堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)

前言

洪澇災(zāi)害是我國自然災(zāi)害中危害最大、損失最嚴重的災(zāi)害。長江、黃河等七大江河的中下游及沿海平原地區(qū)，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(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占全國的70％，也是中國人口最密集、經(jīng)濟最興旺的地區(qū)。該地區(qū)的洪澇災(zāi)害嚴重，是我國國民經(jīng)濟和社會持續(xù)開展的心腹之患。

我國在防御洪澇災(zāi)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(jīng)濟條件的限制，我國現(xiàn)在的防洪減災(zāi)能力仍較低，江河和城市防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，不能適應(yīng)社會、經(jīng)濟迅速開展的要求，防洪減災(zāi)仍是一項長期而艱巨的任務(wù)。

河道堤防是我國防洪工程體系的重要組成局部。在長江、黃河等七大江河的中下游地區(qū)，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(xiàn)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，根底大多為沙基，而且絕大局部堤防的根底根本上沒有進行處理。二是堤身質(zhì)量差，不少堤防是在原民堤的根底上，經(jīng)歷年逐漸加高培厚而成，往往質(zhì)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(qū)，筑堤土料嚴重缺乏，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(dāng)遭遇洪水時，經(jīng)常發(fā)生管涌、滑坡、崩岸和漫溢等險情，嚴重者導(dǎo)致大堤潰決。在1998年的洪澇災(zāi)害中，僅長江中下游干堤就出現(xiàn)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(shè)為重點的水利建設(shè)新高潮。黨中央、國務(wù)院屢次強調(diào)，在災(zāi)后重建工作中，要運用先進技術(shù)，堅持質(zhì)量第一。對土工合成材料的推廣應(yīng)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(yīng)用土工合成材料作了屢次重要批示。為貫徹落實黨中央、國務(wù)院的指示精神，科學(xué)有序、積極穩(wěn)妥地做好土工合成材料的推廣應(yīng)用工作，在國家經(jīng)貿(mào)委的支持下，水利部國際合作與科技司、水利部建設(shè)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(shè)計、施工、教學(xué)的專家，在總結(jié)多年土工合成材料應(yīng)用經(jīng)驗和國內(nèi)外最新進展的根底上，編寫了這本?堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)?。本書也是“水利科技減災(zāi)系列叢書〞之一。它的出版，旨在向廣闊工程技術(shù)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(shù)和應(yīng)用知識，為在堤防工程中推廣應(yīng)用土工合成材料提供技術(shù)支撐。本書也可作為水利工程設(shè)計、施工、管理等技術(shù)人員的培訓(xùn)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(shè)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，提出了許多珍貴意見。此外，還得到了長江科學(xué)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，書中定會存在許多缺乏乃至錯誤，敬請廣闊水利工作者給予批評指正。

編者

1999年11月

目錄

第一章綜述

第一節(jié)土工合成材料的含義及其應(yīng)用概況

第二節(jié)土工合成材料的種類

第三節(jié)土工合成材料的耐久性和防護保養(yǎng)

第四節(jié)土工合成材料的性能和測試方法

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(zhì)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(shù)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(tài)平衡，破壞人們賴以生存的環(huán)境空間，例如大規(guī)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，且本錢較高，從而限制了其應(yīng)用范圍。隨著近代化學(xué)工業(yè)的迅速開展，品種繁多的人工合成材料陸續(xù)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(chǎn)品，而且由于其質(zhì)量輕、施工簡易、運輸方便、價格低廉、料源豐富等優(yōu)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(jīng)濟有效的技術(shù)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(nèi)得到迅速的開展和廣泛的使用。據(jù)不完全統(tǒng)計，它們已在數(shù)十萬項工程中得到成功的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益；在一些抗御自然災(zāi)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(shù)被人們譽為20世紀(jì)巖土工程中的一項技術(shù)革命。

第一節(jié)土工合成材料的含義及其應(yīng)用概況

什么是土工合成材料，概括而言，土工合成材料是應(yīng)用于巖土工程的、以合成材料為原材料制成的各種產(chǎn)品的統(tǒng)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(qū)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(xiàn)，例如土工格柵、土工網(wǎng)和土工模袋等，原來的名稱已不能準(zhǔn)確地涵蓋全部產(chǎn)品，這樣，在其后的一段時期內(nèi)，把它們稱之為“土工織物、土工膜和相關(guān)產(chǎn)品(relatedproduct)〞。顯然，這樣的名稱不宜作為一種技術(shù)名詞或?qū)W術(shù)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(xué)術(shù)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(xué)物質(zhì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xué)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(fā)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(yōu)。

聚酰胺約在1935年研制成功，俗名為尼龍，其吸濕性較高，枯燥時有一定絕緣性、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(xué)劑性能較好，惰性強，價格低廉，是目前應(yīng)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(xué)穩(wěn)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比照方表1-1所示。

表1-1幾種高分子聚合物性能比照

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(zhì)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(yīng)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(yīng)當(dāng)指出，材料的強度還與纖維的制作方法有關(guān)。在應(yīng)用土工合成材料時，其性能更受施工方法、應(yīng)用環(huán)境和側(cè)限壓力大小的影響。

土工合成材料的最早應(yīng)用可追溯到本世紀(jì)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(wù)局采用PVC土工膜作防滲襯砌。前蘇聯(lián)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(yīng)用實例，是50年代初的荷蘭三角洲工程。據(jù)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(yīng)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(wǎng)于1968年在日本開始應(yīng)用，主要用在填土坡，幫助坡緣填土壓實，以增大其強度和穩(wěn)定性。與此同時，土工網(wǎng)也被用在軟基上筑堤，以后又開展為在堤底全面鋪設(shè)。

非織造土工合成材料技術(shù)可能于1967年在美國、法國、英國開始應(yīng)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(xiàn)為土工織物的應(yīng)用開辟了較廣闊的天地。

80年代后出現(xiàn)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(yīng)用實例。我國應(yīng)用土工合成材料開始較晚，但開展速度很快。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(yīng)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)土工格柵，其工程需求量很大，預(yù)計會大大促進加筋土技術(shù)的快速開展。聚苯乙烯板塊在我國寒冷地區(qū)早已用于工程防凍。近來土工格室、植被土工網(wǎng)墊等新技術(shù)也已開始應(yīng)用。根據(jù)不完全統(tǒng)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(zāi)的防汛搶險工作中，土工合成材料發(fā)揮了重要作用。國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)高瞻遠矚，在災(zāi)后屢次批示和指示，工程界和制造廠商積極響應(yīng)，展現(xiàn)了前所未有的應(yīng)用土工合成材料熱潮?？梢灶A(yù)見，我國的土工合成材料的應(yīng)用程度、技術(shù)水平、以及產(chǎn)品的質(zhì)量和品種在不遠的將來必將邁上一個新臺階。

第二節(jié)土工合成材料的種類

我國GB50290—98?土工合成材料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?將土工合成材料分為以下四大類：土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料，它們又各分為數(shù)種?，F(xiàn)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?？蛇M一步劃分為圖1-1所示的各種類型。

土工織物

{

織造〔有紡〕

{

單絲

多絲

裂膜

非織造〔無紡〕

{

熱粘合

化學(xué)粘和

機械粘和〔針刺〕

編織

圖1-1土工織物分類

(一)織造型土工織物(wovengeotextile)

這類產(chǎn)品又稱有紡?fù)凉た椢?，是最早的土工織物產(chǎn)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(jié)構(gòu)的布狀產(chǎn)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(jīng)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(jīng)緯絲0.5mm，它是將聚合物熱熔后從模具中擠壓出來的連續(xù)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。多絲是由假設(shè)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

圖1-2土工織物的經(jīng)緯絲

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，后來開展為采用扁絲。扁絲是由聚合物薄片經(jīng)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(shù)編織土工織物是由扁絲織成，而圓絲和扁絲結(jié)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(fabrillatedyarn)，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(jié)合織成的編織物厚度可達1～2mm，比扁絲織成的要厚。

圖1-3圓絲和扁絲織成的織物

織造型土工織物有三種根本的制造型式：平紋、斜紋和緞紋。平紋是一種最簡單、應(yīng)用最多的織法。其形式是經(jīng)、緯絲一上一下，如圖1-2、圖1-3。斜紋那么是經(jīng)絲跳越幾根緯絲，最簡單的形式是經(jīng)絲二上一下，如圖1-4。緞紋織法是經(jīng)絲和緯絲長距離的跳越，例如經(jīng)絲五上一下，這種織法適用于衣料類產(chǎn)品。

在織造時，由于梭子要不斷地牽引緯絲從經(jīng)絲的空間中穿過，故要求經(jīng)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(chǎn)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(jīng)、緯向的摩擦系數(shù)也不一樣；圓絲織物的滲透性一般

圖1-4斜紋土工織物

圖1-5土工織物抗拉模

量極坐標(biāo)曲線

1-織造土工織物；

2-非織造土工織物；

3-短纖維非織造土工織物

比扁絲的要高，每厘米長的經(jīng)絲間穿越的緯絲愈多，織物也愈密愈強，滲透性那么愈低。單絲的外表積較多絲的要小，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(diào)整絲(紗)的材質(zhì)、品種和織造方式等來得到符合工程要求的強度、經(jīng)緯強度比、摩擦系數(shù)、等效孔徑和耐久性等項指標(biāo)。在工程實施中應(yīng)根據(jù)具體要求來優(yōu)選產(chǎn)品，鋪設(shè)時要注意材料的合理鋪設(shè)方向。

(二)非織造型土工織物(non-wovengeotextile)

這類產(chǎn)品又稱無紡?fù)凉た椢?。根?jù)粘合方式的不同，非織造型土工織物分為熱粘合、化學(xué)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(wǎng)，讓其通過兩個反向轉(zhuǎn)動的熱輥之間熱壓，纖維網(wǎng)受到一定溫度后，局部纖維軟化熔融，互相粘連，冷卻后得到固化。該法主要用于生產(chǎn)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(shù)大小不一的開孔。再因為無經(jīng)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(jīng)過熔融、擠壓，紡絲成網(wǎng)，纖維加固后形成的產(chǎn)品。這種織物厚度薄而強度高，滲透性大。由于制造流程短，產(chǎn)品質(zhì)量好，品種規(guī)格多，本錢低，用途廣，近年來在我國開展較快。

化學(xué)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(wǎng)中，待粘合劑固化，纖維之間便互相粘連，使網(wǎng)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(chǎn)品。這類產(chǎn)品在工程中的應(yīng)用較少。

機械粘合法是以不同的機械工具將纖維網(wǎng)加固，應(yīng)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(cè)面有鉤刺的針，由機器帶動，作上下往復(fù)運動，讓網(wǎng)內(nèi)的纖維互相纏結(jié)，從而織網(wǎng)得以加固。產(chǎn)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(yīng)用很廣。水刺法是利用高壓噴射水流射入纖維網(wǎng)，使纖維互相纏結(jié)加固。其產(chǎn)品較為柔軟，主要用作衛(wèi)生用品，工程中尚未應(yīng)用，

二、土工膜(geomembrane)

土工膜是一種根本不透水的材料。根據(jù)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(qū)分。聚合物膜在工廠制造，瀝青膜那么大多在現(xiàn)場制造。

制造土工膜的聚合物有熱塑塑料(如聚氯乙烯)、結(jié)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。壓延那么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。

現(xiàn)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，使在不改變材料根本特性的情況下，改善其某些性能和降低本錢。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(wěn)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本錢；參加纖維，也是為提高膜的強度。

三、土工復(fù)合材料(geocomposite)

土工復(fù)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(jié)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(fù)合材料的品種繁多，可以說土工復(fù)合材料是當(dāng)前和今后一段時期開展的大方向。

(一)復(fù)合土工膜(compositegeomembrane)

復(fù)合土工膜是將土工膜和土工織物〔包括織造和非織造型〕復(fù)合在一起的產(chǎn)品。應(yīng)用較多的是非織造針刺土工織物，其單位面積質(zhì)量一般為200～600g/m2。復(fù)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(fù)合土工膜。

復(fù)合土工膜有許多優(yōu)點，例如：以織造型土工織物復(fù)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(fù)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(shù)，在水利工程和交通隧洞工程中有廣泛的應(yīng)用。

(二)塑料排水帶(prefabricafedstripdrain〕

塑料排水帶是由不同截面形狀的連續(xù)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(chǎn)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(yù)定位置。塑料帶前端與錨靴相連，用插帶機導(dǎo)桿頂住錨靴，插入土層中，到達預(yù)定深度后拔出導(dǎo)桿，但排水帶仍留在預(yù)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(yīng)用廣泛，以加速軟土固結(jié)。

(三)軟式排水管

圖1-6塑料排水帶斷面示意圖

〔單位：mm〕

〔a〕城垛式；〔b〕口琴式〔c〕乳頭式

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局部構(gòu)成的，如圖1-7。高強鋼絲由鋼線經(jīng)磷酸防銹處理，外包一層PVC材料，使其與空氣及水隔絕，防止氧化生銹。包裹材料有三層，內(nèi)層為透水層，由高強特多龍紗或尼龍紗作為經(jīng)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(nèi)層材料相同的覆蓋層。為確保軟式排水管的復(fù)合整體性，支撐體和管壁外裹材料間，以及外裹各層之間

圖1-7軟式排水管構(gòu)造示意圖

都采用了強力粘結(jié)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(yīng)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(fù)合排水材料

現(xiàn)在已生產(chǎn)出各種型式芯材和外包濾膜的復(fù)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(wǎng)的，還有用塑料絲纏成的網(wǎng)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。

圖1-8復(fù)合排水材料

四、土工特種材料

土木特殊材料是為工程特定需要而生產(chǎn)的產(chǎn)品，品種多，現(xiàn)選擇幾種主要產(chǎn)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。

圖1-9土工格柵

〔a〕“坦薩〞SS2；

〔b〕“奈特龍〞CE121；

〔c〕“坦薩〞SR2；

〔d〕“坦薩〞GM1

圖l-10加筋帶焊成的土工格柵

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(chǎn)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(nèi)，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(shù)可以高達0.8～1.0。

土工格柵的品種和規(guī)格很多，目前開發(fā)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(wǎng)(geonet)

土工網(wǎng)是以聚丙烯或聚乙烯為原料，應(yīng)用熱塑擠出法生產(chǎn)的具有較大孔徑和較大剛度的平面結(jié)構(gòu)材料?？梢蚓W(wǎng)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(wǎng)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，延伸率一般到達20％以上。

這類產(chǎn)品常用于坡面防護、植草、軟基加固墊層，或用于制造復(fù)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(xù)袋狀材料，袋內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)的定型產(chǎn)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(xiàn)行的機織模袋有以下五種，其形狀、規(guī)格與用途見表1-2

表1-2模袋的種類及其主要用途

名稱

厚度〔cm〕

充填材料

主要用途

有過濾點〔FP型〕

PF95N6.5砂漿

臨時堤防工程或其他臨時性工程保護橋臺坡面工程修理坡面的毀壞農(nóng)業(yè)用運河〔三面鋪填工程〕

FP100N10

FP150N15

150FP10

200FP14

250FP16.5

薄型

無過濾點〔NF型〕

NF505砂漿

農(nóng)業(yè)用水庫高爾夫球場人工池塘

NF10010

100UAD10

150UAD15

厚型

無過濾點〔CX型〕

CX15015粗粒料直徑10～15mm以下的混凝土防止侵蝕護岸工程建筑碼頭工程〔專用漁船、快艇等〕

CX20020

CX30030粗粒料直徑25mm以下的混凝土

CX50050

CX70070

鉸鏈型

〔RB型〕

RB10010砂漿

軟弱地坡面的保護工程保護河川、河床、河岸工程

RB15015

框架型

〔NB型〕

NB36空隙30cm×60cm砂漿

坡面綠化工程高爾夫球場、住宅地面保護工程

NB22空隙22cm×22cm

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(lián)的塊體，塊與塊間能自由轉(zhuǎn)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(huán)境。

此外，近年來美國HYDROTEX公司還生產(chǎn)一種稱為AB型的模袋，其中插有鋼筋，為鉸鏈?zhǔn)?，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(wǎng)狀格室結(jié)構(gòu)。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(cè)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。

(a)

圖1-11土工格室

〔a〕規(guī)格；〔b〕鋪設(shè)后

(五)土工管(geotextube)、土工包(geocontainer)

土工管、土工包是用經(jīng)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(nèi)，充填200～800m3料物，將織物包裹閉合，運到一定部位，沉至預(yù)定位置。在國外，該技術(shù)大量用于環(huán)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，參加發(fā)泡劑制成的。它的主要特點是質(zhì)量極輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率小，但也有一定抗壓強度。其單位體積質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)為λp＝0.03～0.038kcal／mH·℃，吸水率僅為O.15～0.20g/100cm3。由于其質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)低，故在寒冷地帶，可用該材料板塊防止結(jié)構(gòu)物凍害，例如在擋墻反面或閘底板下，放置泡沫塑料以防止凍脹等。

(七)土工合成材料粘土墊層(GeosyntheticClayLiner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(fù)合材料。它與壓實粘土墊層相比，具有體積小、質(zhì)量輕、具柔性、密封性良好、抗剪強度較高、施工簡便、適應(yīng)不均勻沉降等優(yōu)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(shè)計。國外大量用于廢料坑的底部防滲襯砌和頂部封蓋。產(chǎn)品的具體規(guī)格和用途可參見第六章第三節(jié)。

第三節(jié)土工合成材料的耐久性和防護保養(yǎng)

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(zhì)是鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，它對氧化(老化)十分敏感，容易發(fā)生降解反響和交換反響，導(dǎo)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(guān)注。

氧化包括熱和溫度引起的熱氧化，以及陽光中紫外線產(chǎn)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(fā)光氧化反響。此外，影響材料耐久性的還有化學(xué)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，聚酯最正確，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(nèi)部開展，故產(chǎn)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(wěn)定劑和深色碳黑等。有的單位在聚丙烯中參加防老化劑，經(jīng)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(xué)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、局部現(xiàn)場觀測成果

以下是一些實際工程中土工合成材料經(jīng)長期工作后的檢測結(jié)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(xué)研究院在北京東北旺農(nóng)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，絕大局部強度損失不到30％。

(4)1981年，葛洲壩水力發(fā)電工程二江泄水閘根底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(fā)現(xiàn)織物在pH值為9.02～10.58的水下工作，其經(jīng)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(xué)的試驗說明，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(yīng)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(guī)定，如前蘇聯(lián)BCH07-74?土石壩應(yīng)用聚乙烯防滲結(jié)構(gòu)須知?中規(guī)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(fā)表的“聚丙烯土工合成材料的長期性狀〞一文中的結(jié)論寫道：“對聚丙烯的15年以上的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗說明，它們的化學(xué)和生物穩(wěn)定性高；織物的最大損壞是在施工中；鋪設(shè)以后沒有大變化；……可預(yù)期超過100年的穩(wěn)定性〞。

綜上所述，根據(jù)經(jīng)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(chǎn)品的設(shè)計年限是120年。

第四節(jié)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(biāo)的分類

土工合成材料被廣泛應(yīng)用于水利和巖土工程的各個領(lǐng)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(shè)計方法和使用標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的設(shè)計指標(biāo)，并通過實驗驗證。土工合成材料的指標(biāo)一般可分為物理性能指標(biāo)、力學(xué)性能指標(biāo)、水力性能指標(biāo)、土工合成材料與土相互作用指標(biāo)及耐久性指標(biāo)等。下面逐一加以簡單介紹。

(一)物理性能指標(biāo)

1.單位面積質(zhì)量

單位面積質(zhì)量，系1平方米土工織物的質(zhì)量，稱為土工織物的根本質(zhì)量，單位為g/m2。它是土工織物的一個重要指標(biāo)。對于任何一種系列產(chǎn)品來說，土工織物的單價與單位面積質(zhì)量大致成正比，其力學(xué)強度隨質(zhì)量增大而提高。因此，在選用產(chǎn)品時單位面積質(zhì)量是必須考慮的技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)。

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(guī)定2kPa壓力表示土工織物在自然狀態(tài)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異很大，其中針刺非織造土工織物的壓縮量最大。因此，當(dāng)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(shù)(％)表示。該指標(biāo)不直接測定，由單位面積質(zhì)量、密度和厚度計算得到?？砂聪率接嬎?/p>

np=1-〔M/ρδ〕

〔1-1〕

圖1-12不同類型土工織物壓縮量

式中：np為孔隙率，％；M為單位面積質(zhì)量，g/m2；ρ為原材料密度，g/m3；δ為厚度，m。

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。

孔隙率與厚度有關(guān)，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(shù)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(xué)性能指標(biāo)

針對土工織物在設(shè)計和施工中所受荷載性質(zhì)不同，其力學(xué)強度指標(biāo)分為以下幾種：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(xué)指標(biāo)中，最根本的是抗拉強度。

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(yīng)抗拉強度的應(yīng)變?yōu)橥凉た椢锏难由炻?，用百分?shù)(％)表示?？估瓘姸仁橇W(xué)性能中的重要指標(biāo)。在各種功能的應(yīng)用中對抗拉強度都有一定的要求。當(dāng)用于加筋和隔離功能時，抗拉強度是主要的設(shè)計指標(biāo)，而在排水和反濾功能的工程中，抗拉強度雖不是主要指標(biāo)，但由于鋪設(shè)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，那么握持強度越高，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(huán)形夾具將試樣夾??；其差異是試樣尺寸、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(fù)性較差。

除抗拉強度外，其他各力學(xué)強度指標(biāo)直接用于設(shè)計的情況還不多見，它們主要是做為參考指標(biāo)，根據(jù)工程實際情況，便于對產(chǎn)品進行比擬和選擇。

〔三〕水力性能指標(biāo)

水力性能指標(biāo)主要為等效孔徑和滲透系數(shù)，是土工織物兩個很重要的特性指標(biāo)。由于土工織物是與土共同工作的，對織物的根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

圖1-13頂破類試驗示意圖

〔a〕脹破試驗；〔b〕頂破試驗

〔c〕圓球頂破試驗；〔d〕刺破試驗

性更增大了問題的復(fù)雜性。某一土工織物對這種土是適宜的，而對另一種土未必也是適宜的。目前常用保土準(zhǔn)那么和透水準(zhǔn)那么來選擇土工織物的等效孔徑和滲透系數(shù)，即將土工織物的等效孔徑和土的特征粒徑建立關(guān)系式，同時將織物的滲透系數(shù)與土的滲透系數(shù)建立關(guān)系式，以求到達既保土又排水的目的。保土準(zhǔn)那么和透水準(zhǔn)那么由實驗得到。由于實驗時控制的條件不同，得到的準(zhǔn)那么也有差異?？砂淳唧w情況選擇準(zhǔn)那么，有條件進行模擬實驗?zāi)敲锤?。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(zhǔn)那么，因此等效孔徑和滲透系數(shù)兩個水力特性指標(biāo)是反濾和排水功能中的重要指標(biāo)。

1.等效孔徑(表現(xiàn)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(zhì)量與顆粒總投放量之比)為5％(留篩率為95％)所對應(yīng)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，那么相應(yīng)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(shù)和透水率

垂直滲透系數(shù)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(shù)和導(dǎo)水率

圖1-14孔徑分布曲線

水平滲透系數(shù)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(dǎo)水率為沿土工織物單位寬度內(nèi)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(biāo)

1.土—織物界面摩擦系數(shù)

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(shù)和拉拔摩擦系數(shù)。

2.土織物滲透特性

土—織物聯(lián)合應(yīng)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(fā)生淤堵，目前還沒有滿意的理論準(zhǔn)那么。為判斷織物是否會發(fā)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(jīng)驗逐步改良。

(五)耐久性能指標(biāo)

耐久性能指標(biāo)主要有耐磨、抗紫外線、抗生物、抗化學(xué)、抗大氣環(huán)境等多種指標(biāo)。大多沒有可遵循的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程。一般按工程要求進行專門研究或參考已有工程經(jīng)驗來選取。

(六)有關(guān)土工合成材料功能、設(shè)計指標(biāo)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(shè)計指標(biāo)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(yīng)泣意和遵守的事項

1.制樣原那么

每項試驗一般剪取6～10個試樣，應(yīng)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(yīng)防止它們位于卷材同一縱向或橫向位置上。

2.試樣調(diào)濕

表1-3不同功能常用土工合成材料品種和設(shè)計指標(biāo)種類

功能

土工合成材料性能指標(biāo)

常用主要土工合成材料品種

單位面

積質(zhì)量

厚度

抗拉

強度

延伸率

孔徑

滲透

系數(shù)

隔離▲○▲▲△△織造土工織物，土工網(wǎng)復(fù)合土工織物

排水▲▲△△▲▲非織造土工織物，復(fù)合非織造土工織物

加筋▲○▲▲△△織造土工織物，土工格柵、土工帶、復(fù)合土工織物

反濾▲▲△△▲▲非織造土工織物，復(fù)合非織造土工織物

防護

〔模袋〕

▲△▲△▲▲土工模袋

防滲▲▲○▲▲土工膜、復(fù)合土工膜

注1.▲.為主要指標(biāo)；△為次要指標(biāo)；○為不重要指標(biāo)。

2.本表僅供參考。

大多數(shù)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(wǎng)等，試驗前應(yīng)對試樣進行調(diào)濕，即將試樣在溫度為20土2℃和濕度為65土5％環(huán)境中靜置24h以上，然后在該環(huán)境下試驗。

3.夾具

在力學(xué)指標(biāo)試驗中離不開夾具，單向拉伸用扁夾具，圓形試樣用環(huán)形夾具。都要求夾具能均勻可靠地夾住試樣，應(yīng)能防止試樣在鉗口內(nèi)打滑，且不會被夾壞。當(dāng)有打滑或夾壞現(xiàn)象時應(yīng)采取以下措施：①鉗口內(nèi)加襯墊；②鉗口內(nèi)試樣用涂料加強；③改良鉗口面。在試驗過程中應(yīng)隨時觀察夾具邊緣試樣是否有打滑或局部損壞現(xiàn)象。任何打滑、夾壞或局部損壞現(xiàn)象均將大大降低測試結(jié)果。

4.資料整理

(1)按式(1-2)計算全部測試值的算術(shù)平均值。

〔1-2〕

式中：n為試驗次數(shù)；Xi為第i塊試樣的測試值；為n塊試樣測試值的算術(shù)平均值。

計算時應(yīng)將全部測試值進行平均，除操作不當(dāng)?shù)脑囼灲Y(jié)果可剔除，并增補試樣測定外，其他所有試驗結(jié)果均不得剔除。

(2)按式(1-3)計算變異系數(shù)Cυ。

(1-3)

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；為算術(shù)平均值。

按式(1-4)計算標(biāo)準(zhǔn)差σ

〔1-4〕

式中符號意義見式(1-2)。

Cυ反映樣品的均勻程度。當(dāng)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(shù)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(shù)nN。

nN=0.11Cυ2

(1-5)

式中：Cυ為變異系數(shù)，％；nN為由Cυ值確定的試樣塊數(shù)。

上式說明了試樣個數(shù)與Cυ的關(guān)系。土工織物均勻性越差，要求試樣的數(shù)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(chǎn)品，由Cυ值可比擬兩者的均勻性。

(二)幾項主要試驗測定方法的一些問題

關(guān)于土工合成材料各項指標(biāo)的測定方法可參閱有關(guān)的規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，這里只對幾項測定技術(shù)比擬復(fù)雜的工程作些說明。

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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)取得不少于3～4級連續(xù)分級顆粒的過篩率，并要求試驗點均勻分布。假設(shè)僅測定等效孔徑O95，那么有兩組的篩余率在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(biāo)準(zhǔn)(ISO)及我國國標(biāo)(GB)都規(guī)定孔徑試驗采用濕篩法。但實際應(yīng)用中國內(nèi)和國外都普遍采用干篩法。

(4)孔徑曲線的縱標(biāo)為篩余率。由于篩余量包括了留在織物上面和嵌在織物內(nèi)的顆粒，因此是不容易直接測準(zhǔn)的，而過篩量可以準(zhǔn)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(nèi)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(yīng)增大，操作技術(shù)也復(fù)雜一些。目前國際上只認定寬條法試驗成果，為此國內(nèi)有關(guān)部門還需不斷改良設(shè)備、提高操作技術(shù)，逐步過渡到寬條法。

(2)拉伸過程中應(yīng)記錄拉力伸長量曲線。目前設(shè)計往往要求提供某一應(yīng)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，圖中陰影線局部為夾持局部。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(wǎng)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(wǎng)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(nèi)的筋(或孔)數(shù)，即可得出每米寬的抗拉力，即抗拉強度，單位為kN/m。

圖l-15握持試樣和撕裂試樣的夾持方法(單位：mm)

(a)握持試樣；(b)梯形撕裂試樣

(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(huán)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(yīng)用專門設(shè)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(shù)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(guī)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(shù)很重要，但試驗比擬困難。假設(shè)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方法。

(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，假設(shè)用單片，那么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(yīng)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(yīng)到達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(shù)表示。一般土工膜的滲透系數(shù)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(dāng)于1000cm水位差)下進行，由于滲水量很小，試驗持續(xù)時間較長。

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堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)

目錄

第二章土工合成材料的功能和設(shè)計原那么

第一節(jié)反濾功能

第二節(jié)排水功能

第三節(jié)隔離功能

第四節(jié)防滲功能

第五節(jié)防護功能

第六節(jié)加筋功能

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(shù)種功能。隨著土工復(fù)合材料的開展，所兼有的功能就更多。總的說來，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(xiàn)分別加以表達。有關(guān)各種材料在不同工程中的應(yīng)用原那么和施工方法參閱后續(xù)各章。

第一節(jié)反濾功能

一、反濾作用

當(dāng)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(xiàn)象稱為反濾(過濾)。反濾不同于排水，后者的水流是沿織物外表進行的，而不是穿越織物。當(dāng)土中水從細粒土流向粗粒土，或水流從土內(nèi)向外流出的出逸處，需要設(shè)置反濾措施，否那么土粒將受水流作用而被帶出土體外，開展下去可能導(dǎo)致土體破壞。土工織物可以代替水利工程中傳統(tǒng)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(yīng)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(nèi)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、岸墻等反面排水系統(tǒng)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(yīng)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。

圖2-1反濾作用應(yīng)用情況示意圖

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(fā)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(dāng)土工織物作為濾層而長期作用時，發(fā)現(xiàn)有淤堵現(xiàn)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(fā)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(cè)為大孔隙堆石體，右側(cè)為被保護土，二者之間夾有起反濾作用的土工織物。當(dāng)水流從被保護土自右向左流入堆石體時，局部細土粒將被水流挾帶進入堆石體。在被保護土一側(cè)的土工織物外表附近，較粗土粒首先被截留，使透水性增大。同時，這局部較粗粒層將阻止其后面的細土粒繼續(xù)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(cè)形成一個從左往右顆粒逐漸變細的“天然反濾層〞。該層發(fā)揮著保護土體的作用?？梢娡凉た椢锏拇嬖谥皇瞧鹆舜俪商烊环礊V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(xiàn)象稱淤堵。形成淤堵的原因可分為機械淤堵、化學(xué)淤堵和生物淤堵。一般情況下，機械淤堵為主要形式。

圖2-2反濾機理示意圖

1—排水體；2—土工織物；3—“天然〞反濾層；4—原土體

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(xué)淤堵是由于滲流水中的各種離子，受化學(xué)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(nèi)的藻尖、菌頭微生物和有機質(zhì)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?，管狀通道間不連通，故孔口或通道內(nèi)任一處被堵塞，整個通道即不通。針刺非織造土工織物那么兼有垂直和水平結(jié)構(gòu)，而且它們之間是相通的，織物孔隙呈迂回樹枝狀的立體結(jié)構(gòu)，水分進入后即可相互串通，所以即使大局部孔隙被堵塞，仍可保持相當(dāng)?shù)耐杆浴?/p>

四、反濾設(shè)計準(zhǔn)那么

為了讓所選用的土工織物能長期發(fā)揮反濾作用，對織物應(yīng)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(yīng)使土料粒徑符合一定的準(zhǔn)那么。對用作反濾的土工織物，根本要求如下，

(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(chǎn)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〞，以防止反濾作用失效。

(一)保土性準(zhǔn)那么

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

借鑒傳統(tǒng)的粒狀土反濾層的保土要求，并依據(jù)眾多的試驗研究說明，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(yīng)該符合以下關(guān)系：

Oe≤nd85

(2-1)

式中Oe是一個由試驗測得的等效孔徑值。目前國內(nèi)外采用最多的是Oe＝O95，或者Oe＝O90。O95和O90之間的統(tǒng)計關(guān)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，它說明土中粒徑小于該值的顆粒的質(zhì)量是全土質(zhì)量的85％。而式中的n那么是與土中的細粒(土粒粒徑d≤0.075mm的局部)含量和不均勻系數(shù)Cu(＝d60/d10)等相關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。

SI/T225—98?水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定，Oe＝O95，n一般為1～2，選用該值的詳細規(guī)定請參考該?標(biāo)準(zhǔn)?。必須指出，以上對n值的規(guī)定是針對一般水流情況而定的，對于較為復(fù)雜的情況，例如對有往復(fù)水流或有動力作用的情況，那么織物的孔徑應(yīng)該要求大一些。因為在往復(fù)水流情況下，織物的保土側(cè)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(chǎn)生抽吸作用，等等。鑒于上述情況，故SL/T225—98對此作出如下規(guī)定：

O95≤0.5d85

(2-2)

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(zhǔn)那么

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(shù)的相對關(guān)系來表示。標(biāo)準(zhǔn)對此作了如下規(guī)定：

(1)被保護土級配良好，水力梯度低和預(yù)計不致發(fā)生淤堵(中粗砂等)時

Kg≥Ks

(2-3)

(2)假設(shè)排水失效會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，且修理費用高，或水力梯度高，流態(tài)復(fù)雜等情況

Kg≥10Ks

(2-4)

以上二式中的Kg和Ks分別為土工織物和被保護士的滲透系數(shù)。

有的標(biāo)準(zhǔn)要求比式(2-4)中10更大的系數(shù)，是考慮土工織物在實際工作中，其滲透系數(shù)可能會由于織物被阻塞或受壓變薄而降低的情況發(fā)生。

(三)防堵性準(zhǔn)那么

為防止土工織物在長期工作中被淤堵，應(yīng)該用選定的織物和被保護的現(xiàn)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(tài)穩(wěn)定，修理費用小及不發(fā)生淤堵時

O95≥3d15

(2-5)

式中：d15為被保護土的特征粒徑，即土中小于該粒徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的15％，mm。

(2)被保護土易管涌，具有分散性、水力梯度高、流態(tài)復(fù)雜、修理費用大的情況。

1)被保護土的滲透系數(shù)Ks≥10-5cm/s時

GR≤3

(2-6)

式中：GR為梯度比；Ks為土的滲透系數(shù)。

2)被保護土的滲透系數(shù)Ks≤10-5cm/s時，應(yīng)以現(xiàn)場土料進行長期淤堵試驗，觀察其淤堵情況。

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(tài)而建議的一個指標(biāo)，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?？椢锷厦媸怯涩F(xiàn)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(cè)壁上，各安裝有測壓水管(同一高程兩側(cè)各設(shè)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(diào)節(jié)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)那么可以轉(zhuǎn)化為滲透系數(shù)的概念。按此，應(yīng)該有

Ksg/Ks＞1/3

(2-7)

式中，Ksg為織物的滲透系數(shù)，Ks為土的滲透系數(shù)?？梢?，為了防堵，水流通過土和織物的滲透系數(shù)要求大于純土的滲透系數(shù)的1/3。

圖2-3淤堵試驗裝置示意圖

1—供水管和供水閥門；2—滲透儀上蓋；3—溢水管和止水夾；4—滲透儀上筒；5—土樣；6—土工織物試樣；7—兩層銅絲布；8—調(diào)節(jié)管和止水管；9—漏斗和集水管；10—量筒

附帶說明，上面所述的和其他一些現(xiàn)有的保土準(zhǔn)那么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(xiàn)在還沒有公認的準(zhǔn)那么，SL/T225—98的條文說明中介紹了局部單位的經(jīng)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(zhǔn)那么要求的適當(dāng)加大。

五、設(shè)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(zhǔn)那么；其次，它們在鋪設(shè)后必須是穩(wěn)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(yīng)能承受施工應(yīng)力和可能遇到的其他荷載。因此一般的設(shè)計應(yīng)該包括以下內(nèi)容。

(一)提供必要的根本數(shù)據(jù)

1.被保護土的主要物理力學(xué)性指標(biāo)

被保護土的主要物理力學(xué)性指標(biāo)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(shù)Cu＝d60/d10、土的滲透系數(shù)K、土的抗剪強度指標(biāo)、土的化學(xué)成分等，它們可由試驗確定。

2.填土的性質(zhì)指標(biāo)

填土的性質(zhì)指標(biāo)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(yōu)含水率Wop。

3.待選土工織物的性質(zhì)指標(biāo)

待選土工織物的性質(zhì)指標(biāo)包括土工織物的單位面積質(zhì)量M、等效孔徑O95、垂直滲透系數(shù)Kυ、水平滲透系數(shù)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?jù)經(jīng)驗按以下情況取值。

(1)一般閘壩，要求無紡?fù)凉た椢锏腗≥300g/m2，T≥8.0kN/m，縱橫向強度比為2/3～3/2(M為單位面積質(zhì)量，T為抗拉強度)。

(2)預(yù)計應(yīng)力較大時，M≥400g/m2，T≥10kN/m，縱橫強度比為2/3～3/2。

(3)應(yīng)力更大時，M≥500g/m2，T≥12kN/m，縱橫強度比為2/3～3/2

第二節(jié)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；擋墻反面排水，以消減水壓力，提高墻體穩(wěn)定性；土坡排水，減小孔隙壓力，防止土坡失穩(wěn)；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(jié)，提高地基承載力等等。傳統(tǒng)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(jié)變形而失效，它具有施工簡便，縮短工期，節(jié)約工程費用等優(yōu)點。

二、典型應(yīng)用(舉例)

以下是堤壩工程中可以應(yīng)用土工合成材料作為排水設(shè)施的一些常用場合。

(1)堤壩體內(nèi)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(shè)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(jié)的排水帶或排水板。

(7)凍脹區(qū)用于截斷毛細水上升，防止凍害；干旱區(qū)防止毛細水上升造成鹽堿化。

三、設(shè)計要點

土工合成材料用作排水體的設(shè)計方法與反濾層的根本相同。但由于在此項用途中，織物應(yīng)有足夠的平面排水能力以導(dǎo)走來水，所以要進行排水能力的校核。本節(jié)先介紹一般的排水設(shè)計方法，而后再就幾種特殊情況，做些說明。

(一)一般的排水設(shè)計

1.所需的根本資料

與反濾設(shè)計中要求的類似，應(yīng)提供土體的物理力學(xué)特性，如土的分類、土的顆粒分析曲線、土的滲透系數(shù)等；有關(guān)地質(zhì)、水文資料；來水量(或根據(jù)條件估算)；土與水的化學(xué)成分等。

另外，應(yīng)提供待選土工織物的厚度δ、等效孔徑O95、水平滲透系數(shù)Kh、垂直滲透系數(shù)Kυ等。

2.以反濾準(zhǔn)那么檢驗待選土工織物

用于排水的無紡?fù)凉た椢锸紫葢?yīng)符合反濾準(zhǔn)那么，故待選材料應(yīng)先按第一節(jié)中的三項準(zhǔn)那么逐一加以檢驗，如不合格，應(yīng)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(biāo)。土工織物排水是依靠其平面滲透性，按照理論應(yīng)該以其水平滲透系數(shù)Kh來表示。但是，由于織物埋在土內(nèi)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(jù)達西定理，推導(dǎo)出反響織物滲透性的另外兩個指標(biāo)：

透水率

導(dǎo)水率

ψ=Kυ/δ=q/△hA

θ=Khδ=q/i

(2-8)

(2-9)

式中：q表示單位寬度的來水量；△h為土工織物上下兩側(cè)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適宜，需要先計算兩種導(dǎo)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(dǎo)水率θr，另一個是根據(jù)所提供織物的指標(biāo)算出的織物可提供的導(dǎo)水率θa，按以上所述，它們可以按式(2-10)及式(2-11)計算：

θr=q/i

}

(2-10)

θa=Khδ

顯然，合格的土工合成材料應(yīng)該滿足下式：

θa≥Fsθr

(2-11)

式中：Fs是平安系數(shù)，一般應(yīng)不小于3；q為來水量，可以借流網(wǎng)法或其他方法估算(可參考有關(guān)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(dǎo)向堤外。

這種情況下的計算與上述〔一〕中所述的根本相同，即先按流網(wǎng)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(biāo)，按式(2-10)算出θa；再由式(2-11)檢驗提供的織物是否適宜。

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(yīng)該逐段驗算。

圖2-4煙囪式排水計算圖

(a)堤壩橫斷面團；(b)土工織物內(nèi)部滲流示意圖

l—土工織物；2—浸潤線

(三)堤壩底部排水層

軟基上堤壩底部鋪設(shè)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(jié)，排出的水量通過土工織物向兩側(cè)流走。

這種情況的排水計算較前述的稍復(fù)雜，因為它要涉及土的固結(jié)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(shè)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(jù)單向固結(jié)理論推導(dǎo)得出：

圖2-5土堤底部排水示意圖

(2-12)

式中：B為堤壩底寬；Ksυ是地基土的垂直向滲透系數(shù)；Cυ為土的固結(jié)系數(shù)，它是由地基土的固結(jié)試驗求得的反映固結(jié)快慢的一個指標(biāo)；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(dǎo)水能力。

(四)塑料排水帶垂直排水設(shè)計

在第一章中已簡單介紹了塑料排水帶的構(gòu)造，它是由塑料排水芯材外包非織造土工織物(濾膜)構(gòu)成的一種土工復(fù)合排水材料，在軟土地基加固中應(yīng)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(jié)的根本概念如下：假設(shè)有一處飽和軟土地基，如圖2-6(a)，在其外表施加外荷載(建筑物重量)，土中會產(chǎn)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(xiàn)象稱為排水固結(jié)。當(dāng)土層厚度H(假設(shè)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(jié)的時間也將增大。假設(shè)粘土滲透性小，那么固結(jié)時間需要很長，故建造在軟土上的建筑物將長期處于持續(xù)下沉的狀態(tài)。為了加速固結(jié)，可以在軟基中設(shè)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(jù)固結(jié)

圖2-6利用砂井加速軟土地基排水固結(jié)

l—排水；2—砂井；3—砂墊層

理論，排水固結(jié)的時間與排水距離的平方成反比。例如在圖2-6中，不設(shè)砂井時的最大排水距離為H，設(shè)砂井后，相應(yīng)距離為de/2。式中的de約為砂井間距，那么為到達一定的固結(jié)度后者所需的時間t與前者時間T的關(guān)系為：t＝[〔de/2〕2/H2]T，所以只要調(diào)整de，即可使固結(jié)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(shè)計的要點在于按現(xiàn)有的土質(zhì)特性(固結(jié)系數(shù)Cυ等)、砂井的直徑和深度，現(xiàn)有的造孔設(shè)備規(guī)格(孔徑和造孔深度)，以及許可的固結(jié)時間，通過三維固結(jié)理論來估算砂井的分布間距。很明顯，間距愈小，固結(jié)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(shè)計。

在塑料排水帶插帶過程或砂井施工過程中，不可防止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?qū)Φ鼗翑_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(dǎo)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(dǎo)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(shù)，以及塑料排水帶的滲透系數(shù)，然而，這些量確實定仍然是困難的。這里不再介紹有關(guān)的計算方法，僅引用?建筑地基處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?中的規(guī)定：對長徑比擬大和井料滲透系數(shù)小的袋裝砂井或塑料排水帶，應(yīng)考慮井阻作用，當(dāng)采用擠土方式施工時，尚應(yīng)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(jié)度乘以0.80～0.95的折減系數(shù)。

用以上介紹的方法進行軟土地基的排水固結(jié)計算一般已能滿足工程設(shè)計的要求。在設(shè)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(guān)文獻。

第三節(jié)隔離功能

一、隔離作用

隔離是指在兩種物理力學(xué)性質(zhì)不同的材料之間鋪設(shè)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(yù)期的良好效應(yīng)，舉簡例說明如下：

(1)通過隔離層，引起應(yīng)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(jié)，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(jié)約建筑材料。

(4)地基中有局部軟弱區(qū)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(qū)或軟弱區(qū)的影響。

(5)在地下水位較高的