因而，土工膜應選擇較厚的(比如，厚于2.5ｍｍ)編織的土工膜。未來的發展是開發土工膜新品種,使其能達到營養、防污染和防氧化的目的。4.2 在鐵路建設中的應用

土工合成材料主要用于鐵路路基加固處理、路基隔離、排水、防治翻漿冒泥、防治嚴寒地區凍融災害等方面，并可在不停止列車運行的情況下進行處理，因此不論是老干線維修，還是新干線建造，都可應用土工合成材料，并取得良好效果。研究如何有效地防治路基災害的產生和發展中，鐵路科技工作者較早地注意到了土工合成新材料，繼20世紀70年代初大量試用土工聚合材料不透水薄膜作防水覆蓋層之后，20世紀70年代中以來，很多國家如法國、美國、澳大利亞、日本、蘇聯、匈牙利等在鐵路上進行了多種應用的試驗研究和工程實踐。國內的應用如京九鐵路路基處理、大連至秦皇島鐵路路基加筋、上海至杭州外環線路基加固以及京廣鐵路翻漿冒泥整治等。

鐵道路基加固，土工格柵用于鐵路路基增強，合成材料和路面材料融合在一起，可有效的分配載荷，防止道渣流失和路基變形，提高路基的穩定性，承受更大的變形載荷。

鐵道道渣保護，由于火車震動及風吹雨淋，造成道渣流失，用土工合成材料包裹，防止道渣流失，提高路基的穩定性。

鐵路擋墻，土工合成材料用于鐵道邊上的擋墻增強，如用于火車站內月臺和貨臺，可延長使用壽命，減少維修費用。鐵道邊坡防護土工合成材料用于鐵道兩旁的邊坡防護，可防止石塊和土體滑落，提高鐵路的使用壽命，減少維修費用。4.3 在公路建設工程中的應用

公路建設主要是應用針刺無紡布解決路基沉陷、軟基加固、防治翻漿冒泥、防止路基凍融等。另外利用薄型無紡布防止瀝青路面產生反射裂縫，其效果也很顯著。近20年來國內外公路交通的高速發展，高等級公路網擴展，為土工合成材料在公路工程中的應用開拓了廣闊的前景。據國外的統計資料，土工合成材料在公路工程中的應用占全部用量的1/3以上。

加筋土擋墻，在公路旁邊和垂直擋墻中加鋪土工合成材料，可提高擋墻的承載能力。

路面、路基增強，土工合成材料可用于公路路面、路基的增強，尤其是在軟地基的公路，解決路面裂縫、車轍壓痕，在填充物之間加鋪土工合成材料，可大大提高路面、路基的承載力和使用壽命。

邊坡防護，用土工合成材料鋪在公路邊坡上，可防風吹雨淋，坡上的石塊和泥土滑落。

橋臺加固，公路橋臺地基一般很容易向下沉陷，使橋梁出現裂紋，在橋臺地基下鋪設土工合成材料，可提高承載力。4.4 在港灣與海岸工程建設中的應用

土工合成材料主要是用作反濾材料、軟土地基加固、海岸防護以及防波堤工程。另外港區集裝箱堆場及港區內道路的地基加固、場內的排水盲溝等也都采用土工合成材料。如：天津新港在突堤軟基處理及碼頭濾層、青島前港灣區防波堤工程、上海蘆潮港及金同石化防波堤工程。4.5 環境工程中的應用

土工合成材料是環境工程中比較理想的應用材料。利用土工織物處理工業廢料，建造廢料庫、垃圾場、廢水處理池等工程越來越多。另外土工織物在保護水源、環境綠化等方面也有很大的發展前景?？梢钥隙ǎ凉ず铣刹牧弦蚱鋬灹继匦裕貙⒃诃h境工程中得到更廣泛的應用。我國的環境保護工程中，土工合成材料的應用起步較晚，應用范圍較窄，目前，僅限于尾礦和粉煤灰貯存方面的應用報導。實際上，應用的潛在范圍是廣闊的，一些大中城市相繼建成的垃圾填埋場、水處理廠等工程均可運用土工合成材料。例如：四川綿陽市塔子嶺填埋場和杭州的天子嶺填埋場。

4.6 在建筑工程中的應用

土工合成材料在建筑工程方面的應用是近年來才開始發展的。土工合成材料可以制成多種功能制品，因此在建筑工程上的應用也是多方面的。迄今為止，雖然應用尚不廣泛，已發展了地基加筋墊層、深基礎排水減壓、排水固結、樁基處理、膨脹土地基等多種應用類型。除上述幾個方面外，在礦山尾礦壩、機場跑道、地鐵、隧道、市政建設、環保工程、軍事工程等各個方面都不同程度、不同數量的應用土工織物。

第二篇：土工合成材料在整治路基病害工程中的應用

土工合成材料在整治路基病害工程中的應用 2.1 土工合成材料的含義及其應用概況

土工合成材料是土木工程應用的合成材料的總稱。作為一種新型的土木工程材料，它是以人工合成的聚合物(如塑料、化纖、合成橡膠等)為原料，制成各種類型的產品，置于土體內部、表面或各種土體之間，發揮加強或保護土體的作用。

土工合成材料在土木、水利、交通、鐵道和環境工程中得到廣泛的應用，起到排水反濾、防滲、加筋、隔離、防護和減載等作用。這些作用是以不同的形式的產品來實現的，例如，土工織物用于濾層、隔離和防護；土工網和三維植被網墊用于排水和坡面的穩定；土工格柵、條帶和有紡或編織土工織物用于加筋、土工膜用于防滲等。復合型土工合成材料則結合了各自的優點，例如，兼有過濾和排水性能的土工織物和土工網復合材料，結合加筋和隔離功能的土工織物和土工格柵復合材料，而土工織物和土工膜結合形成的復合土工膜則既能防滲又具有防刺破的作用，同時具有與土較高的界面磨擦系數。

盡管有眾多的產品和更多的潛在的應用形式，對于具體的工程應判斷土工合成材料的主要作用，選擇合理的設計公式，確定要求達到的性能指標，并尋求一個經濟上合適的施工方法。目前證明較成功的應用有：無紡土工織物代替粒狀級配濾層應用于反濾排水工程中，土工合成材料加筋擋土墻代替重力式擋土墻，塑料排水帶代替砂井，土工膜用于防滲材料等。在應用的初期，最擔心的是耐久性，忽視鋪放的位置，認為鋪土工合成材料總比不鋪好。而現在經驗證明在土中耐久性是可以保證的，相反，土工合成材料鋪放的位置不當或施工質量差，會降低作用，甚至適得其反。

土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它們是由煤、石油、天然氣或石灰石中提煉出來的化學物質制成，再進一步加工成纖維或合成材料片材，最后制成各種產品。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，首先由英國ICI公司研制成功的，1939年成為商品在市場上出售，它是聚合物中分子結構最簡單的一種，可分為低分子量和高分子量兩類。聚乙烯的比重為0.92，耐酸堿，抗化學劑能力強，吸濕性低，低濕時仍具柔性，電絕緣性極好。在1950年前后，又開發出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、機械強度、熔點和硬度等都比低密度的為優。聚酰胺約在1935年研制成功，俗名為尼龍，其吸濕性較高，干燥時有一定絕緣性、機械性能好。聚酯于1941年前后問世，它包括聚酯樹脂、聚酯纖維和聚酯橡膠等。聚丙烯于1954年研制出來，1957年成為商品出售。它的比重為0.90～0.91，耐溫范圍-30 ℃～140 ℃，耐化學劑性能較好，惰性強，價格低廉，是目前應用最多的原材料之一。

此外，常用的原材料還有聚氯乙烯，它的比重為1.4，具有極好的化學穩定性，不燃燒，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。以上五種原材料的性能對比如表2-1所示。表2-1 幾種高分子聚合物性能對比 性能 高分子聚合物

聚酯 聚酰胺 聚丙烯 聚乙烯 聚氯乙烯 單位質量 高 中 低

低 高 強度 高 中 低 低 低 彈性模量 高 中 低

低 低 破壞應變

中 中 高 高 高 蠕變性 低

中 高 高

抗紫外線 高

中

中

低

高 耐堿性 低 高 高 高 高 耐霉，耐蟲 中 中 中 高 高

應當指出，材料的強度還與纖維的制作方法有關。在應用土工合成材料時，其性能更受施工方法、應用環境和側限壓力大小的影響。土工合成材料在我國的應用，可以追溯到20世紀60年代，例如，北京市東北旺農場南干渠使用聚氯乙烯土工膜防滲。有紡織物首次應用的成功實例，是在1974年江蘇省江都縣嘶馬長江的護岸工程。該工程采用聚丙烯編織布，聚氯乙烯繩網和混凝土塊組成整體沉排，防止河床沖刷。無紡織物作為隔離材料，1981年，鐵路部門首先應用于防治“翻漿冒泥”現象。無紡織物作為反濾材料，1984年首次成功地應用于云南麥子河工程大壩上。1983年鐵路部門在廣茂鐵路路基中第一次采用了土工織物鋪設在軟土地基表面，增加了路堤的穩定性。

目前，品種繁多的人工合成材料陸續問世，它們可制成各種符合特定目的的產品，而且由于其具有質量輕、施工簡易、運輸方便、價格低廉料源豐富等優點，為土木工程提供了一種嶄新的較為理想的材料，并由此帶來一種實施簡便和經濟有效的技術途徑。土工合成材料是以合成材料為原材料制成的應用于巖土工程的各種產品的統稱。因為它們主要用于巖土工程，故冠以“土工”兩字，稱為土工合成材料，以區別于天然材料。近些年來，土工合成材料在全世界范圍內得到迅速的發展和廣泛的應用，取得了良好的經濟、社會和環境效應。土工合成材料技術被人們譽為20世紀巖土工程中的一項技術革命。2.2 土工合成材料的種類 2.2.1 土工織物

2.2.1.1 土工織物的種類

土工織物為透水性土工合成材料。土工織物的制造一般要經過兩個步驟：首先把聚合物原料加工成絲、短纖維、紗或條帶，然后再制成平面結構的土工織物。許多不同的高分子聚合物已經用作不同土工織物產品的原料，土工織物按制造方法分為針織型、無紡或非織造型和機織或有紡型三類。針織型目前已很少應用，有紡土工織物由兩組平行的呈正交或斜交的經線和緯線交織而成，其主要缺點是沿經線和緯線的強度高，而與經緯線斜交方向的強度低，無紡土工織物是把纖維作定向的或隨意的排列，再經過加工而成，按照聯結纖維的方法不同，可分為化學(粘結劑)聯結、熱力聯結和機械聯結三種。其主要優點是強度沒有顯著的方向性，對變形的適應性較大，目前世界上80 %的土工織物屬于這種類型。

土工織物突出的優點是重量輕，整體連續性好(可做成較大面積的整體)，施工方便，抗拉強度較高，耐腐蝕和抗微生物侵蝕性好。缺點是未經特殊處理，則抗紫外線能力低，如暴露在外受紫外線直接照射容易老化，但如不直接暴露，抗老化及耐久性能仍較高，土工織物的性能與其聚合物原料、土工織物的種類及加工制造方法密切相關。(1)織造型土工織物

這類產品又稱有紡土工織物，是最早的土工織物產品。它的制造分兩道工序：先將聚合物原料加工成絲或紗或帶，再借織機制成平面結構的布狀產品?？椩鞎r常包括相互垂直的兩組平行絲，沿織機(長)方向的稱經絲，橫過織機(寬)方向的稱緯絲。這種織物看來簡單，卻有著不同的絲種和不同的織法。絲種包括單絲、多絲及二者的混合。單絲是單根絲，典型直徑約為0.5 mm，它是將聚合物熱熔后從模具中擠壓出來的連續長絲。在擠出同時或剛擠出后將絲拉伸，使其中的分子定向，以提高絲的強度。多絲是由若干根單絲組成的，在制造高強土工織物時常采用多絲。多絲也有用切割成的短絲(一般長100 mm)搓擰而成的。早期的土工織物系由單絲織成，后來發展為采用扁絲。扁絲是由聚合物薄片經利刀切成的薄條，其厚度比單絲薄得多，且在切片前后都要牽引拉伸以提高其強度。扁絲寬度約為3 mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多數編織土工織物是由扁絲織成，而圓絲和扁絲結合織成的織物有較高的滲透性。

另一種特殊的扁絲叫裂膜絲，它是將一根扁絲剖成許多根細絲，但仍連在一起。由裂膜絲織成的織物較為密實，柔軟而滲透性小。多絲和裂膜絲結合織成的編織物厚度可達1～2 mm，比扁絲織成的要厚?？椩煨屯凉た椢镉腥N基本的織造型式：平紋、斜紋和緞紋。平紋是一種最簡單、應用最多的織法，其形式是經、緯絲一上一下。斜紋則是經絲跳越幾根緯絲，最簡單的形式是經絲二上一下。緞紋織法是經絲和緯絲長距離的跳越，例如經絲五上一下。這種織法運用于衣料類產品。

在織造時，由于梭子要不斷地牽引緯絲從經絲的空間中穿過，故要求經絲強度比緯絲的高。采用不同的絲和紗以及不同的織法，可以使織成的產品具有不同的特性。例如平紋織物有明顯的各向異性，其經、緯向的摩擦系數也不一樣；圓絲織物的滲透性一般比扁絲的要高，每厘米長的經絲間穿越的緯絲愈多，織物也愈密愈強，滲透性則愈低。單絲的表面積較多絲的要小，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。由此可見，可以借調整絲(紗)的材質、品種和織造方式等來得到符合工程要求的強度、經緯強度比、摩擦系數、等效孔徑和耐久性等各項指標。在工程實施中應根據具體要求來優選產品，鋪設時要注意材料的合理鋪設方向。(2)非織造型土工織物

這類產品又稱無紡土工織物。根據粘合方式的不同，非織造型土工織物分為熱粘合、化學粘合和機械粘合等三種。熱粘合法織造型土土織物的制造，是將纖維在傳送帶上成網，讓其通過兩個反向轉動的熱輥之間熱壓，纖維網受到一定溫度，部分纖維軟化熔融，互相粘連，冷卻后得到固化。該法主要用于生產薄型土工織物，厚度一般為0.5～1.0 mm。由于纖維是隨機分布的，織物中形成無數大小不一的開孔。再因為無經緯絲之分，故其強度的各向異性不明顯。

紡粘法是粘合法中的一種，是將聚合物原料經過熔融、擠壓，紡絲成網，纖維加固后形成的產品。這種織物厚度薄面強度高，滲透性大。由于制造流程短，產品質量好，品種規格多，成本低，用途廣，近年來在我國發展較快。

化學粘合法土工織物，是通過不同工藝，將粘合劑均勻地施加到纖維網中，待粘合劑固化。纖維之間便互相粘連，使網得以加固，厚度可達3 mm。常用的粘合劑有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合劑前加以滾壓，得到較薄的和孔徑較小的產品。這類產品在工程中的應用較少。

機械粘合法是以不同的機械工具將纖維網加固，應用最廣的是針刺法，還有用水刺法的。針刺法利用裝在針刺機底板上的許多截面為三角形或棱形且側面有鉤刺的針，由機器帶動，作上下往復運動，讓網內的纖維互相纏結，從而織網得以加固。產品厚度一般在1 mm以上，孔隙率高，滲透性大，反濾排水性能均佳，在水利工程中應用很廣。水刺法是利用高壓噴射水流射入纖維網，使纖維互相纏綿加固。其產品較為柔軟，主要用作衛生用品，工程中尚未應用。2.2.2 土工膜

土工膜是一種基本不透水的材料。根據原材料不同，可分為聚合物土工膜和瀝青土工膜兩大類。為了適應工程應用中不同強度和變形的需要，兩類中又各有不加筋(單一或混合材料)和加筋或組合的類型。聚合物膜在工廠制造，瀝青膜則大多在現場制造。制造土工膜的聚合物有熱塑塑料(如聚氯乙烯)、結晶熱塑塑料(如高密度聚乙烯)、熱塑彈性體(如氯化聚乙烯)和橡膠(如氯丁橡膠)等。工廠制造土工膜的方法主要有擠出、壓延或加涂料等。擠出是將熔化的聚合物通過模具制成土工膜，厚0.25～4 mm。壓延則是將熱塑性聚合物通過熱輥壓成土工膜，厚0.25～2 mm。加涂料是將聚合物均勻涂在紙片上，待冷卻后將土工膜揭下來而成?，F場制造土工膜是在地面噴涂或敷一層冷或熱的粘滯聚合物而成。瀝青土工膜用的是瀝青聚合物或合成橡膠。

制造土工膜時還需要摻入一定量的添加劑，使在不改變材料基本特性的情況下，改善其某些性能和降低成本。例如摻入碳黑可以提高抗日光紫外線能力，延緩老化；摻入鉛鹽、鋇、鈣等衍生物以提高材料的抗熱、抗光照穩定性；摻入滑石等潤滑劑以改善材料可操作性；摻入殺菌劑可防止細菌破壞等。對于瀝青類土工膜，其主要的摻入材料是一些填料或纖維。填料可為細礦粉，它能增加膜的強度且降低其成本；加入纖維，也是為提高膜的強度。2.2.3 土工復合材料

土工織物、土工膜和某些特種土工合成材料，以其兩種或兩種以上的土工材料互相結合起來，成為土工復合材料。土工復合材料可將不同構成材料的性質結合起來，更好地滿足具體工程的需要，能起到多種功能的作用。如復合土工膜，將土工膜和土工織物按要求制成土工膜—土工織物組合物，稱復合土工膜。土工膜主要用來防滲，土工織物起加筋、排水和增加土工膜與土面之間的摩擦力的作用。又如土工復合排水材料，它是以無紡土工織物和土工網、土工膜或不同形狀的合成材料芯材組成的排水材料，用于軟基排水固結處理、路基縱向橫向排水、建筑地下排水管道、集水井、支擋建筑物的墻后排水、隧道排水、堤壩排水設施等。不同的工程有不同的綜合功能要求，故土工復合材料的品種繁多，可以說土工復合材料是當前和今后一段時期發展的大方向。這里主要介紹復合土工膜和土工復合排水材料兩類。2.2.3.1 復合土工膜

復合土工膜是用土工織物或其他材料與土工膜結合而成的不透水材料。根據主要功能的不同，復合土工膜可劃分為加筋型土工膜和橫向排水型土工膜兩種。(1)加筋型土工膜

加筋型土工膜具有較高的強度和模量，以滿足工程中防滲與受力的要求，如氯丁橡膠土工膜和經編土工膜。加筋土工膜的厚度：聚合物有涂料的三層壓延加筋土工膜厚0.75～1.5 mm；聚合物五層壓延加筋土工膜厚1.0～1.5 mm。(2)橫向排水型土工膜

橫向排水型土工膜一般由無紡土工織物與土工膜復合而成，常見的有“一布一膜”、“兩布一膜”。其中，無紡土工織物不僅具有橫向排水作用，而且對土工膜起保護作用。2.2.3.2 土工復合排水材料

土工復合排水材料是薄型土工織物包裹不同材料制成的不同形狀的芯材組合成的一種復合型排水產品。這種產品克服了土工織物沿織物平面方向排水能力小的缺點，可以沿產品芯材水平方向的排水通道通暢地排水，而外包的土工織物作為濾層以阻止土顆粒進入排水通道。復合排水帶主要用于軟土地基豎向排水固結處理等，我國生產及工程上普遍采用的產品主要是塑料排水帶。復合排水板具有廣泛的用途，如路基縱向橫向排水、支擋建筑物的墻后過濾排水、隧道襯砌后防排水、建筑物地下排水通道、堤壩排水設施等。(1)塑料排水帶

塑料排水帶是由不同截面形狀的連續塑料芯板外面包裹非織造土工織物(濾膜)而成。芯板的原材料為聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多種型式，常見的有城垛式、口琴式和乳頭式等。芯板起骨架作用，截面形成的縱向溝槽供通水之用，面濾膜多為滌綸無紡織物，作用是濾土、透水。

塑料排水帶的施工是利用插帶機將其埋設在土層中的預定位置。塑料帶前端與錨靴相連，用插帶機導桿頂住錨靴，插入土層中，達到預定深度后拔出導桿，但排水帶仍留在預定位置，在高出地面一定高度(0.5 m左右)剪斷排水帶，施工時可用靜荷或動荷送桿，靜荷送桿對土層擾動小，較為常用。我國插帶機的插入深度可達約25 m，入土速率可達6 m/min。排水帶的平面分布間距可借理論計算確定，一般為1～2 m。排水帶插入軟基后，為排除土中的多余水量提供了捷徑，多余水可水平向通過帶的濾膜進入芯板溝槽，再向上由地表的透水料墊層排走。排水帶在公路、碼頭、水閘等軟基加固工程中應用廣泛，以加速軟土固結。(2)軟式排水管

軟式排水管又稱為滲水軟管，是由高強鋼絲圈作為支撐體，以及具有反濾、透水及保護作用的管壁包裹材料兩部分構成的。高強鋼絲由鋼線經磷酸防銹處理，外包—層PVC材料，使其與空氣及水隔絕，避免氧化生銹。包裹材料有三層，內層為透水層，由高強特多龍紗或尼龍紗作為經紗，特殊材料為緯紗制成；中層為非織造土工織物過濾層；外層為與內層材料相同的覆蓋層。為確保軟式排水管的復合整體性，支撐體和管壁外裹材料間，以及外裹各層之間都采用了強力粘結劑粘合牢固。軟式排水管兼有硬水管的耐壓與耐久性能，又有軟水管的柔性和輕便特點，過濾性強，排水性好，可用于各種排水工程中。(3)其他復合排水材料

現在已生產出各種型式芯材和外包濾膜的復合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各種奶頭形的，有土工網的，還有用塑料絲纏成的網狀體的等等，它們均具有較大的排水能力，可按工程需要選用。2.2.4 土工特種材料

土工特種材料是為工程特定需要而生產的產品，品種多，現選擇幾種主要產品說明如下。2.2.4.1 土工格柵

土工格柵是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先沖孔，然后進行拉伸而成的帶長方形或方形孔的板材。加熱拉伸是讓材料中的高分子定向排列，以獲得較高的抗拉強度和較低的延伸率。按拉伸方向不同，格柵分為單向拉伸(孔近矩形)和雙向拉伸(孔近方形)兩種。前者在拉伸方向上有較高強度，后者在兩個拉伸方向上皆有較高強度。土工格柵的品種和規格很多，目前開發的新品種有用加筋帶縱橫相連而成的，也有用高強合成材料絲縱橫連接而成的等等。2.2.4.2 土工網

土工網是以聚丙烯或聚乙烯為原料，應用熱塑擠出法生產的具有較大孔徑和較大剛度的平面結構材料?？梢蚓W孔尺寸、形狀、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差異。一般而言，土工網的抗拉強度都較低，延伸率較高。這類產品常用于坡面防護、植草、軟基加固墊層，或用于制造復合排水材料。一般說來，它只有在受力水平不高的場合，才能用于加筋。2.2.4.3 土工模袋

土工模袋是由上下兩層土工織物制成的大面積連續袋狀材料，袋內充填混凝土或水泥砂漿，凝固后形成整體混凝土板，可用作護坡。這種袋體代替了混凝土的澆注模板，故而得名。模袋上下兩層之間用一定長度的尼龍繩來保持其間隔，可以控制填充時的厚度。澆注在現場用高壓泵進行?；炷粱蛏皾{注入模袋后，多余水量可從織物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使強度增高。按加工工藝的不同，可將模袋分為兩類，即機織模袋和簡易模袋。前者是由工廠生產的定型產品，而后者是用手工縫制而成的。2.2.4.4 土工格室

土工格室是由強化的高密度聚乙烯寬帶，每隔一定間距以強力焊接而形成的網狀格室結構。典型的條帶厚1.2 mm、寬100 mm，每隔300 mm進行焊接。格室張開后，可填以土料，由于格室對土的側向位移的限制，可大大提高土體的剛度和強度。它可用于處理軟弱地基，增大其承載力，沙漠地帶可用于固沙，還可用于護坡等。2.2.4.5 土工管及土工包

土工管、土工包是用經防老化處理的高強土工織物制成的大型管袋及包裹體，可有效地護岸和用于崩岸搶險，或利用其堆筑堤防，解決疏浚棄土的放置難題。

土工包是將大面積高強度的土工織物攤鋪在可開底的空駁船內，充填200～800 m3料物，將織物包裹閉合，運到一定部位，沉至預定位置。在國外，該技術大量用于環保。2.2.4.6 聚苯乙烯板塊

聚苯乙烯板塊稱泡沫塑料，是以聚苯乙烯聚合物為原料，加入發泡劑制成的。它的主要特點是質量極輕、導熱系數低、吸水率小，但也有一定抗壓強度。由于其質輕，可用它代替土料，填筑橋端的引堤，解決橋頭跳車問題、其導熱系數低，故在寒冷地帶，可用該材料板塊防止結構物凍害，例如在擋墻背面或閘底板下，放置泡沫塑料以防止凍脹等。2.2.4.7 土工合成材料粘土墊層

土工合成材料粘土墊層是由兩層或多層土工織物(或土工膜)中間夾一層膨潤土粉末(或其他滲透性材料)以針刺(縫合或粘接)而成的—種復合材料。它與壓實粘土墊層相比，具有體積小、質量輕、具柔性、密封性良好、抗剪強度較高、施工簡便、適應不均勻沉降等優點，可以代替—般的粘土密封層，用于水利或土木工程中的防滲或密封設計。國外大量用于廢料坑的底部防滲襯砌和頂部封蓋。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，厚度變化對織物的孔隙率、透水性和過濾性等水力特性有很大的影響。常用的各種土工合成材料的厚度是：土工織物一般為0.1～5 mm，最厚的可達十幾毫米；土工膜一般為0.25～0.75 mm，最厚的可達2～4 mm；復合型材料有時采用較薄的土工膜，最薄可達0.1 mm；土工格柵的厚度隨部位的不同而異，其肋厚一般由0.5 mm至幾十毫米。有些材料在受壓時厚度變化很大，需規定在某固定壓力下測定厚度。一般規定此壓力為2 kPa。根據工程需要還應測試在20 kPa、200 kPa壓力下的系列厚度。土工織物厚度可采用專門的厚度測試儀，土工膜厚度可直接用千分尺測定，—般要求加壓面積為25 cm2，試樣面積應大于加壓面積的2倍，加壓時間30 s，試樣不少于10塊。2.3.1.2 單位面積質量

單位面積質量為單位面積土工合成材料具有的質量，它反映材料多方面的性能，如抗拉強度、頂破強度等力學性能以及孔隙率、滲透性等水力學性能。通常以g/m2表示，是土工合成材料的主要物理性能之一。土工織物和土工膜單位面積質量受原材料密度的影響，同時受厚度、外加劑和含水量的影響，常用的土工織物單位面積質量一般在50～1 200 g/m2的范圍內。測定單位面積質量采用秤量法，試樣面積為100 cm2，數量不得少于10塊，天平秤量讀數應精確到0.01 g(現場測試為0.1 g)。測試前要求試樣在標準大氣壓下恒溫(20±2 ℃)，恒濕(65 %±2 %)24 h。2.3.2 力學特性

反映土工合成材料力學特性的指標主要有拉伸特性及抗拉強度、撕裂強度、頂破強度、刺破強度、穿透強度及握持強度等。

2.3.2.1 拉伸特性及抗拉強度

土工合成材料是柔性材料，大多通過其抗拉強度來承受荷載以發揮工程作用，因此抗拉強度及其應變是土工合成材料的主要特性指標。土工合成材料的抗拉強度與測定時的試樣寬度、形狀、約束條件有關，必須在標準規定的條件下測定。土工織物在受力過程中厚度是變化的，不易精確測定，故其受力大小一般以單位寬度所承受的力來表示，單位為kN/m或N/m，而不是習慣上所用的單位面積的應力來表示。目前測定抗拉強度基本上是沿用紡織品條帶拉伸試驗方法，即把試樣兩端用夾具夾住，以一定的速率施加荷載進行拉伸直到破壞，測得試樣自身斷裂強度及變形，并繪出應力—應變曲線。目前條帶拉伸試驗的試樣分寬條與窄條兩種，寬條試樣寬200 mm、長100 mm，寬長比B/L＝2；窄條試樣寬50 mm、長100 mm，寬長比B/L=1/2。試驗機具應選擇具有等速拉伸性能、能測讀拉伸過程中拉力和伸長量或直接記錄拉力—伸長關系曲線的拉力機，同時要求試樣的最大斷裂力在滿量程的10 %～90 %范圍內。國內規定拉伸速率為50 mm/min。

目前關于土工合成材料的拉伸力學特性一般采用室內無側限拉伸試驗進行測試。但現場埋設在填料中的土工筋材的力學特性因填料的約束作用而不同，人們曾通過對不同寬帶的試件進行拉伸試驗，以評價筋材受側向約束的影響。但更科學的是應將筋材埋在填料中進行測試。此時的力學特性所受影響因素較多。有約束的拉伸試驗表明，約束力將增加土工織物的抗拉強度和模量，對于土工格網和土工格柵，約束力的影響更為顯著，因為除了界面的摩擦阻力外，筋材橫肋所受拉伸方向的土壓力還將約束其變形，從而增大了模量。

2.3.2.2 握持強度

土工織物承受集中力的現象普遍存在，握持強度是反映其分散集中力的能力。握持強度試驗選用的儀器一般與條帶拉伸試驗相同，但試驗方法不同。握持強度試驗是握持試樣兩端部分寬度而進行的一種拉力試驗。它的強度由兩部分組成，一部分為試樣被握持寬度的抗拉強度；一部分為相鄰纖維提供的附加抗拉強度。它與條帶拉伸強度之間沒有簡單的對比關系。由于各單位所采用的試樣和夾具的尺寸不盡相同，試驗的難度也較大，因此測得的成果相差很多。一般不宜作為設計依據。只可用作不同土工織物的抗拉強度的比較。土工織物握持力一般為0.3～6.0 kN。2.3.2.3 撕裂強度

土工織物和土工膜在鋪設和使用過程中，常常會有不同程度的破損。撕裂強度反映了試樣抵抗擴大破損裂口的能力，可評價不同土工織物和土工膜被擴大破損程度的難易，是土工合成材料應用中的重要力學指標。目前撕裂強度試驗仍沿用紡織品標準測試方法。常用的紡織品撕裂試驗，按試樣形狀分為梯形法、翼形法以及舌形法，舌形法又分為單縫與雙縫兩種。目前多采用梯形法測定土工膜及土工織物的撕裂強度，這種試驗從其加力方式看，近似于張拉試驗。土工織物梯形撕裂強度值一般為0.15～30 kN，不加筋土工膜的梯形撕裂強度值一般為0.03～0.4 kN。2.3.2.4 頂破強度 刺破強度及穿透強度

在工程應用中，土工織物及土工膜常被置于兩種不同粒徑的材料之間，受到粒料的頂破作用，同樣也將受到拋填粒料引起的法向荷載。根據粒徑大小形狀、土工織物及土工膜接觸面的受力特征和破壞形式的不同，可分為頂破、刺破和穿透幾種受力狀態。

(1)頂破強度是反映土工織物及土工膜抵抗垂直織物平面的法向壓力的能力。頂破試驗與刺破強度試驗相比，壓力面積相對較大，材料呈雙向受力狀態。所用試驗方法有液壓脹破試驗、圓球頂破試驗和相CBR頂破試驗。

(2)刺破強度是反映土工織物或土工膜抵抗小面積集中荷載(如有棱角的石子或樹枝等)的能力。試驗方法與圓球頂破試驗相似，只是以金屬桿代替圓球。(3)穿透強度可通過穿透試驗測得，這種試驗是模擬工程施工中具有尖角的石塊或其它銳利物落在土工織物或土工膜上的情況，用穿透試驗所得孔眼的大小，評價土工織物或土工膜抵御穿透的能力。2.3.3 水力學特性

由于土工織物、細孔土工網等土工合成材料可以使水及空氣自由地通過，并能有效地截留和控制土顆粒的流失，因此被廣泛他用作排水和過濾材料。為此必須研究其水力學特性，其主要包括兩方面：—是透水與導水能力；二是阻止顆粒流失的能力。這些特性涉及到土工合成材料的孔隙率、孔徑大小與分布情況、滲透特性等。土工織物的滲透特性是其重要水力學特性之一。在過濾標準及其它有關水力學中，是一項不可缺少的重要指標。根據工程的需要，通常要確定垂直于織物平面的滲透特性和平行于織物平面的滲透特性。垂直于織物平面的滲透特性，主要用垂直滲透系數 表示。該系數是滲流的水力梯度等于1時的滲流速度，一般服從達西定律，土工織物的滲透系數約為 ～ cm/s，其中無紡織物的滲透系數為 ～ cm/s。使用土工膜的目的在于防滲，它可以阻擋水、水氣、氣體及有害物質(例如甲醇、丙酮和二甲苯等)的滲透。土工膜在水壓力作用下產生滲流的原因是由于制造時的不均勻性和缺陷等因素所造成的，有些細微的通道，則是在一定的水壓力下被水沖破而形成的，溫度變化引起水體積變化，土工膜的滲透系數愈小，溫度對試驗結果的影響愈大。

土工織物用作濾層時，水從被保護土中流過織物，在流動中使土顆粒集聚在織物表面的孔口上，堵塞水流通道的進口，或是細顆粒沉積在孔隙內部，逐漸減小通道的有效過水面積。前者稱為堵塞，后者稱為淤堵，堵塞一般發生在滲流開始階段，而淤堵則隨時間增長而加重。目前判斷織物濾層淤堵，通常是通過觀察通過織物的流量減小以及進入織物的土顆粒增多的現象來評估，還不能給出淤堵程度的允許值，只能通過被保護土與織物濾層的長期工作試驗，觀測滲透流量的變化與穩定情況來評估。2.3.4 耐久性

土工合成材料的耐久性包括許多方面，主要是指對紫外線輻射、溫度變化、化學與生物侵蝕、干濕變化、凍融變化和機械磨損等外界因素變化的抵御能力，材料的耐久性主要與聚合物的類型及添加劑的性質有關。土工合成材料的老化現象主要是因為高分子聚合物具有鏈節結構，受外界因素的影響發生降解反應或交聯反應的結果。使材料老化的各種因素中，陽光輻射起著最重要的作用。紫外線具有很大的能量，能夠切斷許多聚合物的分子鏈，或者引發光氧化反應。其試驗方法主要有自然老化和人工老化兩大類，近幾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。添加防老化劑、方法簡便，效果顯著，是當前防老化的主要途徑。土工合成材料在有覆蓋的情況下(或埋在土中)，老化速度緩慢。

聚合物對化學腐蝕一般具有較高的抵抗能力，但某些特殊的化學藥劑或廢品對聚合物有腐蝕作用。因而利用土工合成材料(土工膜)作污水或廢物存儲池的防滲材料時，對其化學穩定性要認真對待。土工合成材料在鋪設過程中易受損傷，且不易被發現，國外試驗研究發現，埋在土中的織物老化主要是由于機械傷引起的，鋪設造成的孔洞是使材料強度降低的主要因素。孔洞數愈多，原始強度降低得愈多。在高溫條件下，合成材料將發生熔融現象。有時溫度雖未達到融點，聚合物分子結構也可能發生變化，影響材料的彈性模量和強度。有些聚合物在特別低的溫度下，也使柔性降低、質地變脆，影響其力學特性，給施工及接縫造成困難。

此外，干濕度和凍融變化可能使一部分空氣或冰屑存在織物內部，影響其滲透特性。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，一種土工合成材料往往就兼有數種功能。隨著土工復合材料的發展，所兼有的功能就更多?？偟恼f來，土工合成材料的主要功能可歸納為六類，即過濾作用、排水作用、隔離作用、防滲作用、防護作用以及加筋作用。2.4.1 過濾作用

把土工織物置于土體表面或相鄰土層之間，可以有效地阻止土顆粒通過。從而防止由于土顆粒的過量流失而造成土體的破壞。同時允許土中的水或氣體通過織物自由排出，以免由于孔隙水壓力的升高而造成土體的失穩等不利后果。

土工織物可適用于土石壩粘土心墻或粘土斜墻的濾層，土石壩或堤壩內的各種排水體的濾層，儲灰壩或尾礦壩的初期壩上游壩面的濾層。堤、壩、河、渠及海岸塊石或混凝土護坡的濾層，水閘下游護坡下部的濾層，擋土墻回填土中排水系統的濾層，排水暗道周邊或碎石排水暗溝周邊的濾層，水利工程中水井、減壓井或測壓管的濾層等。2.4.2 排水作用

有些土工合成材料可以在土體中形成排水通道，把土中的水分匯集起來，沿著材料的平面排出體外。較厚的針刺型無紡織物和某些具有較多孔隙的復合型土工合成材料都可以起排水作用。

它們可適用于土壩內垂直或水平排水，土壩或土堤中的防滲土工膜后面或混凝土護面下部的排水。埋入土體中消散孔隙水壓力，軟基處理中垂直排水，擋土墻后面的排水，各種建筑物后面的排水，排除隧洞周邊滲水、減輕周邊所承受的外水壓力，人工填土地基或運動場地基的排水等。2.4.3.隔離作用

隔離是指在兩種物理力學性質不同的材料之間鋪設土工合成材料，使它們不互相混雜。例如將碎石和細粒土隔離，軟土和填土之間隔離等等。隔離可以為工程帶來許多預期的良好效應，舉例說明如下：(1)通過隔離層，引起應力擴散作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。(2)隔離提供排水面，加速地基土固結，使承載力提高。

(3)隔離層起整體性作用，可使要求的地基粗粒料支持層的厚度減少，節約建筑材料。

(4)地基中有部分軟弱區域，或有小范圍洞穴，鋪隔離層有架橋作用，以掩蓋和減弱洞穴區或軟弱區的影響。(5)在地下水位較高的地基中，隔離層可以切斷毛細水上升，防止鹽堿化，或減弱凍脹。(6)道路基床中，隔離是防治翻漿冒泥的有效措施。(7)隔離層還起一定的保溫作用。

用于隔離的土工合成材料應以它們在工程中的用途來確定。應用最多的是有紡和無紡土工織物。如果對材料的強度要求較高，有時還要求以土工網或土工格柵作為材料的墊層。當要求隔離防滲時，則需要土工膜或復合土工膜。2.4.4 防滲作用

土工膜和復合型土工合成材料，可以防止液體的滲漏、氣體的揮發，保護環境或建筑物的安全。它們可用于土石壩和庫區的防滲，渠道防滲，隧道和涵管周圍防滲，防止各類大型液體容器或水池的滲漏和蒸發，屋頂防漏，用于修筑施工圍堰等。2.4.5 防護作用

多種土工合成材料對土體或水面，可起防護作用。它們主要用于防止河岸或海岸被沖刷，防止垃圾、廢料或廢液污染地下水或散發臭味，防止水面蒸發或空氣中灰塵污染水面，防止土體凍害等。2.4.6 加筋作用

很多土工合成材料埋在土體中，可以分布土體的應力，增加土體的模量，傳遞拉應力，限制土體側向位移；還可以增加土體和其它材料之間的摩阻力，提高土體及有關建筑物的穩定性，土工織物、土工格柵、土工網及一些特種或復合型的土工合成材料，都具有加筋作用。它們可用于加強軟弱地基，加強邊坡穩定性，用作擋土墻回填土中的加筋或錨固擋土墻的面板，修筑包裹式擋土墻或橋臺，加固柔性路面、防止反射裂縫的發展等。第3章省略見諒

第4章 結論

4.1 土工合成材料應用中存在的問題

(1)在工程實際應用中，設計對土工合成材料的技術指標、施工工藝和方法常有特定的要求，但個別工程實施后達不到預期效果。主要原因是施工技術問題，部分施工人員對這一新型材料還比較生疏，施工設備和方法比較落后，操作不規范，以致施工質量達不到設計要求。

(2)土工合成材料本身制約著工程質量，有些產品工藝落后，成本較高，質量難以達到規定標準。(3)工程施工中，部分單位在購買材料時低價竟標，更有相當多的單位沒有檢測設備和檢測人員，沒有把好質量關。因此，土工合成材料在生產及施工應用上，還缺乏必要的、嚴格的行業管理。4.2 結論

《鐵路路基土工合成材料應用技術規范》自發布實施以來，有力促進了鐵路土工合成材料的應用，路基工程質量得到了質的提高。但由于設計理論的相對滯后，土工合成材料生產廠家眾多，產品質量參差不齊，技術規范有關條款不易操作等諸多原因，限制了進一步的推廣應用。我認為在規范修訂時，如下方面予以考慮完善。

(1)增加土工合成材料生產原料的技術要求，分不同地區、不同的應用條件提出相應產品技術指標。對作為重要受力構件的材料(如加筋土擋土墻拉筋帶)，要增加蠕變強度等指標。

(2)各類結構、構筑物的計算理論和方法要在規范中明確和進一步細化；隨著工程實踐的積累，宜增加高墻(如單級超過10 m的加筋土擋土墻)、包裹式加筋土擋土墻、加陡邊坡加筋路堤、土工格室加固軟基等計算方法。

(3)補充新型土工合成材料，如經編土工格柵、立體植被網、雙向拉伸土工格柵的應用條件和技術要求。(4)吸收近年來土工合成材料應用的成功經驗和教訓，進一步完善設計和施工質量檢驗條款。(5)實踐證明，基床鋪設隔斷材料(如復合土工膜)宜全斷面滿鋪。

(6)參照國標和其它標準，統一材料名稱，制定較詳細的技術指標、檢驗(測)項目和標準。

土工合成材料在工程應用中有著極為突出的優勢，在公路、鐵路、水利、環保工程等方面，就地取材，原來不能利用的淤泥、沙土、碎石等采用土工合成材料后都能變成堅固的路基和擋墻，無需開山取石取土修建，有效地保護了自然生態環境，防止了水土流失和山體滑坡。隨著科技的不斷發展土工合成材料的用途將不斷延伸，推廣土工合成材料的首要目的和優勢就是保護生態環境，有著其他材料不可替代的優點。土工合成材料作為一項新技術，在我國應用的歷史尚短，與先進國家相比，其應用和發展水平還有一定差異。今后對土工合成材料的應用我們要做到“用對、用好、用精”：“用對”是指使用的場合和部位要正確，所選的材料要對路，不能選錯或用錯；“用好”是要求做出合理的設計，組織精心的施工，實行經常性的維護；“用精”即在使用中要有發展、有創新。

第三篇：簡述土工合成材料在水利工程中的應用

簡述土工合成材料在水利工程中的應用

何麗雅

摘 要：土工合成材料是巖土工程領域中一種新型的巖土工程材料,在各類工程中應用廣泛。本文以土工合成材料在水利工程中的應用為例，就土工合成材料的功能、分類、特性及工程實際應用概況進行了較詳細的闡述。

關鍵詞：土工合成材料

應用

防護加固工程

一、前言

土工合成材料是一種新型的巖土工程材料。它以人工合成的聚合物,制成各種類型的產品,置于土體內部、表面或各層土體之間,發揮加強或保護土體的作用。土工合成材料可分為土工織物、土工膜、特種土工合成材料和復合型土工合成材料等類型。土工材料是工業發展的產物,其出現已經有100多年的歷史,但應用于土建工程則是20世紀30年代末才開始的。首先是將塑料薄膜作為防滲材料應用于水利工程。到20世紀50年代末,土工織物開始應用于海岸護坡工程。直到20世紀70年代末,隨著非織造型織物(俗稱無紡織物或無紡布)的應用,給土工織物帶來了新的生命,土工織物才以很快的速度發展起來,從而在巖土工程學科中形成一個重要的分支。1977年在法國巴黎舉行的第一屆國際土工織物會議上,J.P.Giroud把它命名為“土工織物”(Geotextile),并于1986年在維也納召開的第三屆國際土工織物會議上將它稱之為“巖土工程的一場革命”。從20世紀60年代中期到20世紀70年代末,有紡織物開始在我國應用于河道、涵閘及防治路基翻漿冒泥等工程;20世紀80年代初,無紡織物開始在鐵路工程上試用;20世紀80年代中期,土工織物才在我國的水利、鐵路、公路、軍工、港口、建筑、礦冶和電力等領域逐漸推廣應用。

二、土工材料的種類和功能

1、土工合成材料種類：

土工合成材料（Geosynthetics）是一種新的巖土工程材料，它以人工合成的聚合物，如料、化纖、合成橡膠等為原料，制成各種類型的品，置于土體內部、表面或各層土體之間，發揮強或保護土體的作用?！巴凉ず铣刹牧稀笔且桓爬ㄐ孕g語，標識很廣泛的產品，土工合成材可分為土工織物、土工膜、復合型土工合成材料和特種土工合成材料等類型。目前已廣泛應于水利、水電、公路、鐵路、建筑、海港、采礦、軍工等工程的各個領域。

（1）土工織物。土工合成材料是以高分子聚合物等制成的新型建筑材料。目前大致可分為：①有紡土工織物；②針織土工織物；③無紡土工織物；④復合土工織物。

（2）土工膜。它主要是由透水性低的聚合物、瀝青以及合成纖維和織物另加一定的填充料和外加劑制成的材料。它具有很好的防滲和防水性能及很強的抗變形能力和耐久性。它的厚度一般為0。25~7。5mm，它主要有以下優點：①改進荷載分布狀況；②減少填料層厚度，并能滿足抗剪強度的要求；③限制土體的側向位移；④抗拉性能高，能避免產生裂縫；⑤增加土層剛度。

（3）復合型土工合成材料。它包括土工格柵、土工網、超輕型土工合成材料、土工膜袋、土工墊、土工格室等。常用的特種土工合成材料為前3種。

（4）特種土工合成材料。它由土工織物、土工薄膜和某些特種土工合成材料中兩種或兩種以上的材料互相組合而成，它可將不同構成材料的性質結合起來，滿足具體工程的需要。

2、土木合成材料的功能：（1）隔離作用：

將土工合成材料放在兩種不同的材料之間或同一材料不同粒經之間以及土體表面與上部建筑結構之間，使其隔離開來。當受外部荷載作用時，雖然材料受力相互擠壓，但由于土工合成材料在中間隔開，不使其互相混雜或流失，保持材料的整體結構和功能。土工合成材料隔離作用己廣泛應用于鐵路、公路路基、土石壩工程、軟土基礎處理以及河道整治工程。

（2）防護作用：

土工合成材料可以起到分散應力的作用。也可由一種物體傳遞到另一物體，使應力分解，防止土體受外力作用破壞，從而起到對材料的防護作用。土工合成材料的防護作用分兩種情況：一是表面防護，即將土工合成材料放置于土體表面，保護土體不受外力影響、破壞：二是內部接觸面保護，即將土工合成材料置于兩種材料之間，當一種材料受集中應力作用時，而不使另一種材料破壞。

（3）濾層作用

濾層作用是土工織物的主要功能，被廣泛地應用于水利、鐵路、公路、建筑等各項工程中，特別是水利工程中用作堤、壩基礎或邊坡反濾層已極為普遍。在沙石料緊缺地區，用土工合成材料做反濾層，更顯示出它的優越性。因此通過把土工織物置于土體表面或相鄰土層之間，土中水分可以通過織物排同時織物可阻止土顆粒流失，以免造成土體失穩（管涌），可代替砂、礫石等反濾層。

（4）排水作用

土工合成材料是良好的透水材料，無論是材料法向或水平向均具有較好的排水能力，能夠將土體內的水集聚到織物內部，形成排水通道，排出土體。土工合成材料現己廣泛應用于土壩、路基、擋土墻建筑以及軟土基排水固結等方面。它與工程中的其他排水結構充分配合，形成完善的排水體系，排除地下水、地表水和結構中的多余水份。

（5）加筋作用 土工合成材料有較高的抗拉強度，將土工合成材料埋在土體中或路面結構適當位置，可以分布土體或路面結構應力、傳遞拉應力、限制其側向位移，增強它與土體或路結構層材料之間的摩阻力，使土或路面結構層———土工成材料復合體的強度提高，從而約束土體或路面結構層的形，并抑制或減少土體的不均勻沉降，提高土體或路面結構層的穩定性具有加筋功能。

（6）防滲作用

土工膜和復合型土工合成材料，可以作為各種工程的防滲材料。土工合成材料用于某一項工程會發揮主次作用，如公路的碎石基層與地基之間鋪放織物，一般說，“隔離”是主要的，“濾層”和“加筋”是次要的，“排水”是不甚重要的設計者合考慮，如選用光滑的土工膜來隔離，則可能引起路基中孔隙水壓力升高，造成路基失穩。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調中線應急供水工程中的應用：

1、工程概況

南水北調京石段19標段樁號范圍為307+000～312+790.6，位于河北省曲陽縣境內的支曹村、南杏樹村及辛莊村等附近，工程區為華北沖積平原，地形總體平坦，地面高程66.0～79.0m。

本標段所在區域屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，冬季天氣寒冷干燥，春季氣溫回升快，風速大，蒸發量大，天氣干燥少雨；夏季氣候溫濕多雨，為河北省的雨季；秋季降雨量較少。據渠段附近氣象站資料統計，多年平均氣溫12.3℃，極端最低氣溫-19.2℃，極端最高氣溫41.7℃。多年平均風速2.1m/s，最大風速20m/s。多年平均無霜凍期189天，最大凍土深度66cm，穩定凍結初日最早為11月29日，開始解凍日期最晚為3月9日。多年平均降水量524mm。

本渠段位于華北沖積平原，地形總體平坦。沿線范圍內地面高程66.0m～79.0m。本渠段處于傾斜平原，其間夾河流地貌。

本渠段地表全部被第四系地層覆蓋，揭露的地層為第四系沖洪積層及人工堆積物。巖性多為黃土狀壤土、黃土狀砂壤土、砂壤土、壤土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂、卵礫石；人工堆積(rQ)棄土、棄渣、人工堤防、路基等。

本渠段所處區域地質構造單元為三級構造單元的太行山隆起的東部邊緣。主要區域斷裂構造有望都—新樂斷裂、石家莊斷裂、井徑—長冶斷裂、元氏斷裂、柏鄉斷裂、衡水斷裂。

本渠段地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震基本烈度Ⅵ度區。渠段內地下水的類型主要為孔隙水，主要賦存于第四系全新統的砂土及礫卵石含水層中。地下水埋深一般9.5m～15m，多屬潛水。地下水與地表水聯系緊密，具有較強或強的富水性和強透水性，部分具中等透水性。地下水對混凝土均無腐蝕性。

渠段內凍土為季節性凍土，凍土厚度0.62m～0.66m。

2、土工織物應急處理技術

渠道采用明渠設計，梯形斷面，型式為上口寬53.6～57.1m，底寬18～21m，邊坡1：2，渠深8.9m，坡面長20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道底板結構型式自下而上為：土基面、5cm粗砂墊層、2cm厚的保溫板、防滲復合土工膜、8cm厚混凝土面層；渠道襯砌混凝土面板全部采用4m×4m分縫設計，底板縱縫全部是通縫設置，橫縫依次為半縫、通縫、半縫??，交叉布置，縫寬統一為2cm，半縫深度統一為6cm，通縫深度底板8cm。

由于特殊原因，渠道需提前臨時過水。由于時間緊迫，若按原設計施工將無法滿足過水要求。經南水北調京石段指揮部及設計、監理、施工單位四方會議研究決定，采取應急處理辦法，用無紡土工布結合混凝土錨固帶對開挖渠道進行防護加固處理，確保渠道按時供水。具體措施如下：

2.1施工方案

選用300g/m2無紡土工布（幅寬不小于6m），沿渠道縱向分別于坡腳及距上口1m處各設一道混凝土錨固帶，橫向間距30m；錨固帶截面尺寸30×30cm，采用C20一級配混凝土。

2.2土工布的鋪設方法

渠道大面積開挖完成后，采用人工開挖錨固槽，裝載機配合自卸車清運土方。土工布采用人工滾鋪，布面要平整，并適當留有變形余量。長絲或短絲土工布的安裝通常用搭接、縫合和焊接幾種方法。

2.3土工布的縫合

本工程采用專用縫紉機縫合。所有的縫合必須要連續進行（不允許點縫）。在重疊之前，土工布必須重疊最少150mm。最小縫針距離織邊（材料暴露的邊緣）至少是25mm。

縫好的土工布接縫最少1行線鎖口鏈形縫法。用于縫合的線應為最小張力超過60N的樹脂材料，并有與土工布相當或超出的抗化學腐蝕能力。

任何在縫好的土工布上的“漏針”必須在受到影響的地方重新縫接。必須采取相應的措施避免在安裝后，尖銳物質進入土工布層。

2.4錨固帶混凝土澆筑

錨固帶為30×30cm、C20一級配混凝土，采用泵送法澆筑。泵管鋪設時應墊砂袋，泵管安裝、拆移、及抹面時應注意，防止對土工布造成破壞。

3、土工布鋪設的基本要求

3.1基層檢查：檢查基層是否平整、堅實，如有異物，應處理妥善。

3.2試鋪:根據現場情況，確定土工布尺寸，裁剪后予以試鋪，裁剪尺寸應準確。3.3接縫須與坡面線正交，縫合時縫合線應平直，針腳應均勻。

3.4在坡面上，對土工布的一端進行錨固，然后將卷材沿坡面放下以保證土工布保持拉緊的狀態。

3.5所有的土工布鋪設時都須用砂袋壓住，砂袋將在鋪設期間使用并保留到錨固槽混凝土澆筑時。

3.6縫合后應檢查土工布是否鋪設平整，是否存在缺陷。如存在不合要求的現象，應及時進行修補。

四、結論

通過采取應急方案，確保了本渠段在2008年9月28日（規定時間內）成功通水。渠道過水后，經聯合工作組沿線勘查，本渠段無水力沖刷破壞痕跡，渠坡未出現垮塌現象，渠道運行安全。并且本渠段還經受住了08年嚴冬的考驗，開春解凍之后，聯合工作組再次對渠道沿線進行勘查，未發現土工布有凍裂破壞現象，也未發現明顯的冰排割裂損傷，渠道岸坡未發生失穩現象。本應急方案取得了圓滿成功。

通過對土工合成材料在工程中應用的介紹,可得出如下意見:1)土工合成材料，尤其是新型的合成型材料,在工程中占有越來越重要地位。2)合成材料應用于邊坡表面防護,能夠提高邊坡的穩定性和承載能力。3)合成材料應用于嚴寒地區，有較好的使用工況。4）由于合成材料的特性和價格上的雙重優勢,應用前景廣泛。

參考文獻:：

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第四篇：《堤防工程土工合成材料應用技術》

《堤防工程土工合成材料應用技術》 第一章 綜述 目 錄 前 言

第一章 綜述

第二章 土工合成材料的功能和設計原則 第三章 堤防系統的防滲、排滲和加固 第四章 防護工程 第五章 防汛搶險工程

第六章 使用和開發中的一些問題

前 言

洪澇災害是我國自然災害中危害最大、損失最嚴重的災害。長江、黃河等七大江河的中下游及沿海平原地區，面積占國土總面積的8％。這里有全國40％的人口和35％的耕地，工農業總產值占全國的70％，也是中國人口最密集、經濟最發達的地區。該地區的洪澇災害嚴重，是我國國民經濟和社會持續發展的心腹之患。

我國在防御洪澇災害方面做出了很大努力并取得非凡成就，但由于自然、社會和經濟條件的限制，我國現在的防洪減災能力仍較低，江河和城市防洪標準普遍偏低，不能適應社會、經濟迅速發展的要求，防洪減災仍是一項長期而艱巨的任務。

河道堤防是我國防洪工程體系的重要組成部分。在長江、黃河等七大江河的中下游地區，堤防是防御洪水的最后屏障。目前我國建有各類堤防25萬km，其中主要堤防6.57萬km。我國現有的堤防有三大特點。一是堤基條件差，堤防傍河而建，在堤線選擇上有很大的局限性，基礎大多為沙基，而且絕大部分堤防的基礎基本上沒有進行處理。二是堤身質量差，不少堤防是在原民堤的基礎上，經歷年逐漸加高培厚而成，往往質量不佳。三是堤后坑塘多，尤其是長江干堤和洞庭湖、鄱陽湖區，筑堤土料嚴重不足，多年來，普遍在堤后取土筑堤，取土坑、塘多未做處理，覆蓋薄弱。因此當遭遇洪水時，經常發生管涌、滑坡、崩岸和漫溢等險情，嚴重者導致大堤潰決。在1998年的洪澇災害中，僅長江中下游干堤就出現險情6100多處，高水位時每天出險300余處。

在奪取1998年抗洪斗爭全面勝利后，全國各地掀起了以堤防工程建設為重點的水利建設新高潮。黨中央、國務院多次強調，在災后重建工作中，要運用先進技術，堅持質量第一。對土工合成材料的推廣應用給予了高度重視，朱镕基總理親自指示要在大修堤防工作中采用，并對推廣應用土工合成材料作了多次重要批示。為貫徹落實黨中央、國務院的指示精神，科學有序、積極穩妥地做好土工合成材料的推廣應用工作，在國家經貿委的支持下，水利部國際合作與科技司、水利部建設與管理司以及國家防汛抗旱總指揮部辦公室，共同組織從事科研、管理、設計、施工、教學的專家，在總結多年土工合成材料應用經驗和國內外最新進展的基礎上，編寫了這本《堤防工程土工合成材料應用技術》。本書也是“水利科技減災系列叢書”之一。它的出版，旨在向廣大工程技術人員和基層干部群眾推廣普及土工合成材料在堤防工程中的實用技術和應用知識，為在堤防工程中推廣應用土工合成材料提供技術支撐。本書也可作為水利工程設計、施工、管理等技術人員的培訓教材。在本書的編寫過程中，龔履華研究員，李廣信教授以及天津水利勘測設計院和浙江省水科所等為本書提供了許多資料。李廣信、俞仲泉、徐少曼等專家對本書進行了審閱，提出了許多寶貴意見。此外，還得到了長江科學研究院、水利部科技推廣中心的大力支持，在此一并向他們表示衷心的感謝。

由于編寫時間緊迫，書中定會存在許多不足乃至錯誤，敬請廣大水利工作者給予批評指正。第一章 綜 述

千百年來，在水利工程中，人們廣泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金屬材料，但它們都有一些固有的缺陷，例如性能單一，質量大，壽命不長，價格昂貴等，故不能全面滿足工程的特定需要。同時天然材料畢竟數量有限，而且不少天然植物材料如過分利用還會影響自然界的生態平衡，破壞人們賴以生存的環境空間，例如大規模地砍伐森林樹木，破壞地表植被，會造成水土流失和荒漠化。有些金屬材料雖然性能良好，但容易銹蝕，且成本較高，從而限制了其應用范圍。隨著近代化學工業的迅速發展，品種繁多的人工合成材料陸續問世。它們具有多種能滿足工程需要的性能，可制成各種符合實用目的的產品，而且由于其質量輕、施工簡易、運輸方便、價格低廉、料源豐富等優點，為巖土工程提供了一種嶄新的較為理想的材料，并由此帶來一種實施簡便和經濟有效的技術途徑。鑒于這種人工合成材料的強大生命力，因此近二三十年來在全世界范圍內得到迅速的發展和廣泛的使用。據不完全統計，它們已在數十萬項工程中得到成功的應用，取得了良好的經濟、社會和環境效益；在一些抗御自然災害的斗爭中，更顯出其快捷、有效、簡便的特點。無怪乎這一項新材料和新技術被人們譽為20世紀巖土工程中的一項技術革命。第一節 土工合成材料的含義及其應用概況

什么是土工合成材料，概括而言，土工合成材料是應用于巖土工程的、以合成材料為原材料制成的各種產品的統稱。因為它們主要用于巖土工程，故冠以“土工”(geo一)兩字，稱為“土工合成材料”，以區別于天然材料。

土工合成材料在早期曾被稱為“土工織物”(geotextile)和“土工膜”(geomembrane)。隨著工程需要，這類材料不斷有新的品種出現，例如土工格柵、土工網和土工模袋等，原來的名稱已不能準確地涵蓋全部產品，這樣，在其后的一段時期內，把它們稱之為“土工織物、土工膜和相關產品(related product)”。顯然，這樣的名稱不宜作為一種技術名詞或學術名詞。為此，1994年在新加坡召開的第五屆國際土工合成材料學術會議上，正式確定這類材料的名稱為“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)。它們是由煤、石油、天然氣或石灰石中提煉出來的化學物質制成，再進一步加工成纖維或合成材料片材，最后制成各種產品。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，首先由英國ICI公司研制成功的，1939年成為商品在市場上出售，它是聚合物中分子結構最簡單的一種，可分為低分子量和高分子量兩類。聚乙烯的比重為0.92，耐酸堿，抗化學劑能力強，吸濕性低，低濕時仍具柔性，電絕緣性極好。在1950年前后，又開發出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、機械強度、熔點和硬度等都比低密度的為優。

聚酰胺約在1935年研制成功，俗名為尼龍，其吸濕性較高，干燥時有一定絕緣性、機械性能好。

聚酯于1941年前后問世，它包括聚酯樹脂、聚酯纖維和聚酯橡膠等。

聚丙烯于1954年研制出來，1957年成為商品出售。它的比重為0.90～0.91，耐溫范圍-30～1400C，耐化學劑性能較好，惰性強，價格低廉，是目前應用最多的原材料之一。

此外，常用的原材料還有聚氯乙烯，它的比重為1.4，具有極好的化學穩定性，不燃燒，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。

以上五種原材料的性能對比如表1-1所示。

應當指出，材料的強度還與纖維的制作方法有關。在應用土工合成材料時，其性能更受施工方法、應用環境和側限壓力大小的影響。

土工合成材料的最早應用可追溯到本世紀二三十年代。1926年美國南卡羅林拉州公路部門曾采用過在棉布上灑瀝青而制成的材料，其形式類似于土工膜。其后，人們曾采用聚氯乙烯PVC土工膜作為游泳池的防滲材料。50年代初，美國墾務局采用PVC土工膜作防滲襯砌。前蘇聯以聚乙烯膜進行渠道防滲也有較長歷史。

以近代人工聚合物為原料的土工織物的最早應用實例，是50年代初的荷蘭三角洲工程。據估計，用量超過了1000萬m2，大大促進了土工合成材料的工程應用。60年代，美國逐漸擴展了采用土工織物修建護坡下的墊層和反濾以及護岸等，并將土工織物鋪在瀝青路面中以防止路面反射裂縫。土工網于1968年在日本開始應用，主要用在填土坡，幫助坡緣填土壓實，以增大其強度和穩定性。與此同時，土工網也被用在軟基上筑堤，以后又發展為在堤底全面鋪設。

非織造土工合成材料技術可能于1967年在美國、法國、英國開始應用，它是一種較厚的聚酯非織造土工織物，作為大壩上游拋石護坡下的反濾層，或作為基土與其上覆蓋的粗粒料之間的隔離層。非織造織物的出現為土工織物的應用開辟了較廣闊的天地。

80年代后出現了排水帶，路堤下用非織造織物作加筋，以及土工織物加筋擋墻等應用實例。我國應用土工合成材料開始較晚，但發展速度很快。目前幾乎在各種類型的巖土工程和大量的水利及堤防工程中都得到應用。1974年江蘇省江都嘶馬用織造型土工織物制成的軟體排，結合混凝土塊壓重，進行長江護岸。稍后江都西閘和湖北省長江堤防也都采用了軟體排。非織造土工織物用作反濾料的工程實例更多，云南麥子河水庫用得最早。80年代中期，非織造土工織物在尾礦壩和灰堤等工程中得到應用。塑料排水帶早在80年代初即在天津新港用于加固軟基，目前排水帶在高速公路和機場工程已應用得十分廣泛?；炷聊４钤缬糜诮K南宮河口岸，80年代末已成功應用于30多項工程。加筋土擋墻已修建不少。近年來我國已能生產土工格柵，其工程需求量很大，預計會大大促進加筋土技術的快速發展。聚苯乙烯板塊在我國寒冷地區早已用于工程防凍。近來土工格室、植被土工網墊等新技術也已開始應用。根據不完全統計，迄今我們采用土工合成材料的工程已逾8000項。

在1998年夏秋，在長江和松花江、嫩江特大洪災的防汛搶險工作中，土工合成材料發揮了重要作用。國務院領導高瞻遠矚，在災后多次批示和指示，工程界和制造廠商積極響應，展現了前所未有的應用土工合成材料熱潮。可以預見，我國的土工合成材料的應用程度、技術水平、以及產品的質量和品種在不遠的將來必將邁上一個新臺階。第二節 土工合成材料的種類

我國GB50290—98《土工合成材料應用技術規范》將土工合成材料分為以下四大類：土工織物、土工膜、土工復合材料和土工特種材料，它們又各分為數種?，F擇要介紹如下。

一、土工織物（geotextile）

土工織物是一種透水性材料，按制造方法不同。可進一步劃分為圖1-1所示的各種類型。

(一)織造型土工織物(woven geotextile)這類產品又稱有紡土工織物，是最早的土工織物產品。它的制造分兩道工序：先將聚合物原料加工成絲或紗或帶，再借織機制成平面結構的布狀產品?？椩鞎r常包括相互垂直的兩組平行絲，如圖1-2。沿織機(長)方向的稱經絲，橫過織機(寬)方向的稱緯絲。這種織物看來簡單，卻有著不同的絲種和不同的織法。

絲種包括單絲、多絲及二者的混合。單絲是單根絲，典型直徑約為圖1-2土工織物的經緯絲0.5mm，它是將聚合物熱熔后從模具中擠壓出來的連續長絲。在擠出同時或剛擠出后將絲拉伸，使其中的分子定向，以提高絲的強度。多絲是由若干根單絲組成的，在制造高強土工織物時常采用多絲。多絲也有用切割成的短絲(一般長100mm)搓擰而成的。

早期的土工織物系由單絲織成，后來發展為采用扁絲。扁絲是由聚合物薄片經利刀切成的薄條，其厚度比單絲薄得多，且在切片前后都要牽引拉伸以提高其強度。扁絲寬度約為3mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多數編織土工織物是由扁絲織成，而圓絲和扁絲結合織成的織物有較高的滲透性，如圖1-3。

另一種特殊的扁絲叫裂膜絲(fabrillated yarn)，它是將一根扁絲剖成許多根細絲，但仍連在一起。由裂膜絲織成的織物較為密實，柔軟而滲透性小。多絲和裂膜絲結合織成的編織物厚度可達1～2mm，比扁絲織成的要厚。

織造型土工織物有三種基本的制造型式：平紋、斜紋和緞紋。平紋是一種最簡單、應用最多的織法。其形式是經、緯絲一上一下，如圖1-

2、圖1-3。斜紋則是經絲跳越幾根緯絲，最簡單的形式是經絲二上一下，如圖1-4。緞紋織法是經絲和緯絲長距離的跳越，例如經絲五上一下，這種織法適用于衣料類產品。

在織造時，由于梭子要不斷地牽引緯絲從經絲的空間中穿過，故要求經絲強度比緯絲的高。采用不同的絲和紗以及不同的織法，可以使織成的產品具有不同的特性。例如平紋織物有明顯的各向異性，如圖1-5，其經、緯向的摩擦系數也不一樣；圓絲織物的滲透性一般比扁絲的要高，每厘米長的經絲間穿越的緯絲愈多，織物也愈密愈強，滲透性則愈低。單絲的表面積較多絲的要小，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。由此可見，可以借調整絲(紗)的材質、品種和織造方式等來得到符合工程要求的強度、經緯強度比、摩擦系數、等效孔徑和耐久性等項指標。在工程實施中應根據具體要求來優選產品，鋪設時要注意材料的合理鋪設方向。

(二)非織造型土工織物(non-woven geotextile)這類產品又稱無紡土工織物。根據粘合方式的不同，非織造型土工織物分為熱粘合、化學粘合和機械粘合等三種。

熱粘合非織造型土工織物的制造，是將纖維在傳送帶上成網，讓其通過兩個反向轉動的熱輥之間熱壓，纖維網受到一定溫度后，部分纖維軟化熔融，互相粘連，冷卻后得到固化。該法主要用于生產薄型土工織物，厚度一般為O.5～1.0mm。由于纖維是隨機分布的，織物中形成無數大小不一的開孔。再因為無經緯絲之分，故其強度的各向異性不明顯。

紡粘法是粘合法中的一種，是將聚合物原料經過熔融、擠壓，紡絲成網，纖維加固后形成的產品。這種織物厚度薄而強度高，滲透性大。由于制造流程短，產品質量好，品種規格多，成本低，用途廣，近年來在我國發展較快。

化學粘合法土工織物，是通過不同工藝，將粘合劑均勻地施加到纖維網中，待粘合劑固化，纖維之間便互相粘連，使網得以加固，厚度可達3mm。常用的粘合劑有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合劑前加以滾壓，得到較薄的和孔徑較小的產品。這類產品在工程中的應用較少。

機械粘合法是以不同的機械工具將纖維網加固，應用最廣的是針刺法，還有用水刺法的。針刺法利用裝在針刺機底板上的許多截面為三角形或棱形且側面有鉤刺的針，由機器帶動，作上下往復運動，讓網內的纖維互相纏結，從而織網得以加固。產品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，滲透性大，反濾排水性能均佳，在水利工程中應用很廣。水刺法是利用高壓噴射水流射入纖維網，使纖維互相纏結加固。其產品較為柔軟，主要用作衛生用品，工程中尚未應用，二、土工膜(geomembrane)土工膜是一種基本不透水的材料。根據原材料不同，可分為聚合物和瀝青兩大類。為滿足不同強度和變形需要，又有不加筋和加筋的區分。聚合物膜在工廠制造，瀝青膜則大多在現場制造。

制造土工膜的聚合物有熱塑塑料(如聚氯乙烯)、結晶熱塑塑料(如高密度聚乙烯)、熱塑彈性體(如氯化聚乙烯)和橡膠(如氯丁橡膠)等。工廠制造土工膜的方法主要有擠出、壓延或加涂料等。擠出是將熔化的聚合物通過模具制成土工膜，厚0.25～4mm。壓延則是將熱塑性聚合物通過熱輥壓成土工膜，厚0.25～2mm。加涂料是將聚合物均勻涂在紙片上，待冷卻后將土工膜揭下來而成?，F場制造土工膜是在地面噴涂或敷一層冷或熱的粘滯聚合物而成。瀝青土工膜用的是瀝青聚合物或合成橡膠。

制造土工膜時還需要摻入一定量的添加劑，使在不改變材料基本特性的情況下，改善其某些性能和降低成本。例如摻入碳黑可以提高抗日光紫外線能力，延緩老化；摻人鉛鹽、鋇、鈣等衍生物以提高材料的抗熱、抗光照穩定性；摻人滑石等潤滑劑以改善材料可操作性；摻入殺菌劑可防止細菌破壞等。對于瀝青類土工膜，其主要的摻人材料是一些填料或纖維。填料可為細礦粉，它能增加膜的強度且降低其成本；加入纖維，也是為提高膜的強度。

三、土工復合材料(geocomposite)土工復合材料是兩種或兩種以上的土工合成材料組合在一起的制品。這類制品將各組合料的特性相結合，以滿足工程的特定需要。不同的工程有不同的綜合功能要求，故土工復合材料的品種繁多，可以說土工復合材料是當前和今后一段時期發展的大方向。(一)復合土工膜(composite geomembrane)復合土工膜是將土工膜和土工織物（包括織造和非織造型）復合在一起的產品。應用較多的是非織造針刺土工織物，其單位面積質量一般為200～600g/m2。復合土工膜在工廠制造時可以有兩種方法，一是將織物和膜共同壓成；另外也可在織物上涂抹聚合物以形成二層（俗稱一布一膜）、三層（二布一膜）、五層（三布二膜）的復合土工膜。

復合土工膜有許多優點，例如：以織造型土工織物復合，可以對土工膜加筋，保護膜不受運輸或施工期間的外力損壞；以非織造型織物復合，不僅對膜提供加筋和保護，還可起到排水排氣的作用，同時提高膜面的摩擦系數，在水利工程和交通隧洞工程中有廣泛的應用。(二)塑料排水帶(prefabricafed strip drain）

塑料排水帶是由不同截面形狀的連續塑料芯板外面包裹非織造土工織物（濾膜）而成。芯板的原材料為聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多種型式，常見的有城垛式、和乳頭式等，如圖1-6。芯板起骨架作用，截面形成的縱向溝槽供通水之用，而濾膜多為滌綸無紡織物，作用是濾土、透水。塑料排水帶的寬度一般為100mm，厚度3.5～4mm，每卷長100～200m，每米重約0.125kg。我國目前排水帶的寬度最大達230mm，國外已有2m以上的寬帶產品。

塑料排水帶的施工是利用插帶機將其埋沒在土層中的預定位置。塑料帶前端與錨靴相連，用插帶機導桿頂住錨靴，插入土層中，達到預定深度后拔出導桿，但排水帶仍留在預定位置，在高出地面一定高度(0.5m左右)剪斷排水帶。施工時可用靜荷或動荷送桿，靜荷送桿對土層擾動小，較為常用。我國插帶機的插入深度可達約25m，入士速率可達6m/min。排水帶的平面分布間距可借理論計算確定，一般為l～2m。排水帶插入軟基后，為排除土中的多余水量提供了捷徑，多余水可水平向通過帶的濾膜進入芯板溝槽，再向上由地表的透水料墊層排走。排水帶在公路、碼頭、水閘等軟基加固工程中應用廣泛，以加速軟土固結。

(三)軟式排水管

軟式排水管又稱為滲水軟管，是由高強鋼絲圈作為支撐體，以及具有反濾、透水及保護作用的管壁包裹材料兩部分構成的，如圖1-7。高強鋼絲由鋼線經磷酸防銹處理，外包一層PVC材料，使其與空氣及水隔絕，避免氧化生銹。包裹材料有三層，內層為透水層，由高強特多龍紗或尼龍紗作為經紗，特殊材料為緯紗制成；中層為非織造土工織物過濾層；外層為與內層材料相同的覆蓋層。為確保軟式排水管的復合整體性，支撐體和管壁外裹材料間，以及外裹各層之間都采用了強力粘結劑粘合牢固。目前市場出售的管徑分別為50.1mm、80.4mm和98.3mm，相應的通水量(坡降i＝1/250)為45.7cm3/s、162.7cm3/s、311.4cm3/s

軟式排水管兼有硬水管的耐壓與耐久性能，又有軟水管的柔性和輕便特點，過濾性強，排水性好，可用于各種排水工程中。(四)其他復合排水材料

現在已生產出各種型式芯材和外包濾膜的復合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各種奶頭形的，有土工網的，還有用塑料絲纏成的網狀體的等等(圖1-8)，它們均具有較大的排水能力，可按工程需要選用。

四、土工特種材料

土木特殊材料是為工程特定需要而生產的產品，品種多，現選擇幾種主要產品說明如下。(一)土工格柵(geogrid)土工格柵是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先沖孔，然后進行拉伸而成的帶長方形或方形孔的板材，如圖1-9。加熱拉伸是讓材料中的高分子定向排列，以獲得較高的抗拉強度和較低的延伸率。按拉伸方向不同，格柵分為單向拉伸(孔近矩形)和雙向拉伸(孔近方形)兩種。前者在拉伸方向上有較高強度，后者在兩個拉伸方向上皆有較高強度。

土工格柵因其高強度和低延伸率而成為加筋的好材料，例如英國奈特龍(Netlon)公司生產的坦薩(TENSAR)SR2(單向)的縱、橫向抗拉強度分別為80kN/m和13kN/m，延伸率分別為9％和15％(常溫下)。土工格柵埋在土內，與周圍土之間不僅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其開孔中，還有較高的咬合力，它與土的摩擦系數可以高達0.8～1.0。

土工格柵的品種和規格很多，目前開發的新品種有用加筋帶縱橫相連而成的(圖1-10)，也有用高強合成材料絲縱橫連接而成的，等等。(二)土工網(geonet)土工網是以聚丙烯或聚乙烯為原料，應用熱塑擠出法生產的具有較大孔徑和較大剛度的平面結構材料?？梢蚓W孔尺寸、形狀、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差異。一般而言，土工網的抗拉強度都較低，延伸率較高，以英國NETLON系列為例，其抗拉強度僅為2～8kN/m，延伸率一般達到20％以上。

這類產品常用于坡面防護、植草、軟基加固墊層，或用于制造復合排水材料。一般說來，它只有在受力水平不高的場合，才能用于加筋。(三)土工模袋(fabriform)土工模袋是由上下兩層土工織物制成的大面積連續袋狀材料，袋內充填混凝土或水泥砂漿，凝固后形成整體混凝土板，可用作護坡。這種袋體代替了混凝土的澆注模板，故而得名。模袋上下兩層之間用一定長度的尼龍繩來保持其間隔，可以控制填充時的厚度。澆注在現場用高壓泵進行?；炷粱蛏皾{注入模袋后，多余水量可從織物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使強度增高。

按加工工藝的不同，可將模袋分為兩類，即機織模袋和簡易模袋。前者是由工廠生產的定型產品，而后者是用手工縫制而成。

機織模袋按其有無排水點和充填后成型的形狀分成許多種。我國現行的機織模袋有下列五種，其形狀、規格與用途見表1-2

1．有過濾點模袋(FP)過濾點將上下兩片織物連在一起，濾點處不讓泵液進入，它可供排除土坡滲水，消除孔隙水壓力。這類模袋充填砂漿。2．薄型無過濾點模袋(NF)這類模袋只有接縫排水，充填料用砂漿，適用于無水位驟降和無防滲要求的護坡。3．厚型無過濾點模袋(CX)充填細砂混凝土，厚度大，用于重型防護工程，如海灣、碼頭護岸。4．鉸鏈型模袋(RB)這類模袋充填砂漿凝固后，形成許多獨立而又以尼龍繩相聯的塊體，塊與塊間能自由轉動，排水通暢，適用于有較大不均勻沉降和地形變化大的坡面或地基防沖。5．框架型模袋(NB)這類模袋充填砂漿后形成方形或長方形格子，格中可種植花草，既可護坡，又美化環境。此外，近年來美國HYDROTEX公司還生產一種稱為AB型的模袋，其中插有鋼筋，為鉸鏈式，強度高，適用于海岸防護。(四)土工格室(geocell)土工格室是由強化的高密度聚乙烯寬帶，每隔一定間距以強力焊接而形成的網狀格室結構。典型的條帶厚1.2mm、寬100mm，每隔300mm進行焊接。閉合和張開時的形狀如圖1-11。格室張開后，可填以土料，由于格室對土的側向位移的限制，可大大提高土體的剛度和強度。它可用于處理軟弱地基，增大其承載力，沙漠地帶可用于固沙，還可用于護坡等。

(五)土工管(geotex tube)、土工包(geocontainer)土工管、土工包是用經防老化處理的高強土工織物制成的大型管袋及包裹體，可有效地護岸和用于崩岸搶險，或利用其堆筑堤防，解決疏浚棄土的放置難題。

土工包是將大面積高強度的土工織物攤鋪在可開底的空駁船內，充填200～800m3料物，將織物包裹閉合，運到一定部位，沉至預定位置。在國外，該技術大量用于環保。(六)聚苯乙烯板塊(EPS)聚苯乙烯板塊稱泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物為原料，加入發泡劑制成的。它的主要特點是質量極輕、導熱系數低、吸水率小，但也有一定抗壓強度。其單位體積質量僅20.4～40.8kg/m3，為砂和混凝土的1/50～1/100，屬超輕型材料；導熱系數為λp＝0.03～0.038kcal／mH·℃，吸水率僅為O.15～0.20g/100cm3。由于其質輕，可用它代替土料，填筑橋端的引堤，解決橋頭跳車問題。其導熱系數低，故在寒冷地帶，可用該材料板塊防止結構物凍害，例如在擋墻背面或閘底板下，放置泡沫塑料以防止凍脹等。(七)土工合成材料粘土墊層(Geosynthetic Clay Liner簡稱GCL)土工合成材料粘土墊層是由兩層或多層土工織物(或土工膜)中間夾一層膨潤土粉末(或其他低滲透性材料)以針刺(縫合或粘接)而成的一種復合材料。它與壓實粘土墊層相比，具有體積小、質量輕、具柔性、密封性良好、抗剪強度較高、施工簡便、適應不均勻沉降等優點，可以代替一般的粘土密封層，用于水利或土木工程中的防滲或密封設計。國外大量用于廢料坑的底部防滲襯砌和頂部封蓋。產品的具體規格和用途可參見第六章第三節。第三節土工合成材料的耐久性和防護保養

一、影響耐久性的主要因素

土工合成材料的原材料是高分子聚合物。這種物質是鏈節結構，它對氧化(老化)十分敏感，容易發生降解反應和交換反應，導致材料破壞。為此，土工合成材料的使用壽命自然引起工程人員的高度關注。氧化包括熱和溫度引起的熱氧化，以及陽光中紫外線產生的光氧化。其中光氧化的破壞作用很強，因為紫外線具有很大能量，能切斷聚合物的分子鏈，或引發光氧化反應。此外，影響材料耐久性的還有化學與生物侵蝕、干濕作用、凍融變化和機械磨損等，但以日照紫外線的影響最重要。

各種原材料抗紫外線的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚酯最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其間，顏色淺的比深的差。由于老化是從表層逐漸向內部發展，故產品厚的較薄的耐老化。

二、延緩老化的措施

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，可以大大延緩。延緩老化的措施可以從兩方面著手：一方面是在原材料中加人防老化劑，抑制光、氧、熱等外界因素對材料的作用，如摻適量的抗氧劑、光穩定劑和深色碳黑等。有的單位在聚丙烯中加入防老化劑，經4年日光直接爆曬，強度僅損失25％，如果不加防老化劑，直接在日光下照射2～3月，強度即損失殆盡。另一方面是在工程中采取防護措施，如盡量縮短材料在日光中的暴露時間，用巖土(要求在30cm厚以上)或深水覆蓋等。老化破壞程度常以材料的某物理力學量的變化率來反映，例如材料抗拉強度的損失或延伸率的變化等。

三、部分現場觀測成果

以下是一些實際工程中土工合成材料經長期工作后的檢測結果。

(1)1958年，美國佛羅里達州海岸護坡首先用PVC織造型土工織物作墊層，27年后取樣試驗，其性能仍十分良好。

(2)1965年，中國水利水電科學研究院在北京東北旺農場用PVC土工膜(厚0.12～0.15mm)鋪在渠道上作防滲試驗，埋在土下30～40cm，運行20年后仍保持良好防滲性。

(3)1970年，法國法拉克羅斯土壩用滌綸(聚酯)非織造土工織物作護坡墊層，運行6年后取樣測定，抗拉強度僅減小8％。法國許多工程采用這種織物，運行12年后，絕大部分強度損失不到30％。

(4)1981年，葛洲壩水力發電工程二江泄水閘基礎按長江委長科院的研究成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、滌綸織造土工織物的組合體作為基巖排水孔的過濾體。運行15年后抽樣檢測，發現織物在pH值為9.02～10.58的水下工作，其經向強度僅下降4％～8.5％，緯向強度下降7.5％～22.5％。

(5)西德漢諾威大學的試驗表明，在有防護條件下，運行15年，滌綸織物強度損失不到5％，丙綸織物強度損失不到10％。而且老化速度隨時間明顯減緩。鑒于土工合成材料在工程應用中具有一定的抗老化能力，故有些國家的某些文件中對其使用年限作了較為寬限的規定，如前蘇聯BCH07-74《土石壩應用聚乙烯防滲結構須知》中規定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超過50年的建筑物。奧地利林茨公司發表的“聚丙烯土工合成材料的長期性狀”一文中的結論寫道：“對聚丙烯的15年以上的現場應用經驗表明，它們的化學和生物穩定性高；織物的最大損壞是在施工中；鋪設以后沒有大變化；……可預期超過100年的穩定性”。

綜上所述，根據經驗和合理推論，一般認為土工合成材料的使用壽命至少在30年以上。事實上，英國NETLON公司對其產品的設計年限是120年。第四節 土工合成材料的性能和測試方法

一、土工合成材料性能指標的分類

土工合成材料被廣泛應用于水利和巖土工程的各個領域。不同的工程對材料有不同的功能要求，并因此而選擇不同類型和不同品種的土工合成材料。為使土工合成材料在施工期和運用期能正常工作，必須有合理的設計方法和使用規范，統一的設計指標，并通過實驗驗證。土工合成材料的指標一般可分為物理性能指標、力學性能指標、水力性能指標、土工合成材料與土相互作用指標及耐久性指標等。下面逐一加以簡單介紹。(一)物理性能指標 1.單位面積質量

單位面積質量，系1平方米土工織物的質量，稱為土工織物的基本質量，單位為g/m2。它是土工織物的一個重要指標。對于任何一種系列產品來說，土工織物的單價與單位面積質量大致成正比，其力學強度隨質量增大而提高。因此，在選用產品時單位面積質量是必須考慮的技術和經濟指標。2.厚度

指土工織物在2kPa法向壓力下，其頂面與底面之間的距離，單位為mm。土工織物厚度隨所作用的法向壓力而變，規定2kPa壓力表示土工織物在自然狀態無壓條件下的厚度。由圖1-12可見不同類型土工織物的壓縮量差別很大，其中針刺非織造土工織物的壓縮量最大。因此，當考慮非織造土工織物水力特性時，必須注意到上覆壓力變化使水力特性變化的特點。3．孔隙率

定義為非織造土工織物所含孔隙體積與總體積之比，以百分數(％)表示。該指標不直接測定，由單位面積質量、密度和厚度計算得到。可按下式計算

土工織物常用原材料的密度為：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?？紫堵逝c厚度有關，所以孔隙率也隨壓力增大而變小。有時織造和非織造土工織物的孔徑和滲透系數很接近，但不能認為兩者水力性能相似。非織物土工織物的孔隙率遠大于織造土工織物，因此其具有更好的反濾和排水性能。(二)力學性能指標

針對土工織物在設計和施工中所受荷載性質不同，其力學強度指標分為下列幾種：抗拉強度、握持強度、撕裂強度、脹破強度、CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度等。在前3項試驗中，試樣為單向受力，其縱向和橫向強度需分別測定；而后4項試驗中，試樣為圓形，承受軸對稱荷載，縱橫雙向同時受力。在上述眾多力學指標中，最基本的是抗拉強度。1.抗拉強度和延伸率

抗拉強度也稱為條帶法抗拉強度，為單向拉伸。縱向和橫向抗拉強度表示土工織物在縱向和橫向單位寬度范圍能承受的外部拉力，單位為kN/m。對應抗拉強度的應變為土工織物的延伸率，用百分數(％)表示?？估瓘姸仁橇W性能中的重要指標。在各種功能的應用中對抗拉強度都有一定的要求。當用于加筋和隔離功能時，抗拉強度是主要的設計指標，而在排水和反濾功能的工程中，抗拉強度雖不是主要指標，但由于鋪設過程中會受到扯拉、頂壓、撕破等各種施工荷載，運用過程中也可能因建筑物變形而受拉，所以對強度也有一定要求。2.握持強度

握持強度表示土工織物抵抗外來集中荷載的能力，試驗時僅1/3試樣寬度被夾持，進行快速拉伸。土工織物對集中荷載的擴散范圍越大，則握持強度越高，單位為N。3.撕裂強度

撕裂強度表示沿土工織物某一裂口將裂口逐步擴大過程中的最大拉力，單位為N。4.脹破強度、CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度

這四個強度的試驗都表示土工織物抵抗外部沖擊荷載的能力，其共同特點是試樣為圓形，用環形夾具將試樣夾??；其差別是試樣尺寸、加荷方式不同，各試驗示意圖見圖1-13。不同頂桿尺寸模擬不同頂壓物，如塊石、樹枝等。脹破強度單位為kPa，其他3項強度單位為N。此外，落錐強度也屬此類，其試樣尺寸與CBR相同，試驗時一個重1kg的圓錐自50cm高處自由落下，測定試樣被刺破的孔洞尺寸，單位為mm，該試驗重復性較差。除抗拉強度外，其他各力學強度指標直接用于設計的情況還不多見，它們主要是做為參考指標，根據工程實際情況，便于對產品進行比較和選擇。

（三）水力性能指標

水力性能指標主要為等效孔徑和滲透系數，是土工織物兩個很重要的特性指標。由于土工織物是與土共同工作的，對織物的基本要求是既能保土又能排水，這就要求土工織物的孔徑很小(能擋住土)而排水又很通暢，兩者看來是有矛盾的，而土的多變性更增大了問題的復雜性。某一土工織物對這種土是合適的，而對另一種土未必也是合適的。目前常用保土準則和透水準則來選擇土工織物的等效孔徑和滲透系數，即將土工織物的等效孔徑和土的特征粒徑建立關系式，同時將織物的滲透系數與土的滲透系數建立關系式，以求達到既保土又排水的目的。保土準則和透水準則由實驗得到。由于實驗時控制的條件不同，得到的準則也有差異?？砂淳唧w情況選擇準則，有條件進行模擬實驗則更好。鑒于目前仍以保土和透水作用做為選擇土工織物反濾層的準則，因此等效孔徑和滲透系數兩個水力特性指標是反濾和排水功能中的重要指標。

1.等效孔徑(表現孔徑)以土工織物為篩布，用某一平均粒徑的玻璃珠或石英砂進行振篩，取通過土工織物的過篩率(通過織物的顆粒質量與顆?？偼斗帕恐?為5％(留篩率為95％)所對應的粒徑為織物的等效孔徑O95，表示該土工織物的最大有效孔徑，單位為mm。用同樣的步驟，則相應得到O85、O50和Ol5的孔徑值。土工織物的孔徑分布曲線形狀與土的顆粒分布曲線相似，見圖l-14。

2.垂直滲透系數和透水率

垂直滲透系數為水力梯度等于l時，水流垂直通過土工織物的滲透速率，單位為cm/s。透水率為水位差等于1時的滲透速率，單位為1/s 3.水平滲透系數和導水率

水平滲透系數為水力梯度等于1時水流沿土工織物平面的滲透速率，單位為cm/s。導水率為沿土工織物單位寬度內的輸水能力，單位為cm2/s。(四)土工織物與土相互作用性能指標 1.土—織物界面摩擦系數 埋在土中的土工織物，通過土—織物界面摩擦力將外荷傳遞至土工織物，使土工織物承受拉力，形成加筋土。工程實例有加筋土擋墻、堤基加筋墊層等。按試驗方法可分為直剪摩擦系數和拉拔摩擦系數。2.土 織物滲透特性

土—織物聯合應用時，如何使土工織物能長期保持良好的保土及排水性能，不發生淤堵，目前還沒有滿意的理論準則。為判斷織物是否會發生淤堵，可進行長期淤堵試驗或梯度比試驗，前者試驗歷時達500～1000h，后者需測試24h或更長。兩種試驗都還存在一些問題，有待積累經驗逐步改進。(五)耐久性能指標

耐久性能指標主要有耐磨、抗紫外線、抗生物、抗化學、抗大氣環境等多種指標。大多沒有可遵循的規范、規程。一般按工程要求進行專門研究或參考已有工程經驗來選取。(六)有關土工合成材料功能、設計指標種類及其品種的考慮 在表1-3中列出了土工合成材料用作不同功能時，其常用的設計指標種類和通常選用的材料品種。

二、測試方法

(一)試驗操作和資料整理時應泣意和遵守的事項 1.制樣原則

每項試驗一般剪取6～10個試樣，應從卷材長度和寬度方向上隨機剪取樣品，距卷材邊緣不小于100mm。同一項試驗的各試樣應避免它們位于卷材同一縱向或橫向位置上。2.試樣調濕

大多數織造或非織造土工織物在測試時對試驗室無溫濕控制要求，只要記錄試驗時溫度和濕度即可。而一些對溫度較敏感的土工合成材料，如土工格柵、土工網等，試驗前應對試樣進行調濕，即將試樣在溫度為20土2℃和濕度為65土5％環境中靜置24h以上，然后在該環境下試驗。3.夾具

在力學指標試驗中離不開夾具，單向拉伸用扁夾具，圓形試樣用環形夾具。都要求夾具能均勻可靠地夾住試樣，應能防止試樣在鉗口內打滑，且不會被夾壞。當有打滑或夾壞現象時應采取下列措施：①鉗口內加襯墊；②鉗口內試樣用涂料加強；③改進鉗口面。在試驗過程中應隨時觀察夾具邊緣試樣是否有打滑或局部損壞現象。任何打滑、夾壞或局部損壞現象均將大大降低測試結果。4.資料整理

式中符號意義見式(1-2)。

Cυ反映樣品的均勻程度。當樣品很不均勻，測試值變化范圍較大，Cυ就大，平均值的代表性就差。增加試樣數量，平均值更具代表性，同時Cυ下降。(3)按式(1-5)計算所需要的試樣塊數nN。

上式表明了試樣個數與Cυ 的關系。土工織物均勻性越差，要求試樣的數量就越多。非織造土工織物均勻性比織造土工織物差些，因此前者的試驗通常取10塊試樣，而后者可取6塊。對于同一等級的兩個產品，由Cυ值可比較兩者的均勻性。(二)幾項主要試驗測定方法的一些問題

關于土工合成材料各項指標的測定方法可參閱有關的規程規范，這里只對幾項測定技術比較復雜的項目作些說明。

1.孔徑試驗(干篩法)中的幾個問題(1)振篩用的顆粒材料，按標準篩孔徑分級如下：0.063～0.075mm，0.075～0.090mm，0.090～0.106mm等等。

(2)需測定孔徑分布曲線時，應取得不少于3～4級連續分級顆粒的過篩率，并要求試驗點均勻分布。若僅測定等效孔徑O95，則有兩組的篩余率在95％左右即可。

(3)孔徑試驗有干篩法、濕篩法、顯微鏡直讀法、水銀壓入法等，不管哪個方法都存在一些問題。最近國際標準(ISO)及我國國標(GB)都規定孔徑試驗采用濕篩法。但實際應用中國內和國外都普遍采用干篩法。

(4)孔徑曲線的縱標為篩余率。由于篩余量包括了留在織物上面和嵌在織物內的顆粒，因此是不容易直接測準的，而過篩量可以準確測定，所以通常測定過篩量，計算篩余率。2.拉伸試驗中的幾個問題

(1)目前國內試驗室大多采用窄條試樣，即試樣寬50mm、長100mm。國際上大多采用寬條試樣，試樣寬200mm、長100mm。這兩種試樣的試驗方法相同，但寬條試樣試驗要具備一對實際有效寬度為210mm的夾具，試驗荷載相應增大，操作技術也復雜一些。目前國際上只認定寬條法試驗成果，為此國內有關部門還需不斷改進設備、提高操作技術，逐步過渡到寬條法。

(2)拉伸過程中應記錄拉力 伸長量曲線。目前設計往往要求提供某一應變時的抗拉強度，有時要求提供初始模量，兩者都由拉力 伸長量曲線上獲得。

(3)握持試驗和撕裂試驗的方法與條帶拉伸試驗方法相似，僅夾持方法不同。握持和撕裂試樣如圖1-15所示，圖中陰影線部分為夾持部分。由圖可知，握持試驗夾持面積(長×寬)為50mm×25mm，撕裂試驗夾持寬度為84mm。兩試驗拉伸速率為100mm/min。拉伸過程中最大拉力即為握持強度或撕裂強度，單位為N。

(4)土工帶、土工格柵和土工網等的抗拉強度試驗方法類似，而取樣方法各不相同。土工帶取整條帶進行拉伸，計量長度100mm，拉伸速率為50mm/min。拉伸過程中的最大拉力即為土工帶的抗拉力，單位為kN。土工格柵和土工網試樣，在寬度和長度方向上均以一根筋(或一孔)作為單元進行拉伸。拉伸速率每分鐘為試樣計量長度的20％。拉伸過程中的最大力為一根筋(或孔)的拉力，再計算l米寬度范圍內的筋(或孔)數，即可得出每米寬的抗拉力，即抗拉強度，單位為kN/m。

(5)拉力機上配一反向器即有加壓功能，可進行刺破和圓球頂破試驗。兩種試驗的試樣直徑相同，可用同一環形夾具，再分別配一個φ8mm頂桿和一個φ25mm圓球頂桿即可。項壓速率為100mm/min，單位為N。

對于CBR試驗，試樣直徑φ150mm，頂桿φ50mm，通常在壓力機上加壓，頂壓速率為60mm/min，單位為N。另脹破試驗應用專門設備進行試驗。3.垂直滲透試驗中的幾個問題

(1)垂直滲透系數的定義為水力梯度等于1(或單位水力比降)時的滲透速率。這并不是規定試驗時的水力梯度為l。試驗用的水力梯度變化范圍較大，主要由織物的透水程度、測讀精確度和保證層流條件而定。

(2)通常進行無壓下的垂直滲透試驗，而實際工程上都是有壓的。有壓時的垂直滲透系數很重要，但試驗比較困難。若要在試樣上加壓，勢必在試樣上面有加壓板，同時在試樣下面有托板。這上下兩塊板，即使用開孔面積很大的板，也會影響試樣的過水面積。目前還沒有直接測定的好辦法。

(3)滲透試驗采用單片試樣還是多片試樣取決于試樣類型。從理論上說，用單片試樣最好，但往往難以實施。如非織造土工織物由于孔隙大，透水性大，若用單片，則要求所用的水位差很小，但過小的水位差測讀誤差大，為此應該加大滲徑長度，取多片試樣進行測試。通常非織造土工織物試樣的總厚度應達到20mm左右。對于織造土工織物，視其孔隙而異，有時用單片，有時用2～3片。

(4)土工膜的防滲性能也可用垂直滲透系數表示。一般土工膜的滲透系數值小于1×10-11cm/s。試驗原理與土工織物垂直滲透試驗相同。不同之處有，試驗在有壓力(一般為100kPa，相當于1000cm水位差)下進行，由于滲水量很小，試驗持續時間較長。

第二章 土工合成材料的功能和設計原則

土工合成材料具有多方面的功能，一種土工合成材料往往就兼有數種功能。隨著土工復合材料的發展，所兼有的功能就更多?？偟恼f來，土工合成材料的主要功能可歸納為六類，即反濾功能、排水功能、隔離功能、防滲功能、防護功能以及加筋和加固功能?，F分別加以敘述。有關各種材料在不同工程中的應用原則和施工方法參閱后續各章。第一節 反濾功能

一、反濾作用

當土中水流過土工織物時，水可以順暢穿過，而土粒卻被阻留的現象稱為反濾(過濾)。反濾不同于排水，后者的水流是沿織物表面進行的，而不是穿越織物。當土中水從細粒土流向粗粒土，或水流從土內向外流出的出逸處，需要設置反濾措施，否則土粒將受水流作用而被帶出土體外，發展下去可能導致土體破壞。土工織物可以代替水利工程中傳統采用的砂礫等天然反濾材料作為反濾層(或稱濾層)。

用作反濾的土工織物一般是非織造型(無紡)土工織物，有時也可以用織造型土工織物。

二、典型應用(舉例)堤壩工程中可以用土工合成材料作濾層的情況很多，以下是一些常見的使用場合。（1）堤壩粘土斜墻和粘土心墻的反濾層。（2）堤壩內部和下游排水體濾層。

（3）渠道、堤防、海岸等亂石或混凝土板護面下的濾層。（4）水閘分縫處、下游護坦、河漫下的濾層。（5）擋土墻、岸墻等背面排水系統中的濾層。（6）排水暗管或排水暗溝外面的包裹體。（7）減壓井或測壓管的外裹體。以上應用的示意見圖2-1。

此外，公路和機場跑道的基層，鐵軌下道渣與土基間的隔離層等，也都同時要求反濾功能。

三、反濾和淤堵機理

以往的直觀概念都認為土工織物起反濾作用等同于過篩作用，后來的研究卻證明土工織物所以發揮反濾功能主要是由于它具有促進天然濾層形成的“催化”作用。另外，當土工織物作為濾層而長期作用時，發現有淤堵現象，從而使其反濾作用減弱或至消失。為此需要弄清淤堵的成因，方能有效地防止淤堵發生。

（一）反濾機理

土工織物的反濾作用可以用圖2-2來說明。圖中左側為大孔隙堆石體，右側為被保護土，二者之間夾有起反濾作用的土工織物。當水流從被保護土自右向左流入堆石體時，部分細土粒將被水流挾帶進入堆石體。在被保護土一側的土工織物表面附近，較粗土粒首先被截留，使透水性增大。同時，這部分較粗粒層將阻止其后面的細土粒繼續被水流帶走，而且越往后細土粒被流失的可能性越小，于是就在土工織物的右側形成一個從左往右顆粒逐漸變細的“天然反濾層”。該層發揮著保護土體的作用。可見土工織物的存在只是起了促成天然反濾層形成的“催化”作用。(二)淤堵機理

土工織物中的孔道被堵塞，過水面積減小，滲透性下降的現象稱淤堵。形成淤堵的原因可分為機械淤堵、化學淤堵和生物淤堵。一般情況下，機械淤堵為主要形式。

機械淤堵是土體中的細顆粒隨水流進入土工織物孔隙中，并停留其中，隨時間增長，停留的細粒愈來愈多，織物的透水性愈來愈小。化學淤堵是由于滲流水中的各種離子，受化學作用形成不溶于水的化合物，如CaC03、Fe02等，停留于織物孔隙中，減少水流通道從而降低織物的滲透性。生物淤堵是土體或土中水內的藻尖、菌頭微生物和有機質在織物孔隙中滋長繁殖，堵塞孔隙所造成。

淤堵對織造型和非織造型土工織物有著不同影響?？椩煨涂椢锟卓谕ǖ绬我唬軤钔ǖ篱g不連通，故孔口或通道內任一處被堵塞，整個通道即不通。針刺非織造土工織物則兼有垂直和水平結構，而且它們之間是相通的，織物孔隙呈迂回樹枝狀的立體結構，水分進入后即可相互串通，所以即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相當的透水性。

四、反濾設計準則

為了讓所選用的土工織物能長期發揮反濾作用，對織物應該提出一定的要求。正像以往采用粒狀土料(砂礫料)作反濾層時那樣，應使土料粒徑符合一定的準則。對用作反濾的土工織物，基本要求如下，(1)被保護的土料在水流作用下，土粒不得被水流帶走，即需要有“保土性”，以便防止管涌破壞。

(2)水流必須能順暢通過織物平面，即需要有“透水性”，以防止積水產生過高的滲透壓力。(3)織物孔徑不能被水流挾帶的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反濾作用失效。(一)保土性準則

既然要求織物保土，則織物的孔徑與土的粒徑之間就必須符合一定的關系?？讖竭^大，土粒會穿過孔洞而流失；過小又妨礙透水和容易被堵塞。

借鑒傳統的粒狀土反濾層的保土要求，并依據眾多的試驗研究表明，為了保土，織物的某等效孔徑Oe和被保護士的特征粒徑d85之間應該符合以下關系：

式中Oe是一個由試驗測得的等效孔徑值。目前國內外采用最多的是Oe＝O95，或者Oe＝O90。O95和O90之間的統計關系為O95/O90≈1.2。d85是被保護土的一個特征粒徑，可從被保護士的顆粒分析試驗曲線上查得，它表明土中粒徑小于該值的顆粒的質量是全土質量的85％。而式中的n則是與土中的細粒(土粒粒徑d≤0.075mm的部分)含量和不均勻系數Cu(＝d60/d10)等相關的經驗系數。

SI/T225—98《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》規定，Oe＝O95，n一般為1～2，選用該值的詳細規定請參考該《規范》。必須指出，以上對n值的規定是針對一般水流情況而定的，對于較為復雜的情況，例如對有往復水流或有動力作用的情況，則織物的孔徑應該要求大一些。因為在往復水流情況下，織物的保土側難以形成“天然反濾層”；對有浪擊的情況，負壓會通過織物孔隙對土產生抽吸作用，等等。鑒于上述情況，故SL/T225—98對此作出如下規定：

另外在一些特殊場合的特殊工程，如防汛搶險，往往要求濾層中水流十分暢通，此時需要采用孔徑較大的材料，有時甚至采用窗紗來做反濾。(二)透水性準則

目前對土工織物透水性的要求，是以織物和被保護士的滲透系數的相對關系來表示。規范對此作了如下規定：

(1)被保護土級配良好，水力梯度低和預計不致發生淤堵(中粗砂等)時

(2)若排水失效會導致土體結構破壞，且修理費用高，或水力梯度高，流態復雜等情況

有的標準要求比式(2-4)中10更大的系數，是考慮土工織物在實際工作中，其滲透系數可能會由于織物被阻塞或受壓變薄而降低的情況發生。(三)防堵性準則

為防止土工織物在長期工作中被淤堵，應該用選定的織物和被保護的現場土料作較長期試驗來檢驗。這樣做費時費事，因此SL/T225—98對于土工織物防堵性提出了以下要求：(1)被保護土級配良好，水力梯度低，流態穩定，修理費用小及不發生淤堵時

(2)被保護土易管涌，具有分散性、水力梯度高、流態復雜、修理費用大的情況。

這里需要解釋一下“梯度比”的意義。梯度比是美國陸軍工程師團為了用較短時間判斷土工織物濾層的工作狀態而建議的一個指標，由淤堵試驗裝置測定，如圖2-3。圖中的6代表待測定的土工織物，它被安放在作為支承體的透水銅絲布7上。織物上面是由現場取來的并按要求壓實的土。在織物上面25mm和再上面50mm處的試驗筒兩側壁上，各安裝有測壓水管(同一高程兩側各設一管是為了取其平均值作為測讀水位)，試驗筒頂不斷供水，使水流通過土體、織物，由圖中的調節管8排出。量測通過上面50mm土層后測壓管的水位差，計算出相應的梯度is；同樣量測通過下面25mm土層和土工織物的測壓管水位差，計算出相應的梯度isg。后一梯度對前一梯度的比值，即GR＝isg/is稱為梯度比。GR≤3的準則可以轉化為滲透系數的概念。按此，應該有

附帶說明，上面所述的和其他一些現有的保土準則都是針對非織造型土工織物制定的。對于織造型土工織物，現在還沒有公認的準則，SL/T225—98的條文說明中介紹了部分單位的經驗，可供參考。另外，為了防堵，許多專家主張，采用的土工織物的孔徑宜較準則要求的適當加大。

五、設計要點

采用土工織物作為反濾層時，首先要求選用的材料必須滿足反濾準則；其次，它們在鋪設后必須是穩定的；再次，雖然它們并不是作為受力部件來作用，但需要有一定的強度，應能承受施工應力和可能遇到的其他荷載。因此一般的設計應該包括以下內容。(一)提供必要的基本數據

1.被保護土的主要物理力學性指標

被保護土的主要物理力學性指標包括：土的分類、顆粒分析曲線(由此可查取土的特征粒徑d85、d60、d15、d10…)、土的不均勻系數Cu＝d60/d10、土的滲透系數K、土的抗剪強度指標、土的化學成分等，它們可由試驗確定。2.填土的性質指標

填土的性質指標即回填土的擊實試驗曲線，從曲線上確定填土的最大干容重γdmax和最優含水率Wop。

3.待選土工織物的性質指標 待選土工織物的性質指標包括土工織物的單位面積質量M、等效孔徑O95、垂直滲透系數Kυ、水平滲透系數Kh、抗拉強度以及由淤堵試驗測得的梯度比GR等。(二)一般的強度要求

織物要求的強度T很難計算確定，通?？梢愿鶕涷灠匆韵虑闆r取值。

(1)一般閘壩，要求無紡土工織物的M≥300g/m2，T≥8.0kN/m，縱橫向強度比為2/3～3/2(M為單位面積質量，T為抗拉強度)。

(2)預計應力較大時，M≥400g/m2，T≥10kN/m，縱橫強度比為2/3～3/2。(3)應力更大時，M≥500g/m2，T≥12kN/m，縱橫強度比為2/3～3/2 第二節 排水功能

一、排水作用

水利工程中需要將土中水排走的情況很多，例如堤壩工程中降低浸潤線位置，以減小滲流力；擋墻背面排水，以消減水壓力，提高墻體穩定性；土坡排水，減小孔隙壓力，防止土坡失穩；隧道和廊道排水，以減輕滲水壓力；軟土地基排水，以加速土固結，提高地基承載力等等。傳統的排水材料多采用強透水粒狀材料，土工織物用作排水時兼起反濾作用，同時，不致因土體固結變形而失效，它具有施工簡便，縮短工期，節約工程費用等優點。

二、典型應用(舉例)以下是堤壩工程中可以應用土工合成材料作為排水設施的一些常用場合。(1)堤壩體內煙囪式排水及下游排水褥墊層。(2)堤壩防滲土工膜下的排水、排氣墊層。(3)設于水力沖填壩中的孔壓消散層。(4)土堤下游坡的排水層。(5)擋墻及岸墻后的排水層。

(6)加速軟基固結的排水帶或排水板。

(7)凍脹區用于截斷毛細水上升，防止凍害；干旱區防止毛細水上升造成鹽堿化。

三、設計要點

土工合成材料用作排水體的設計方法與反濾層的基本相同。但由于在此項用途中，織物應有足夠的平面排水能力以導走來水，所以要進行排水能力的校核。本節先介紹一般的排水設計方法，而后再就幾種特殊情況，做些說明。(一)一般的排水設計 1.所需的基本資料

與反濾設計中要求的類似，應提供土體的物理力學特性，如土的分類、土的顆粒分析曲線、土的滲透系數等；有關地質、水文資料；來水量(或根據條件估算)；土與水的化學成分等。另外，應提供待選土工織物的厚度δ、等效孔徑O95、水平滲透系數Kh、垂直滲透系數Kυ等。

2.以反濾準則檢驗待選土工織物

用于排水的無紡土工織物首先應符合反濾準則，故待選材料應先按第一節中的三項準則逐一加以檢驗，如不合格，應更換其他合格材料。3.排水能力校核

這里我們先介紹一種反映土工織物透水性的指標。土工織物排水是依靠其平面滲透性，按照理論應該以其水平滲透系數Kh來表示。但是，由于織物埋在土內要受到一定的壓力，其厚度δ要變薄，垂直滲透性和水平滲透性都將減小，為了回避可變的厚度δ，根據達西定理，推導出反應織物滲透性的另外兩個指標：

式中： q表示單位寬度的來水量；△h為土工織物上下兩側的水位差值；A為通過水流的面積； i為水流通過織物時的水力梯度。某種土工織物用作排水時是否合適，需要先計算兩種導水率：一個是由需要排除的水量q(亦即來水量)計算得要求的導水率θr，另一個是根據所提供織物的指標算出的織物可提供的導水率θa，按以上所述，它們可以按式(2-10)及式(2-11)計算：

式中：Fs是安全系數，一般應不小于3；q為來水量，可以借流網法或其他方法估算(可參考有關資料)。

式(2-11)如果得不到滿足，可以更換厚一些的織物，或改用排水量大的其他排水土工合成材料。

(二)煙囪式排水布置

上游來水流到豎向排水體土工織物(圖2-4)，將沿織物往下流，通過下游底部排水層導向堤外。

這種情況下的計算與上述

（一）中所述的基本相同，即先按流網估算進人煙囪式排水體的來水量q，由此按式(2-9)算出θr(其中的i＝sinβ)；其次由提供的土工織物指標，按式(2-10)算出θa；再由式(2-11)檢驗提供的織物是否合適。

要注意的是流入織物的滲流量是由上而下累計增大的，如圖2-4(b)，其底部流量最大，應該逐段驗算。

(三)堤壩底部排水層

軟基上堤壩底部鋪設土工織物作為排水層的示意如圖2-5。飽和軟土地基在堤壩重力作用下將排水固結，排出的水量通過土工織物向兩側流走。

這種情況的排水計算較前述的稍復雜，因為它要涉及土的固結計算。這里不作詳細介紹，僅寫出以下公式作為參考。式(2-12)假設土工織物的最大承壓力為地基中最大水壓力的10％～15％，并根據單向固結理論推導得出：

式中：B為堤壩底寬；Ksυ是地基土的垂直向滲透系數； Cυ為土的固結系數，它是由地基土的固結試驗求得的反映固結快慢的一個指標；t為筑堤的時間。同樣，可按式(2-11)檢驗所采用的織物是否有足夠的導水能力。(四)塑料排水帶垂直排水設計

在第一章中已簡單介紹了塑料排水帶的構造，它是由塑料排水芯材外包非織造土工織物(濾膜)構成的一種土工復合排水材料，在軟土地基加固中應用廣泛。這種材料是由早期的“排水砂井”演變而來。

利用砂井加速軟土地基固結的基本概念如下：假設有一處飽和軟土地基，如圖2-6(a)，在其表面施加外荷載(建筑物重量)，土中會產生超過靜水壓力的孔隙水壓力，于是，土體中多余水分逐漸從排水面(地表)排出，這種現象稱為排水固結。當土層厚度H(假設其下為不透水層)較大時，排水行程(即H)太長，土層完成排水固結的時間也將增大。若粘土滲透性小，則固結時間需要很長，故建造在軟土上的建筑物將長期處于持續下沉的狀態。為了加速固結，可以在軟基中設置垂直方向的砂井(砂井是用造孔機械在平面上按一定間距和布置方式(常為正方形或梅花形分布)造孔(一般穿過軟土層)，同時填入砂料，形成砂柱，如圖2-6(b)。砂柱為軟土提供了排水面，排入砂柱的水向上進入地面的砂墊層，再沿水平方向排走。根據固結理論，排水固結的時間與排水距離的平方成反比。例如在圖2-6中，不設砂井時的最大排水距離為H，設砂井后，相應距離為de/2。式中的de約為砂井間距，則為達到一定的固結度后者所需的時間t與前者時間T的關系為：t＝[（de/2）2/H2]T，所以只要調整de，即可使固結所需的時間縮短到要求的時間。事實上，所需時間比上式計算的還要短一些，因為在砂井水平排水的同時，還有土層自身的垂直向排水。

砂井設計的要點在于按現有的土質特性(固結系數Cυ等)、砂井的直徑和深度，現有的造孔設備規格(孔徑和造孔深度)，以及許可的固結時間，通過三維固結理論來估算砂井的分布間距。很明顯，間距愈小，固結將愈快，但為了使地基土不因砂井造孔而過分地擾動，砂井的間距不宜過小，一般為2～3m。

塑料排水帶加速地基固結的概念與砂井的完全相同，只是以截面為矩形的排水帶代替了截面為圓形的砂井，排水帶計算仍然采用砂井理論中的固結理論，所以需要將排水帶截面的周長(寬度和厚度分別為b和δ)轉化為等效砂井直徑d，顯然d＝（2/π）(b十δ)。這樣排水帶就可以完全按直徑為d的砂井設計。

在塑料排水帶插帶過程或砂井施工過程中，不可避免會引起地基土的擾動，并因此在排水帶或砂井周圍形成一相對不透水的土層，這種因對地基土擾動引起透水性降低的作用，稱為涂抹作用。同時，塑料排水帶或砂井的導水能力需要在一定的水頭差作用下才能起作用，以排出從地基土流人的水量，這種砂井導水能力的有限性可稱之為井阻。考慮涂抹和井阻作用的計算方法很多，有的方法可估算擾動土層的范圍和滲透系數，以及塑料排水帶的滲透系數，然而，這些量的確定仍然是困難的。這里不再介紹有關的計算方法，僅引用《建筑地基處理技術規范》中的規定：對長徑比較大和井料滲透系數小的袋裝砂井或塑料排水帶，應考慮井阻作用，當采用擠土方式施工時，尚應考慮土的涂抹和擾動影響?？紤]的方法是將理想條件下計算得到的平均固結度乘以0.80～0.95的折減系數。

用以上介紹的方法進行軟土地基的排水固結計算一般已能滿足工程設計的要求。在設計中還可針對實際情況進一步考慮其他因素(如分級加載，井深不穿過軟土層，或地基土強度等)的影響，這里不再作進一步介紹，如有需要可參考有關文獻。第三節 隔離功能

一、隔離作用

隔離是指在兩種物理力學性質不同的材料之間鋪設土工合成材料，使它們不互相混雜。例如將碎石和細粒土隔離，軟土和填土之間隔離等等。隔離可以為工程帶來許多預期的良好效應，舉簡例說明如下：

(1)通過隔離層，引起應力擴散作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。(2)隔離提供排水面，加速地基土固結，使承載力提高。

(3)隔離層起整體性作用，可使要求的地基粗粒料支持層的厚度減少，節約建筑材料。(4)地基中有部分軟弱區域，或有小范圍洞穴，鋪隔離層有架橋作用，以掩蓋和減弱洞穴區或軟弱區的影響。

(5)在地下水位較高的地基中，隔離層可以切斷毛細水上升，防止鹽堿化，或減弱凍脹。(6)道路基床中，隔離是防治翻漿冒泥的有效措施。(7)隔離層還起一定的保溫作用。前面已經談過，一種土工合成材料常具有多種功能。利用它作為隔離層，更能說明這一特征，在水利工程中，經常遇到的是水流從土體中通過，有時要穿越顆粒粗細不同的土層，或從土體中流出。因此，應用于隔離的材料除要求有一定的強度外，還需要有足夠的透水性，讓水流暢通，避免引起過高的孔隙水壓力；有足夠的保土性，防止形成土骨架的土粒流失，保證土體穩定性；堤壩坡防護層下的土工織物墊層要保護墊層下的土體不被沖刷帶走，實際上也起到隔離作用。由此看來，隔離功能往往不是單獨存在的，它常與排水、反濾，甚至防護功能連系在一起，難以截然分開。

本節中所述的隔離作用主要側重于那種用于持力層，因而對材料的抗頂破和刺破能力特別需要關注。

二、材料及其應用舉例

用于隔離的土工合成材料應以它們在工程中的用途來確定。應用最多的是有紡和無紡土工織物。如果對材料的強度要求較高，有時還要求以土工網或土工格柵作為材料的墊層。當要求隔離防滲時，則需要土工膜或復合土工膜。

水利工程中要求隔離的實例很多，茲舉典型的如下：(1)堤壩粘土心墻和斜墻上下游的過濾層。(2)堤壩排水體與壩體的隔離層。

(3)岸坡防護層下的墊層以及地基上填筑粗粒料時的界面隔離層等。

為了重點闡明隔離層的受力狀態，可以圖2-7作示意性解釋。圖2-7(a)為在粗粒土上覆蓋細粒土，并有荷載作用；圖2-7(b)與圖2-7(a)相反，為在細粒土上填筑粗粒土；圖2-7(c)則既有粗、細粒土的相鄰，又有滲流運動；圖2-7(d)則是在兩種不同界面處有孔穴存在。在這幾種情況中，明顯看出，在標有號碼“1”處，隔離材料在粗粒土的孔隙部位或兩種材料界面的孔穴部位將受到來自受壓軟土的擠頂作用，為此，要求隔離材料必須有足夠的抗頂破能力；在標有號碼“2”處，隔離材料則將受到由粗土粒棱角施加的穿刺力，故隔離材料還應有抵抗刺破的能力。

三、工程設計要點

設計及驗算的內容應根據隔離層預計的工作條件來確定：(一)非持力層情況

隔離層不要求承受施工應力以外的較大荷載，不需要按受力部件來考慮，則按本節中“反濾”和“排水”兩段所述要求來選擇隔離材料即可。

(二)持力層情況

如圖2-7所示情況，受上覆荷載作用，隔離材料有抵抗頂破和刺破的要求，則除滿足反濾和排水準則，還需要對其進行力學分析。由于力學分析與Mullen脹破試驗及CBR頂破試驗緊密相連，因此有必要在這里先簡單介紹這兩種試驗的情況。1.脹破和頂破試驗

(1)Mullen脹破試驗。這個試驗是為了模擬土工織物鋪在凹凸不平的層面上受到擠壓，評價其強度而設計的。所用儀器如圖2-8。環形夾具中間為一可擴散的薄膜(加筋的人造橡膠)。試驗時將土工織物試樣覆蓋在薄膜上，用環形夾具將其夾緊，然后開動機器加液壓，使薄膜連同土工織物同時鼓脹，直到織物被脹裂，將脹破壓力扣除使薄膜擴張至脹裂狀態所需的壓力稱脹破強度或頂破強度。

(2)CBR頂破試驗。這個試驗是為模擬粗粒石料對土工織物的頂壓作用，評價其強度而設計的。試驗所用CBR試驗儀如圖2-9。試驗方法是將土工織物試樣緊夾在圖2-8(a)的環形夾具中，然后用圖2-8(b)中直徑為50mm的CBR儀的圓柱頂壓桿在織物平面垂直向以一定速率頂向織物，直至試樣被頂破，頂破過程中的最大頂壓力稱頂破強度或刺破強度。

2.力學分析

故用作隔離的土工織物的Mullen試驗的頂破強度應不小于按式(2-13)算得的數值。有的學者建議dc取值如下： 帶棱角顆粒dc＝（1/4）d50 圓鈍顆粒 dc＝（1/2）d50

故用作隔離的土工織物的刺破強度應不小于按式(2-14)算得的數值。第四節 防滲功能

一、防治作用及其應用舉例

防滲是防止流體滲透流失的作用，也包括防止氣體的揮發擴散。日常生活中要求防滲的事例很多，水利工程中要修建大量的擋水蓄水、引水和輸水等建筑物，更有防滲、防漏的要求。在水利工程中常見的防滲工程可列舉如下。(1)堤壩的防滲斜墻或心墻。

(2)透水地基上堤壩的水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻。(3)混凝土壩、圬工壩及碾壓混凝土壩的防滲體。(4)渠道的襯砌防滲。(5)涵閘、海漫與護坦的防滲。(6)隧道和堤壩內埋管的防滲。(7)施工圍堰的防滲。

圖2-11是一些防滲結構的示意。

以往的防滲材料大多為透水性低的粘土、瀝青油毛氈和各種涂料，它們的用量大，施工復雜，還往往出現干裂等質量事故。土工合成材料為防滲材料增加了一種極有前途的品種，國內外的使用經驗證明，土工膜用于防滲效果很好，質量輕，運輸方便，施工簡單，造價不高，只要使用得當，在絕大多數情況下，完全可以替代傳統的防滲材料。但是，為了保證土工膜發揮其應有的防滲作用，應該注意一些關鍵性問題。

(1)土工膜材質。土工膜的原材料有多種，應該根據當地的氣候條件等進行適當選擇。例如在寒冷地帶，應考慮土工膜在低溫下會不會變脆破壞，是否會影響焊接質量；土質和水質中的某些化學成分會不會給膜材或粘結劑帶來不良作用等。

(2)排水、排氣問題。鋪設土工膜后，由于種種原因，膜下有可能積氣、積水，如不將它們排走，可能因受頂托而破壞。

(3)表面防護。聚合物制成的土工膜容易因日光紫外線照射而降解或破壞，故在儲存、運輸和施工等各個環節，都必須時時注意封蓋遮陽，特別是在施工過程中，應盡量縮短其外露時間，原則上應隨鋪隨用土覆蓋。

二、防滲結構

土工膜的厚度很薄，容易遭破壞，為了有效保護和提高其在坡面上的穩定性，要求按一定的結構形式鋪設。原則上防滲結構應包括5層，如圖2-12。1.防護層

防護層是與外界接觸的最外層，是 為了防御外界水流或波浪沖擊、風化浸蝕、冰凍破壞和遮蔽日光紫外線而設置。該層由透水的堆石、砌石或預制混凝土板構成，要求有一定厚度。2.上墊層

上墊層是防護層和下臥土工膜之間的過渡層，由于防護層多是大塊粗糙材料，如果直接置于土工膜上，很容易破壞土工膜，如果防護層的塊體有移動，更會傷害膜材，因此上墊層必須做好。上墊層可以采用透水性良好的砂礫料，厚度應不小于10cm，根據具體情況，有時也可采用無砂混凝土或瀝青砂漿等；如果防滲材料采用的是復合土工膜，則膜兩側的非織造土工織物可以起保護膜的作用，不必另設墊層。3.土工膜

土工膜是防滲主體，除要求有可靠的防滲性外，還應該能承受一定的施工應力和使用期間結構物沉降等引起的應力，故也有強度要求。土工膜的強度與其厚度直接有關，可通過理論計算或工程經驗來確定。單一土工膜表面光滑，摩擦系數小，鋪在坡面上要考慮下滑的可能性。為此，在可能條件下，一般要求采用復合土工膜，其表面的非織造土工織物與土的摩擦系數要比單膜的大得多；另外，也有地方將單膜加上紋路以增加糙度；再有則是從鋪設方式上著眼，例如按鋸齒形、臺階形鋪設，或在坡面上設戧臺等(圖2-13)。

4.下墊層

下墊層鋪在土工膜的下面，有雙重功能：一是排除膜下的積水、積氣，確保膜的穩定；二是保護土工膜，使其不受支持層的破壞。

對于粗粒的堆石壩，下墊層也可起堆石與土工膜之間過渡層的作用，這時的下墊層由礫石、細礫和砂構成，三者之間的粒徑應符合一定的層間關系。如果采用的是非織造土工織物復合膜，而且是用于碾壓式土壩，則下墊層一般可以省去，因為非織造土工織物已經可以起到保護和排水排氣作用，而且又增加了與土工膜的摩擦力。

下墊層對土工膜起支持層的重要作用。如果土工膜直接放在粗粒料上，在水壓力作用下，它會被壓進粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，如果膜下為平整硬層或細粒土料，則情況就會不同了。前人的試驗研究證明，0.25mm厚的聚乙烯土工膜鋪在級配良好的砂卵石層上，作用水頭甚至達到200m，土工膜也沒有破壞，這表明膜下墊層的狀態對膜的安全至關重要。5.支持層

土工膜是柔性材料，必須鋪設在可靠的支持層上，它可以讓土工膜受力均勻。除上述的下墊層外，支持層還可采用級配良好的壓實土層，粒徑應根據膜厚來選擇。有學者建議，對于0.2mm厚的土工膜，支持層的最大粒徑應不大于6mm，不均勻系數應不小于20。如果是碾壓式土石壩，由于其壩面平整，又有較大密實度，可以不專門設置支持層。

三、設計要點(一)堤壩的防滲

土工膜僅是土石壩的一個組成部分，其總體布置、設置范圍與高程等應遵循SDJ218—84《碾壓式土石壩設計規范》的規定。針對土工膜的核算有兩方面。1.穩定性驗算

心墻土工膜不存在滑動失穩問題，對于斜墻穩定目前主要驗算兩種失穩情況。

(1)土工膜以上的防護層、上墊層連同膜本身沿下墊層或支持層面的滑動。這種情況一般不致發生，因為膜上端要求固定于壩頂，加之膜下下墊層要求透水，不致產生過高的孔隙水壓力使接觸面強度降低。這種形式的破壞可不考慮。

(2)土工膜以上防護層和上墊層沿土工膜表面的滑動。這種情況的抗滑穩定驗算一般采用土力學中的極限平衡法。由于土坡有不同工況，驗算需要按正常運行(即水位保持不變，堤壩內有穩定滲流和非常情況(通常指外水位由某水位快速下降到某一低水位)進行。對于非常情況，還有上墊層材料是透水和不透水之分，后一情況是當該層與膜的交界面處存在過高的孔隙水壓力，使強度顯著下降造成的，這是驗算中的一種最危險的控制工況。2.土工膜下的排水能力的驗算

前面已經提及，堤壩坡面鋪土工膜后，其下仍將會有一定的滲流量，應該及時充分排除，以避免孔隙水壓力的產生。但是，對此迄今還沒有較好的估算方法，最好是采取防預措施較為穩妥。例如采用非織造土工織物復合土工膜，通過織物排水，就是一種方便途徑。若預計來水量較大，則不妨用較厚的織物復合，甚至在膜下再鋪薄砂層。以上兩種驗算的具體方法可以參考有關規范。(二)堤壩前的水平防滲鋪蓋 土石堤壩建在透水地基上，當地基厚度過大，采用其他方式防止地基滲流不經濟或不可能時，可采用鋪蓋防滲。它是將透水性小的材料水平鋪設在堤壩上游的一段長度內，并與堤身或壩身的防滲體系相連接，以增加滲流路徑，減小滲透坡降，防止地基滲透變形并減少滲流量。一般用于鋪蓋材料的滲透系數至少應比地基的透水性小100倍，故以往常用的材料為粘性土。土工膜比粘土的透水性還要小，具有極大的柔性，能和地面密切貼合，而且施工相當方便，只要正確應用，就能收到良好的效果。

土工膜鋪蓋設計與粘土鋪蓋的基本相同，主要是根據透水地基的厚度、地層土滲透系數、壩前水深和地層土容許的滲透坡降等指標，通過水力學計算來確定垂直于堤壩軸線的合理長度。

根據規范，土工膜所需厚度應按作用水頭，地層中可能存在裂隙的形狀與大小，以及膜材的抗拉強度和破壞應變等，借薄膜理論來估算，根據經驗，對于中水頭堤壩，要求厚度一般為0.5～0.6mm。土工膜鋪蓋長度也應按計算確定，不過，大量的工程經驗表明，長度取為壩前水深的5倍左右即可，太長了效果不大。

應指出：①土工膜下應該設反濾層，以防止鋪蓋萬一穿孔時造成地層土流失，采用非織造土工織物的復合土工膜可以同時滿足運行需要。②大面積鋪蓋下很可能會積水、積氣，應根據具體情況設排放措施，將它們排除，例如在膜下建縱橫排放溝或采用專門的排放設備(如逆止閥)。③注意鋪蓋和堤壩防滲體、與其連接的結構物以及岸坡的有效連接，以形成完整的封閉防滲系統。

與建鋪蓋類似，土工膜也可用于庫區防滲。使用時，將其妥善地鋪在需要堵漏的部位。(三)地基垂直防滲墻

垂直防滲墻是在透水地基內造孔或挖槽，以透水性極低的材料填入建成的連續墻。我國堤壩中以往常用的混凝土防滲墻厚度為0.6～1.3m，目前在堤防工程中的墻厚已減至0.3m，甚至更薄。建造這樣的防滲墻，除需要造孔設備外，還要有澆注混凝土的專用機具，施工比較復雜。我國現在已經用土工膜完成多處垂直防滲墻工程。修建防滲墻的土工合成材料可以采用土工膜、復合土工膜或防水塑料板。國外采用打鋼板樁的技術和設備來插入高密度聚乙烯板，板的兩側附有鎖口，用以將兩塊板連接在一起。鎖口中的間隙則放人密封條，遇水后密封條膨脹，充滿間隙，可以做到基本不漏水。安裝時由震動打樁機實施，板前端有一鐵靴，保護膜板的插入，深度可達40m。若采用插入土工膜，則膜厚度應不小于0.5mm。在目前技術條件下，插入深度可以達到約15m，要求地基土中大于5cm的粗顆粒不多于10％，最大顆粒粒徑不大于15cm，否則將超出開槽寬度。

造墻的基本步驟是：首先用高壓水沖，或鏈斗或液壓式鋸槽機開槽，以泥漿護槽壁，將與槽深相當的整卷土工膜鋪入槽內，倒轉軸卷，使土工膜展開，相鄰兩幅之間用搭接的方式連接；及時進行膜兩側的填土，并在槽底回填粘土，厚度不少于1m，目的是密封，以防止水從下部繞滲；接著填一般土，待其下沉穩定后，往槽內繼續填土壓實；最后待土工膜出槽后，立即將其與建筑物連接，不得外露。應當注意在與建筑物連接處土工膜應留有足夠的富裕，以防建筑物變形時拉斷土工膜。第五節 防護功能

一、防護作用及其應用舉例 防護作用具有廣泛的涵義。為了消減自然現象、環境影響和人類活動對堤坡和岸坡造成的危害，常要采取適當的防護措施。岸坡防護包括河岸、湖岸、海岸等的防水流沖刷，波浪沖擊等，這類防護措施古已有之，有許多迄今仍在繼續采用。傳統的防護辦法有利用埽枕、柴排、石籠、拋石保護岸坡或打護坡樁等。它們雖然也能起到護坡的良好作用，但耐久性較差，常要不斷維修。根本的弱點，是它們放在被保護土面上，不具有反濾功能，受水流沖蝕和潮浪淘刷抽吸的作用，被保護土顆粒容易被水流帶走，導致剝蝕和坍塌。

土工合成材料的發展，為上述岸坡防護提供了新的途徑，簡單地說，只要在被保護士面上覆一層有良好反濾性能的土工織物，壓上一定蓋重，即能有效地保護岸坡不受水流和波浪等的破壞。

不僅如此，土工織物質輕、耐腐、有柔性、整體性強、價廉、施工簡便，它們在防護工程中的推廣應用正在迅速發展。其實，這類材料不只有抗水流的能力，它們的產品之一——泡沫塑料板(聚苯乙烯EPS)在巖土工程中還被用于防止土體凍脹。水利工程中利用土工合成材料的常見防護工程有：(1)江河湖海岸坡防護。(2)水庫岸坡防護。

(3)水道護底和水下防護。(4)渠道和水池護坡。(5)水閘護底。(6)岸坡防沖植被。

(7)水閘、擋墻等防凍脹措施等。土工合成材料用于防護的范圍很廣，本節僅介紹利用軟體排、模袋和三維植被土工網作岸坡防護，利用土袋、土枕及土工管筑堤壩護坡等，其他利用可舉一反三。

二、防護制品

防護用的土工織物應符合反濾準則和具有一定的強度。由于要受到往復雙向水流作用，對織物應有更高的反濾要求，故應符合式(2-1)，同時強度也應符合第一節“五”中的規定。為滿足防護的各種特殊需要，應先將土工合成材料預制成符合一定需要的制品。舉例說明如下。1.土袋、土枕 土袋、土枕是以織造型(有紡)土工織物縫制成的管袋形制品。土袋尺寸較小，類似于一般草袋，充填土料后成為塊狀土體，可用于堵塞洞坑，建筑堤壩，或作為壓載。土枕是尺寸較大的長土袋，直徑可達0.4～ 1m，長度可達數米或更長，一般沿長度每隔0.5m要繞一道橫箍，它們既能作筑堤壩的填充體，又可作為壓重。2.軟體排

軟體排是用織造型土工織物縫制成的大片排布，分單片和雙片兩種，單片排四周邊和中間縫上縱橫繩網，既加強排體，又可作為定位索之用，排上加壓重塊，保證其穩定；雙片排由雙層土工織物縫制成，其中還縫有管袋，供充填土料，形成自身壓重，它也需縫上縱橫繩網。軟體排應用時，排體鋪在需要防護的部位，再加上足夠壓重，即可防止土體被沖刷。3.土工模袋

前面已對土工模袋作了簡單介紹，是由兩層編織型土工織物縫成的四周封閉的袋體，放于被保護岸坡上，并往其中澆注混凝土或砂漿，凝固成硬塊體護坡。模袋由工廠預制，有不同厚度、不同規格。此外，還有在現場縫制成的簡易模袋。4.泡沫塑料板塊

泡沫塑料板塊是由聚苯乙烯塊鋸成的薄板，其導熱系數為土的1/3～1/4，具有保溫性，放于混凝土板護面或土面上，可達到防止土體凍害的目的。

三、設計原則

(一)軟體排護坡與護底 1.排體布置

軟體排布置于可能受沖刷破壞的部位，它的鋪設范圍及高程等應遵從《堤防工程設計規范》GB50286—98的規定。

排體順水流方向的尺寸為排寬，垂直水流方向的尺寸為排長?？菟灰陨蠟樗喜糠郑韵聻樗虏糠?。排體水上部分長度為坡面長和掛排所需長度之和；水下部分長度由與水上部分銜接段長度、水下坡面長度(其中應包括排體褶皺和收縮長度)以及因坡底可能發生沖刷需要預留的長度三部分組成。水上部分與水下部分長度之和為要求的排長。排寬應為待保護區的寬度、相鄰排塊搭接所需寬度和考慮排體收縮需預留的寬度之和。相鄰兩塊排的搭接寬度一般為0.5m，上游排塊蓋在下游排塊上。2.排體穩定性

排體應始終處于穩定狀態，故應進行排體的抗飄浮、抗沿坡面下滑和要求壓載的驗算，要求的壓載可參考規范，或參考圖2-14。當水流流速不大于3m/s時，壓載可為1kPa。為確保排體穩定，要求排體在坡頂和坡底給予錨固，底部為防止沖刷，錨固可采取溝埋方式。坡底防沖非常重要，應根據具體條件做成有效的防沖結構，圖2-15是幾種參考形式。(二)土工模袋護坡

1.選型

模袋有多種形式，應根據現場地形、工程類型和重要性以及水流條件等綜合因素選型。按工程類別選擇時，可參考表2-1。

2.模袋穩定性

一般情況下，模袋穩定性按其在斜坡上的抗滑安全系數Fs來評價(圖2-16)

為了改善模袋穩定性，可以補充采取一些抗滑措施，參考圖2-17。

另外，模袋底部的滲水應及時排除，如果模袋排滲能力不足，可以在模袋澆注后1小時，在袋內插排水管，如圖2-18。

(三)三維植被網植草護坡 1.護坡機理

植被網是一種類似于絲瓜瓤狀的植草土工網墊，以加入炭黑的尼龍絲加工制成。絲與絲的交叉點熔合粘接，相互纏繞，質地蓬松，孔隙率在90％以上，在其孔隙中可填加土料和草種。植草穿過網墊生長后，其根系深入土中，植物、網墊、根系與土合為一體，形成牢固密貼于坡面的表皮，可有效地防止坡土被暴雨徑流或水流沖刷破壞。以往植被網墊應用于無水或背水坡，目前國外已用于河道迎水坡防護，在有水流條件下，植被起良好的消能作用，促進落淤。有報導說，在水流較深情況下，它甚至能抗御高達6m/s的短期流速，對歷時兩天的水流，也能經受4m/s的流速，這種植被可使流速顯著降低。2.設計要點

植被護坡設計主要包括判別采用植被的必要性；確定鋪設范圍；草種選擇。

(1)植被必要性。坡上受沖刷破壞的程度與土類密切相關。另外對于水上坡，要不要防護，決定于降雨強度；對于水下坡，則要看水流流速的大小。植被必要性判別，對于水上坡和水下坡可分別參考圖2-19和圖2-20。

(2)鋪設范圍。植被應遍及要求防護的部位，在高程上，水上坡應鋪到坡頂，再橫向延伸不少于0.5m；水下坡下端應至低水位以下1m(斜坡長)，上端應達高水位以上0.5m(斜長)。(3)草種選擇。各地氣溫、降水和土質條件等差別很大，應根據當地大體情況，遵循幾項基本原則來選擇草種：適應當地環境，如耐寒、耐旱、耐澇等；適應土質條件，如耐鹽、耐堿，耐酸等；生長期快，根系發育且長；價格經濟等。(四)土袋、土枕筑堤壩 1.堤壩形式

土袋、土枕筑堤壩可以采取不同的形式，歸納起來可分為兩類：①全斷面式，即整個堤壩體均由充填土料的袋或枕堆成，其底部鋪設透水織造土工織物墊層，坡面設置防護層。②土心填筑式，即堤壩中心部分為填土，兩側外坡用袋、枕堆筑，或填土后外部用土工織物整體包裹，如圖2-21(a)，或填土即是逐層包裹而成，它們的底部及背部為土枕，如圖2-21(b)。2.設計要點

(1)制作枕、袋采用織造土工織物，它們應符合反濾準則，且能承受施工應力，其單位面積質量應不低于130g/m2，抗拉強度應不小于18kN/m。

(2)為了保證袋、枕的穩定性，它們的尺寸應符合以下條件：

上式中的L、B、H、分別為填土后袋枕的長度、寬度和高度。土料充盈系數應不小于80％，但也不宜過大，填土應壓實到規定密度。

(3)堤壩穩定性可按傳統的圓弧滑動法驗算。

(4)堤壩外坡都必須作好保護層，例如塊石或模袋混凝土護面等。第六節 加筋功能

一、加筋作用

土體一般具有一定的抗壓強度，但抗剪強度很低。設想有一塊自由土體，即其側面上全無約束，在其頂面上施加壓力，則在不大的壓力下，土體即將被壓壞。如果同樣的一塊土被放進一個剛性盒中，即其側面受到完全約束，不可能有橫向擴張，則在其頂面上加壓，壓力雖然達到很大值，土塊也不會被壓壞。這個現象闡明了一個簡單的道理：土體受壓時，其破壞與否與土的側向變形大小有關，允許的側向變形愈小，它能承受的壓力將愈高，所以，要提高土的承受能力，可以從設法減小其側向擴張著手。

加筋土正是利用了這一原理。在土體中的一定部位鋪設水平方向的加筋材料，將土壓實后，土與加筋材密切結合成一復合土體(加筋土)，當在復合土體的表面施加荷載，由于加筋材與周圍土之間有較大的摩阻力(有時尚有咬合力)，限制了土的側向變形，相當于在土體側面上施加了約束力。從上面的道理可知，這種復合土體的承壓能力理所當然地得到提高。

以往人們只是從概念上懂得這個道理，一直到了本世紀的60年代，法國工程師維德爾才從理論上建立了一套加筋土的設計方法，最初采用的加筋材料是金屬條帶，到70年代后期，金屬材料才逐漸被土工合成材料所取代。

二、加筋材料和加筋土應用(一)加筋材料

加筋土中的加筋材料通常采用織造土工織物、土工帶和土工格柵等，只有當對強度和變形要求不高時，才采用非織造土工織物。從以上的加筋原理得知，加筋在于最大限度地限制受壓土體的側向變形，而限制要靠土體中的筋材與周圍土的相互作用，為此，要求筋材與土之間應結合好，亦即兩者之間應有較高的界面強度(摩擦力與咬合力大)。此外，加筋材料的蠕變性應較低。蠕變性指材料受不變的拉力下，長度不斷伸長的現象。蠕變使筋材承受拉力的能力不斷下降。因此，在目前的加筋材料中，土工格柵的蠕變性較低，是較為理想的加筋材料。(二)加筋土應用

加筋土主要用于三個方面，形成三種類型的加筋土結構。1.軟土地基加固

軟土地基上建堤壩的困難在于土的抗剪強度低，承載力不足，壓縮性過高。傳統的方法是將填筑速度放得極慢，以待在增加的荷載下軟土固結，強度增加；或采取分期填筑方法；或在堤壩兩側，將填土延伸一定距離，形成戧臺或反壓馬道，以平衡部分促進滑動的滑動力矩等等。這樣，工期會拖得很長，費用高，有時填筑高度仍受到一定限制。而若在填筑之前，先在場地上預鋪一層織造土工織物或土工格柵，對地基進行加固，可以較好解決這一難題。2.堤壩邊坡加筋

堤壩如果將邊坡做陡，不僅能減少填土方量，還可節約用地，是一舉兩得的好事。如果地基的承載力較高，堤壩不致因坡度過陡而破壞，這時采用土工織物加筋陡坡即可達到此目的。3.加筋土擋墻

它可以代替混凝土重力式擋墻。其最大優點是對地基的要求比重力式擋墻要低，抗震性較好。這三種加筋土結構各有其不同的設計方法，下面分別作介紹。

三、加筋土設計要求(一)軟土地基加固 1.筋材及其布置

地基加固用的筋材可為織造土工織物或土工格柵，使用時將它水平鋪放在軟基面上，兩端包折，如果土很軟，可以先鋪層薄砂，再鋪加筋材，如圖2-22(a)。如果一層筋材強度仍不足，可在第一層筋材上填約0.5～1.0m厚度土層(最好是透水料)，再鋪第二層筋材，兩層筋材在端部連接起來。2.穩定性驗算

根據軟土層分布情況不同，穩定性驗算分為兩種：深層滑動和平面滑動。

(1)深層滑動。當軟土層較厚，土坡失穩可能是沿某一圓弧面滑動的，如圖2-22(b)。深層抗滑穩定一般采用傳統的圓弧條分法校核，在沒有加筋前，可以通過試算求得堤壩土坡的最小安全系數Fs1如下：

注意：在采用一層以上加筋材料時，每二層間應鋪一定厚度的土料（最好是透水砂料）。(2)平面滑動。當軟土層較薄，其下為硬層，則上述滑動圓弧不易切入下臥硬層，因而可能產生淺層的平面滑動。淺層滑動可能有三種形式，如圖2-23。①土坡的一部分沿加筋材的頂面滑動，如圖2-23（a）；②土坡的一部分連同部分軟土沿下臥硬層的頂面滑動，如圖2-23（b）；③加筋材底面與下臥頂面間的部分軟土被擠出，如圖2-23（c）。三種形式中給出最小安全系數的一種是最可能發生滑動的情況。

平面滑動驗算采用一般的極限平衡法求取安全系數，這種方法已為廣大土工工作者所熟悉，不再贅述。

注意：計算中應保證加筋材料不被拉斷，才能發揮加筋作用。并且根據經驗，要求加筋材頂面的摩阻力的大小不能超過加筋材料在下列應變時的抗拉力 對壓實粘土，ε=5.0%～10%； 對無粘性土和少粘性土，ε≤2%。

（二）堤壩加筋 1.筋材及其布置

加筋材可采用與軟土地基方式示意圖如圖2-24。筋材水平向鋪設，其長度和沿堤壩高度要求的垂直間距應根據試算來確定。

2.穩定性驗算

穩定性驗算的目的有二：①確定加筋要求的范圍，即水平向不同高程上加筋需要的長度；②求得為使加筋后土坡的穩定性達到規定的安全系數Fsr，需要加筋材提供的加筋力Ts。(1)加筋范圍的確定。針對要求加筋的土坡，用傳統的穩定分析圓弧滑動法，對不同滑動圓心和半徑的圓弧逐一求其安全系數，可以得到許多個Fsu，將這些圓弧畫在同一張紙上，勾劃出Fsu≈Fsr的那些圓的外包線，如圖2-25中所示的實線，該線包圍的區域即是需要加筋的范圍。

(2)需要的加筋力。為將土坡的安全系數從Fsu提高到Fsr，可以將滑動土坡視為一個整體，先求出所需的總加筋力Ts，假設它作用位置在坡高的1/3處，如圖2-26。為此，針對上述的許多試算滑動圓的每一個，按下式算出對應的Ts：

(3)加筋力的分配。求得的Tsmax需要分配到沿坡高的各個高程上去。建議對低于6m的土坡可以均勻分配，兩層間的垂直間距一般不宜大于0.6m。當坡高大于6m，則建議按以下比例分配。

按二區分：底區Ts=（3/4）Tsmax；頂區Ts=（1/4）Tsmax 按三區分：底、中、頂各為（1/2）Tsmax、（1/3）Tsmax和（1/6）Tsmax(4)強度驗算和抗拔驗算。按以上方法分配后的筋材還應該滿足兩方面的要求：①每層加筋材不得因受拉力過大而斷裂，并有一定的安全系數，所以加筋材拉力不應超過其許可抗拉強度；②每層筋材不得因所受拉力過大而被拔出，因此，超出滑弧的筋材要有足夠長度，以提供充分的握裹力，且具有所需的安全系數。(三)加筋土檔墻構造

加筋土擋墻有四個基本組成部分，即：加筋材料、填土、墻面板和墻面板基礎，如圖2-27加筋材是織造土工織物、加筋帶或土工格柵；墻面板大多為預制混凝土整體板或板塊，一般不作受力桿件處理，僅供表面防護和裝飾之用；填土最好是透水材料，若必須采用不透水材料填充時，應做好排水通道，以及時將進入填土內的水排走；墻面板基礎一般為預制混凝土構件。

1.擋墻的初設斷面

擋墻的設計方法，一般是先假設一個計算斷面，再進行外部整體性穩定驗算，然后再進行內部筋材的穩定性校核。初設斷面即是要假設水平鋪設的加筋材長度，各層垂直間距一般可初取0.4～0.5m。? 根據經驗，初設加筋材長度可為墻高的0.7倍，如果墻后填土為斜坡或填土面還有超荷載作用，可設為墻高的0.8倍。2.外部穩定性驗算

將加筋材范圍內的土體連同墻面板視為一個剛性的整體，與重力式擋墻類似，進行以下各項驗算：整個墻體沿其底面的抗平面滑動穩定性；抗深層圓弧滑動穩定性；抗繞墻趾轉動的傾覆穩定性和墻基的承載力驗算。以上各項安全系數都應該達到規定的數值。3.內部穩定性驗算

(1)加筋材的拉力。加筋土擋墻分為兩種基本類型：①柔性筋式擋墻。加筋材的強度低，延伸率高，即材料的抗拉模量低，如織造土工織物即屬此類。②剛性筋式擋墻。加筋材的強度高，延伸率低，即材料的抗拉模量高，加筋帶或土工格柵屬此類。兩類墻的設計方法基本一致，不同之處在于材料模量不同，其變形有異，造成土中應力分布有一定差異，即用于確定土中加筋材拉力的土壓力分布圖形不一樣。對于柔性筋式擋墻，每根筋條分配的拉力對應于朗肯土壓力分布圖中相應的土壓力部分，如圖2-28中第i條筋材中的拉力應等于圖2-28(b)中陰影部分的土壓力，假設等于Ti，圖中的γ和Ka分別為填土容重和主動土壓力系數。若是剛性筋式擋墻，其土壓力分布圖略有不同，而確定加筋材拉力的方法卻完全一致。

(2)加筋材的強度驗算。為了墻的穩定，每一層加筋材的拉力都必須滿足以下條件：

(3)加筋材的抗拔驗算。每一層加筋材的拉力還要求不超過其端部段(超出滑動面以外的加筋材長度)埋在土內發揮的握裹力。握裹力系由該端部段上下面與土產生的摩阻力所提供。所以這一驗算實際上是校核端部段埋藏的加筋材長度Lc是否足夠，因為摩阻力的大小是與埋長有關的。4.加筋材長度

加筋材全長度由兩個部分組成：填土破壞面以內長度La和以外的埋藏長度Le。如果加筋材是織造土工織物，一般在其靠面板的一端要將織物折回，包裹土體如圖2-27(b)，包裹長度為Lω，所以加筋材全長應為：

第三章 堤防系統的防滲、排滲和加固

在前兩章中已對土工合成材料的性質、功能、作用機理、使用原理和設計原則等作了全面的介紹，本章將對堤防系統中土工合成材料的設計和施工方面的一些問題作進一步敘述和討論。這里所謂的“堤防系統”是指土堤和堤線上的涵閘(如破堤建閘等)及其相連的過水渠道，內容包括江河堤防的防滲和排滲、水閘的排滲和閘基的加固以及海堤的地基加固等。為了使讀者易于理解有關原理，本章將列舉一些應用實例。這些實例都是一些成功的工程實錄，其中一些是早期應用的報導。按目前我國的應用水平來看，所報導的內容還有可以改進和提高的地方，因此當學習這些經驗時，應結合工程實際情況和現有發展水平因地制宜地使用。

此外，應當說明，土工合成材料在上述的某些方面目前應用尚不普遍，如堤的防滲等，為此本章將引用一些類似的在低土壩中的應用實例作為參考，以期促進土工合成材料在堤防中應用。

第一節 防滲、排滲和加固在堤防中的應用

一般來說，在堤防的主體和附屬工程中，土工合成材料都有著能發揮第二章所提及的各種主要功能的場合。鑒于堤防的滲透控制原則仍是“上堵下排”，因此本節著重于土工合成材料的防滲、反濾和排水三個方面功能的應用，同時也敘及加筋加固功能。

一、堤防防滲(一)國內外應用情況

土工膜作為一種良好的防滲材料，目前在壩工中，特別是土石壩中已被廣泛地采用，在混凝土壩或碾壓式混凝土壩的修補中，作為防滲護面也逐漸增多，其使用量約為土工織物使用量的11％左右。然而在我國的堤防建設中，它的應用則剛剛才開始，如作為垂直防滲墻的墻體材料等，但可以預計，它在今后新建的堤防和已有堤防的加固中將會廣泛地被使用。為了說明堤防防滲問題，借鑒一些壩工中的應用實例，或許是有益的。表3-1(見參考文獻[3])和表3-2中分別給出了國內外壩工中采用土工膜防滲的工程情況。從中可以看出一些特點：①土工膜在壩工中的應用，從地域上看已很廣泛，國內外已經普遍接受了這種新型的防滲材料和技術。許多工程實錄都表明它的防滲效果良好、經濟、施工方便，有推廣使用價值。②國內在壩工中使用土工膜防滲雖然較晚(1978年開始，比國外晚19年)，但從土工膜承受20m以上水頭的實例所占的百分數來看，已與國外相當，且國內也有土工膜承受超過50m水頭的實例。這些都說明國內在壩工中使用土工膜的技術水平已逐漸接近國際先進水平。③關于土工膜的厚度目前有兩種觀點：一種主張用厚膜(膜厚＞1.0mm)，以歐洲國家為多；另一種觀點是使用薄膜(膜厚＜1.0mm)，以美洲國家和我國的實例較多，這些壩的使用情況至今仍然良好，因而值得很好地總結經驗。根據上述情況以及目前SL/T225—98和GB50290—98《土工合成材料應用技術規范》中所列入的土工膜在壩工中的防滲使用規定，都表明土工膜防滲技術在我國壩工中的應用已經漸趨成熟。這將為這項新技術和新材料在堤防中的推廣應用提供良好的范例。

(二)設計和施工中的幾個問題 l.土工膜在堤防中鋪設的范圍和部位

土工膜在土堤中鋪設的范圍可從堤基開始，直到堤頂。土堤迎水面若設置鋪蓋，則鋪蓋長度應按滲流計算確定，或大于等于5倍水頭。土工膜材料目前的擋水水頭已達30～40m，因此可以完全滿足一般江河堤防的要求。

PVC為聚氯乙烯，LDPE為低密度聚乙烯，HDPE為高密度聚乙烯，CSPE為氯磺化聚乙烯，RI為異丁橡膠，PUR為聚氨脂。

土工膜的鋪設部位，對新建的土堤，可以鋪在堤的中間（即心墻）或迎水面（即斜墻），兩種形式各有特點。心墻布置方式比較省料，但施工時要求堤身填筑與土工膜心墻同時上升，而且土工膜應做成鋸齒形鋪設（圖3-1），以適應堤身的沉陷，因此施工比較復雜。斜墻式布置的優點是堤身填筑完成后才鋪膜，施工干擾小，鋪膜質量較易保證。因此，國內外新建的堤防工程中大都采用斜墻形式的結構。但對于已建堤防的修補和加固工程，由于迎水面有水，為避免水下施工，故采用堤內開槽鋪膜方法施工，筑成心墻。當然，若迎水面無水，則用斜墻形式更為方便。

圖3-1 2.土工膜防滲結構形式

在土工膜與堤身或堤基接觸處應加一定的墊層(過渡層)或反濾層，尤其對于膜與粗粒料直接接觸的情況，應防止粗粒的尖角刺破土工膜，影響其防滲性能。若防滲膜選用復合土工膜材料(膜的側面為非織造織物)，則反濾層可以簡化。對于已有的堤防加固的情況，由于鋪反濾層較困難，可以直接選用復有較厚的非織造土工織物的復合土工膜作為反濾層，以便利施工。但應強調指出，不管什么情況下，反濾層是必不可少的。還應指出，心墻式與斜墻式的選用還與堤基地層結構及其滲透性有關。關于堤基的地層結構，一般可分為單層結構、雙層結構和多層結構三種。單層結構是指從地表往下至基巖基本上是同一類土，粘性土的單層結構均質地層不會發生滲透變形，而均質的砂性土單層結構在靠近背水坡的地面易發生滲透變形，遠離堤段的地方則是安全的，這種地層在大江大河上比較少見。雙層結構(常稱二元結構)是指地層大致由兩種土層組成，上層透水性較弱，其下為較厚的透水性較強的土層，當地層受深泓切割直接與江水連通時，往往是最容易出現滲透失穩狀態的。這種“二元結構”在長江、黃河等大江大河上比較常見，是一種在我國頗具代表性的堤基地層結構。多層結構往往是弱、較強、弱、較強、強透水層的組合，即在深度上有弱透水層與透水地層相間，而深部則往往是砂卵石等強透水層，這種地層也比較常見。對于不同的地層形式，在堤防防滲措施上有明顯的不同特點。①對于堤基透水性土層厚度不大(10m左右)的情況，采用心墻防滲是有效和可靠的，因為土工膜心墻可以從堤身穿過透水地層直接與不透水土層相連，形成封閉式的防滲結構，保證背水坡不發生滲透破壞。②對于透水性土層比較深厚的地基，心墻達不到不透水土層，故只能形成“懸掛式”的防滲結構。然而研究和經驗已經表明，這種“懸掛式”防滲體系的防滲效果不佳，因此不宜采用。例如長江科學院對湖北荊江大堤的垂直防滲深度分析表明，對于“二元結構”，上層透水性弱，下層透水性強的情況，防滲墻進入地層的深度h1小于0.8倍的地層總厚度(h2)時，堤后最大出逸比降J垂僅降低0.02～0.3，J水平降低0.01～0.05，相當于削減滲透水頭10％～20％(荊南長江干堤加固工程可行性研究階段滲流控制措施專題研究報告。長江委長江科學院，1998：12.)，如圖3-2。這時就應采用土工膜斜墻加鋪蓋或者其他專門研究的防滲結構了。③近年，在堤防建設中還遇到滲透性各異的另一種多層地基結構的情況，其特點是在深厚的透水層中存在一層相對不透水的土層，埋深也不大，這時仍可以用心墻的形式，使其達到相對不透水土層，以形成“半封閉”的防滲結構(圖3-3)。在采用心墻式的防滲結構時，還有一個實際問題，就是要注意水環境的變化，以及非汛期地下水位的升高。

3.土工膜的選擇

土工膜的選擇涉及兩個問題，一是選擇何種原材料的土工膜，二是選用何種形式的土工膜（單膜或復合膜）。

(1)國內外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）兩種。工程選料時，主要根據以下幾個方面來選定合適的土工膜：①力學特性，上述兩種材料制成的土工膜的拉伸強度相差不大。由于土工膜只用于防滲而不作為加筋材料使用，故其拉伸強度不是選材的重要指標。但從另一方面來說，PVC膜因添加有塑化劑，使得其伸長率比PE膜的大一些，柔性較好，與砂粒接觸時可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，從而增加二者之間的摩擦系數。因此，PVC膜與砂之間的摩擦系數明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數，摩擦角平均至少大50～60。這是一個關鍵性的指標，會影響到膜與土體接觸面以及膜與其上保護層之間的滑動穩定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三種：一是采用復合膜，因復合膜外層的土工織物與土料的摩擦系數較大，接近于PVC膜與土料的摩擦系數。二是對PE膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑表面上壓紋或噴涂加糙材料。三是改變水工建筑物的結構，如調整壩坡，加防滑槽或防滑檻等。另外，當PE膜的厚度從0.12mm增加到0.24mm時，其與粗砂的摩擦系數可以增加30％。②可連接性。土工膜無論出廠時幅有多寬，在實際使用時仍需將其幅與幅之間連接起來，以成為一個整體的防滲膜體。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接，而PVC膜除此之外，還可以采用特殊的粘合劑進行粘接。薄型土工膜由于不能用熱焊方法連接而必須用粘接法連接，因此只能選用PVC膜。③經濟性。目前兩種材料的價格大體相當，一般均在10000元/t左右，而PE的比重小于PVC的比重，所以同樣厚度的情況下每單位面積的價格PE膜要少一些。另外PVC膜出廠時的幅寬一般為1.5～ 2.0m，PE膜幅寬可達4～4.5M，相應地PE膜的接縫數量就比PVC膜的要少，因而搭接的用量就少一些，現場接縫的工作量也少一些。綜合這三個方面的優缺點，再結合工程實際情況，可以對膜材作出合理的選擇。(2)選用單膜還是復合膜主要是從復合膜的作用和經濟性兩個方面綜合考慮來選定。復合膜的一個作用已如上述，可以增加與土料之間的摩擦系數，第二個作用是保護士工膜不受運輸和施工過程中外力的損害。復合膜的力學性能比單一膜有很大提高，其破壞應變雖不如單膜的大，但仍遠大于土體的破壞應變，因而有較強的適應各種情況的能力，例如重物沖擊，臨時性的局部荷載等等。據長江科學院為三峽工程所做的研究表明，復合土工膜的強度和防滲性能要優于單一膜和土工織物兩者簡單疊加的性能，其優良的程度與膜和織物之間復合的緊密程度密切相關，因此復合膜的設計不能簡單地參照膜和織物各別的性能指標直接套用。第三個作用是復合土工膜具有反濾排水功能。由于土工膜不可避免地總會有一些缺陷，如生產過程造成的不均勻性，或施工中機械刺破形成的漏洞等等，此時膜一側的土工織物能夠起到反濾排水作用，從而維護了保護層的穩定。如復合土工膜是鋪在透水性不強的壩體表層，則膜下的土工織物可以迅速消除庫水位驟降時在膜后形成的水位差，避免土工膜被水壓力頂起的危險。要達到這種排水作用的必要條件是土工織物要與壩后的排水通道相連接。

我國的堤壩建設在1993年以前大多采用單膜或多層單膜，這和當時復合膜尚處在研制階段，未大規模生產有關。1994年后大多數工程都采用了復合土工膜。但從已往采用單膜的土石壩防滲效果，以及SL/T225—98規范中對土工膜類型的規定上看，單膜對低水頭的小型水庫防滲效果良好，仍然是一種具有競爭力的膜材。當然，在有條件的情況下復合膜有著更為優越的工程特性，但工程造價也會相應地有所增加。

4.土工膜的防滲性、厚度和缺陷的滲流分析

(1)從表面上看土工膜是一片密不透水的材料，但實際上在壓力作用下膜的孔隙大小可以變化，仍能夠透水，只不過其滲透系數很小而已。一般來說滲透系數取為1×10-12cm/s是穩妥的。這個數值較之粘土要小得多，這就是為什么土工膜用作防滲材料的原因。實際工程中更關心的是土工膜與土層接觸時能承受多大的水頭。當土工膜與粗粒土相接觸時，由于土粒之間的孔隙較大，土工膜在上覆水壓力作用下被迫向土孔隙中陷進，因而產生拉伸應變、承受拉應力。如拉應力過大，土工膜被拉裂，則會產生漏水點，影響其防滲性能。

(2)土工膜能承受多大的水頭取決于土工膜的力學性能(極限拉伸強度，拉伸模量)、厚度和墊層土(如土粒大小和級配)的情況。確定土工膜的防滲性有兩類辦法，一類是直接法，即將擬用的土工膜在試驗儀器中鋪在實際使用的墊層土料上，然后施加水壓力，直到土工膜破裂或施加的水壓力超過工程最大水壓力一個安全倍數而不破裂為止。這類方法最為可靠，但工作量大，一般重要的工程才采用。對低水頭的堤防工程似無必要。另一類是間接法。這類方法有兩種途徑，一是通過公式計算；二是按規范規定的數值取用，對于堤防工程適用此法?，F行規范要求土工膜的厚度不小于0.5mm，但目前國內土工膜產品的厚度一般均小于0.5mm。因此在選料時，經過論證，對于較小的工程也可選用厚度為0.3mm左右的土工膜，但要特別注意施工質量。例如以表3-2中湖北毛兒沖土壩用土工單膜修復補漏工程為例，所用的PVC膜的厚度只有0.22mm，接縫為粘接縫，水頭達20m，從1993年到現在，經歷了多年的汛期高水位的考驗，防滲效果一直是良好的?？梢娡凉つし罎B的成敗關鍵之一是施工質量。

(3)土工膜的缺陷也是工程中可能發生和比較關心的一個方面，不論是由于生產制造，還是焊接或施工造成的漏水點，都會影響到土工膜的防滲效果。據國外對某工程28處共20萬m2土工膜的質量檢測結果來看，平均每1萬m2中有26個漏水孔，其中15％是自身的孔眼，69％出現在焊縫處，由此可見焊接質量的重要性。而當嚴格控制施工質量時因焊接而產生的漏水孔的發生率可以降到平均l萬m2中僅有2.5個。

從滲流角度來講，如果膜中的孔其上下完全不受阻礙地敞開漏水，其漏水量是不小的，但實際上水的流動受到膜上保護層滲透性、膜兩側土工織物(對復合膜而言)以及其下墊層或堤的土料滲透性的限制，要精確地估計其滲漏量是不容易的。但問題是要防止因漏水引起土體的滲透變形，圖3-4中給出土工膜中一小孔產生滲漏時的情況。圖3-4(a)為流線分布圖，超出浸潤線則無滲流。圖3-4(b)給出在b/Hs＝0.02和hW/Hs＝1的條件下平面狀態的滲流等勢線圖，hω為1。從3-4(a)圖中可以看到水通過小孔后開始以圓形(空間問題則以球形)的形狀擴散，滲透面積迅速擴大，因而水頭降低較快，但到一定距離后滲透面積穩定，水頭下降減慢并維持一定的水力坡降，到最后仍保持一定的水頭。如果多個漏水點的最后逸出水頭疊加起來，則壩體下游的滲透水頭是不可忽視的，必須采取反濾層措施。應當強調指出，土工膜后的反濾層是十分重要的，不管土工膜有無破損，反濾層都應十分認真地做好。

當進行土工膜的定量滲流分析時，可以把滲透系數很小(Km＝l×10-2cm/s)，厚度很薄(1mm)的土工膜，換算為1m厚的滲透系數Ks為l×10-9cm/s的粘土層進行計算；同時考慮到土工膜中不可避免的缺陷，再將其滲透系數加大100倍，亦即按Ks＝10-7cm/s的lm厚的不透水材料進行滲流量和水頭分布的數值計算，可以得到近似值。

5.斜墻式土工膜的穩定性

斜墻式土工膜的失穩情況除第二章中列舉的兩種以外，還可能有以下兩種，即土工膜上的表面保護層被水壓力頂起失穩和土工膜受其下水壓力的作用而被拉斷或被頂起失穩。

(1)第一種失穩情況主要和保護層的滲透性有關。當保護層是透水的，且其坡角與土工膜鋪設墊層的坡角相同時，一般都利用通常的斜坡穩定分析法(見第二章)。但若保護層透水性不良(如現澆混凝土板等)，庫水位下降時，容易在保護層上下形成水位差．到一定程度后，就可能造成面板的抬動而失穩。此時的關鍵問題在于如何使保護層下的透水墊層與底部排水通道連通，以迅速消散保護層下的滯留水。如王甫洲工程(圖3-5)，其現澆混凝土面板下的透水墊層下部有排水通道，當庫水位變化時，透水層中的水位也隨之變化，水位差有限，故不會影響到膜上保護層的穩定性。據估算，1m水頭就足以把250mm的混凝土板推動上抬，造成失穩。解決問題的關鍵是采取措施令透水層的水位基本上與庫水位同步下降。

第五篇：土工合成材料在我國的發展

[瀏覽534次回顧土工合成材料事業在我國的發展

數]

現對我國土工合成材料技術的應用與發展，進行一次較全面的回顧?；仡欉^去是展望未來的必備條件，所以僅憑著編者個人的回憶，難免不會出現差錯，希鑒諒。現以條文形式，大體分為初始階段、發展歷程和與時俱進三個部分來表達。

1．上世紀70年代末80年代初

杜邦公司贈送鐵科院土工織物被引用于鐵道基床防治翻漿冒泥，試點達30多個。

黑龍江省將土工織物用于分散性土地區的水利工程； 吉林省、河北省將土工織物用于病險庫土壩處理(反濾)；

遼寧省除將土工織物用于病險庫處理之外，還應用土工膜在季節性河流上進行截潛灌溉。

這些都是我國農田水利工程中應用土工合成材料的先驅。

2．上世紀80年代初，江蘇泰州地區南官河上，第一次引用土工膜袋護坡和無錫市第一毛紡織染廠研制模袋成功，是我國推廣應用土工膜袋的基礎。由于其整體性強、有利于水下施工，且施工速度快、工程質量便于掌控等特點，在水利、水運工程中，在缺少石料和運輸條件下，有許多適用之處。但由于膜袋的成本較高，成了推廣應用中的主要障礙。1998年三江特大洪水之后，人們對于膜袋使用的優點有所認識，與傳統的護坡護底相比，知道了它們之間的真正貴賤，加之國外(澳大利亞)趁機的宣傳，所以此后幾年土工膜袋在我國的應用形成了一個高潮，生產廠家也迅速猛增，并出現遼寧大洼平原水庫用量最多的護坡工程。然而企業間只顧價格上的競爭，忽視了質量和對產品應用優勢的發展，反而造成了工程使用中的負面影響，也是導至不能持續大規模應用的教訓。

3．天津新港北疆東突堤擴建工程最早大量使用塑料排水帶，對軟基進行真空預壓處理并獲得成功，對以后的軟基處理中推廣應用起到了關鍵作用；尤其是在國家沿海最先宣布的14個開放城市建設中，幾乎都發揮了軟基處理非常主要的作用。

4．上世紀80年代中期，我國公路建設速度比較慢，尤其是三北地區的無鋪砌路面或經過一冬春尚未正式修建路面的公路，很多地段均發生翻漿冒泥現象，嚴重影響交通。針對這一弊病，遼寧省錦州市公路局，首次采用針刺土工織物，鋪設在路面下50-60cm處，有效地阻止了冰凍期毛細水地向上轉移，使路面下50-60cm厚的路基(壓實)土的含水率保持基本穩定，不會在頂層形成大量冰結晶體，從而也不會在春暖時融化翻漿。這是一種不以保溫方式來解決工程凍害的措施，效果出奇地好，隨后在東北、華北幾個省區都有所推廣。嚴寒地區的新建鐵道也有所效仿。

5．廣西田村水庫和甘肅夾山子水庫是我國高壩大規模應用土工膜防滲的范例，前者主要解決了當地缺乏合適填料問題，后者包括壩體和砂石庫區都需要防滲，實踐證明是非常成功的，也同時取得了施工方面的經驗與教訓。為以后的防滲工程，特別是水頭較大的防滲工程打下了應用基礎。土工膜防滲的效果關鍵在工程全面的施工質量，國內外的實踐都說明這一點。

6．河北省涿州市的人工湖和北京市的團結湖是我國應用土工膜防滲比較早的休閑水景設施；山西太原晉祠內的養魚池也是應用土工膜防滲比較早的人工設施。此后又在山西榆次、河南的鄭州、河北的廊坊、遼寧的沈陽等很多城市修建了人工湖和社區間的水上景觀。其中用量最大的是近期濟南市郊新建的人工湖，土工膜用量達150萬m2。

7．我國第一條高速公路京津塘的天津至塘沽45km的全部，幾乎都采用了塑料排水帶加堆載(路堤)預壓和土工織物的技術，獲得了肯定效果；為以后的眾多高速公路建設中，特別是東部及沿海地區道路的軟基處理打下了基礎；它與粉噴樁、砼攪拌樁等方案方案相比，多種情況下具有一定的優勢。

8．上海市寶山陳行水庫是我國首次采用大管袋充灌技術筑壩，并取得了多、快、好、省的突出效益。此后又在上海的船塢工程和金山灣化工基地用作圍海筑堰(埝)的同時，積累了十分寶貴的經驗；這些實踐為管袋充灌技術的推廣起到了非常積極的作用。

9．陜西公路界應用加筋帶修建擋土墻和重慶市沿江的加筋土路堤，是我國加筋土工程的先鋒，雖然都是從應用加筋帶開始，但墻體填土和高度都是不一般的。表明了我們的工程師勇于實踐的精神是很可貴的。對以后逐漸使用單向拉伸格柵筑擋土墻打下了很好的基礎。

10．上世紀90年代土工網的陸續出現和協會1993年宜昌第一次加筋土會議之后，我國在擴坡工程方面有了較大的發展；同時由于土工網的結構形式與雙向土工格柵相似，曾有一個階段以土工網代替了雙向土工格柵用以地基加固；而在較短時間內，土工網進口設備竟達8條生產線之多，有一定促進性，但對國外主要用于平面排水這一功能沒有認真領會；同時由于三維網的出現和雙向格柵的國產化，很快土工網的應用即日落西山，也暴露了引進項目的盲目性與重復性。

11．新疆石油開發第一次應用土工織物在沙漠地區多、快、好、省地修建了250多公里通向塔克拉莫干(死海)的公路，至今已正常運行近10年，為我國沙漠地區的交通工程樹立了典范。目前正在快速修建第二條大沙漠公路，將為西部開發作出更大貢獻。

12．秦(皇島)沈(陽)客車專用鐵道，是我國第一條全面采用土工合成材料技術修建鐵路的實例，很多有關院校和科研院所都參與其子課題的研究，并且自始至終參與觀測、分析和總結，獲得了實實在在的、系統的經驗和教訓，為以后的客車專用線建設作出了示范。鐵道的高速與路基的變形很有關系，但與機車性能乃至鋼軌也不無重大關系，對我們而言要解決的是通過土工合成材料技術保證地基變形穩定。這在今后200km/時以上行車速度的鐵道建設中會逐步得到體現。

13．長江在湖南和湖北境內的航道整治，是水運工程應用土工合成材料技術的首例；較早之前長江航道局科研所和湖北長江航道管理處的工程人員就十分致力于應用土工織物軟體排和充填丁壩、順壩技術來防沖、清淤，改變水流態勢的探索；為長江航道工程建設所廣泛重用，并在較短時間內取得了突出效應。

14．吉林省水科所針對化纖土工膜袋的許多優點和比較貴的缺點，刨造性采用編織物縫制成簡易膜袋，在嫩江護岸和土壩護坡上應用，既凸顯出它的經濟性，又反映出它的優勢。但是它不宜利用機械充灌和水下施工，所以用起來有一定局限性。

15．上世紀80年代，在“土工布”的名字響徹全國市場的時候，在巖土工程界注視到其反濾排水功能的時候，國內的機場、尾礦壩、粉煤灰庫、自來水廠、隧道、地鐵、球場等一些相關的工程，也紛紛開創試用，一般都獲得較好的效果。其中尤以蓄水池及地下工程底板下的抗浮(撥)措施最為凸顯，用土工布包裹砂石排水，可順暢降低揚壓力，比采用抗撥樁等方案要快、要省得多。

16．南京工程兵學院與舟橋部隊曾為克服黃河灘地道路泥濘合作過課題研究，以土工織物復合排體攻克過輜重車快速搶過灘地渡河的難點，取得了成功。但畢竟限于粉土性的黃河灘地，且是相當臨時性；而華北油田橡塑技術研究所，為配合淺海石油開發，在潮汐帶灘地上主要依靠土工織物和土工格室的技術，經過潮汐的考驗，完全滿足了一定范圍內多井開發的運輸要求。

17．江蘇省江都市，是我國在水閘前設置土工織物軟體排防治閘前海漫受沖蝕的典范，他們曾多年觀測，對其效果和耐久性都給予充分肯定。以后在江蘇境內的長江邊沿，也有用于防治沖蝕的。河北省張家口地區除用作軟體排之外，還應用常州產防老化編織土工布，筑砂石丁壩、順壩，雖然裸露在外，但經10年的汛期考驗，其織物強度尚保持在60％以上。后來在河北唐山灤河下游等地，也有應用。

18．河北張家口地區應用編織土工布，掛在河槽斷面的短樁上(高約1m)，用于汛期抬高水頭，自動引水上岸進入灌溉渠道。雖受地形限制，但適用的地方非常受歡迎。

19．自從福建省水利部門針對汛期閩江大堤背后發生管涌、流土、潮澤化的問題，創造性地采用了在迎水面坡腳處，垂直開槽鋪土工膜防滲的辦法，取得很好的效果。以后在山東、江蘇、遼寧等省陸續采用，并紛紛對開槽設施進行改進創新，使鋪膜深度最大達到16m左右。1998年三江特大洪水之后，在江堤工程中為防止管涌而有所發展。

20．軟式透水管和方便面式排水塊的出現，是巖土工程中條帶狀集中排水的好方法、好設施，但由于初期都比較貴，難以推廣；隨著我國市場經濟的不斷發展，生產企業增多，競爭機制一形成，應用起來就沒有“過貴”的顧忌。它們在高速公路的隔離帶及一些地下工程等建設中發揮了很大的作用。軟式透水管有全方位排水、無須再加濾層，以及運輸、接頭、三通等安裝優勢，目前應用較廣。

21．上世紀80年代中期，國外公司與協作網合譯了分層加筋法的資料給大家；我國第一次采用編織土工布，于北京亞運村安慧立交橋，修筑分層加筋式橋臺(16座)，高度的達4m以上，垂直立面；預制橋面板操直接搭在加筋土體的砼枕上。后在海南島的?？谑校钟杏梅謱蛹咏罘ㄐ藿ㄊ澜缡鬃咏钔翗蚨?。這兩個首創工程至今運行情況良好。在江浙一帶高校中，開展了與此有關的摩擦和拉拔試驗儀的研制。

22．隨著我國成立初期，對東北的豐滿和桓仁水庫混凝土壩裂縫，以表面防滲處理取得成功后；上世紀九十年代河北省的秦皇島溫泉堡水庫碾壓砼薄殼拱壩，又第一個應用復合土工膜作表面防滲設施；并且很快即驗證了用與不用的區別。后經全面補設(增高)，至今效果良好?；茨厦旱V為了減少巷道排水量，將相關河道采取土工膜防滲，也受到很好的效果。核四院對于高堿性尾礦的填埋，對土工膜的材質進行過應用研究，試驗證明對PU值小于12的尾礦，用PE膜是可行的。

23．在不少防滲工程中，排水應是同時分不開的。特別是地下水位較高的地區和地下工程等都必須加以認真考慮。山東引黃濟青工程是用得比較早的工程，京廣鐵路復線大瑤山隧道也是其中之一；各地垃圾填埋場、北京市地鐵等也都在應用防滲設施之時應用了排水設置。近期在南水北調和濟南人工湖湖底防滲中，也應用了新型排水閥設置；它們基本反應了我國在這方面的進步過程。

24．成都到達縣的鐵道，是大部分穿越山區的新線，鐵道設計二院的工程師們，考慮到雨水及地下水對路基土的軟化及翻漿冒泥問題，除加強各種排水設施外，還第一次在路床上下，鋪設防滲復合土工膜，實踐證明效果非常凸顯。經過鐵道部門的觀測總結，現已大面積推廣應用；近期又有所發展，用膜與排水網相復合，來增強膜上排水能力，進一步保證基床穩定。公路、市政工程以及其環境和條件相類似的工程也已在推廣之。

25．在南(寧)昆(明)鐵路上，有不少膨脹土分布，設計人員考慮到雨后膨脹土路堤的穩定性，而用土工網分層水平鋪設，進行邊坡加固；經過幾年的運行證明，在連續降雨后，反映出(例如百色地區)用與不用而獲得穩定與發生滑塌(坡)的不同；而這兩個地段是緊相連的。

26．萬泉河在匯入博鰲河時，應用三維網植草護坡防止沖刷獲得成功；先后兩次經受過較大洪峰及上游水庫同時泄洪的考驗，沒有再發生未設防前的沖刷破壞。此后這種技術措施，在博鰲國際會議中心附近的海邊及宜昌長江岸邊，又發揮了同樣的作用?？偨Y其經驗是，網與草的密切配合和草比較高(50cm左右)，形成了以柔克沖、以網保土、而不受淘刷的威脅。

27．哈爾濱市郊用袋裝砂被(厚10cm左右)，治理哈爾濱市的“龍須溝”，他們認為既減少了淤泥的清理量，治理了污染，又保護了河坡的穩定及整個河槽的生態問題。編注：土工織物夾薄層中細砂做成類似GCL型式的墊子，在國際上也是早有的；它是針對缺砂和砂體易流失的情況而制作的一種材料；有其適用的地方與一定的條件限制。所以至今尚未發現有更多的實例。

28．80年代末，海河水利委員會以織造和針刺土工織物，預制成雙抗洪搶險的各種排體，用在堤防或岸坡的迎水、背水面，可以迅速地防止沖刷、塌岸，散漫和管涌等險情；為國家防汛辦所公認，并編入《土工合成材料工程應用手冊》。實際這比織物袋替代草袋還要早；1998年我國三江連續發生特大洪水時，土工合成材料在抗洪搶險過程中再次發揮了很大作用，一些場景是國人有目共睹的。過后朱熔基總理也在外界建議的同時，就土工布作出了批示；并引起經貿委及有關職能部門的高度重視。當總理作出第二次批示后，我們協會向總理直接做了我國土工合成材料發展的書面匯報，具體告之國內產品和應用已具有一定規模(以后又有一次)。當然這也是土工合成材料進—步快速發展的大好機遇；各行業在宣傳推廣應用中的熱情也空前高漲，建設部、水利部、交通部、鐵道部在協會會員的參與下，用較短時間制訂了全國及行業的應用技術標準和規范(共七本)；質量技術監督局、輕工、紡織等部門也統一制訂國家產品標準。與此同時，水利、交通、鐵道部門都組織了應用土工合成材料的示范工程，組織了宣貫標準學習班，并組織了檢查、驗收和鑒定。而這些都是在經貿委統一領導和部分撥款下進行的，最后以國家經貿委為主拿出了整個總結。這是有關我們事業發展過程中的一件大事！

29．自國產塑料拉伸格柵問世之后，單向格柵曾因材質的不同而引起“蠕變”問題的爭論，但是都忽視了無論哪種材質，都必須重視其強度、變形和融熔指數的配方問題；只有這樣，才能在一定的機械和工藝條件下，做到蠕變性最小。然而人為地擴大了PP與HDPE兩材質的區別，起初有人提出PP的蠕變折減系數過分偏大，后來又因忽略了配方和工藝的改進，實際HDPE的強度與蠕變之間也不匹配，致使單向格柵的設計強度標準越做越大。一個不高的擋墻，竟要求格柵的強度達120KN／m，有的甚至要達到180KN／m以上。卻忘記了分層布設筋材，本身的應力狀況和允許的變形是多少，造成不切實際的浪費；也形成了片面追求單肋強度，而忽視結構效應和格柵與土之間的相互作用問題。于是各式各樣的格柵應運而生，給工程設計人員眼花暸亂。目前這種現象仍在蔓延，有的不論軟基性質，想以超高強雙向格柵處理之，完全忽視了排水固結的基本要素，這是欠科學的。應當承認企業的積極性和對加筋材料發展的貢獻；但是各種格柵都有其不同的特點和特征；也都有其相應的應用條件和環境(如不同填料。具體說塑料拉伸格柵、經編格柵、玻纖格柵、鋼塑格柵，都有它們各自的優缺點，也就是有各自適宜的使用條件，不能隨意相互替代。

30．1998年大洪水之后，模袋的應用曾形成高潮，其中澳式模袋因結構(連接)的不同，適宜充灌厚度在15cm以下的水泥砂漿，從而具有做鉸鏈型、框格型、濾點型模袋的特點。特別是宜于水下大面積充灌及大面積連續鋪設、連續澆筑、經過縫合而無接縫，并具有表面平整、凝固后無裂縫、充灌率高等優勢。廣東的東江、西江等都有用于防止江堤、江岸和江底沖刷的。但售價較高，不實行國產化恐很難推廣。

31．土工合成材料的出現，也使屋面防滲引起了一場變革，起初是針刺織物加改性瀝青，替代紙質瀝青油氈；后又進一步發展到高密度聚乙烯復合土工膜防滲，不僅結構簡單、省錢、更利于檢查保養，而且經久耐用；已從黑龍江等省向全國各地擴展?，F在房屋建筑的節能、保溫又提到議事日程，已有工廠在配合建筑業進行這方面的試驗研究，預計屋面(頂)保溫與屋面防水將對合成材料的應用起到進一步的促進作用。

福州大學采用土工織物碎石樁作為房屋建筑地基的處理，開創了樁基工程應用土工合成材料的先例，實踐證明對于不太高的樓層而言，其承載能力與沉降變形是能滿足要求的。上海等地在樁位間或建筑物之間插入袋裝砂井或排水帶，能有效減小打樁發生的孔壓和擁土現象，避免對周圍建筑物的影響。深基坑開挖中及時對圍樁之間垂直鋪設土工布既利于排水，又能防止砂性土體坍塌。

32．揚州市古運河上的垂直加筋土岸坡是我國水利工程中比較早的加筋土擋墻，也是國內比較早的應用預制弧形模塊和插屑(玻纖合成)結構的工程。它與對岸的堆石、砌石岸坡相比，在經濟上和施工速度上有很強的優勢，并在保護環境、少開山取石等方面形成了顯明的對照。

33．自河北廊坊應用編織土工布預加應力鋪設于公路加固路面后，經編格柵在江蘇、浙江問世，起初并不引起廣大工程師們的認同，經過節點結構的改革和外包層的處理，方才引起應用者的注意。特別是玻纖和滌綸經編格柵，在耐高溫、抗低溫和鋪設服貼等方面的優勢，在滬寧高速鎮江段首次試用后，多數用于公路路面防治反射裂縫；也有取材于材料的高強和易于平整性，而作為復合制品或替代雙向塑料拉伸格柵使用。今后在大規模公路建設中仍有較大的用量。

還有以化纖編制成立體形的植被網，在江蘇常州、南通問世之后，在多雨的丘陵或緩坡地區使用，也顯示出一定的優勢；它比東南亞國家所用的黃麻繩網護坡植被，更具優越性。

34．我們的環保工程是由邊坡的防護結合綠化開始的，接著是垃圾填埋，以經濟發達比較早的深圳、北京、上海開始，應用土工膜作為填埋場防護，后逐步在全國普通應用：并進一步發展到土工織物膨潤土墊(GCL)和用土工膜兩層來防滲；這可以說是我國環保工程發展的里程碑。目前GCL在北京市等地已擴大應用到河流湖泊及地下工程中。

35．冰上沉排在我國東北三省都有過使用和嘗試，都獲得了成效；其中尤以第二松花江的冰上沉排次數多、規模大。水利部東北院考慮到冬天枯水季節，江上冰厚水淺、農閑有勞動力等特點，對易沖刷的位置在冰上布設縫制好的土工織物排體，然后在預設部位壓載適當塊石，并同時沿擇體的三邊線(上、下游與遼內側)破冰沉排。這是一項技術與經驗并重的工程，排體下的冰塊絕大部分可在沉排的同時竄出水面，而使整個排體準確地服貼到江底設計位置。從而比汛前的水上沉排或水下施工，做得更快、更好，更省。

36．隨著大規模工程建設中的軟基處理，塑料排水帶的用量日益俱增，排水帶的產品設計和施工也不斷改進。針對打設速度慢，改進了打設機械，可以做到一次插入多根，效率提高幾倍；針對打設深度弄虛作假，最終改進了自主測深；針對國外羨慕我們的帶芯，而改進了外包濾膜，促進了出口創匯。目前質量過次的排水帶已逐步遭到淘汰。

37．在潮汐海灘中利用大管袋充灌圍堰，常遇到合攏和必須搶速度，或對堰身進行防沖和產生負壓倒吸的問題。天津港在管袋充灌圍堰中，采用模袋沿堰身成馬鞍形布設，并迅速澆筑，這會在做到及時防沖的同時，又能使模袋充灌后做到與軟基、堰身整體變形的相對適宜性。此外對管袋就地充灌填料顆粒偏細的問題，采用人為摻砂促固結，或加水泥促凝固的辦法，也是成功的嘗試。

昆明滇池為解決環保清淤的堆場問題，由合力通公司用國外特種織物縫制的大直徑充灌袋，經多次試驗研究，能夠使粒徑小于0．075mm、含量大于80％的淤泥充進去，只排水、不漏土；從而形成由1．3m高的圍埝清淤堆場。不僅完全免除了遠處開山取土、取石(護坡)和運輸、破壞自然環境，而且還減少了充灌圍堰后的清淤量，圍埝更適應地基變形。這可以算是解決應用條件十分苛刻的精典之作。

38．引額濟烏(包括至克拉瑪依及沙漠地區)工程創下了輸水渠道土工合成材料用量之最以后，又迎來了南水北調中線方案設計的大用量。前者雖然整個處于西北嚴寒地區，但由于渠道主要用于季節性引水，第四季度輸水即已停止；所以后者的華北段，保溫問題反比前者更為重視。除去設保溫層之外，還對外表保護層的建筑縫加以周密的防水設計，使其為脫離因水的凍脹破壞提供了雙保險。

39．長江口深水航道的整治是我國水運工程應用土工合成材料的一個里程碑，在設計方案上，施工機具及方法上及所有材料制備上，都有所創新的記錄。也可以說是我國應用土工合成材料技術以來節省造價、縮短工期最多的工程。參與的專家、工程師，邊研究、邊改進、邊實踐的科學作風和實干精神是值得學習的。

40．在高原嚴寒地區修建青藏鐵路，對于凍土問題基本分兩種，一種是多年凍土部分，所要應對的是，如何保護基土土溫不上升，保持凍土層處于長期(凍結)穩定狀態；另一種是海拔相對比較低，最低氣溫相對比較高，地層有隨季節變化而發生較大差異的部分，所要應對的是如何使路基、路堤，在季節溫差發生較大變化時，減輕凍融病害，保持穩定。其中相當多的措施是，采用各種土工合成材料技術所發揮的綜合作用。實踐證明，其成效在國際上也是少有的。

41．新疆建設兵團所開創的滴灌機具和設施，是農田水利工程中一項節水灌溉的上好佳作，這種合成材料制品還完全符合了經濟實用和易操作的原則，在雨水稀少的干旱地區容易得到推廣。浙江省的呂偉元先生是紡織行業的專家，卻十分熱愛土工合成材料事業，他在推動西北缺水地區的水窖工程貢獻了力量。

42．自上世紀90年代天津一家(軍工)企業參與研制膜結構材料之后，開啟了協會內關于高強合成膜應用的序幕。遼寧省水科院依據橡膠壩的原理，在中小型水庫的溢洪道上，以高強膜結構可以自由立閉、倒放的靈活性，無形中多攔蓄了幾萬方以上的水，大大提高了灌溉效益。后來紡織和輕工部門又引進國際先進經驗，以玻纖織物與四氟乙烯塑料相復合，制成具有各種優點的膜結構材料，廣泛用于大跨度的建筑物或街道、旅游區的擋風避雨點；在北京奧運會的體育場館也有應用之處，是一種頗有前途的結構材料。

43．圓明園湖底采用土工膜防滲，這本來是一件很正常的工程設計，在施工過程中，卻被一些高人和媒體炒得沸沸揚揚；借清理現場，砍伐了灌木，借土工膜下透水會影響地下水及自然環境，借高分子塑料的成分有污染水質之嫌等罪名，大有一杠子打死在世界上已發展40年左右的新生事物。加之當時國家的環保部門也參與其中，給我國的土工合成材料事業造成很大的壓力，給一些正在或將要應用的工程帶來負面影響；使土工膜的應用受到較大的挫折。但是科學的東西是不怕隨意攻擊的，實踐才是檢驗真理的唯一標準，在協會廣大會員的積極反應下，在許多業內老專家、老教授的參與下，寫文章、講道理、駁斥反擊，先后達10多篇；并舉出既改善了環境又獲得成效的人工湖應用例證達幾十處之多。相反他們在大小多次的聽證會上，拿不出一個負罪(面)的人工湖名稱，都是在哪里猜想、推論、空談。盡管我們協會的內部《通訊》影響范圍很小，但閱讀者除平常會員外，還有我們的顧問院士們，各有關部的部長、司長們和相關社團及刊物出版社；他們不僅對土工合成材料有認識，而且接觸、參與、領導或研究過工程與材料，對土工膜的應用是認知的、贊同的。連圓明園管理處也在網站上聞訊來電求知；最后所謂委托某高校再次論證的實情是什么?雖然不太清楚，但后來吉林省一次真正的環境污染大事，有人被免職，則是人人皆知的。

44．關于防止蒸發、凈化水源在我國也有嘗試和進展，利用合成材料的整體輕質的特點，設計成條塊結構形式，一種是水平漂浮在水面上，起防止蒸發的作用。一種是垂直半潛半浮在水中，但入水深度要靠排架來控制，并做到基本不阻水流，只吸附水中雜物；特別在無一定流向的人工湖泊、池塘中使用，有很好的凈化作用。

45．防滲與排水已用于屋頂綠化，西方國家在發展，我國上海等城市也有在嘗試。這是在屋頂上首先鋪設2-5cm厚的防滲、擴面(保護)及平面排水結構物，然后鋪有一層4-12cm厚的培養基(主要為透氣而松軟的沃土及少量肥料)；最后種植綠化植物或花卉。對我們來說是提供防滲和排水，但對綠化而言，要依據當地的氣候及屋頂結構條件而定。頗有前途。

46．我國是一個煤炭資源大國，廣泛用于發電和生活及工業燃煤，為了保護環境，現在要求燃煤脫硫，擺脫硫的污染，但經脫硫工藝所排出的煙氣濕度大，在霧狀的煙氣排出過程中，仍含有一定的腐蝕性，對砼或磚質煙囪易產生較強的腐蝕。這在河北、四川已有用特種合成材料，內襯煙囪壁進行防腐的策劃；并已制訂出必要的施工程序和規定，使廣大電廠的已建煙囪得以按籌劃實施和改進。此外在電廠的吹灰管道內，防結垢、保耐用；在石油管道和輸水管道的防腐、保溫等方面，也都有大量應用合成材料的地方。

發展中一些標志性的工程和典型還有許多，一時不易全部回顧周全，例如上世紀80年代中期云南曲靖與南科院合作，在麥子河水庫應用土工布替代砂礫石反濾料，是很典型的帶頭工程。后來他們又以樁膜圍堰的方式，于庫區準確地探測出喀斯特溶洞，并以土工膜加以處理。

土工合成材料，又稱“土工布”、“土工織物”，它是以合成纖維、塑料、合成橡膠等 為原料制成的不同種類產品，使用過程中具有分離、加固、排水、過濾、防護、防滲六大基 本功能。國外在三十年代就開始了使用，迄今其產品從單一紡織品發展到其它合成材料及其 復合材料?，F在土工合成材料已被稱作與鋼材、水泥、木材齊名的“第四種工程材料”，并 廣泛的應用于巖土、水利及土木工程等領域中。1 土工合成材料的種類及應用

土工合成材料種類很多，一般按功能及生產方法分為四大類，即土工織物、土工膜、土工復合材料、土工特種材料。下面概述幾種土工合成材料的特點及應用。

1.1 機織土工布

是我國使用最早的一種土工布?，F我國使用較多的機織布材料有長絲機織布和扁絲機織 布兩種，材料以聚丙烯為主，單位重量一般為100～300克/平方米。它的應用以制作反濾布的 土工模袋為多。機織土工布具有強度高、延伸率低的特點，廣泛使用在水利工程中，用做防 汛搶險、土坡地基加固、壩體加筋、各種防沖工程及堤壩的軟基處理等。其缺點是過濾性和 水平滲透性差，孔隙易變形，孔隙率低，最小孔徑在0.05～0.08 mm，難以阻隔＜0.05mm 以下的微細土壤顆粒；當機織布局部破損或纖維斷裂時，易造成紗線綻開或脫落，出現的孔 洞難以補救，因而應用受到一定的限制。

1.2 經編土工布

用經編機生產經編土工布的方法較少單獨采用，經常與其他方法聯合使用，如將經編布 與非織造布交織形成纖網型縫編土工布，也可與紙帶一起編織成可降解的經編土工布。經編 土工布主要應用于排水溝、水壩或煙筒過濾，無中間層的海岸保護，阻截自流水壓，加固垂 直地面、傾斜面和堤岸基層等。

1.3 非織造土工布

非織造土工布的出現比織造土工布晚，其生產方法主要有紡粘法和針刺法兩種，其中針 刺法在我國所占比例較大。采用的原料以滌綸為主，其次是丙綸和維綸，單位重量為100～800克/平方米。非織造土工布具有較大的延伸率，能適應較大的變形，可以根據需要制成適當 大小的孔隙，并在水平與垂直方向均具有較好滲透力。因此，非織造土工布的發展速度很快，并已成為土工布的主要組成部分。現已廣泛應用于解決路基沉陷及翻漿冒泥問題，用于土 石壩的排水系統、地下排水管道、軟弱地基加固，各種堤岸的護坡墊肩等工程的濾層。此外，還可用于土加筋材料，使軟基加固或修筑輕型擋土墻，同時，還能降低路堤下的孔隙水壓。

1.4 土工格柵

我國以聚乙烯材料為主的塑料土工格柵居多，它是將高聚物薄膜經有規律的刺孔、加熱，然后在一個方向拉伸，使高聚物中大分子鏈沿拉伸方向取向，并獲得單軸向格柵。也可繼 續在另一方向拉伸，得到雙軸向土工格柵，使兩個方向都有較高強度，土工格柵主要應用于 軟土基礎加固及護坡、護堤等工程中。

1.5 復合土工布

復合土工布是由兩種或兩種以上不同功能、不同種類的土工布及其他材料復合而成，復 合材料可以是紡粘或針刺型非織造布、機織布、聚乙烯薄膜、塑料網、塑料管等。其生產方 法主要有以下兩種：(1)機械方法：采用針刺復合和縫編工藝技術；(2)熱熔粘合法：采用超 聲波粘合及熱軋粘合技術。復合土工布在我國應用較多的是復合土工膜和塑料排水管，可應 用于軟地基和地基下具有坑洼的路基，堤岸的增強，路邊排水，橋座和擋土墻下排水，蓄水 池、廢物處理池的密封層，傳統沙石層排水系統的替代等。復合土工布在原有單層材料基礎 上使其性能得到很大改善，如層壓后的土工布力學性能得到很大提高，機織布與非織造布經 針刺復合后的過濾性能得到改善等。國內土工合成材料應用現狀及存在問題

2.1 應用現狀

土工合成材料在我國的發展較晚，大約在60年代中期開始，機織土工布應用于河道及涵 閘工程。80年代初，非織造布始在鐵路工程和水利工程上試用，截止到1986年，我國累計土 工布總產量約100萬平方米。進入90年代，土工布應用發展更快，1992年機織土工布耗用量 達9000多萬平方米。1998年發生特大洪水，編織布用量已超過1億平方米/年。非織造土工布1995 年耗用量達到6500萬平方米，至今其使用量也已超過1億平方米/年。目前，土工布在我國應用 規模較大、效果較好的有以下幾方面：

(1)水利工程建設方面。江蘇省采用土工布對沿江沿海堤壩進行加固，這些航道、河道 護坡成功地經受了1998年的特大洪水侵襲的考驗；河北省黃壁莊水庫下游減壓進井冒渾水，采用土工布封堵后，在1998年特大洪水沖擊下沒有出現險情；天津北塘水庫使用土工布后，工程質量明顯提高；我國最大的水運工程長江深水航道疏浚工程，在工程設計中決定試用土 工布構筑導堤，經試驗段測試，取得了其他材料難以達到的良好效果。另外，上海陳行水庫 工程、江蘇太倉中遠國際城等工程也均采用了土工布。

(2)公路建設方面。我國公路建設使用土工布現還局限于高速和等級公路，使用規模較 大的工程有東北錦大公路、浙江杭甬高速公路、廣州環城高深汕高速西段、上海滬寧高速公 路等。

(3)鐵路建設方面。我國鐵道部門從1981年開始采用土工布處理路基損壞及其他問題，如用在京九鐵路建設中的地基處理與邊坡加固、京廣鐵路翻漿冒泥的整治、上海地鐵二號線 龍東路西段工程等。

(4)環境保護方面。土工布在環境工程方面的應用比例還不很大，但在垃圾場及廢水排 放治理等工程中的應用會越來越多。至今，我國土工布在環保方面應用較多的是在貯尾礦和 灰壩的處理，如上海外高橋電廠、嘉興電廠、上海石洞口電廠的灰壩、銅山尾庫礦等工程中。

2.2 存在問題

土工合成材料在我國從試驗、生產、試用到大工程應用，已有近20年歷史，雖然在應用 上已有一定的廣度，但和我國基礎設施的巨大規模相比應用比例較低。(1)工藝與技術裝備方面。我國現有非織造布生產設備除部分為國產針刺加工設備外，多為引進。在這些引進設備中，仍以針刺短纖土工布的生產為主，紡粘、化學粘合、熱粘合 設備工藝僅占很少部分，而在這部分中還有一些是為生產地毯、服裝、裝飾布、人造革、化 肥袋等設計的，與專門生產土工布的設備存在著一定程度的區別。

機織編織土工布的生產能力完全可以滿足我國“九五”期間各項工程的要求，但缺少搶 險抗滑用材料的編織設備和多軸向編織機。

復合土工布生產設備國內現已具備4 m寬以下的生產能力，6 m寬以上的生產設備在國內 尚屬空白，無法滿足工程的需要。

(2)產品結構方面。主要表現在原料單一，產品品種單一。我國土工布所選用的原料主 要是滌綸、丙綸、維綸及少量的錦綸。同時由于生產設備的限制造成了以短纖非織造土工 布及丙綸編織布為主導的單一產品結構。國際上原料的選用除滌綸、丙綸外，還有錦綸、黃 麻、特種纖維，有的甚至織入鋼絲等，產品品種除短纖針刺產品外，高強度土工格柵、土工 片、紡粘法長絲針刺產品品種及復合土工布的品種也很多。由于實際工程中對土工布的功能 及品種有著不同的要求，因而單一的產品結構阻礙了土工布應用的擴大及工程質量的提高。

(3)產品檢測體系方面。最近，我國已相繼發布了土工布產品國際標準及土工布產品的 使用規范，但在產品質量的實驗方法、考核指標內容以及土工布與土相互作用性能實驗等方 面還缺乏統一的標準，而國外則成立有土工布專業委員會，來對此進行規范化處理，因其具 有相當的權威性而得到各自國家的認可。因此，在我國加快一系列檢測體系標準制定的步伐，將更有助于土工布在我國的生產和推廣應用。

(4)應用與設計方面。由于土工布涉及到巖土、水利、土木、紡織、塑料等諸多領域，而一種行業的設計人員缺乏其他行業的專業知識和實際經驗，一些工程單位對土工布的特性 不是真正了解，不清楚這一能夠部分取代傳統沙石料的新型材料，再加上在施工過程中偏重 于一次性投資的降低等因素，造成了我國土工產品低水平重復嚴重及各種工程應用量偏低的 局面。發展趨勢

國內土工布的發展將由以紡織技術生產為主的形式轉向以適應各種實際工程需要為目的 進行生產，產品總的發展趨勢向系列型、復合型、綜合型發展。復合土工布是這幾年國外大 公司競相開發的產品，其產品包括排水管與土工布復合，機織布與非織造布復合，大流量排 水板與土工布復合等許多新型復合材料。我國在這方面則處于起步階段，現有的復合產品為 復合土工膜、針刺機織布和非織造布復合土工布、非織造布復合結構的排水管，并且，還都 處于試制和試用階段。因此，復合土工布在我國的生產和應用極具開發前景。據統計，在“ 九五”期間，我國將新建公路30萬km，其中高等級公路1.45萬km；在鐵路建設中，每年預計 要修復1000 km翻漿路段。1998年長江、松花江的一場特大洪災后，國家又增加了資金投入 基礎設施建設，這其中包括長江堤防的修復和加固、三峽工程、黃河治理、小浪底工程、南 水北調、長江口深水航道等巨型工程，這些工程建設都需要大量土工布?，F在，我國土工布 已經有5項產品標準和20項試驗方法標準，土工布的使用規范也已正式頒布，這對生產、推 廣和使用土工布提供了條件和機遇。4 幾點建議

4.1 由于土工合成材料是一種新型巖土工程材料，且應用時一次投入成本較大，應用 部門在不了解這種材料的條件下偏重于使用成本較低、后期維護費用大的砂石、瀝青等材料。因此，建議水利、交通、建筑、紡織等方面聯合成立土工合成材料協會，大力宣傳土工合 成材料在工程建設中的使用方法、效果及經濟合理性，并制定土工合成材料應用的強制性國 家標準與技術規范，使工程部門從不得不用到自愿采用。

4.2 加大土工合成產品協作開發的力度。土工合成材料涉及到建筑、水利、紡織等多 領域，各行業之間應保持經常性的信息溝通，使產品的設計與開發為不同的行業、不同的工 程條件服務。因此，建議科研部門、企業及工程單位組成科研、生產、應用體系，形成工程 部門需要什么科研部門研制什么，再由企業投入生產，形成全新的產品開發系統。

4.3 做好引進設備的消化、吸收及開發創新工作。我國現有引進設備中有一些不適合 土工產品的生產。因此，對這部分設備在進行改善的基礎上，應再填平補齊，建議政府部門 應在這方面給予一定的技改及技術創新傾斜政策，以充分發揮現有設備的潛力及企業的積極性。

4.4 進一步加大土工合成材料的銷售力度。除了政府部門、行業協會之間的宣傳、推 廣之外，建議在國內建立起土工合成材料銷售網格，在網絡上可以查到國內土工材料生產的 定點企業、產品標準、所能生產產品種類、應用范圍等，使應用部門可以放心、清楚的購買 產品。這不但能擴大土工材料的知名度，增加其在國內市場的占有份額，而且，最終將能在 國內形成幾種土工產品系列名牌。