土工材料(土工布|土工膜|防水板)的过滤与排水设计
一、一 般 规 定
1. 土工合成材料(土工布|土工膜|防水板)本身具有一定的排水与过滤功能，有时为满足设计要求或为了增强、更充分地发挥其排水与过滤功能，往往与其它材料配合（如土工织物与砂石料配合）共同形成良好的排水体或过滤体。
本条列出土工合成材料(||)作为过滤体和排水体的一些主要应用场合。在公路工程中，应用的场合还很多，在此，仅以示列予以说明。
2. 土工合成材料(||)的范围很广，本条对具有过滤和排水功能的土工合成材料(||)种类作出原则选定，以便选择材料时参考。
3. 土工织物用于过滤和排水，在施工中以及使用期内不可避免会受到外力的作用，因此，要求其具有一定的强度。表5. 1．3摘自美国aashtodesignation：m288－96 draft 1995，对照我国生产的土工织物性能指标，大部分厂家的产品当单位面积质量达到300g／m2～50og／m2时，能满足表中要求，故在此引用了这一基本要求。
4. 在《公路排水设计规范》（jtj o18）、《公路路基设计规范》（jtj o13）、《公路沥青路面设计规范》（jtj o14）、《公路水泥混凝土路面设计规范》（jtj o12）《公路隧道设计规范》（jtj o26）等中，已对相应排水结构设计的有关内容作了明确规定，本节不再重复。土工合成材料(||)用于过滤和排水多为增强和改善过滤结构和排水结构的过滤排水能力，因此本章只对土工合成材料的过滤和排水能力提出相关的计算方法和要求。
二、 过 滤 设 计
1. 过滤设计以过滤准则为设计原则。过滤准则包括挡土准则、透水准则和淤堵准则三个方面，即要求土工合成材料(||)既能挡土，又不致在长期使用条件下由于土中细粒流入产生过量淤堵而影响其透水性。
2. 荷载、渗流、被保护土质情况等均会对土工合成材料(||)的过滤性能产生影响，因此，根据实际工程情况，进行相应的渗透试验或模型试验，建立合适的过滤准则来选择土工合成材料(||)，对重要的工程或结构是十分必要的。
重要的工程、结构很难一概而论，因此，在此只原则性提出，没有指明哪一级工程，哪一种结构。
过滤准则的研究至今已有20多年的历史，其间国内外不断提出许多新的和改进的过滤准则，发展趋势由简到繁，考虑的因素越来越多。总的看来，静荷单向水流下的过滤准则较为成熟，动荷或双向水流下的过滤准则还处于研究阶段。在此提出的三方面要求［式（5．2．2－1）～（5．2．2－3）］主要针对静荷单向水流，即水总是从被保护土体流入土工合成材料(||)的情况。
对静荷单向水流下的过滤与挡土准则，具有代表性的在国内工程中应用较多的是美国陆军工程师团准则、giround准则和德国土力学及基础工程学会准则。三个准则一种比一种考虑的因素更多，更为周到合理。giround准则考虑了被保护土颗粒级配情况和紧密情况；heerteen准则则将被保护土分为有问题土和稳定土两大类，并考虑原土粒级配情况；calhoun准则只将土简单地分为粗粒土和粘粒土，用织物孔径和土颗粒径的大小对比来建立挡土准则。这三个准则中，calhoun准则简单，物理概念明确，在我国工程中得到广泛使用。由于其一方面假定被保护土都是均质的（不均匀系数cu＜2），没有考虑被保护土层可能形成天然滤层，在设计上偏于安全和保守，国内许多工程的实践经验认为在挡土方面是可靠的；另一方面，其土类的划分标准与我国现行土工试验规程划分标准较一致，织物的等效孔径试验方法和取值与我国多数部门或工程实践采用的方法、取值相近和相同。基于简单、便于应用、安全可靠、便于与现行方法标准衔接见方面考虑，选取calhoun准则作为挡土准则。
在透水准则方面，目前常见的有两种表述方式。其一是以等效孔径和特征粒径表示的准则，要求织物的孔径大于某一数值，如o95＞d15；其二是以渗透系数表示的准则，要求织物的渗透系数kg大于土渗透系数rs的某一数值，如kg＞aks。美国联邦公路局取a=1～10，法国土工织物与土工膜委员会取a=（103 ～105）tg（tg 为织物厚度）。郭庆国（1992）研究了三种土工织物渗透系数随压力的变化，得出压力由o～1600kpa，渗透系数平均减少14. 8倍。综合分析各研究情况，参考《土工合成材料工程应用手册》的建议，认为对新的土工织物取 kg＞10ks比较合适。
在淤堵准则方面，美国陆军工程师团曾利用不同种类的无粘性土和土工织物进行了梯度比试验，得出gr≤3的梯度比准则。虽然国内外一些研究者对具体的取值及试验结果的实用性等提出异议，但目前它仍然是国际上判断织物淤堵的一项通用指标，可在一般工程设计中应用。对于比较重要的工程，仍以采用长期的渗透试验来确定更可靠。
对动荷及双向水流下的过滤准则，尽管也提出了一些研究成果，但由于其受力条件及水流情况的复杂性，始终未得出比较通用的过滤准则。一般认为，由于这两种情况使土工织物所处环境更为恶劣，对织物滤层的要求应更为严格，而且以采用较厚的无纺织物并与砂层相结合的措施较为合适。
对公路工程而言，双向水流情况较少（一般仅在沿河护坡工程及沿河挡土工程中遇到），动荷作用也不大，因此，没单独提出要求。在沿河挡护工程中，土工织物滤层不会单一暴露在外，而往往是其上有块石或混凝土块覆盖层。据王殿武（1992）的研究结果，在此条件下，可取o90＜（2．5～10）d90，这一要求比calhoun准则要求还宽松些。因此，对公路工程中的双向水流情况，静荷单向水流的过滤准则也可参考采用。
3. 单纯铺设一层土工织物，在动荷作用下，不能阻止地基中的细粒上升，因此，在土工织物上下铺设一层砂保护层和砂垫层。我国铁道科学研究院杨灿文等根据我国南方各省的20多个试验段结果提出了“应用聚合材料防止路基基床翻浆冒泥的原则和技术条件”，对织物滤层设计提出如下准则：
防止管涌：o95＜d85
保证渗透：d95＞d15
反滤均匀：o95＜2d50
除增加了反滤均匀要求外，其与本节所提出的过滤设计要求基本是一致的。公路的动载往往比铁路小得多，因此，采用铁科院的经验应当说对公路是偏于安全的。
三、排 水 设 计
1. 在公路工程中，排水系统往往由多种排水形式和结构组成。土工合成材料(||)作为一种排水体或排水结构在排水系统中所起作用是局部的，因此，要求与排水系统中的其它排水结构充分配合，完成排水功能。
2. 土工织物包裹碎石作为排水暗沟或渗沟、包裹带孔管件作为排水暗沟时，主要起过滤作用，代替传统的砂砾过滤层。因此，要求其满足过滤准则要求。
3. 由于土工织物包裹碎石作排水暗沟或渗沟主要起过滤作用，因此，暗沟或渗沟的尺寸、布设方式、间距、坡度等不能因设土工织物而改变，仍按相关规范的相应条款进行设计确定。
4. 影响道路翻浆的主要因素有土质、水分、温度、行车荷载及路面结构等，其中水分、土质、温度是内因，行车荷载和路面结构是外因。翻浆的过程实质上是水在地基土中转移变化的过程。土工织物用于处治道路冻融翻浆主要起隔离和排水作用，能有效地切断下部向上的毛细水的迁移。王泽田、洪有纬（1989）的工程试验研究结果表明，最大含水量位置往往在路面下70cm～80cm处，符合路基冬季最大聚冰层位置，把土工织物设置于此位置，可取得较好效果。
5. 塑料排水板是处治软土地基的常用手段，其主要起排水、加速固结作用。在《公路软土地基路堤设计与施工技术规范 》（jtjo17）中已对此作了相应规定，故在此不再重复。
6. 土工合成材料(||)单独使用时的排水能力有时是有限的，需同其它排水材料配合共同形成排水体，如外包土工织物的暗沟、渗沟以及挡墙后的排水层等，此时，土工织物主要起过滤作用，应满足过滤准则的要求。排水体的位置、布置方式、材料、结构形式等应参照相应规范进行设计，符合相应条款的要求。排水体断面的尺寸可根据土工合成材料的排水能力和其它排水措施的排水能力共同确定。
7. 土工织物、塑料排水板等土工合成材料(||)的排水能力与所受压力和淤堵情况有较大关系。有试验指出（速宝玉1990），当压应力达50kpa时，无纺织物的渗透系数与无压时相比可减小一半左右；当压应力达30okpa时，渗透系数为无压时的1／6。 bucher（1982）针对两种无纺织物（聚脂针刺单位面积质量为27og／m2，聚丙烯单位面积质量为200g／m2）所进行的试验结果为，压力由10kpa增加到800kpa，两种织物的导水率 分别降低了约12倍和4倍。各种土工合成材料在不同压力下导水性能差异较大，因此，要求试验确定导水率指标时应考虑实际受压情况，得出较为可信的指标值。淤堵造成渗透系数降低直接影响土工合成材料的排水能力，陶同康（1989）根据室内外织物滤层的淤堵试验结果得出，淤堵前后织物的渗透系数之比 a＝kg／ks一般小于5；原联邦德国方修土研究所资料为a＝1．3～88．9，其中a＜5占31．25％，a＝5～10占31．25％，a＝10～20占25％，a＞20占12．5％。综合各种情况，取安全储备fd＝10以考虑淤堵对排水能力的影响。
