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三. 土工合成材料的功能

土工合成材料的應(yīng)用非常廣泛，主要用于巖土工程、環(huán)境土工、水利工程和鐵路與公路交通工程等領(lǐng)域。在實(shí)際工程應(yīng)用中，土工合成材料可以起到過(guò)濾、排水、隔離、加筋、防滲和防護(hù)六大基本功能。在特定情況下或?qū)τ谔胤N土工合成材料，還可以發(fā)揮保護(hù)和減壓的作用，如防滲結(jié)構(gòu)層中將土工織物鋪設(shè)在土工膜上面，阻止填土或其他鋒利物體對(duì)土工膜的損傷；在軟土地基上使用土工泡沫塊體修筑路堤，可以在不降低路堤高度的情況下有效地降低路堤對(duì)地基的壓力。土工合成材料的基本功能分述如下：

1. 過(guò)濾

土工合成材料的這種功能與傳統(tǒng)的砂濾層類似，允許土體內(nèi)部的液體通過(guò)并排出，同時(shí)起到保土作用，阻止上游土壤顆粒的流失。例如，用有紡?fù)凉た椢镒柚雇亮＿w移滲入排水骨料或排水管，同時(shí)保持排水系統(tǒng)正常工作；在海岸和河岸的拋石防護(hù)層和其他護(hù)岸材料下面鋪設(shè)土工織物以防止土壤被侵蝕。

2. 排水

土工合成材料在土體內(nèi)部作為排水體，可使水流沿其內(nèi)部從低滲透性土體中排出。例如，鋪設(shè)與路堤底部的土工織物可用來(lái)消散孔隙水壓力；對(duì)于流量較大而對(duì)排水能力要求更高的場(chǎng)合，也可采用土工復(fù)合（排水）材料。這些材料已被用來(lái)作為路緣排水體、邊坡截排水體及擋土墻墻后排水體。塑料排水板（PVD ）則被用于預(yù)壓荷載下加快軟粘土地基的排水固結(jié)過(guò)程。

3. 隔離

這種功能是指土工合成材料能夠把兩種具有不同粒徑分布的土料隔離開(kāi)來(lái)，以免相互混雜而失去各種材料的整體性和結(jié)構(gòu)完整性。土工織物和土工膜都可以起到隔離作用。例如，鋪設(shè)與道路基層與軟土地基之間的土工織物可起到隔離作用，一方面防止路基骨料嵌入軟弱土層，從而維持基層的設(shè)計(jì)厚度和道路結(jié)構(gòu)的完整性；另一方面，也能夠阻止下部細(xì)粒土進(jìn)入透水料層之中從而降低其滲透性。@

4. 加筋

土工合成材料置于土體內(nèi)部作為加筋構(gòu)件，或土工合成材料與土相結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合體，加筋復(fù)合土體與未加筋土體相比，其強(qiáng)度及變形性能都得到明顯的改善。例如，用土工織物和土工格柵加筋可提高土體的抗拉強(qiáng)度，從而能夠建造垂直或近乎垂直加筋土擋墻；加筋還能用來(lái)在極軟地基上建造路堤；加筋后路堤邊坡可以比未加筋時(shí)更陡。

5. 防滲

一些土工合成材料具有相對(duì)低的透水（氣）性，可防止液體或氣體流動(dòng)和擴(kuò)散，發(fā)揮防滲作用或包容作用。例如，土工膜、復(fù)合土工膜、土工合成材料粘土襯墊（GCL ）都具有很低的滲透性，可作為流體的防滲屏障。對(duì)于液體，無(wú)論是土體中的水，還是垃圾填埋場(chǎng)中的滲濾液，土工膜、復(fù)合土工膜和GCL 的這種屏障功能，傳統(tǒng)上常稱為防滲作用。

6. 防護(hù)

又稱為水土保持，是指通過(guò)設(shè)置土工合成材料防護(hù)措施，減少由降雨沖擊和地表水徑流造成的土壤流失。例如，將臨時(shí)性的土工合成材料毯或永久性的土工網(wǎng)墊鋪在邊坡上裸露土體的表面，可以有效地避免或減輕降水和地表徑流的侵蝕；用土工織物制成的泥沙柵欄能夠?yàn)V掉渾濁徑流中的懸浮泥土顆粒。

在一些工程應(yīng)用中，土工織物還能發(fā)揮其他方面的作用。例如，土工織物可用于瀝青路面補(bǔ)強(qiáng)；作為緩沖墊層，以防止下層的石頭、施工期和使用期的廢棄物或排水集料造成土工膜穿孔（通過(guò)減少點(diǎn)接觸應(yīng)力）。土工織物也可用作混凝土膜袋和沙袋。圓柱形土工管袋是用雙層土工織物制成的，采用水力充填方式以構(gòu)成海岸線堤防。

一方面，同一類土工合成材料在不同的工程應(yīng)用中可以發(fā)揮不同的功能；另一方面，在某些情況下，一種土工合成材料可以同時(shí)發(fā)揮雙重或多重功能。如鋪設(shè)在軟基和路堤之間的土工織物，其主要功能是隔離，但同時(shí)可以發(fā)揮加筋和排水的作用。對(duì)于像土工織物、土工復(fù)合材料這些具有多種功能的材料，在實(shí)際工程中，需分析特定的工況環(huán)境和所選用土工合成材料的特點(diǎn)，判斷其發(fā)揮的基本功能或主要作用。表1列出了各類土工合成材料的種類與功能。@

表1 土工合成材料的種類與功能

四. 土工合成材料的性質(zhì)

1. 物理性質(zhì)

（1）厚度

有些土工合成材料如無(wú)紡織物和一些復(fù)合材料，受壓時(shí)厚度變化很大，因此需在規(guī)定的壓力（一般為2kPa ）下測(cè)定其厚度。有時(shí)，根據(jù)工程需要還應(yīng)測(cè)試在20kPa 、200kPa 壓力下的厚度。

（2）單位面積質(zhì)量

是指單位面積土工合成材料具有的質(zhì)量，它反映材料多方面的性能，如拉伸強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度等力學(xué)性能，以及孔隙率、滲透性等水力學(xué)性能。

（3）開(kāi)口面積百分率

織物開(kāi)口面積與織物總面積的百分比稱為開(kāi)口面積百分率。這一指標(biāo)用于有紡織物。

2. 力學(xué)性質(zhì)

（1）拉伸強(qiáng)度

土工合成材料是柔性材料，大多通過(guò)其拉伸強(qiáng)度來(lái)承受荷載，因此拉伸強(qiáng)度及其應(yīng)變是土工合成材料主要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

（2）撕裂強(qiáng)度

撕裂強(qiáng)度反映了土工織物或土工膜試樣抵抗擴(kuò)大破損的能力，可評(píng)估不同土工織物和土工膜被擴(kuò)大破損的難易程度，是土工合成材料應(yīng)用中的重要力學(xué)指標(biāo)。

（3）頂破強(qiáng)度

頂破強(qiáng)度是反映土工織物（或土工膜）抵抗垂直織物平面的法向壓力的能

力，頂破強(qiáng)度與刺破強(qiáng)度相比，壓力作用面積相對(duì)較大，材料呈雙向受力狀態(tài)。

（4）刺破強(qiáng)度

刺破強(qiáng)度是反映土工織物或土工膜抵抗為了評(píng)價(jià)土工織物或土工膜抵御穿透的能力，通常要進(jìn)行落錐穿透試驗(yàn)，它是模擬工程中具有尖角的石塊或其他銳利物掉落在土工織物或土工膜上的情況的一種試驗(yàn)。@

（6）握持強(qiáng)度

握持強(qiáng)度反映土工織物分散集中力的能力。

（7）蠕變性質(zhì)

材料的蠕變是指材料在恒力的作用下，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變的大小取決于原材料的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝

3. 水力學(xué)性質(zhì)

（1）土工織物的孔隙率

土工織物的孔隙率是指其孔隙體積與總體積的比值，以n （%）表示，它是無(wú)紡織物的主要物理性質(zhì)之一。

（2）土工織物的孔徑

土工織物具有各種形狀和大小不同的孔徑，其孔徑大小的分布曲線類似于土的顆粒級(jí)配曲線�？椢锏目讖椒从晨椢锏耐杆阅芘c保持土顆粒的能力，是一個(gè)重要的特征指標(biāo)。

（3）滲透性

1）土工織物的滲透性

土工織物的滲透性是過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)及其他有關(guān)水力學(xué)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)不可缺少的重要指標(biāo)。根據(jù)工程應(yīng)用的需要，常要確定垂直于織物平面的滲透性（簡(jiǎn)稱垂直滲透性）和平行于織物平面的滲透性（簡(jiǎn)稱平行滲透性）@

垂直滲透性：當(dāng)水流方向垂直于織物平面時(shí)，其透水性主要用垂直透水系數(shù)表示，該系數(shù)是滲流的水力梯度等于1時(shí)的滲流流速。

平行滲透性：土工織物在平行織物平面方向輸導(dǎo)水流的性能可用平行滲透系數(shù)或?qū)时硎尽＿@是土工織物排水設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一。

2）土工膜的抗?jié)B性

土工膜可以阻擋水、水汽、氣體及有害物質(zhì)（如甲醇、重工和二甲苯等）的滲透。水利工程中主要用土工膜擋水，其滲流的動(dòng)力為土工膜兩側(cè)的水頭差。在環(huán)境工程中，常用以阻擋水汽、氣體以及含有害物質(zhì)的地下水。對(duì)于氣體產(chǎn)生滲流的動(dòng)力為膜兩側(cè)的水汽壓差。對(duì)混合氣體和液體中的溶解物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其各自成分及在膜兩側(cè)的濃度差決定其滲流情況。

（4）抗淤堵性能

土工織物用作濾層時(shí)，水從土中流過(guò)織物，在流動(dòng)過(guò)程中使土顆粒積聚在織物表面的孔口上，堵塞水流通道進(jìn)口，這種現(xiàn)象稱為阻塞。細(xì)顆粒沉積在孔隙內(nèi)部，逐漸減小通道的有效過(guò)水面積，降低排水效率，這種現(xiàn)象稱為淤堵。阻塞一般發(fā)生在滲流開(kāi)始階段，而淤堵隨時(shí)間增長(zhǎng)而加重。@

4. 耐久性

（1）抗老化性能

老化現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因?yàn)楦叻肿泳酆衔锞哂墟湽?jié)結(jié)構(gòu)，受外界因素的影響，易發(fā)生降解反應(yīng)或交聯(lián)反應(yīng)。陽(yáng)光輻射是使材料老化的一個(gè)重要因素，紫

外線具有很大的能量，能夠切斷許多聚合物的分子鏈，或者引起發(fā)光氧化反應(yīng)。

（2）抗化學(xué)腐蝕性能

聚合物對(duì)化學(xué)腐蝕一般具有較高的抵抗能力，但一些特殊的化學(xué)藥劑或廢品，對(duì)聚合物有腐蝕作用。因而利用土工膜做污水或廢物存儲(chǔ)池的防滲材料時(shí)，必須考慮其化學(xué)穩(wěn)定性。

（3）溫度、凍融及干濕度變化對(duì)合成材料性能的影響

在高溫條件下，合成材料將發(fā)生熔融現(xiàn)象，其熔點(diǎn)：聚丙烯為175°C ，聚乙烯為135°C ，聚酯和聚酰胺為250°C 。有時(shí)溫度雖未達(dá)到熔點(diǎn)但較高，聚合

物分子結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生變化，影響材料的彈性模量和強(qiáng)度。有些聚合物在特別低的溫度下，也使柔性降低、質(zhì)地變脆，影響其力學(xué)性質(zhì)，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于織物內(nèi)部，影響滲透性。