土工合成材料在地基处理中的应用

土工合成材料出现被誉为岩土工程的一次革命，它以优越的性能和丰富的产品型式在工程建设中找到了用武之地，在地基处理工程中也发挥了重要的作用。

1 概述

土工合成材料（Geosynthetics）是一种新型的岩土工程材料，是岩土工程应用的合成产品的总称。它以人工合成的高分子聚合物为原料，如合成纤维、合成橡胶、合成树脂、塑料或者一些天然的材料，讲它们制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，来改善土体性能或保护土体。

现今，土工合成材料已经广泛应用于水利、建筑、公路、铁路、海港、环境、采矿和军工等领域，其种类和应用范围还在不断发展扩大。今天我们提到土工合成材料主要有六大功能：排水、反滤、加筋、隔离、防渗和防护，除此还有约束和减载作用等。在实际工程应用中，往往是一种功能起主导作用，而其他功能也相应地不同程度地起作用。

土工合成材料的种类繁多，早期主要有透水的土工织物、不透水的土工膜两类。近年来，大量其它类型的土工合成材料纷纷涌现，如土工格栅、塑料排水带、土工格室、土工网、土工模袋、三维植被网、土工织物膨润土垫等。

（1）土工格栅。土工格栅是一种以塑料为原料加工形成的开口的、类似格栅状的产品，具有较大的网孔，可以在一个方向或两个方向上进行定向拉伸以提高力学性能，多用于加筋。除塑料格栅外，还有编织格栅，即用众多的纤维形成纵向和横向肋条，中间有较大的开口空间。编织格栅采用的原料是聚酯，上面涂有一些保护材料，如PVC、乳胶或沥青。此外，还有玻纤格栅，它是一种编织格栅。

（2）土工格室。土工格室一般用长12.5cm、宽75～200mm、厚1.2mm的高密度聚乙烯条制成，条间沿宽度用超声波焊接，焊缝间距约为300mm。在加筋地基现场像手风琴一样展开，展开的面积达10m×5m，每块面积中含有数百个独立的格室，每格直径约200mm。在格室中充填砂砾料，振动压实后构成加筋垫层。

与土工格室垫层相比，用土工格栅可连接成平面上呈方形或三角形的空格，填充粗粒料形成更厚的垫层。

土工合成材料的分类是一个动态发展的过程，当一种新产品的应用得到广泛承认后，土工合成材料的家族也就增加了新的一员。

2 基本原理

2.1 概述

土的抗拉能力低，甚至为零，抗剪强度也有限。在土体中放置了筋材，构成了土－筋材的复合体，当受外力作用时，将会产生体变，引起筋材与周围土之间的相对位移趋势，但两种材料之间界面上有摩擦阻力（和咬合力），限制了土的侧向位移，等效于给土体施加了一个侧压力增量使土的强度和承载力都有提高。 2.2 筋材的应力传递

筋材一般被水平地铺在土中。当高抗拉强度、高抗拉模量的筋材和土的复合体在荷载下发生变形时，通过二者界面引起应力传递，主要传递方式有二：依靠表面摩擦和依靠横杆的被动阻力。

依靠表面摩擦的应力传递

筋材相对于上下土料位移时（抗拔情况），二者上下面的摩阻力Ff为：

Ff＝2bLvtansg (1)

如筋材相对于上或下单界面位移时（剪切情况），则摩阻力Ff为：

Ff＝b·Lvtansg (2)

两式中 b、L — 筋材的宽度与长度； v—作用于筋材上的法向应力；

sg—土与筋材的摩擦角。抗拔情况下应通过抗拔实验求得；剪切情况

可通过直剪实验求得。

一般情况下， sg是土的内摩擦角的0.6～0.8倍。

式（1）和（2）表明，sg、v愈大，能传递的Ff愈大，但它最大不能超过筋材的极限抗拉强度。筋材表面越粗糙，周围土颗粒越粗和带有棱角，则sg越高，即Ff还主要取决于筋材表面及周围土的性质。 一、依靠筋材横杆被动土抗力的应力传递

这种应力传递中只出现于格栅类筋材中，如由纵肋和横杆所构成的土工格栅，在土中铺设土工格栅筋材时，一般肋的方向和土所受大主应力方向一致，当格栅与土发生相对位移时，除格栅表面有摩擦抗力外，格栅横杆侧面上还受到与之垂直的被动土抗力，这是因为格栅有一定厚度，在格栅的孔洞内有土、石料充填之故。被动抗力Fp可按下式估算：

Fp= ntbh (3)

式中 t、b — 格栅厚度和孔洞的有效宽度；

n — 单位宽度格栅的横杆数目； h— 单位土被动土压力。

h＝Nb·v (4)

式中 v — 作用于格栅的法向应力 ；

Nb — 承载力因数。

Nb值与土的抗剪强度和剪胀性有关，较少受筋材表面粗糙度的影响。Rowe

和Davis通过有限元计算，得到如图所示的Nb和关系曲线，可供查取Nb。

'h''图中纵坐标Nb＝'，h和v为有效应力。图中v0表示土无剪胀；曲线

表示有剪胀；上面的曲线为Prandtl的古典承载力解；下面的曲线为冲剪破坏。

对于格栅，除了上述的摩擦力和被动抗力外，实际上处于孔格周围的土，其剪切面也负担应力传递的功能。 2.3 加筋的作用机理

加筋土中的筋材通过与土的应力传递，使土体产生相应的力学效应，故可借助土力学原理来说明由此对土强度改善的机理。

一、侧压力增量理论

无粘性土地基中Z深度处一个土单元所受大、小主应力1、3为：

1vz （5）

3hK0•1 K01sin （6）

'式中 v、h — 竖向和水平应力； 、 — 土重度和有效内摩擦角； K0 — 土的静止侧压力系数。

这一应力状态如图12－12中圆Ⅰ。图中直线S是土的强度包线，该单元处于弹性平衡状态，故圆Ⅰ与S线不接触。如果由于某种原因，加入在其附近开挖，则M点在竖向应力不变条件下，水平向应力3却有所减小，待其降低到

'3Ka1，M点达到塑性平衡状态而破坏，这时应力圆Ⅲ正好与包线相切。设

想M点的土单元内埋有水平放置的筋材，则由前述的应力传递作用，M点不可能因卸载而自由膨胀，体变受到筋材约束，使筋材处于拉力状态，此时M点侧压力，即图中圆Ⅱ反映的状态。从而可见，M点在卸载3K1（Ka＜K＜K0）

时免于破坏得益于加筋作用。从应力圆看，是因为筋材为单元提供了一个侧压力增量3所致。

二、表观（视）粘聚力理论

有学者进行过两种砂样的三轴剪切试验成果的对比，两种砂样为同一类砂，但一个为纯砂，另一个是在砂样中水平放置了土工织物，试验结果如图，表明当围压3，超过一定大小后，两种试样的1～3关系曲线基本平行，而放置了土工合成材料的试样，在相同的3下其破坏的轴向压力较不放土工织物有一个增量1。这意味着，土工织物为无粘性砂提供了一个表观粘聚力（值不变）。

根据土的极限平衡条件，当土料具有粘聚力CR时，大、小主应力1、3符合以下关系：

13Kp2CRKp （7） 也已证明，如果试样中水平放置的土工织物的垂直间距为H，则

CRRtKp2H （8）

式中 Rt ── 土工织物筋材抗拉强度；

Kp── 土的被动土压力系数，Kptan2(4502)。

从前述侧压力增量理论看，筋材实质上是为试样提供了一个侧压力增量

3，这时试样破坏的大主应力相应地增大为：

1(33)Kp （9）

与式（7）比较得到：

3CRKp (10)

2从式（8）和式（10）可得：

3Rt （11） H这表明加筋提供了侧压力增量来源于筋材的抗拉强度Rt，其大小相当于将该强度平均分配给高度为H的试样侧面上的压力。显然如Rt很小或筋材失效（筋材被拉断或被拔出），则侧压力增量将随之消失。

三、抗剪强度理论

也有将聚合纤维混入土中做加筋土称为纤维土。纤维土是用专用机械在现场直接将纤维和砂混合而成。

先讨论纤维互相平行，并垂直于土体中剪切带的理想情况。如图，原来是垂直向的纤维由于将产生位变，纤维土中引起了拉力R。如剪切带面积为A，纤维所占面积为Af，则单位土体面积内的纤维拉力为tR(Af剪切带方向的引起的压力增量为tRcos；在平行于剪切带方向上的分力使剪切力减小（即与剪切力的方向相反），相当于使土的抗剪强度增大tRsin。土的抗剪强度总增量为：

A)R，它在垂直于

SRtR(cos•tansin) （12）

四、承载机理

假定土与土合成材料最初都作用在坚实的地基上，然后在合成材料下之地基出现裂隙或孔洞，于是在外荷载及上覆土自重作用下，土工合成材料向下弯曲，这一弯曲形成土层向下弯曲和合成材料伸长。

土层弯曲在土内形成土拱，它把部分外载从裂隙或孔洞区向外转移，使裂、孔区的压力降低。

土工合成材料由于伸长，起到张膜作用，并能承受垂直于表面上的荷载。由于合成材料的伸长，可以有以下三种情况，见图 （a）土—合成材料系统发生破坏;(b)土—合成材料系统出现一定弯曲并跨接在裂隙或孔洞上；（c）土—合成材料都沉到深坑底部。最后情况中，土工合成材料已发生部分强度承担了垂直于土工合成材料表面的部分荷载，其余部分荷载传到深坑底部。

此外，在软弱地基上，铺设土工合成材料底筋，在其上修建堤坝，土工合成材料底筋不使填土以集中荷载形式局部陷入地基，加强地基土和填土的整体性；它部分起到筏基的作用，使荷载应力扩散与均化，同时合成材料受荷变形，发挥其薄膜效应，使地基的承载力提高。

3 土工合成材料加筋地基

土本身是一种弱胶结颗粒集合体，有时它需要一种二维或三维的连续介质去提高其整体性，改善抗拉、抗剪性能和承载能力，这种连续介质最理想的就是土工合成材料。 3.1 简述

加筋地基是将基础下一定范围内的软弱土层挖去，然后逐层铺设土工合成材料与砂石等组成加筋垫层做地基持力层。当筋材埋设方式和数量得当时，就可以极大地改善地基的承载力。

加筋地基成功应用的实践可概括为以下三个方面：一是土堤的加筋地基，如堤防工程、公路或铁路路堤下的加筋地基；二是浅基础地基的加筋，如油罐或多层房屋基础加筋，特别是条形基础下的加筋地基；三是公路面层下基层的加筋，用于提高承载力、减小车辙深度和延长使用寿命。此外，加筋地基（垫层）可与其他各种桩基础结合形成复合地基。

可用于地基加筋的土工合成材料有土工织物、土工格栅、土工格室和一些土工复合材料。土工格栅具有均布的大空格，和土嵌锁在一起表现出较高的筋土界

面摩擦力，故有些情况下土工格栅作为加筋材料要比土工织物效果更好。

土工织物和土工格栅加筋土地基的设计包括筋材强度和层数的确定，以及抗拉强度的选择。目前生产厂家提供的土工织物和土工格栅产品，其抗拉强度有20kN/m、50kN/m、80kN/m和110kN/m等多种规格。由多种纤维织成的有纺织物强度可达500kN/m。土工织物还被其他聚合物、玻璃纤维和钢纤维加筋构成加筋土工织物复合材料。在聚合物中加入其他纤维可使强度增大，同时降低成本，例如，玻璃纤维具有高的抗拉强度和弹性模量，同时具有高的蠕变抗力。编织进金属纤维可使抗拉强度高达3000kN/m，将其直接铺设于基层中，可提高路面承载力3～10倍。

土工格室加筋地基因为格室的侧限作用提高垫层的抗剪强度和承载力，另一方面土工格室垫层相当于基础的旁侧荷载，格室厚度越大，旁侧荷载越大，从而增加的承载力也越大。当土工格室应用于公路地基时，一般在格室中充填砂粒，用平板振动器压实，最后喷洒乳化沥青，喷洒量为5L/m，水渗入砂中，沥青小球粒在上层砂中形成磨耗层。试验表明，双轴卡车荷载行驶10000遍后仅留下轻微车辙，如没有土工格室，仅十遍就留下深深的车辙。

3.2 加筋材料的容许抗拉强度

加筋土设计中有两种不同性质的安全系数，一是设计安全系数，二是材料安全系数。设计安全系数即一般岩土工程计算中经常采用的对工程安全性评价的指标，它是综合考虑了荷载组合、计算方法中的假定以及计算指标中选取的可靠性等方面不确定性因素，而给予安全性的一个富裕值。材料安全系数过去是一个用一个综合值，或称总体安全系数，现在则改称分项安全系数，这样才可以明确地涉及材料的不同弱点所在，例如其强度受蠕变、施工破坏和老化影响等。材料的抗拉强度要对各项影响系数折减。

1996年美国州公路与运输管理人员协会（AASHTO）建议，筋材的容许抗拉强度Ta可按下式计算：

2TaTuTu （13）

RFCRRFIDRFDRF式中：RFCR ── 蠕变折减系数；

RFID ── 施工损伤折减系数;

RFD ── 老化折减系数；

RF ── 总折减系数；

Tu ── 材料的抗拉强度，取试验平均值减去2倍的标准差。

上面三个折减系数对容许抗拉强度的大小至关重要，并与原材料、荷载、土粒粗细和环境等因素有关，至今很难准确取值。 3.3 条形浅基础的加筋土地基

3.3.1 筋材布置

太沙基等研究者将条形浅基础破坏时（整体滑动破坏）的地基分成三个区，即主动极限平衡区、被动极限平衡区和过渡区，并推导出地基承载力公式：

PucNcdNrbNr （14） 2从式（14）可见，由地基土的容重和抗剪强度参数c、等参数即可计算地基的极限承载力。但对于加筋土地基，出现了c、和是取加筋土垫层的参数，还是取原地基土参数的问题。答案是只有当加筋土的范围不小于完整滑动面范围时，才能取加筋土的有关参数，筋材也应均布在该范围内才能发挥正常功能。

根据Prandtl－Reissner理论可求得基础两侧完整滑动面总水平长度Lu为

2tanLub[12tane] (15)

42在过渡区的滑动面为对数螺旋线，求深度的极值，得滑动面最大深度Du为

()tanbcose42 Du （16）

2cos42根据式（15）和（16）可求得不同的值对应的Lu和Du值列于表1中，它们是基础宽度b的倍数。表中取基地土的内摩擦角。 表1 滑动面长度和深度 （o） Lu（×b） 0 7 5 7.5 0.79 10 4.14 0.89 15 4.97 1.01 20 6.06 1.16 25 7.53 1.35 30 7.58 1.59 35 12.53 1.9 Du（×b） 0.71 很多模型试验揭示地基极限承载力随筋材长度和深度增加而变化的规律，虽

然长度和深度增加值至一定值后，极限承载力增加缓慢，但只有达到表1所列深度和长度时，极限承载力才停止增长。

实践中要求筋材的布置范围符合：最上层筋材距基底12b/3、最下层筋材距基底n2b、筋材层数为3～6，且长度L足够。此时加筋地基的破坏表现为筋材的断裂，其断裂点在基础下方，接近筋材与压力扩散线的交点。

从表1可看出，当从0增至35时，Lu从7.0b增至12.53b，筋材的增长大幅度增加了基坑开挖的工程量，而增加的极限承载力又伴随着基础的过量沉降，故适当减短长度，损失一定的承载力是合理的。

按基础两侧压力扩散线外侧筋材的抗拔出极限状态来确定筋材长度，要求筋材容许拉力不大于压力扩散线外侧筋材的抗拔力，并且在计算筋材锚固段长度时，忽略基底压力在筋材上附加应力引起的摩擦力，只计算上覆土重引起的正应力，则从图得，第i层筋材的水平总长度Li为：

ooLib2itan式中：d ── 基础埋深，m；

TaFspfp(di) （17）

fp── 土与筋材界面的摩擦系数；

 ── 压力扩散角,可由《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）查得，（）；

Fsp── 筋材抗拔出安全系数,可取2.5;

o ── 加筋砂垫层中砂的容重;

用式（17）计算得各层加筋长度后，可取最大值，按各层等长布置，一般长度不超过2.5b。实际上，加筋地基的破坏形式也不是整体破坏剪切破坏，而是沿压力扩散线的冲切破坏。这与许多研究者发现加筋地基的破坏面并非向基础某侧发展的完整滑动面，而是从基础边缘向下方近似垂直的发展，或与铅直方向形成一定的压力扩散角的分析是一致的。Love等人发现，地基的压力扩散角并不因布置了筋材而增加。 3.3.2 地基承载力设计公式

在加筋地基中，土和筋材的相对位移（或相对趋势）形成了土与筋材界面的摩擦力，从而在筋材中产生拉力。筋材拉力对地基承载力的贡献包括以下两个方

面：一是拉力向上分力的张力膜作用，二是拉力水平分力的反作用力所起的侧限作用。侧限作用可根据极限平衡条件计算，具体做法是将N层筋材设计拉力的水平分力除以Du，得到水平限制应力增量3NTcos/Du，为筋材拉力与水平面夹角，取45o2，即筋材变形后沿郎肯主动滑动面方向，为

砂垫层的内摩擦角。用极限平衡条件求3对应的竖向应力增量1即为提高的地基承载力。再考虑到筋材拉力的向上分力增加的地基承载力

2NTsin,

b2ntan则筋材提高的地基承载力可用下式表示（王钊、王协群，2000年）：

oo2sin45cos(45)NTa2o2ftan[45] (18)

Kb2ntanDu2式中： K ── 地基承载力安全系数，K＝2.5～3.0；

n ── 最低一根筋材的深度, m。

考虑因埋深修正而提高的承载力和垫层压力扩散角提高的承载力，而加筋地基增加的地基承载力设计值fa:

fad(dn0.5)pk2ntanfb2ntan (19)

式中： d ── 基础埋深的地基承载力修正系数，根据地基土的分类和土性指标查《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）；

 ── 原地基土的容重，KN/m3;

Pk ── 相应于荷载效应组合时，基础底面处的平均压力值，kPa。

加筋土（砂）垫层地基承载力设计公式为：

PkfakfR （20）

式中： fak── 垫层下软土地基承载力特征值，kPa。 3.3.3 加筋地基设计步骤

加筋地基设计步骤如下：

（1）初步选定加筋材料，如土工格栅或土工织物，拟定其布置参数，包括

第一层到基底距离1，第N层到基底距离n，间距H确定填土垫层中填土的内摩擦角和容重。

(n1)(N1)；

（2）据式（18）和式（19）分别计算出加筋地基需提高的地基承载力fR及要求筋材提供的承载力增量f。

（3）按式（20）校核加筋地基的承载力。

（4）由式（17）得到加筋材料的长度Li，取最大值等长布置。 3.3.4 加筋地基的沉降

在地基承载力满足设计要求的前提下，对于需要进行变形验算的建筑物还应作变形计算，即建筑物的地基变形计算值，不应大于地基特征变形允许值。

地基变形由两部分组成，一是加筋体的变形，该变形可忽略不计；二是其下软土层的变形。变形的计算方法可采用《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）中最终沉降量的计算公式，沉降计算压力为扩散于n处的压力。

应指出的是多层筋材地基可显著减小沉降量，而堤基下一层筋材减小沉降作用是可以忽略不计的，它仅能起到部分均匀堤中心和两侧沉降差的作用。 3.4 土工格室加筋地基

格室通过每个单元的箍力来增强体系的承载力，甚至不需要初始变形即可发挥加筋作用。土工格室提高承载力的机理在于格室侧壁的摩擦和限制力不仅增加了土体围压，还使之获得了“准粘聚力”。研究发现承载力随格室材料强度的增大而提高，并且单个格室的高宽比在1.5～1.0范围内时加筋效果较好。当格室侧壁有斜纹、穿孔时，还可进一步提高承载力。侧壁的穿孔兼排水、允许根系横向发展的作用，同时减小材料消耗。

美国著名学者，土工合成材料专家R.K.Koerner根据Terzaghi理论提出了土工格室加筋地基承载力的计算，认为土工格室的限制作用使得地基破坏面向下延伸，扩大了滑动面范围。承载力计算公式及改进的公式为：

不带土工格室: PuCNcc0.5bNrr (21) 带土工格室： Pu2DqrCNccqNqq0.5bNrr （22）

其中 qqDq

hpKa

式中： Pu ── 地基极限承载力，kPa；

q ── 旁侧荷载，kPa；

C ── 粘聚力；

q ── 格室内土的容重，KN/m3；

Dq ── 土工格室厚度，m;

r ── 土工格室设充砂后呈圆环形，圆环的半径，m；

 ── 破坏区土的容重，KN/m3；

h ── 土工格室内土的平均水平应力，kPa；

Ka ── 主动土压力系数；

Nc,Nq,Nr──为承载力系数（与土的内摩擦角有关）；

c、q、r为基础底面形状修正系数考虑基础为条形基础假设的误差，建

议采用魏锡克（A.S.Vesic）地基极限承载力公式中给出的基础形状因数计算公式；

o（）。  ── 土与格室侧壁间的摩擦角，

3.5 土堤的加筋土地基

位于软土地基上的堤，包括堤坝和路堤，其加筋土地基有两种结构形式：一

是平铺的土工织物或土工格栅，又分为在地基表面平铺一层，或挖除部分软土，分层平铺数层筋材，各层筋材间铺设砂砾料构成加筋土垫层，或在堤身内部由底向上平铺数层加筋材料；二是土工格栅框格垫层。两种结构形式的设计方法基本是一致的。

土堤加筋土地基可能产生的破坏形式有：（1）堤和地基整体滑动破坏；（2）土堤的堤坡部分沿着筋材表面水平滑动；（3）基土挤出破坏；（4）地基承载力不足产生过大的沉降。应针对防止每一种破坏形式的发生，提出相应的设计方法。

3.5.1 整体滑动

1.楔体分析法

将堤坡下的土体连同软土地基视为一整体，参见图中的脱离体ABGP，其上的受力有

EaKa(H22qH) （22）

筋材拉力取容许抗拉强度Ta，如为N层，则拉力为NTa，则有：

Eaf(HqfD2)D2CuD （23）

EpffD222CuD (24)

SfCul (25)

式中： q ── 堤顶均布荷载，kPa；

Cu── 软基土的不排水抗剪强度，kPa；

由脱离体ABGP的受力平衡可得到抗滑动安全系数为：

Fs要求Fs1.5。

NTaSfEpfEaEaf (26)

脱离体分析法给出的结果偏于安全，但当软基土较厚时，分析结果不可靠，建议用圆弧滑动分析法。 2.圆弧滑动分析法

当堤基下软弱土层较深时，滑动面可能贯穿基土和堤身，设计采用修正的圆弧滑动分析法。这个方法的要点是先计算出没有加筋材料时最危险圆弧的位置，并假定加筋后滑弧的位置不变，筋材拉力的方向与滑弧相切，则抗整体圆弧滑动的安全系数为：

Fs(CiliWicositani)TWisini （27）

式中： T ── 筋材材料提供的切向加筋力，取筋材的容许抗拉强度；

Wi ── 第i分条的土重，kN/m；

Ci ── 第i分条滑弧所在土层的粘聚力，kPa。

抗整体圆弧滑动的安全系数Fs要求不小于1.3。

应编制程序自动搜索最危险滑弧的位置，并计算安全系数。

如果有些层的筋材没有满铺，处于滑弧以外（稳定土体侧）的筋材应具有足够的锚固长度，即校核筋材在容许抗拉强度的拉力作用下抗拔出的稳定性。 3.5.2 堤坡滑动

滑动土坡楔体上受力如图。滑动力EaKaH/2，抗滑动力为

2(Hltansg)/2,考虑两者的平衡，并取抗滑安全系数为2.0，可得

2KaHl （28）

tansg其中 Katan(452o2)

式中: Ka为主动土压力系数；sg为堤土与加筋材料的界面摩擦角。 3.5.3 基土挤出

堤坡下地基土体的受力情况于图中。其中挤出力为主动土压力Eaf，抗挤出力有三个，一是被动土压力，还有筋材对软基土和硬基土对软基土的摩擦角Sg及

Sf。

Eaf(HqEpffD2)DKaf2CuDKaf （29）

fD22Kpf2CuDKpf （30）

SglH2tansg (31) fD)tanf] (32)

2oSfl[Cf(H2其中 Kaftan(452of2) )

Kpftan(45f2式中：Kaf为软基土的主动土压力系数；Kpf被动土压力系数；sg筋材和软基土的界面摩擦角。

软弱基土抗挤出的安全系数为

Fs要求 Fs1.5。

EpfSgSfEaf （33）

3.5.4 承载力校核

铺设于堤基的筋材，其作用主要是隔离，只要筋材有足够的拉伸变形，则可适应大的下垂变形，而不断裂，使堤身整体且均匀的沉降，堤两侧的基土受挤压隆起，产生如下作用：

（1） 埋深增加而提高承载力。

（2） 两侧地基土挤压排水，抗剪强度提高。

(3)沉降底面为垂线型，中间大、两边小，对堤身顶部有挤压作用，减小堤顶形成纵向裂缝的可能性。

如果用圆弧滑动分析法，考虑到堤顶无裂缝和堤身沉到地基内的部分，则通过堤身的滑弧增长，而堤身土的抗剪强度是较高的，此外，因两侧地基土隆起也延长了滑弧，因挤压排水，也提高了抗剪强度，总的作用是提高了抗滑稳定的安全系数。

4 土工合成材料在地基处理工程中的其他应用

4.1 过滤和排水

很多土工合成材料具有良好的过滤性、透水性和导水性，因而，在土体中需要设置过滤或排水的地方都采用土工合成材料。为了加速软土地基固结，常用塑料排水带来代替传统使用的砂井，土工织物代替水平砂垫层；土坝下游坡角和坝基以及挡土墙背面的过滤排水材料可以用土工织物代替常用的砂石料。

1.过滤

在过滤运用中，水流方向垂直于土工织物平面，一般以垂直渗透系数Kn或透水率来衡量其透水能力，Kng,其中g为土工织物的厚度。

土工织物的过滤机理是很复杂的。早期，人们把土工织物的过滤作用等同于传统的天然粗粒材料的过滤作用，在保土方面是利用土工织物具有足够小的孔径来阻挡被保护土中骨架土料的通过。其后，又有一些研究者提出了一些新的机理，这些机理包括:上游天然滤层的形成、堵塞、成拱、淤堵、深处过滤等，根据这些机理的相互作用，人们认为土工织物本身并不起过滤中的保土作用，而是在靠近土工织物处，诱发被保护土层形成一层天然滤层；正是该天然滤层起到了主要的过滤作用，而土工织物只是充当了形成天然滤层的媒介。实际上，在过滤工程

中，多种机理是同时起作用的，但土和织物的类型不同、上覆压力的变化以及不同的水流状态下，哪一种机理占主导地位，仍是一个目前研究的课题。

过滤设计准则包括三个方面：保土准则、透水准则和淤堵准则。 2.排水

传统的排水材料一般使用的是砂石料，然而近年来土工合成材料在很短的时间内就得到了广泛的运用，例如在软土基的预压排水固结中，目前的塑料排水带已有取代传统砂井的趋势。可用于排水的土工合成材料有土工织物、土工网和复合土工合成材料，然而它们的排水能力是不同的。土工织物导水率最小；复合土工合成材料导水率最大；土工网介于两者之间。

土工织物的导水能力可以通过水平渗透仪测定。影响织物平面渗透性的因素很多，如聚合材料的可润湿性、添加剂的种类、织物的结构、孔隙的大小等，此外织物平面的法向压力大小、水流方向、水位差、水中含气量，以及测试仪器的型式，都对测试结果有一定的影响。

土工织物与土体相接触并存在着渗流的情况，土工织物的排水和过滤作用是同时存在的不可分割的两种作用，只是它们考虑问题的着重点不同。在实际工程中，应该同时考虑这两种作用。 5.2 隔离作用

土工合成材料铺设在土体中，尤其是在两层不同粒径的土体之间，就成为一种隔离物。它能够防止两 粒料相互混杂，，或放置在建筑物和软弱地基之间，隔离的同时起加筋作用。

土工合成材料隔离效应是多方面的，建造围堤、码头、防波堤等工程，可用土工合成材料铺在软土上，然后填筑块石，以提高地基强度。在少雨和地下水位高的地区，采用复合土工膜做隔层，阻断地层中毛细水上升，可以防止次生盐渍化及地基软弱、冻胀等病害。

用作隔离层的土工合成材料，主要有土工织物、土工膜、土工格栅以及土工复合材料。当要求土工合成材料具有多种功能时，可将多种土工合成材料组成复合材料使用。当设计隔离层时，需满足以下两个方面的要求：一方面要能够隔离两种不同粒径的材料，维持结构层的厚度，并保证一定的渗透性；另一方面要有足够的强度，以承受荷载引起的应力或变形，不得产生破裂现象。设计时，必须

对材料的孔隙率、渗透性、顶破强度、刺破强度、握持强度、撕裂强度等性能进行校核，以选定合适的材料。 5.3 防渗作用

土工合成材料可以制成不透水的或不透水的土工膜以及各种复合不透水的土工合成材料。这些儿土工合成材料可以用在各种需要防水、防气以及防有毒害物质的地方。尽管土工膜的主要功能是液体或气体的包容物，它仍然要受到张拉应力的作用，因此除要求防渗性外，还要求土工膜有一定的厚度、抗拉强度、撕裂强度、穿刺强度和顶破强度等。设计中要考虑接缝质量和耐久性。