第9章 土工合成材料--清华版土木工程材料
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清华大学出版社
TSINGHUA UNIVERSITY PRESS
第九章 土工合成材料
土工合成材料概述 合成材料种类 土工合成材料的性能 土工合成材料的工程应用
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第九章 土工合成材料
9.1土工合成材料概述
土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人 工合成或天然聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原 料，制成各种类型的工程材料，置于土体内部、表面或 各层土体之间，以发挥加强或保护士体的作用。土工合 成材料可分为土工织物、土工膜、土工复合材料、土工 特种材料等类型，目前已广泛应用于水利、水电、公路、 铁路、建筑、海港、采矿、军工等各个工程领域。
（5）穿透性能 定义：是指土工合成材
料抵抗片状或针状不规则物 体穿透的能力。
意义：反映了土工合成 材料抵杭冲击和穿透的能 力，是评价土工织物抵抗锐 利物体穿刺破坏的力学指标。
测试方法：落锥穿透试验
图8 落锥穿刺试验
清华大学出版社
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（6）摩擦性能 定义：是指土工合成材料表面具有一定的摩擦能力。 意义：评价土工合成材料工程结构稳 定性的重要指标 测试方法：直剪摩擦试验（评价土工合成材料的摩擦 特性）；拉拔摩擦试验（用于计算土工合成材料与现 场土石材料的摩擦剪切强度 ）。
4．特种土工材料
（1）土工膜袋 定义：是由双层聚合化 纤织物制成的连续（或单独） 袋状材料。 分类：机制膜袋
简易膜袋 用途：护坡或其它地基处 理工程。 （2）土工网 定义：由平行肋条经以 不同角度与其上相同肋条粘结 成为一体的土工合成材料。
用途：软基加固垫层、坡面 防护、植草以及用作制造组合土 工材料的基材。 （3）土工网垫和土工格室
土工格栅、土工带、土工格室、土工网、 土工特种材料 土工模袋、土工网垫、土工织物膨润土
垫（GCL）、聚苯乙烯板块（EPS）等
清华大学出版社
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1．土工织物 定义：土工织物是用于岩
土工程和土木工程的机织、 针织或非织造的可渗透的聚 合物材料。
分类：纺织、无纺 特点：纺织的土工织物强 度和刚度较高，排水性差； 无纺的过滤、排水性能较好 ，断裂延伸率较高，但强度 相对较低。
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土木工程合成材料在公路工程中的应用：
3）路基防护
土工合成材料坡面防护可采用三维土工网、平面土工网、 土工格栅、土工格室、植生袋。沿河和库海岸路基冲刷防护可 采用土工织物软体沉排、土工膜袋等。土工格栅喷射混凝土坡 面防护可用于低等级公路边坡防护。 4）路基不均匀沉降防治
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（2）防渗性能 定义：是指土工膜及其复合材料抵抗水流渗入的能
力。 意义：是重要的水利性能指标，对材料的使用寿命
和工程质量有重要影响。 测试方法：采用耐静水压试验测定
（3）有效孔径 定义：能有效通过土工织物的近似最大颗粒直径。 意义：是评价材料阻止土颗粒通过能力的重要水
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土工合 成材料
9.2合成材料的种类
机织
Βιβλιοθήκη Baidu
织造
土工织物
针织 针刺
非织造
热粘结 化学粘结
聚乙烯（PE）土工膜
土工膜 聚氯乙烯（PVC）土工膜
氯化聚乙烯（CPE）土工膜 复合土工膜
土工复合材料 复合土工织物
复合排水材料：排水带、排水管、排水防水材料
力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移 增加土体和其他材料之间的摩擦阻力，以提高土体 及有关构筑物的稳定性的能力。
选用要求：用于加筋宜选用强度高、变形小、糙度 大的土工格栅；所选用的土工合成材料用具有足够的抗 拉强度，对于土工织物，还应具有较高的刺破强度、顶 破强度和握持强度。
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力学指标， 测试方法：干筛法
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3.耐久性能 是指土工合成材料抵抗自然因素长期作用而其技
术性能不发生大幅度衰退的能力，主要包括抗氧化性、 抗酸碱性能和抗紫外线性能等。
（1）抗氧化性能 定义：是指土工合成材料抵抗与氧气氧化的性能。 意义：是反映土工合成材料耐久性能的最重要指标
坡进行修复加固、道路加宽、增强重力式挡土墙的稳定性时，可采 用土工合成材料进行加筋。应通过现场调查、地质勘查、室内外试 验，获得相关基础资料，根据场地的地质与环境条件、填料特性、 材料的耐久性、工程造价等因素，经技术经济比选，确定路基加筋 方案。 2）路基防排水
过滤宜采用无纺土工织物，排水可选用排水板（带）、透水软 管、透水硬管、长丝热粘排水体或其他土工合成材料，防渗可选用 土工膜、复合土工膜、土工织物膨润土垫（GCL）及复合防水材料 等。
种土工合成材料中的两种或两种以上组合起来。
（1）复合土工膜 定义：土工膜和土工织物
按一定要求制成 用途：防渗和加筋
（2）土工复合排水材料 定义：以不同形状的土工
合成材料芯材组成的排水材料。 用途：软基排水固结处理、
路基纵横排水、隧道排水等。
图4 土工复合材料
清华大学出版社
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图1 纺织土工织物 图2 无纺土工织物
2．土工膜 定义：土工膜是由聚合物或沥青制成的一种相对不
透水的薄膜 。主要由聚氯乙烯（PVC）、氯横化聚乙 烯（CSPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯 （VLDPE）制成。
特点：渗透性低 用途：常用作流体或蒸气的阻拦层
定义：土工网垫和土工格室 是都是由聚合物构成三维结构聚 合物。
用途：防冲蚀和保土工程。 （4）聚苯乙烯泡沫塑料（EPS ）
定义：是近年来发展起来的 超轻型土工合成材料。
特点：质轻、耐热、抗压性 能好、吸水率低、自立性好。
用途：路基填料
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5．土工复合材料 定义：将土工织物、土工膜、土工格栅和某些特
主要是利用土工薄膜阻裁流过土体的渗透水流。 7）减载作用 这是指利用泡沫塑料取代常规的回填土，以减轻下部结构或土体 所承受的荷载。
清华大学出版社
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土木工程合成材料在公路工程中的应用：
1）路基加筋 当路基稳定性不足、需要构筑陡坡以减少占地，以及对路堤边
素而其性能不发生大幅度衰退的能力。 测试方法：主要采用弧灯法、荧光紫外灯法进行测
定。
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9.4土木合成材料的应用
依据在工程中的不同功用，土工合成材料的选用原则及技术 要求也不相同：
1）加筋作用 定义：是指土工合成材料可以有效地分布土体的应
（4）刺破强力
定义：是指材料受顶刺荷载直至破裂时的最大顶
刺压力。
意义：反映了土工合成材
料抵抗小面积集中荷载的能力，
是评价土工合成材料强度的力
学指标。
测试方法：刺破强力试验
1-试样；2-环形夹具；
3-Φ8mm平头顶杆
图7 刺破试验示意图
清华大学出版社
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（2）撕破强力 定义：是指材料受荷载作用直至撕裂破坏时的极
限破坏应力。
意义：反映了土工合成材
料抵抗扩大破损裂口的能力，
是评价土工织物和土工膜破
损的扩大程度难易的重要力
学指标。 测试方法：梯形法
图5 撕破强度梯形试 样示意图
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m M A
9.3土工合成材料的性能
1.物理性能 主要包括单位面积质量、厚度、幅度和当量孔径等。
（1）单位面积质量 定义：单位面积的土工合成材料在标准大气条件下
的质量。 意义：是反映材料用量、生产均匀性以及质量稳定
性的重要物理指标。 测试方法：称量法
清华大学出版社
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TSINGHUA UNIVERSITY PRESS
（4）当量孔径 定义：是指土工格栅、土工网等大孔径的土工合
成材料的网孔尺寸通过换算折合成与其面积相当的 圆形孔的孔径。
意义：它是检验材料尺寸规格的主要物理指标。 测试方法：用游标卡尺测量。
公式： De= A
式中：De—当量孔径（mm）； A—网孔面积（ mm2 ）。
清华大学出版社
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3．土工格栅 定义：土工格栅是由有
规则的网状抗拉条带形成的 用于加筋的土工合成材料。
分类：玻璃纤维类 聚酯纤维类
特点：质量轻且有一定柔性 用途：加筋材料，加固土体
图3 土工格栅示意图
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安徽工业大学本科生课程
（第九章 土工合成材料）
主讲人：×××
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本章主要教学内容与要求
教学目标
※掌握：土工合成材料在工程中的应用。 ※熟悉：介绍了土工合成材料的种类和技术性能。 ※了解：土工合成材料的在国内外发展历程，
教学重点
※土工合成材料的种类和主要技术性能。 ※土工合成材料在工程中的应用。
（2）厚度
定义：土工合成材料 在承受规定的压力下正反 两面之间的距离。
意义：它反映了材料 的力学性能和水力性能 。
测试方法：千分尺直 接测量。
（3）幅度
定义：是指整幅土工合 成材料经调湿，除去张力后 ，与长度方向垂直的整幅宽 度。
意义：它反映了材料的 有效使用面积。
测试方法：钢尺直接测 量。
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定与防护、线外固沙。当使用风积沙填筑的路堤高度大于1m时 ，可采用将土工合成材料铺设于沙基内或沙质路床顶部的措施 ，提高路基整体稳定性。对使用风积沙填筑路堤的路段，存在 风蚀、水蚀时，可采用土工合成材料稳定路基、防护边坡。当 公路周边缺少常规线外固沙材料时，可将土工合成材料用于线 外固沙工程。
路基填挖交界处、高填方路堤与陡坡路堤、软土地基路堤 、软土地基不同处理方式交界处、改扩建公路新老路基结合处 ，以及路基与桥台构造物结合处等路段，可采用土工合成材料 防治路基不均匀沉降。
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土木工程合成材料在公路工程中的应用：
5） 防沙固沙 土工合成材料可用于沙漠地区公路路基整体稳定、边坡稳
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2）隔离作用 3）排水作用
针刺无纺土工织物或复合型土工织物都有这种功能。 4）反滤作用
有纺织物和无纺织物都有这种功能。如土坝下游堆石棱体上 游侧的反滤层即可用土工织物取代。 5）防护作用
利用土工合成材料保护堤防、水坝或海塘的边坡，以免遭到 因风浪等袭击所导致的破坏。 6）防渗作用
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3.水利性能 主要包括垂直渗透性能、防渗性能和有效孔径等。
（1）垂直渗透性能 定义：采用迟滞渗透系数和透水率表征，垂直渗透
系数指在单位水力梯度下垂直于土工织物平面流动水的 流速。
意义：用于土工合成材料的反滤设计，以确定其渗 透性能。
测试方法：采用恒水头法测定
之一。 测试方法：抗氧化性试验（适用于除土工膜外的以
聚丙烯和聚乙烯为原料的各类土工合成材料）
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（2）抗酸碱性能 定义：是指土工合成材料抵抗酸、碱溶液侵蚀的
能力。 测试方法：采用无机酸（碱）浸泡试验测定
（3）抗紫外线性能 定义：是指土工合成材料抵抗自然光照等老化因
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2.力学性能 主要包括拉伸性能、撕破强力、顶破强力、刺破强
力、穿透强力和摩擦性能等。 （1）拉伸性能
定义：是指材料抵抗拉伸断裂的能力。 意义：它是评价土工合成材料使用性能及工程设计 计算的最基本技术指标。 测试方法：宽条拉伸试验、接头/接缝宽条拉伸试 验和条带拉伸试验。
TSINGHUA UNIVERSITY PRESS
（3）顶破强力 定义：是指材料受顶压荷载直至破裂时的最大顶
压力。 意义：反映了土工合成材料抵抗各种法向静态
应力的能力，是评价土工合 成材料力学性能的重要指标。
测试方法：CBR顶破试验
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图6 顶破试验示意图
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第九章 土工合成材料
土工合成材料概述 合成材料种类 土工合成材料的性能 土工合成材料的工程应用
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第九章 土工合成材料
9.1土工合成材料概述
土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人 工合成或天然聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原 料，制成各种类型的工程材料，置于土体内部、表面或 各层土体之间，以发挥加强或保护士体的作用。土工合 成材料可分为土工织物、土工膜、土工复合材料、土工 特种材料等类型，目前已广泛应用于水利、水电、公路、 铁路、建筑、海港、采矿、军工等各个工程领域。
（5）穿透性能 定义：是指土工合成材
料抵抗片状或针状不规则物 体穿透的能力。
意义：反映了土工合成 材料抵杭冲击和穿透的能 力，是评价土工织物抵抗锐 利物体穿刺破坏的力学指标。
测试方法：落锥穿透试验
图8 落锥穿刺试验
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（6）摩擦性能 定义：是指土工合成材料表面具有一定的摩擦能力。 意义：评价土工合成材料工程结构稳 定性的重要指标 测试方法：直剪摩擦试验（评价土工合成材料的摩擦 特性）；拉拔摩擦试验（用于计算土工合成材料与现 场土石材料的摩擦剪切强度 ）。
4．特种土工材料
（1）土工膜袋 定义：是由双层聚合化 纤织物制成的连续（或单独） 袋状材料。 分类：机制膜袋
简易膜袋 用途：护坡或其它地基处 理工程。 （2）土工网 定义：由平行肋条经以 不同角度与其上相同肋条粘结 成为一体的土工合成材料。
用途：软基加固垫层、坡面 防护、植草以及用作制造组合土 工材料的基材。 （3）土工网垫和土工格室
土工格栅、土工带、土工格室、土工网、 土工特种材料 土工模袋、土工网垫、土工织物膨润土
垫（GCL）、聚苯乙烯板块（EPS）等
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1．土工织物 定义：土工织物是用于岩
土工程和土木工程的机织、 针织或非织造的可渗透的聚 合物材料。
分类：纺织、无纺 特点：纺织的土工织物强 度和刚度较高，排水性差； 无纺的过滤、排水性能较好 ，断裂延伸率较高，但强度 相对较低。
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土木工程合成材料在公路工程中的应用：
3）路基防护
土工合成材料坡面防护可采用三维土工网、平面土工网、 土工格栅、土工格室、植生袋。沿河和库海岸路基冲刷防护可 采用土工织物软体沉排、土工膜袋等。土工格栅喷射混凝土坡 面防护可用于低等级公路边坡防护。 4）路基不均匀沉降防治
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（2）防渗性能 定义：是指土工膜及其复合材料抵抗水流渗入的能
力。 意义：是重要的水利性能指标，对材料的使用寿命
和工程质量有重要影响。 测试方法：采用耐静水压试验测定
（3）有效孔径 定义：能有效通过土工织物的近似最大颗粒直径。 意义：是评价材料阻止土颗粒通过能力的重要水
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土工合 成材料
9.2合成材料的种类
机织
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织造
土工织物
针织 针刺
非织造
热粘结 化学粘结
聚乙烯（PE）土工膜
土工膜 聚氯乙烯（PVC）土工膜
氯化聚乙烯（CPE）土工膜 复合土工膜
土工复合材料 复合土工织物
复合排水材料：排水带、排水管、排水防水材料
力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移 增加土体和其他材料之间的摩擦阻力，以提高土体 及有关构筑物的稳定性的能力。
选用要求：用于加筋宜选用强度高、变形小、糙度 大的土工格栅；所选用的土工合成材料用具有足够的抗 拉强度，对于土工织物，还应具有较高的刺破强度、顶 破强度和握持强度。
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力学指标， 测试方法：干筛法
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3.耐久性能 是指土工合成材料抵抗自然因素长期作用而其技
术性能不发生大幅度衰退的能力，主要包括抗氧化性、 抗酸碱性能和抗紫外线性能等。
（1）抗氧化性能 定义：是指土工合成材料抵抗与氧气氧化的性能。 意义：是反映土工合成材料耐久性能的最重要指标
坡进行修复加固、道路加宽、增强重力式挡土墙的稳定性时，可采 用土工合成材料进行加筋。应通过现场调查、地质勘查、室内外试 验，获得相关基础资料，根据场地的地质与环境条件、填料特性、 材料的耐久性、工程造价等因素，经技术经济比选，确定路基加筋 方案。 2）路基防排水
过滤宜采用无纺土工织物，排水可选用排水板（带）、透水软 管、透水硬管、长丝热粘排水体或其他土工合成材料，防渗可选用 土工膜、复合土工膜、土工织物膨润土垫（GCL）及复合防水材料 等。
种土工合成材料中的两种或两种以上组合起来。
（1）复合土工膜 定义：土工膜和土工织物
按一定要求制成 用途：防渗和加筋
（2）土工复合排水材料 定义：以不同形状的土工
合成材料芯材组成的排水材料。 用途：软基排水固结处理、
路基纵横排水、隧道排水等。
图4 土工复合材料
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图1 纺织土工织物 图2 无纺土工织物
2．土工膜 定义：土工膜是由聚合物或沥青制成的一种相对不
透水的薄膜 。主要由聚氯乙烯（PVC）、氯横化聚乙 烯（CSPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯 （VLDPE）制成。
特点：渗透性低 用途：常用作流体或蒸气的阻拦层
定义：土工网垫和土工格室 是都是由聚合物构成三维结构聚 合物。
用途：防冲蚀和保土工程。 （4）聚苯乙烯泡沫塑料（EPS ）
定义：是近年来发展起来的 超轻型土工合成材料。
特点：质轻、耐热、抗压性 能好、吸水率低、自立性好。
用途：路基填料
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5．土工复合材料 定义：将土工织物、土工膜、土工格栅和某些特
主要是利用土工薄膜阻裁流过土体的渗透水流。 7）减载作用 这是指利用泡沫塑料取代常规的回填土，以减轻下部结构或土体 所承受的荷载。
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土木工程合成材料在公路工程中的应用：
1）路基加筋 当路基稳定性不足、需要构筑陡坡以减少占地，以及对路堤边
素而其性能不发生大幅度衰退的能力。 测试方法：主要采用弧灯法、荧光紫外灯法进行测
定。
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9.4土木合成材料的应用
依据在工程中的不同功用，土工合成材料的选用原则及技术 要求也不相同：
1）加筋作用 定义：是指土工合成材料可以有效地分布土体的应
（4）刺破强力
定义：是指材料受顶刺荷载直至破裂时的最大顶
刺压力。
意义：反映了土工合成材
料抵抗小面积集中荷载的能力，
是评价土工合成材料强度的力
学指标。
测试方法：刺破强力试验
1-试样；2-环形夹具；
3-Φ8mm平头顶杆
图7 刺破试验示意图
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（2）撕破强力 定义：是指材料受荷载作用直至撕裂破坏时的极
限破坏应力。
意义：反映了土工合成材
料抵抗扩大破损裂口的能力，
是评价土工织物和土工膜破
损的扩大程度难易的重要力
学指标。 测试方法：梯形法
图5 撕破强度梯形试 样示意图
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m M A
9.3土工合成材料的性能
1.物理性能 主要包括单位面积质量、厚度、幅度和当量孔径等。
（1）单位面积质量 定义：单位面积的土工合成材料在标准大气条件下
的质量。 意义：是反映材料用量、生产均匀性以及质量稳定
性的重要物理指标。 测试方法：称量法
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（4）当量孔径 定义：是指土工格栅、土工网等大孔径的土工合
成材料的网孔尺寸通过换算折合成与其面积相当的 圆形孔的孔径。
意义：它是检验材料尺寸规格的主要物理指标。 测试方法：用游标卡尺测量。
公式： De= A
式中：De—当量孔径（mm）； A—网孔面积（ mm2 ）。
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3．土工格栅 定义：土工格栅是由有
规则的网状抗拉条带形成的 用于加筋的土工合成材料。
分类：玻璃纤维类 聚酯纤维类
特点：质量轻且有一定柔性 用途：加筋材料，加固土体
图3 土工格栅示意图
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安徽工业大学本科生课程
（第九章 土工合成材料）
主讲人：×××
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本章主要教学内容与要求
教学目标
※掌握：土工合成材料在工程中的应用。 ※熟悉：介绍了土工合成材料的种类和技术性能。 ※了解：土工合成材料的在国内外发展历程，
教学重点
※土工合成材料的种类和主要技术性能。 ※土工合成材料在工程中的应用。
（2）厚度
定义：土工合成材料 在承受规定的压力下正反 两面之间的距离。
意义：它反映了材料 的力学性能和水力性能 。
测试方法：千分尺直 接测量。
（3）幅度
定义：是指整幅土工合 成材料经调湿，除去张力后 ，与长度方向垂直的整幅宽 度。
意义：它反映了材料的 有效使用面积。
测试方法：钢尺直接测 量。
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定与防护、线外固沙。当使用风积沙填筑的路堤高度大于1m时 ，可采用将土工合成材料铺设于沙基内或沙质路床顶部的措施 ，提高路基整体稳定性。对使用风积沙填筑路堤的路段，存在 风蚀、水蚀时，可采用土工合成材料稳定路基、防护边坡。当 公路周边缺少常规线外固沙材料时，可将土工合成材料用于线 外固沙工程。
路基填挖交界处、高填方路堤与陡坡路堤、软土地基路堤 、软土地基不同处理方式交界处、改扩建公路新老路基结合处 ，以及路基与桥台构造物结合处等路段，可采用土工合成材料 防治路基不均匀沉降。
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土木工程合成材料在公路工程中的应用：
5） 防沙固沙 土工合成材料可用于沙漠地区公路路基整体稳定、边坡稳
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2）隔离作用 3）排水作用
针刺无纺土工织物或复合型土工织物都有这种功能。 4）反滤作用
有纺织物和无纺织物都有这种功能。如土坝下游堆石棱体上 游侧的反滤层即可用土工织物取代。 5）防护作用
利用土工合成材料保护堤防、水坝或海塘的边坡，以免遭到 因风浪等袭击所导致的破坏。 6）防渗作用
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3.水利性能 主要包括垂直渗透性能、防渗性能和有效孔径等。
（1）垂直渗透性能 定义：采用迟滞渗透系数和透水率表征，垂直渗透
系数指在单位水力梯度下垂直于土工织物平面流动水的 流速。
意义：用于土工合成材料的反滤设计，以确定其渗 透性能。
测试方法：采用恒水头法测定
之一。 测试方法：抗氧化性试验（适用于除土工膜外的以
聚丙烯和聚乙烯为原料的各类土工合成材料）
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（2）抗酸碱性能 定义：是指土工合成材料抵抗酸、碱溶液侵蚀的
能力。 测试方法：采用无机酸（碱）浸泡试验测定
（3）抗紫外线性能 定义：是指土工合成材料抵抗自然光照等老化因
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2.力学性能 主要包括拉伸性能、撕破强力、顶破强力、刺破强
力、穿透强力和摩擦性能等。 （1）拉伸性能
定义：是指材料抵抗拉伸断裂的能力。 意义：它是评价土工合成材料使用性能及工程设计 计算的最基本技术指标。 测试方法：宽条拉伸试验、接头/接缝宽条拉伸试 验和条带拉伸试验。
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（3）顶破强力 定义：是指材料受顶压荷载直至破裂时的最大顶
压力。 意义：反映了土工合成材料抵抗各种法向静态
应力的能力，是评价土工合 成材料力学性能的重要指标。
测试方法：CBR顶破试验
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图6 顶破试验示意图