地基处理技术第八章

第八章土工合成材料及其应用

一、概述

（一）土工合成材料的含义土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体的内部、表面或各层土体之间，发挥加强、保护土体等作用。土工合成材料应用于土建工程始于20世纪30年代，人们在游泳池中使用聚氯乙烯薄膜防渗。到目前为止，全世界10万余项各类工程中已铺设了3亿多平方米的土工合成材料。60年代土工合成材料开始在我国应用，首先用于渠道防渗；1976年在长江的一些护岸工程中用聚丙烯编织布，结合聚氯乙烯绳网和砼块压重，组成软排体，防止河岸冲刷；1981年在天津新港试用了塑料排水板；1998年在特大洪水中使用了大量土工合成材料。12/31/20231地基处理技术第八章土工合成材料及其应用(二)土工合成材料的分类目前尚无统一的准则，土工合成材料世界（GeosyntheticsWord）将土工合成材料分为如下五类：

1.土工织物（透水性土工合成材料）

（1）编型土工纤维：由单股线或多股线编织而成。

（2）织型土工纤维即机织物：它是由相互正交纤维织成，其特点是孔径均匀，沿经纬线方向的强度大，而斜交方向强度低，拉断的延伸率较低。

（3）非织造（无纺）型土工织物：它由合成纤维原料加工的连续长丝以不规则的排列联结起来而成。这类土工纤维抗拉强度各向一致。与织造物相比抗拉强度略低，但延伸率较大，孔径不很均匀，是当前世界上应用最广的一种土工织物。12/31/20232地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

2.土工膜

分沥青和聚合物两大类，主要特点是透水性低。

3.土工格栅

经过拉伸形成的具有方形或矩形格栅的聚合物板材，常用作加筋土结构的筋材。

4.土工网

由合成材料条带、粗股条编织或合成树脂压制的具有较大孔眼、刚度较大的平面结构或三维网状结构的网状土工合成材料，用于软基加固垫层、坡面防护等。

5.土工排水材

以无纺土工织物和土工网、土工膜或不同形状的土工合成材料组成的土工应用的排水材料，如塑料排水板。

6.土工复合材

上述各种材料复合而成。12/31/20233地基处理技术第八章土工合成材料及其应用二、土工合成材料的作用及原理

土工合成材料应用在工程上，概括起来为以下六种作用。

（一）过滤作用

把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏，同时允许土中的水或气体穿过织物自由排出，以免由于孔隙中的水压力升高造成土体的失稳等不利后果，图8-1。图8-1过滤作用应用a-土石坝内排水体的滤层；b-挡土墙回填土中排水系统的滤层12/31/20234地基处理技术第八章土工合成材料及其应用(二)排水作用

具有一定厚度的土工织物具有良好的三维透水特性，可以在土体中形成排水通道，把土中的水汇集起来，沿着材料的平面排出。较厚的针刺型无纺织物和某些具有较多孔隙的复合型土工合成材料都可以起排水作用，图8-2。图8-2排水作用应用

a-土石坝护面下的排水；b-软基处理中垂直排12/31/20235地基处理技术第八章土工合成材料及其应用（三）隔离作用

有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、砂、石料，或把土、砂、石料与地基或其它建筑物隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料和结构的完整性，或发生土粒流失现象，图8-3。图8-3隔离作用应用

a-坝体与地基间的隔离层；b-石笼、砂袋与地基之间的隔离层12/31/20236地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

（四）加筋作用

土工合成材料埋在土体中，可以改变土中的应力状态，增加土体的模量，限制土体侧向位移；还增加土体和其它材料之间的摩阻力，提高土体及相关建筑物的稳定性，图8-4。

1.用于加固土坡和堤坝（图8-16a）

2.用于加筋土挡墙（图8-4b）图8-4加筋作用应用a-加强堆土或边坡稳定性；b-挡土墙回填土中的加筋12/31/20237地基处理技术第八章土工合成材料及其应用（五）防渗作用

土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境和建筑物的安全，图8-5。图8-5防渗作用应用a-坝基下垂直防渗墙；b-灌区内的低压输水管道12/31/20238地基处理技术第八章土工合成材料及其应用（六）防护作用土工合成材料对土体或水面可以起防护作用，图8-6。图8-6防护作用应用a-防止水蒸发或空气中的灰尘污染水面；b-防止海岸或河岸被冲刷12/31/20239地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

上述六种土工合成材料的基本功能，有的含意较明确，有的易混淆。例如“过滤”与“隔离”两种功能十分相似。实际上“过滤”与“水”分不开的。起“过滤”作用的土工合成材料，不但要阻止土颗粒的通过，同时还要允许水分通过，而“隔离”作用是防止两种材料混在一起。再如“排水”与“过滤”也容易混淆。实际上起排水作用的土工合成材料本身就是一个排水通道，土中的水分主要靠它来排出，对于“过滤”则不一定要求本身是排水通道。只有掌握各种功能的特点和彼此的区别，才能选用合适的土工合成材料。12/31/202310地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

有时一种土工合成材料用于某项工程中同时具备几种功能，但重要程度不一。例如在公路的碎石基层与地基之间铺放土工织物，同时具备“隔离”、“过滤”、“加筋”和“排水”等多种作用。在一般情况下，“隔离”是主要的，“过滤”和“加筋”是次要的，“排水”则不甚重要。设计者不能只考虑主要功能，而忽略次要功能，在上例中，如果只考虑对“隔离”的要求，不考虑对“过滤”和“加筋”的要求，而采用光滑的土工膜来代替土工织物，则可能引起路基中孔隙水压力的升高，甚至造成路基的滑动和失稳。尤其在软弱路基上修路，“加筋”可起控制作用。12/31/202311地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

三、土工合成材料加固路堤时的设计计算以土工合成材料加固路堤时的稳定性为例来说明。（一）设计所需的基本资料

1.设计要求：堤高、堤长、堤宽、边坡及各项外荷载。

2.地基土特性：地层剖面、地下水位、重度、不排水及排水抗剪强度、固结指标和土中的化学成分。

3.填土特性：颗粒的粒径分布、塑性指标、压实指标及强度等。（二）厚层软基上的加筋路堤深厚软土层堤坝，破坏常为圆弧滑动，填土加筋层和地基都可能产生破坏，且滑动受最大拉力点控制。12/31/202312地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

1.设计原理土工合成材料加筋相当于在地基与填土之间或填土中增加一个抗拉力（筋材克服摩擦阻力产生），采用简化的Bishop条分法计算式中ci、φi——计算第i条土的有效粘聚力和内摩擦角；

li——计算第i条土的宽度；

Wi——计算第i条土的重量；

ui——计算第i条土的孔隙水压力；

Ti——计算第i条土的筋材容许抗拉强度；

Fl——计算第i条土的加筋摩擦阻力发挥程度系数，＞1.5；

αi——计算第i条土的滑动面切线与水平面夹角。12/31/202313地基处理技术第八章土工合成材料及其应用2.筋材确定根据需求的安全系数Ks，可以求出所需筋材的抗拉强度、加筋长度和宽度。①假定不加筋时，不考虑项，求得最小的安全系数Ks0。②已知Ks，则二者差为ΔKs=Ks—Ks0，即式中σi——第i条土中计算点的竖向正应力；

f——筋材与土的拉、拔摩擦系数，约为0.8tgφi；

Li、Bi——筋材的长度与宽度。一般采用试算：假定加筋的位置、筋材的长度、宽度，按（8-3）求Ti；按（8-2）验算是否满足ΔKs值。③Ti应满足[Ta]≥Ti，Ta为筋材允许的抗拉强度。12/31/202314地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

（三）浅层软基土上的加筋路堤当地基软土层不厚时，产生圆弧滑动的可能性很小。土堤将以下列形式之一失稳。应分别计算、校核。

1.沿下卧硬层顶面滑动（图8-7a）图8-7浅层软基上加筋路堤的稳定性核算12/31/202315地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

抗滑安全系数Ks为：

（8-4）式中Pa——ab面上主动土压力，Pa=

；

γ——坡土与地基土的平均重度；

Ka——主动土压力系数，；

φ——坡土与地基土的平均内摩擦角；

Pp——cd面上的被动土压力（为安全计以静止土压力P0代替）12/31/202316地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

——地基土的重度；

——地表面至硬层顶的厚度；

K0——静止土压力系数，K0=1-sinφ/；

φ/——地基土的有效内摩擦角；

h——硬层以上至坡顶的高度；

Tr——筋材的抗拉力（摩擦力）；

τB——硬层顶面抗滑力，；

c——硬层顶面处的粘聚力。

2.沿筋材顶面滑动（8-7b）

抗滑安全系数Ks为：12/31/202317地基处理技术第八章土工合成材料及其应用式中Pa——主动土压力，Pa=

；

Ka——主动土压力系数，；、——堤土的重度和内摩擦角；

——堤土的高度；

FB——滑楔底面上的抗滑力，与筋材和填料等有关

①当堤土为无黏性土，编织土工织物时

式中Lc、Ls——计算长度，见图8-19a

φsg——土与土工织物间摩擦角。

、12/31/202318地基处理技术第八章土工合成材料及其应用②当堤土为黏性土，编织土工织物时

式中cg——土与土工织物间粘聚力。③当堤土为无黏性土，大开孔土工网时式中A0——筋材网的开孔百分率。④当堤土为黏性土，大开孔土工网时12/31/202319地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

（四）有软弱薄夹层的加筋路堤

当地基中有软弱薄夹层时，受上部堤坝重量的作用，软土在侧向土压力作用下很可能产生侧向挤出破坏。图8-8地基土抗挤出破坏核算

采用极限平衡法，软土体abcd，ab上受主动土压力PA和cd上受被动土压力PP的作用，其抗挤出安全系数Ks为12/31/202320地基处理技术第八章土工合成材料及其应用式中τT、τB——分别为软土体abcd顶面和底面的抗滑力

csg、φsg——分别为软土和加筋材相互作用的粘聚力和内摩擦角；

c、φ——分别为软土的粘聚力和内摩擦角；

σv1、σv2——由于路堤重量而作用于ab面和bc面上的法向应力。12/31/202321地基处理技术第八章土工合成材料及其应用

四、施工技术（一）土工合成材料的连接方法

1.搭接法将一片土工织物的末端自由地压在另一片的始端上。搭接的宽度为750～1500mm，地层越软，搭接宽度越大。搭接法耗费土工织物较多。

2.缝接法用手提缝纫机将两片土工织物缝起来，其搭接量一般小于25cm