土工合成材料在工程上的应用

6.2.3　土工合成材料在工程上的应用

土工合成材料应用在工程上主要有渗漏排水作用、两种不同材料起隔离作用、网孔渗透起过滤作用、利用土工合成材料的强度起加筋作用等，见表6.21。

表6.21　不同应用领域中土工聚合物基本功能的相对重要性

注：A，非常重要；B，重要；C，有作用；D，无作用。

1）排水作用

土工合成材料中的某些类型，如无纺土工织物是良好的导水材料，将其置于土体内能将土中水积聚到织物内部，沿织物平面形成排水通道，将水排出土外。

具有一定厚度的土工织物具有良好的三维透水特性，利用这种特性除了可作透水反滤外，还可使水经过土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，构成水平排水层。图6.45（a）中土工合成材料与其他排水材料（塑料排水带）共同构成排水系统，加速填筑土体的排水固结过程。图6.45（b）为日本新秋田机场填土内采用塑料排水带排水的示意图。图6.45（c）为在挡土墙填土之前，将土工合成材料置于挡土墙后再填土，这样既可使水排出，又不会把土颗粒带走，以免墙体沉陷。图6.45（d）为降低均质坝坝体内浸润线，在坝体内用土工合成材料作排水体。图6.45（e）为土工合成材料用于建造无集水管的排水盲沟，铺设时在先开挖好的槽内铺设土工合成材料，然后回填碎石，并将土工合成材料再包裹好，最后回填砂土即可。图6.45（f）为防止细砂和土粒进入排水管道而引起堵塞，用土工合成材料包裹管道，然后埋于地下。

图6.45　土工合成材料用于排水的典型实例

1—土工合成材料；2—塑料排水带；3—塑料管；4—排水涵管

2）隔离作用

将土工合成材料放在两种不同的材料之间，或同一材料不同粒径之间以及地基与基础之间，使其隔离开来。当外载作用时，不使其互相混杂或流失，保持材料的整体结构和功能。

一般修筑道路时，路基、路床顺次施工，道路修筑完毕后就开始运营。由于荷载压力和雨水的通过，使路基、路床材料和一般材料都混合在一起，这虽然是局部现象，但使原设计的强度以及排水和过滤功能减弱。为了防止这种现象的发生，可将土工合成材料设置在两种不同特性的材料间，不使其混杂，但又能保持统一的作用。在铁路工程中（图6.46），铺设土工聚合物后借以保持轨道的稳定，减少养护费用；在道路工程中可起渗透膜的功能防止软弱土层侵入路基的碎石，不然会引起翻浆冒泥，最后使路基、路床设计厚度减小，导致道路破坏；用于地基加固方面，可将新筑基础和原有地基层分开，能增强地基承载力，又利于排水和加速土体固结；用于材料的储存和堆放，可避免材料的损失和劣化，对于废料还可有助于防止污染。用作隔离的土工合成材料，其渗透性应大于所隔离土的渗透性；在承受动荷载作用时，土工合成材料还应有足够的耐磨性。当被隔离材料或土层间无水流作用时，也可用不透水土工膜。

图6.46　土工合成材料用于铁路工程

3）反滤作用

土工织物（有纺或无纺织物）具有良好的透水或透气性能，当水流沿织物平面法向流过时，可有效阻止土颗粒不被水流带走，起到反滤作用，以防止土体破坏，保证土体的稳定。

在渗流出口区铺设土工合成材料作为反滤层，这和传统的砂砾石滤层一样，均可提高被保护土的抗渗强度。

多数土工合成材料在单向渗流的情况下，在紧贴土工合成材料的土体中，会有细颗粒逐渐向滤层移动，同时还有部分细颗粒通过土工合成材料被带走，遗留下较粗的颗粒。从而与滤层相邻一定厚度的土层逐渐自然形成一个反滤带和一个骨架网，阻止土粒的继续流失，最后趋于稳定平衡。亦即土工合成材料与其相邻接触部分土层共同形成了一个完整的反滤系统，如图6.47和图6.48所示。将土工合成材料铺放在上游面块石护坡下面，起反滤和隔离作用；同样也可铺放在下游排水体（褥垫排水或棱体排水）周围起反滤作用，以防止管涌；也可铺放在均匀土坝的坝体内，起竖向排水作用，这样可有效地降低均质坝的坝体浸润线，提高下游坝体的稳定性，渗流水沿土工合成材料进入水平排水体，最后排至坝体外。具有这种排水作用的土工合成材料，要求在纵向（即土工合成材料本身的平面方向）有较大的渗透系数。

图6.47　土工合成材料用于护坡工程

图6.48　土工合成材料用于土坝工程

具有相同孔径的无纺土工合成材料和砂的渗透性大致相同。但土工合成材料的孔隙率比砂高得多，土工合成材料的密度约为砂的1／10，因而当土工合成材料与砂具有相同的反滤特征时，则所需土工聚合物质量要比砂少90%。此外，土工合成材料滤层厚度为砂砾反滤层的1／100～1／1 000，之所以能如此，是因为土工合成材料的结构保证了它的连续性。为此，在具有相同反滤特征的条件下，土工合成材料的质量仅为砂层的1／1 000～1／10 000。

4）加筋作用

当土工合成材料用作土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强度，可以改善土工结构的整体受力条件，增强地基的承载能力，提高建筑结构的稳定性。其主要的应用有土坡、堤坝、地基和挡土墙。

（1）用于加固土坡和堤坝

高强度的土工合成材料在路堤工程中有几种可能的加筋用途：①可使边坡变陡，节省占地面积；②防止滑动圆弧通过路堤和地基土；③防止路堤下面发生因承载力不足而破坏；④跨越可能的沉陷区等。图6.49中，由于土工合成材料“包裹”作用阻止土体的变形，从而增强土体内部的强度以及土坡的稳定性。

（2）用于加固地基

由于土工合成材料有较高的强度和韧性等力学性能，且能紧贴于地基表面，使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。当地基可能产生冲切破坏时，铺设的土工合成材料将阻止破坏面的出现，从而提高地基承载力。当土工合成材料受集中荷载作用时，在较大的荷载作用下，高模量的土工合成材料受力后将产生一垂直分力，抵消部分荷载。当很软的地基加荷后，可能产生很大的变形。根据国内新港筑防波堤的经验，沉入软土中的体积竟等于防波堤的原设计断面，由于软土地基的塑性流动，铺垫土周围的地基即向侧面隆起。如将土工合成材料铺设在软土地基的表面，由于其承受拉力和土的摩擦作用而增大侧向限制，阻止侧向挤出，从而减小变形和增大地基的稳定性。在沼泽地、泥炭土和软黏土上建筑临时道路是土工合成材料最重要的用途之一。

图6.49　土工合成材料加固路堤

利用土工合成材料在建筑物地基中加筋已开始在我国大型工程中应用。南京炼油厂采用土工合成材料加筋垫层和排水联合处理软土地基，建成3座2万m³的钢油罐（图6.50）。对于可能产生局部地基土破坏的情况，也可局部采用土工合成材料加筋垫层方案（图6.51）。根据实测的结果和理论分析，认为土工合成材料加筋垫层的作用机理主要是：①增强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；②扩散应力，由于垫层刚度增大的影响，扩大了荷载扩散的范围，使应力均匀分布；③约束作用，亦即约束下卧软弱土地基的侧向变形。

图6.50　土工合成材料加固油罐地基

图6.51　土工合成材料加固路基

（3）用于加筋土挡墙

在挡土结构的土体中，每隔一定距离铺设加固作用的土工合成材料时，该土工合成材料可作为拉筋起到加筋作用。作为短期或临时性的挡墙，可只用土工合成材料包裹着土、砂来填筑（图6.52）。但这种包裹式土工合成材料墙面的形状常常是畸形的，外观难看。为此，有时采用砖面的土工合成材料加筋土挡墙，可取得令人满意的外观（图6.53）。对于长期使用的挡墙，往往采用混凝土面板。图6.54所示为土工合成材料带与混凝土面板的联结方式。

图6.52　包裹式土工合成材料加筋土挡墙

土工合成材料作为筋材时一般要求有一定的刚度，新发展的土工格栅能很好地与土相结合。与金属筋材相比，土工合成材料不会因腐蚀而失效，所以它能在桥台、挡墙、海岸和码头等支挡建筑物的应用中获得成功。

图6.53　砖面土工合成材料加筋土挡墙

图6.54　土工合成材料带与混凝土面板联结

5）防渗、防护作用

采用土工膜或复合土工膜，防止水或其他液体渗漏，以保护环境和建筑工程的安全稳定。作为防渗材料，土工合成材料已广泛应用于堤、坝、水库工程中，可代替黏土心墙、防渗斜墙及防止库底渗漏等。

土工合成材料能够比较集中的应力扩散或应力分解，防止土体受外力作用破坏。主要应用于护岸、护底工程，海岸防潮，河道整治以及道路坡面防护等方面。