第二章 土工合成材料的功能和设计原则 | ||
| 第一节 反滤功能 |
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| 第二节 排水功能 |
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| 第三节 隔离功能 |
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| 第四节 防渗功能 |
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| 第五节 防护功能 |
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| 第六节 加筋功能 |
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土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。随着土工复合材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的主要功能可归纳为六类，即反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护功能以及加筋和加固功能。现分别加以叙述。有关各种材料在不同工程中的应用原则和施工方法参阅后续各章。
当土中水流过土工织物时，水可以顺畅穿过，而土粒却被阻留的现象称为反滤(过滤
用作反滤的土工织物一般是非织造型(无纺
堤坝工程中可以用土工合成材料作滤层的情况很多，以下是一些常见的使用场合。
（1）堤坝粘土斜墙和粘土心墙的反滤层。
（2）堤坝内部和下游排水体滤层。
（3）渠道、堤防、海岸等乱石或混凝土板护面下的滤层。
（4）水闸分缝处、下游护坦、河漫下的滤层。 （5）挡土墙、岸墙等背面排水系统中的滤层。 （6）排水暗管或排水暗沟外面的包裹体。 （7）减压井或测压管的外裹体。 以上应用的示意见图2-1。 此外，公路和机场跑道的基层，铁轨下道渣与土基间的隔离层等，也都同时要求反滤功能。 |
图2-1反滤作用应用情况示意图 |
以往的直观概念都认为土工织物起反滤作用等同于过筛作用，后来的研究却证明土工织物所以发挥反滤功能主要是由于它具有促进天然滤层形成的“催化”作用。另外，当土工织物作为滤层而长期作用时，发现有淤堵现象，从而使其反滤作用减弱或至消失。为此需要弄清淤堵的成因，方能有效地防止淤堵发生。
（一）反滤机理
土工织物的反滤作用可以用图2-2来说明。图中左侧为大孔隙堆石体，右侧为被保护土，二者之间夹有起反滤作用的土工织物。当水流从被保护土自右向左流入堆石体时，部分细土粒将被水流挟带进入堆石体。在被保护土一侧的土工织物表面附近，较粗土粒首先被截留，使透水性增大。同时，这部分较粗粒层将阻止其后面的细土粒继续被水流带走，而且越往后细土粒被流失的可能性越小，于是就在土工织物的右侧形成一个从左往右颗粒逐渐变细的“天然反滤层”。该层发挥着保护土体的作用。可见土工织物的存在只是起了促成天然反滤层形成的“催化”作用。 (二) 淤堵机理 土工织物中的孔道被堵塞，过水面积减小，渗透性下降的现象称淤堵。形成淤堵的原因可分为机械淤堵、化学淤堵和生物淤堵。一般情况下，机械淤堵为主要形式。 |
图2-2 反滤机理示意图 |
机械淤堵是土体中的细颗粒随水流进入土工织物孔隙中，并停留其中，随时间增长，停留的细粒愈来愈多，织物的透水性愈来愈小。
化学淤堵是由于渗流水中的各种离子，受化学作用形成不溶于水的化合物，如CaC03、
生物淤堵是土体或土中水内的藻尖、菌头微生物和有机质在织物孔隙中滋长繁殖，堵塞孔隙所造成。
淤堵对织造型和非织造型土工织物有着不同影响。织造型织物孔口通道单一，管状通道间不连通，故孔口或通道内任一处被堵塞，整个通道即不通。针刺非织造土工织物则兼有垂直和水平结构，而且它们之间是相通的，织物孔隙呈迂回树枝状的立体结构，水分进入后即可相互串通，所以即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相当的透水性。
为了让所选用的土工织物能长期发挥反滤作用，对织物应该提出一定的要求。正像以往采用粒状土料
(1)被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走，即需要有“保土性”，以便防止管涌破坏。
(2)水流必须能顺畅通过织物平面，即需要有“透水性”，以防止积水产生过高的渗透压力。
(3)织物孔径不能被水流挟带的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反滤作用失效。
(一) 保土性准则
既然要求织物保土，则织物的孔径与土的粒径之间就必须符合一定的关系。孔径过大，土粒会穿过孔洞而流失；过小又妨碍透水和容易被堵塞。
借鉴传统的粒状土反滤层的保土要求，并依据众多的试验研究表明，为了保土，织物的某等效孔径
Oe≤nd85 | (2-1) |
式中Oe是一个由试验测得的等效孔径值。目前国内外采用最多的是
SI/T225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，
O95≤0.5d85 | (2-2) |
另外在一些特殊场合的特殊工程，如防汛抢险，往往要求滤层中水流十分畅通，此时需要采用孔径较大的材料，有时甚至采用窗纱来做反滤。
(二
目前对土工织物透水性的要求，是以织物和被保护士的渗透系数的相对关系来表示。规范对此作了如下规定：
(1)被保护土级配良好，水力梯度低和预计不致发生淤堵
Kg≥Ks | (2-3) |
(2)若排水失效会导致土体结构破坏，且修理费用高，或水力梯度高，流态复杂等情况
Kg≥10Ks | (2-4) |
以上二式中的Kg和
有的标准要求比式(2-4)中
(三) 防堵性准则
为防止土工织物在长期工作中被淤堵，应该用选定的织物和被保护的现场土料作较长期试验来检验。这样做费时费事，因此
(1)被保护土级配良好，水力梯度低，流态稳定，修理费用小及不发生淤堵时
O95≥3d15 | (2-5) |
式中：d15为被保护土的特征粒径，即土中小于该粒径的土质量占总土质量的
(2)被保护土易管涌，具有分散性、水力梯度高、流态复杂、修理费用大的情况。
1) 被保护土的渗透系数Ks≥
GR≤3 | (2-6) |
式中： GR为梯度比；Ks为土的渗透系数。
2)被保护土的渗透系数Ks≤
这里需要解释一下“梯度比”的意义。梯度比是美国陆军工程师团为了用较短时间判断土工织物滤层的工作状态而建议的一个指标，由淤堵试验装置测定，如图2-3。图中的6代表待测定的土工织物，它被安放在作为支承体的透水铜丝布7上。织物上面是由现场取来的并按要求压实的土。在织物上面25mm和再上面50mm处的试验筒两侧壁上，各安装有测压水管(同一高程两侧各设一管是为了取其平均值作为测读水位)，试验筒顶不断供水，使水流通过土体、织物，由图中的调节管8排出。量测通过上面50mm土层后测压管的水位差，计算出相应的梯度is；同样量测通过下面25mm土层和土工织物的测压管水位差，计算出相应的梯度isg。后一梯度对前一梯度的比值，即GR＝isg/is称为梯度比。 GR≤3的准则可以转化为渗透系数的概念。按此，应该有
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图2-3淤堵试验装置示意图 | ||||
附带说明，上面所述的和其他一些现有的保土准则都是针对非织造型土工织物制定的。对于织造型土工织物，现在还没有公认的准则，
采用土工织物作为反滤层时，首先要求选用的材料必须满足反滤准则；其次，它们在铺设后必须是稳定的；再次，虽然它们并不是作为受力部件来作用，但需要有一定的强度，应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。因此一般的设计应该包括以下内容。
(一) 提供必要的基本数据
1.
被保护土的主要物理力学性指标包括：土的分类、颗粒分析曲线(由此可查取土的特征粒径
2.填土的性质指标
填土的性质指标即回填土的击实试验曲线，从曲线上确定填土的最大干容重γdmax和最优含水率
3.待选土工织物的性质指标
待选土工织物的性质指标包括土工织物的单位面积质量M、等效孔径
(二) 一般的强度要求
织物要求的强度T很难计算确定，通常可以根据经验按以下情况取值。
(1)一般闸坝，要求无纺土工织物的
(2)预计应力较大时，M≥
(3)应力更大时，M≥
