土工合成材料的工程应用
（一）土工合成材料的功能及适用范围
土工合成材料的功能是多方面的，综合起来，可以概括为六种功能：过滤作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、防渗作用、防护作用。
1.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通过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。
土工织物可适用于土石坝黏土心墙或黏土斜墙的滤层，土石坝或堤坝内的各种排水体的滤层，储灰坝或尾矿坝的初期坝上游坝面的滤层，堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡的滤层，水闸下游护坡下部的滤层，挡土墙回填土中排水系统的滤层，排水暗道周边或碎石排水暗沟周边的滤层，水利工程中水井、减压井或测压管的滤层等。
2.排水作用
有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着材料的平面排出体外。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。它们可适用于土坝内垂直或水平排水，土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水，埋入土体中消散孔隙水压力，软基处理中垂直排水，挡土墙后面的排水，各种建筑物后面的排水，排除隧洞周边渗水、减轻周边所承受的外水压力，人工填土地基或运动场地基的排水等。
3.隔离作用
有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、沙、石料，或把土、沙、石料与地基或其他建筑物隔离开来，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。土工织物和土工膜都可以起隔离作用。可用于道路基层与路基之间或路基与地基之间的隔离层，在土石混合坝中隔离不同的筑坝材料，用作坝体与地基之间的隔离体、堆场与地基间的隔离层等。
4.加筋作用
很多土工合成材料埋在土体中，可以分布土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移，还可以增加土体和其他材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性。土工织物、土工格栅、土工网及一些特种或复合型的土工合成材料，都具有加筋作用。可用于加强软弱地基，加强边坡稳定性，用作挡土墙回填土中的加筋或锚固挡土墙的面板，修筑包裹式挡土墙或桥台，加固柔性路面、防止反射裂缝的发展等。
5.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，保护环境或建筑物的安全。可用于土石坝和库区的防渗、渠道防渗、隧道和涵管周围防渗，防止各类大型液体容器或水池的渗漏和蒸发，屋顶防漏，用于修筑施工围堰等。
6.防护作用
多种土工合成材料对土体或水面可起防护作用。主要用于防止河岸或海岸被冲刷，防止垃圾、废料或废液污染地下水或散发臭味，防止水面蒸发或空气中灰尘污染水面，防止土体冻害等。
（二）土工合成材料的工程应用
1.防渗
黏性土是土木工程中常用的、可大范围采用的防渗材料，但工程量大，工程质量不易保证，易出现裂缝和边界连接渗漏等缺点。而土工膜却是一种轻便的、便于施工、造价低廉、性能可靠的防渗材料。
（1）土工膜防渗层的结构
土工膜防渗结构包括土工膜、保护层和支持层等。土工膜是防渗结构的主体。选择土工模的关键在于能否满足工程的要求。良好的均匀性和防渗性能是选择土工膜首先应考虑的因素。一般塑料制品，尤其是热压塑料制品，质地比较均一，渗透系数比合成橡胶小，工程中选用的较多。涂塑的制品均匀性差，选用时需慎重。橡胶制品有涂刷的和压制的两种，后者较前者好。其次，也应注意选择合理的土工膜厚度，因其直接影响工程质量。减少渗漏，避免施工破损、水压击穿、地基变形、撕裂土工膜等都要求土工膜具有一定的厚度。根据水压大小用理论计算的土工膜厚度一般较薄，实用时需留有较大的安全系数。常用的土工膜厚度一般不小于0.25 mm。加筋和复合土工膜可明显地增强抗刺破和耐水压能力，重要工程可优先选用。水头较小的工程，可选用较薄的土工膜以降低造价。此外，为避免防渗工程的滑动失稳，还应加大土工膜与保护层或支持层的摩擦力，为此可在制造时加粗土工膜表面。膜外面为针刺无纺布的复合土工膜，不仅可以加大其表面粗度，而且可作为排水层和垫层，但造价较高，宜于重要建筑物选用。
土工膜上的保护层是为了防御波浪的淘刷、风沙的吹蚀、人畜的破坏、冰冻的作用、紫外线的辐射、风力的掀动以及因膜下水压力的顶托而浮起等。保护层的结构、层次和材料与工程的重要性、工程规模、使用期（永久性或临时性）、使用条件等有关，宜根据工程的具体情况，经过周密的研究，提出合理的设计方案。
由于土工膜是柔性的，必须用支持层来支承。支持层的作用是使土工膜受力均匀，免受局部集中应力的损坏。支持层与其下卧层的具体条件有密切的关系，同时又与工程的类型及使用条件有关。
（2）土工膜防渗层的类型
可分为单层土工膜防渗层、多层（包括双层）土工膜防渗层和在土工膜下铺一层渗透性较小土层的土工膜复合防渗层。
单层土工膜防渗层由上至下为保护层、土工膜和支持层。对防渗要求高的情况，一道防渗漏防线不能满足，可采用二层或三层土工膜防渗层。为了减少第二层土工膜的水头，在第一层土工膜下埋设排水管，使透过第一层土工膜的水通过排水管集中到集水井中，从而使透过第一层土工膜的水在第二层土工膜上不能形成较大的水压力。绝大多数情况铺设两层土工膜已经足够了。
实践证明，土工膜常因制造和施工因素造成缺陷（漏水的孔洞或缝）成为渗漏的主要通道。若在此种土工膜下增加一个渗透性较小的土层，则可大大减少渗漏量，此时形成一种土工膜复合防渗层结构。
2.隔离(https://www.daowen.com)
在道路工程沙、砾石或碎石基层等与土层一类存在两种材料接触的土建工程中，为了防止两种材料相互渗混，保证发挥结构预期作用，发挥提供排水和防止地基承载力恶化等作用，常需在它们中间放置一层材料，把它们隔离开来。土工织物和土工膜就可以起到这种隔离作用。它们一般可以设在不同粒径之间，不使粗细颗粒混杂；放置在建筑物与软弱地基之间，同时起加筋作用；也可设在各种道路或场地与地基之间。
（1）设计要求
作为隔离层的土工织物和土工膜，必须满足两方面的要求：一方面它能够阻止较细的土粒侵入较粗的粒状材料中，并保持一定的渗透性；另一方面，它必须具备足够的强度，以承担由于荷重产生的各种应力或应变，即织物在任何情况下不得产生破裂现象。设计时，必须对材料的孔隙率、透水性、顶破强度、刺破强度、握持抗拉强度及其延伸率、撕裂强度等性能进行核算，以选择合适的材料。具体要求由土建工程结构性质、尺寸大小、使用要求、荷载量、施工条件和土工合成材料本身的特性来确定。
（2）施工技术要求
土工织物直接铺在路基表面或路槽表面，必须先清除路基表面和路槽中有可能损坏织物的凸出物等，然后将土工织物展开铺平，尽可能无褶皱地布置在路基上或路槽内。若需在一个较长的距离内整块展开土工织物，则应将其固定，以防止四周被吹起。在承载力低的地区铺设材料时横向亦需固定。织物与织物的连接一般有搭接和缝接方法。为了保证在施工中土工合成材料能保持其完整性，需针对路基状态与施工机械、路堤填料提出相应的施工要求。
3.加筋
由于土体只具有一定的抗压和抗剪强度，而它们的抗拉强度却很低，所以在土内掺入或铺设适当的加筋材料（如土工织物和土工格栅），可以不同程度地改善土体的强度与变形性态。
（1）土工合成材料加筋材料的类型
土工合成材料加筋材料主要有：①土工织物，包括编织型土工织物和非织型土工织物。前者应用普遍，后者变形量大，仅用于应力水平较低的加筋工程中。②筋材制品，包括土工格栅、土工网、土工垫、土工格室和条带筋材等。这类制品一般具有较高的抗拉强度和较低的延伸率，它们和周围土的相互作用好，摩阻力、咬合力高。③加筋复合制品，例如用聚酯、玻璃纤维或钢筋作为加筋料制成的复合土工织物，以条带、绳索、连杆或板条等形式与土工织物复合。④土工合成纤维，即将合成材料特制成的网片拌入土内，或直接在施工现场喷射纤维丝掺入土中，形成所谓的网片土或纤维土。
（2）土工合成材料在加筋工程中的应用
土工合成材料加筋技术在公路工程中得到大量应用，归纳起来，大致可分为支挡结构、地基加固、桥头跳车和路面结构加筋四个方面。
第一，加筋土挡土墙和加筋土陡坡路堤。在这类应用中，是将一些形式的加筋材埋在填土中，依靠它们来平衡土压力。实验结果表明，在土体中加铺土工格栅，能有效地提高土体的抗压强度，改变其破坏模式。采用加筋土挡土墙和加筋土陡坡路堤，可以节约更多空间供工程建设使用，或减少填土方量，节约占地。
第二，地基加固。利用土工合成材料加筋软弱地基，一般是在堤身底部铺放单层或多层高模量的土工合成材料，限制基土的侧位移。这样的加筋常常是为了提高堤坝的抗滑稳定性，增加堤坝的填筑高度，减小施工期填土的大量下沉，节约土方量，使堤坝下沉趋于均匀，防止堤面开裂。
第三，桥头跳车处理。桥头跳车一直是公路铁路部门要解决的技术难题。近些年，人们相继采用加筋土技术来处理桥头跳车。应用方式有两种：平铺筋材加固桥台台背填料和加筋土柔性桥台。前一种方式是在石砌或混凝土刚性桥台台背采用加筋土填筑技术，利用土工格栅等筋材的抗拔作用改变土体中的受力状态，减少路基顶面的沉降及沉降差，从而减小桥头错台，达到避免桥头跳车的目的。后一种方法是将刚性桥台改为加筋土桥台，克服水泥混凝土之类刚性桥台台背填料不易压实、桥头过渡段支承刚度相差过大的缺点，使得桥台与台背填料支承性能基本相同，从而在外部荷载和自重作用下使二者的受力变形协调一致，防止错台的产生。
第四，路面加固。在公路工程中，土工加筋材料除了可用于加固地基和路基以外，还可用于路面加固：加固基层、加筋沥青面层和罩面层。将土工布、土工格栅等材料用于路面结构，可达到减薄基层或面层、防止反射裂缝和减少车辙等目的。
4.过滤
对用于过滤的土工合成材料，要满足两方面的要求，即要求既能挡土，又能保持水流的畅通。应将过滤材料设在水流有可能使土体产生严重渗透变形的地方。
对于无黏性土，当渗流经过土层进入土工织物内时，在渗透力的作用下，有可能把紧靠着土工织物而粒径又较小的土粒挟带入土工织物，这种情况向远离土工织物的方向发展，逐渐形成一定厚度的由较粗土粒形成的架空层，这一层的颗粒较粗，渗透系数较大，但它不能阻挡细土粒的移动。在土工织物的过滤作用充分发挥时，在架空层的上游一侧会形成一层天然滤层。天然滤层的特点是该层的细粒土的含量比架空层多一些，透水性相对低一些，从而阻挡了相邻的天然土层的细粒土的移动，因此起到了挡土作用。在这一过程中，土工织物仅仅起一个引发天然滤层的作用。天然滤层的形成，与土层的级配和结构情况、水流情况和荷载性质等有关。
对于不是分散性、塑性较大的黏性土，土工织物将阻挡其中的团粒，从而起到过滤的作用。而对塑性低的、粉粒含量较多的黏性土，不易形成天然滤层，这时土工织物如同传统的粒料滤层一样，依靠本身有足够小的孔径来阻挡土料的移动，起到良好的过滤作用。
在利用土工织物作过滤材料时，要注意其长期使用会产生淤堵的问题。
5.排水
用土工合成材料作排水材料使用，其目的是降低和控制土中水位，减少土中孔隙水的超静水压力和控制水流渗出位置等，从而提高土体的稳定性。此时应注意土工合成材料的渗透性。
很多土工织物的渗透能力很强，因为其孔隙率很大，同时土工织物的孔径可以达到较大的数值。土工织物的渗透性与其孔隙的大小和分布情况有关，它不是随时间的延续而固定不变的。除了由于试验条件不够理想而引起织物渗透性能波动外，更主要的是土工织物与土体相接触，在渗流时必然会产生淤堵现象，引起土工织物渗透能力的下降。
6.防护
防护所涉及的内容相当广泛，凡是为了消除或减轻自然现象、环境作用或人类活动等因素造成的危害而采取的各项措施均在防护之列。
在防水流冲蚀的工程中，土工合成材料在土与水流之间形成隔离层，避免水流直接冲刷，消减其能量。既能渗水，又能不让土粒被水流带走；或是直接封堵水流通道，消除冲蚀动力等。用土工合成材料制成的防冲蚀结构或部件常见的有土工合成材料软体排，土工合成材料沉枕，土工合成材料石笼，土工合成材料长管袋，织物模袋，土工网、席垫，以土工合成材料建成的丁坝、顺坝和锁坝等。
用土工合成材料保温防冻，处理我国季节性冻区的挡土墙，保温防冻是最有效的方法之一。如聚苯乙烯硬质泡沫板是一种良好的保温材料，导热系数低，基本上不吸水，埋在土中能改变负气温和土体间的热交换条件，减小冻深和改变填土中的温度场，从而减轻或根除冻胀。