淺談土工合成材料

1、淺談土工合成材料碩士3班 151302020056 伍超摘要:土工合成材料相對(duì)于傳統(tǒng)的木材、鋼筋和水泥，是一種新型品種，有人稱之為第四種建筑材料。本文圍繞土工合成材料，介紹了土工合成材料的定義、類型、功能、性質(zhì)、應(yīng)用，以及土工合成材料在國(guó)際上和中國(guó)的發(fā)展歷程。關(guān)鍵字:土工合成材料，土工織物，土工布，土工膜，加筋，排水，IGS一.概述土工合成材料是指通過(guò)與土體、巖石或其他巖土工程材料相接觸，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的各種人工合成的或天然的聚合物材料制品。隨著材料工業(yè)的發(fā)展和工程應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，土工合成材料的概念也處于不斷完善之中。比如出現(xiàn)一些三維織物、土工泡沫、新型加筋材料等，而且基本不再用天然聚合物

2、來(lái)生產(chǎn)土工合成材料制品。土工合成材料相對(duì)于傳統(tǒng)的木材、鋼筋和水泥，是一種比較新型的工程材料制品，是隨著聚合物的發(fā)明和發(fā)展以及工程應(yīng)用需要而逐步發(fā)展起來(lái)的。在工程實(shí)踐中，出現(xiàn)了種類繁多的土工合成材料品種（如土工織物、土工膜）、不同種類的土工復(fù)合材料和各種特殊用途的材料品種（如用于加筋作用的土工格柵以及超輕質(zhì)材料土工泡沫）。經(jīng)過(guò)過(guò)去幾十年的發(fā)展，土工合成材料已陸續(xù)應(yīng)用于土木工程各個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，形成了比較完整的技術(shù)體系。目前，土工合成材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利、水運(yùn)、公路、鐵路、建筑、環(huán)境、礦山和農(nóng)業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，設(shè)置于土體內(nèi)部、表面或與其他巖土材料和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以起到隔

3、離、反濾、排水、防滲、加筋和防護(hù)等功能和作用，用來(lái)解決巖土工程中所涉及的穩(wěn)定、變形和防滲排水等方面的一系列實(shí)際工程問(wèn)題。二.土工合成材料的類型土工合成材料制品種類繁多，而且不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。根據(jù)GB 50209-1998土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范對(duì)于土工合成材料的分類，將土工合成材料歸納為土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料四大類，如下圖所示：圖1 土工合成材料的分類（GB 50209-1998）各類當(dāng)中又包含不同類型或不同生產(chǎn)工藝的各種材料產(chǎn)品，如土工織物根據(jù)工藝不同分為有紡（織造）與無(wú)紡（非織造）土工織物；土工格柵根據(jù)材質(zhì)不同分為塑料格柵和玻纖格柵，又可根據(jù)工藝不同分為拉伸格柵、焊接

4、格柵與經(jīng)編格柵，以及根據(jù)形態(tài)不同劃分為單向格柵、雙向格柵與三項(xiàng)格柵等。下面結(jié)合圖1介紹每種類型土工合成材料及其特點(diǎn)。1.土工織物土工織物俗稱土工布，是經(jīng)過(guò)織造、非織造或編織方法制成的，由纖維或紗線構(gòu)成連續(xù)的平面狀材料。這種材料具有柔性和透水（氣）性，通常呈織物外觀。一般劃分為有紡?fù)凉た椢锖蜔o(wú)紡?fù)凉た椢?。土工織物在工程?yīng)用中可發(fā)揮隔離、過(guò)濾、排水、加筋和侵蝕控制等作用。2.土工格柵土工格柵是一類在制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)定向拉伸的具有網(wǎng)格狀外觀的開口式土工合成材料。常見(jiàn)的有單向拉伸土工格柵和雙向拉伸土工格柵兩種。土工格柵的主要作用是用于土體的加筋加固。3.土工膜土工膜是由一種或幾種合成材料制成的連續(xù)的柔性

5、膜狀材料。土工膜具有很低的滲透性，其滲透系數(shù)小于10-11cm/s，幾乎不透水。可用作封閉液體或氣體的防滲襯里和防擴(kuò)散屏障。4.土工網(wǎng)土工網(wǎng)包括平面型的多用于防護(hù)的工程網(wǎng)和具有三維結(jié)構(gòu)的排水土工網(wǎng)兩類。后者是由兩組平行擠出的聚合物以恒定銳角交叉（在節(jié)點(diǎn)處融合在一起）形成的開放式網(wǎng)格狀土工合成材料。這種交互式網(wǎng)格構(gòu)成了網(wǎng)內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)層，因此，排水土工網(wǎng)具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)液流或氣流的能力。這種土工網(wǎng)在工程應(yīng)用中常作為排水材料。5.土工復(fù)合材料土工復(fù)合材料是由兩種或多種土工合成材料復(fù)合而成的一大類土工合成材料。這類材料包括土工織物-土工網(wǎng)型、土工織物-土工格柵型、土工網(wǎng)-土工膜型和土工織物-土工膜型土工復(fù)

6、合材料。土工織物與土工膜可構(gòu)成復(fù)合土工膜，土工織物和土工網(wǎng)可以構(gòu)成復(fù)合排水板，以及軟土地基排水固結(jié)法中常用的預(yù)制垂直排水帶（PVD），這些都是典型的土工復(fù)合材料。PVD就是由土工織物濾層包裹塑料排水芯帶制成的復(fù)合材料。將具有各自特性的不同類型材料有目的地結(jié)合在一起的土工復(fù)合材料，在工程實(shí)踐中可以起到排水、反濾、隔離、防滲、加筋等作用，為工程實(shí)際問(wèn)題提供針對(duì)性的解決方案。6.土工合成材料粘土襯墊（GCL）GCL屬于土工復(fù)合材料的一種，通常是在上下兩層土工織物之間夾一層膨潤(rùn)土，或?qū)⒁粚优驖?rùn)土粘結(jié)在土工膜或單層土工織物上而制成的一種土工復(fù)合材料。由兩層土工織物覆蓋制成的GCL常通過(guò)縫合或針刺的方式貫

7、穿膨潤(rùn)土層，用以提高GCL的內(nèi)部抗剪強(qiáng)度。當(dāng)膨潤(rùn)土經(jīng)過(guò)水化作用，吸水膨脹，具有很低的滲透性能，可以作為液體或氣體的有效屏障。因此，垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)中，GCL常與土工膜聯(lián)合使用，作為填埋場(chǎng)的防滲襯墊，或作為水利工程的防滲層單獨(dú)使用。7.土工管土工管是用來(lái)排水或?qū)獾墓鼙诖┛谆虿淮┛椎木酆衔锕懿模缋盥駡?chǎng)中用于滲濾液或填埋氣體的收集。在一些情況下，在穿孔管外采用無(wú)紡?fù)凉た椢锇鸱礊V作用。8.土工格室土工格室是由聚合物條帶相互連接制成的具有三維網(wǎng)格狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)的土工合成材料。鋪設(shè)后，交錯(cuò)連接的條帶之間形成一個(gè)個(gè)格室用以填充土、碎石，有時(shí)也用混凝土填充。這種材料主要用于道路路基底層加筋或地基加

8、筋，也可用于侵蝕控制工程。9.土工泡沫土工泡沫的塊或板是通過(guò)聚苯乙烯泡沫塑料膨脹形成的，是一種超低密度的、由封閉充氣單元構(gòu)成的具有空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的塊體或板材。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，一般又分為模塑型土工泡沫（簡(jiǎn)稱EPS）和擠塑型土工泡沫（簡(jiǎn)稱XPS）。土工泡沫塑料可作為隔熱材料和輕質(zhì)填料使用。在剛性面板擋土墻中，豎直置于面板與填土之間作為可壓縮夾層，起到減小土壓力的作用。10.土工網(wǎng)墊土工網(wǎng)墊是由長(zhǎng)絲纏繞結(jié)合而成的三維透水網(wǎng)墊，又稱三維土工墊。網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)蓬松柔韌，網(wǎng)內(nèi)空隙可以填土或噴灑含草籽和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合材料，常用于坡面植被防護(hù)。11.土工膜袋土工膜袋是一種由雙層聚合織物制成的連續(xù)的管袋狀土工合成材

9、料。它可以代替模板，當(dāng)用高壓泵把混凝土或砂漿灌入膜袋凝固后，可形成板狀或其他形狀的連續(xù)結(jié)構(gòu)。在膜袋的上下兩層織物之間，每隔一定的間距用聚合物（如尼龍繩）把兩層織物聯(lián)系在一起，以控制混凝土或砂漿灌注成型后土工膜袋的厚度。土工膜袋主要用于水利工程中的護(hù)面和護(hù)坡。土工膜袋按充填材料的不同分為充填砂漿型和充填混凝土型；也可按膜袋是否設(shè)置濾水點(diǎn)（排水點(diǎn)）將其分為無(wú)濾水點(diǎn)膜袋和帶濾水點(diǎn)膜袋。三.土工合成材料的功能土工合成材料的應(yīng)用非常廣泛，主要用于巖土工程、環(huán)境土工、水利工程和鐵路與公路交通工程等領(lǐng)域。在實(shí)際工程應(yīng)用中，土工合成材料可以起到過(guò)濾、排水、隔離、加筋、防滲和防護(hù)六大基本功能。在特定情況下或?qū)τ?/p>

10、特種土工合成材料，還可以發(fā)揮保護(hù)和減壓的作用，如防滲結(jié)構(gòu)層中將土工織物鋪設(shè)在土工膜上面，阻止填土或其他鋒利物體對(duì)土工膜的損傷；在軟土地基上使用土工泡沫塊體修筑路堤，可以在不降低路堤高度的情況下有效地降低路堤對(duì)地基的壓力。土工合成材料的基本功能分述如下：1.過(guò)濾土工合成材料的這種功能與傳統(tǒng)的砂濾層類似，允許土體內(nèi)部的液體通過(guò)并排出，同時(shí)起到保土作用，阻止上游土壤顆粒的流失。例如，用有紡?fù)凉た椢镒柚雇亮＿w移滲入排水骨料或排水管，同時(shí)保持排水系統(tǒng)正常工作；在海岸和河岸的拋石防護(hù)層和其他護(hù)岸材料下面鋪設(shè)土工織物以防止土壤被侵蝕。2.排水土工合成材料在土體內(nèi)部作為排水體，可使水流沿其內(nèi)部從低滲透性土體中

11、排出。例如，鋪設(shè)與路堤底部的土工織物可用來(lái)消散孔隙水壓力；對(duì)于流量較大而對(duì)排水能力要求更高的場(chǎng)合，也可采用土工復(fù)合（排水）材料。這些材料已被用來(lái)作為路緣排水體、邊坡截排水體及擋土墻墻后排水體。塑料排水板（PVD）則被用于預(yù)壓荷載下加快軟粘土地基的排水固結(jié)過(guò)程。3.隔離這種功能是指土工合成材料能夠把兩種具有不同粒徑分布的土料隔離開來(lái)，以免相互混雜而失去各種材料的整體性和結(jié)構(gòu)完整性。土工織物和土工膜都可以起到隔離作用。例如，鋪設(shè)與道路基層與軟土地基之間的土工織物可起到隔離作用，一方面防止路基骨料嵌入軟弱土層，從而維持基層的設(shè)計(jì)厚度和道路結(jié)構(gòu)的完整性；另一方面，也能夠阻止下部細(xì)粒土進(jìn)入透水料層之中從

12、而降低其滲透性。4.加筋土工合成材料置于土體內(nèi)部作為加筋構(gòu)件，或土工合成材料與土相結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合體，加筋復(fù)合土體與未加筋土體相比，其強(qiáng)度及變形性能都得到明顯的改善。例如，用土工織物和土工格柵加筋可提高土體的抗拉強(qiáng)度，從而能夠建造垂直或近乎垂直加筋土擋墻；加筋還能用來(lái)在極軟地基上建造路堤；加筋后路堤邊坡可以比未加筋時(shí)更陡。5.防滲一些土工合成材料具有相對(duì)低的透水（氣）性，可防止液體或氣體流動(dòng)和擴(kuò)散，發(fā)揮防滲作用或包容作用。例如，土工膜、復(fù)合土工膜、土工合成材料粘土襯墊（GCL）都具有很低的滲透性，可作為流體的防滲屏障。對(duì)于液體，無(wú)論是土體中的水，還是垃圾填埋場(chǎng)中的滲濾液，土工膜、復(fù)合土工膜和G

13、CL的這種屏障功能，傳統(tǒng)上常稱為防滲作用。6.防護(hù)又稱為水土保持，是指通過(guò)設(shè)置土工合成材料防護(hù)措施，減少由降雨沖擊和地表水徑流造成的土壤流失。例如，將臨時(shí)性的土工合成材料毯或永久性的土工網(wǎng)墊鋪在邊坡上裸露土體的表面，可以有效地避免或減輕降水和地表徑流的侵蝕；用土工織物制成的泥沙柵欄能夠?yàn)V掉渾濁徑流中的懸浮泥土顆粒。在一些工程應(yīng)用中，土工織物還能發(fā)揮其他方面的作用。例如，土工織物可用于瀝青路面補(bǔ)強(qiáng)；作為緩沖墊層，以防止下層的石頭、施工期和使用期的廢棄物或排水集料造成土工膜穿孔（通過(guò)減少點(diǎn)接觸應(yīng)力）。土工織物也可用作混凝土膜袋和沙袋。圓柱形土工管袋是用雙層土工織物制成的，采用水力充填方式以構(gòu)成海岸

14、線堤防。一方面，同一類土工合成材料在不同的工程應(yīng)用中可以發(fā)揮不同的功能；另一方面，在某些情況下，一種土工合成材料可以同時(shí)發(fā)揮雙重或多重功能。如鋪設(shè)在軟基和路堤之間的土工織物，其主要功能是隔離，但同時(shí)可以發(fā)揮加筋和排水的作用。對(duì)于像土工織物、土工復(fù)合材料這些具有多種功能的材料，在實(shí)際工程中，需分析特定的工況環(huán)境和所選用土工合成材料的特點(diǎn)，判斷其發(fā)揮的基本功能或主要作用。表1列出了各類土工合成材料的種類與功能。表1 土工合成材料的種類與功能四.土工合成材料的性質(zhì)1.物理性質(zhì)（1）厚度有些土工合成材料如無(wú)紡織物和一些復(fù)合材料，受壓時(shí)厚度變化很大，因此需在規(guī)定的壓力（一般為2kPa）下測(cè)定其厚度。有時(shí)

15、，根據(jù)工程需要還應(yīng)測(cè)試在20kPa、200kPa壓力下的厚度。（2）單位面積質(zhì)量是指單位面積土工合成材料具有的質(zhì)量，它反映材料多方面的性能，如拉伸強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度等力學(xué)性能，以及孔隙率、滲透性等水力學(xué)性能。（3）開口面積百分率織物開口面積與織物總面積的百分比稱為開口面積百分率。這一指標(biāo)用于有紡織物。2.力學(xué)性質(zhì)（1）拉伸強(qiáng)度土工合成材料是柔性材料，大多通過(guò)其拉伸強(qiáng)度來(lái)承受荷載，因此拉伸強(qiáng)度及其應(yīng)變是土工合成材料主要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。（2）撕裂強(qiáng)度撕裂強(qiáng)度反映了土工織物或土工膜試樣抵抗擴(kuò)大破損的能力，可評(píng)估不同土工織物和土工膜被擴(kuò)大破損的難易程度，是土工合成材料應(yīng)用中的重要力學(xué)指標(biāo)。（3）頂破強(qiáng)度頂

16、破強(qiáng)度是反映土工織物（或土工膜）抵抗垂直織物平面的法向壓力的能力，頂破強(qiáng)度與刺破強(qiáng)度相比，壓力作用面積相對(duì)較大，材料呈雙向受力狀態(tài)。（4）刺破強(qiáng)度刺破強(qiáng)度是反映土工織物或土工膜抵抗小面積集中荷載如有棱角的石子或樹枝等的能力。（5）穿透強(qiáng)度為了評(píng)價(jià)土工織物或土工膜抵御穿透的能力，通常要進(jìn)行落錐穿透試驗(yàn)，它是模擬工程中具有尖角的石塊或其他銳利物掉落在土工織物或土工膜上的情況的一種試驗(yàn)。（6）握持強(qiáng)度握持強(qiáng)度反映土工織物分散集中力的能力。（7）蠕變性質(zhì)材料的蠕變是指材料在恒力的作用下，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變的大小取決于原材料的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝3.水力學(xué)性質(zhì)（1）土工織物的孔隙率土工織物的

17、孔隙率是指其孔隙體積與總體積的比值，以n（%）表示，它是無(wú)紡織物的主要物理性質(zhì)之一。（2）土工織物的孔徑土工織物具有各種形狀和大小不同的孔徑，其孔徑大小的分布曲線類似于土的顆粒級(jí)配曲線?？椢锏目讖椒从晨椢锏耐杆阅芘c保持土顆粒的能力，是一個(gè)重要的特征指標(biāo)。（3）滲透性1）土工織物的滲透性土工織物的滲透性是過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)及其他有關(guān)水力學(xué)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)不可缺少的重要指標(biāo)。根據(jù)工程應(yīng)用的需要，常要確定垂直于織物平面的滲透性（簡(jiǎn)稱垂直滲透性）和平行于織物平面的滲透性（簡(jiǎn)稱平行滲透性）。垂直滲透性：當(dāng)水流方向垂直于織物平面時(shí)，其透水性主要用垂直透水系數(shù)表示，該系數(shù)是滲流的水力梯度等于1時(shí)的滲流流速。平行滲透性：土

18、工織物在平行織物平面方向輸導(dǎo)水流的性能可用平行滲透系數(shù)或?qū)时硎?。這是土工織物排水設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一。2）土工膜的抗?jié)B性土工膜可以阻擋水、水汽、氣體及有害物質(zhì)（如甲醇、丙酮和二甲苯等）的滲透。水利工程中主要用土工膜擋水，其滲流的動(dòng)力為土工膜兩側(cè)的水頭差。在環(huán)境工程中，常用以阻擋水汽、氣體以及含有害物質(zhì)的地下水。對(duì)于氣體產(chǎn)生滲流的動(dòng)力為膜兩側(cè)的水汽壓差。對(duì)混合氣體和液體中的溶解物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其各自成分及在膜兩側(cè)的濃度差決定其滲流情況。（4）抗淤堵性能土工織物用作濾層時(shí)，水從土中流過(guò)織物，在流動(dòng)過(guò)程中使土顆粒積聚在織物表面的孔口上，堵塞水流通道進(jìn)口，這種現(xiàn)象稱為阻塞。細(xì)顆粒沉積在孔隙內(nèi)部，逐漸減小

19、通道的有效過(guò)水面積，降低排水效率，這種現(xiàn)象稱為淤堵。阻塞一般發(fā)生在滲流開始階段，而淤堵隨時(shí)間增長(zhǎng)而加重。4.耐久性（1）抗老化性能老化現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因?yàn)楦叻肿泳酆衔锞哂墟湽?jié)結(jié)構(gòu)，受外界因素的影響，易發(fā)生降解反應(yīng)或交聯(lián)反應(yīng)。陽(yáng)光輻射是使材料老化的一個(gè)重要因素，紫外線具有很大的能量，能夠切斷許多聚合物的分子鏈，或者引起發(fā)光氧化反應(yīng)。（2）抗化學(xué)腐蝕性能聚合物對(duì)化學(xué)腐蝕一般具有較高的抵抗能力，但一些特殊的化學(xué)藥劑或廢品，對(duì)聚合物有腐蝕作用。因而利用土工膜做污水或廢物存儲(chǔ)池的防滲材料時(shí)，必須考慮其化學(xué)穩(wěn)定性。（3）溫度、凍融及干濕度變化對(duì)合成材料性能的影響在高溫條件下，合成材料將發(fā)生熔融現(xiàn)象，其熔點(diǎn)

20、：聚丙烯為175°C，聚乙烯為135°C，聚酯和聚酰胺為250°C。有時(shí)溫度雖未達(dá)到熔點(diǎn)但較高，聚合物分子結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生變化，影響材料的彈性模量和強(qiáng)度。有些聚合物在特別低的溫度下，也使柔性降低、質(zhì)地變脆，影響其力學(xué)性質(zhì)，給施工及接縫造成困難。此外，干濕度和凍融變化可能使一部分空氣或冰屑存于織物內(nèi)部，影響滲透性。5.界面摩擦性質(zhì)土工合成材料作為加筋材料，埋在土體內(nèi)或作為濾層鋪在土坡上，都將與周圍土體構(gòu)成復(fù)雜體系。兩種材料在外荷及自重作用下產(chǎn)生變形時(shí)，將沿其界面發(fā)生相互作用。由土工合成材料在工程應(yīng)用中可能發(fā)生的位移分析可知，土與土工合成材料兩者相互作用的形式為沿界面的

21、相互摩擦或材料從土中被拔出。五.土工合成材料的應(yīng)用1.在水利工程中的應(yīng)用水利工程是土工合成材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，水工結(jié)構(gòu)（大壩和渠道等）與水相互作用，而水是自然環(huán)境中最具破壞力的因素之一。土工合成材料的使用可以減弱或調(diào)節(jié)水工結(jié)構(gòu)物與水之間的相互作用，增加水工結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命。土工合成材料在水利工程中主要由以下用途：（1）大壩與渠道防滲。利用土工膜減小或阻止水的滲透。（2）河道與渠道防護(hù)。用土工膜減緩或阻止流水的侵蝕。（3）大壩與大堤的排水與反濾。應(yīng)用土工織物或土工網(wǎng)提供堤壩的排水路徑，土工織物的過(guò)濾作用可阻止土顆粒的流失。（4）江河大堤的加筋。應(yīng)用土工柵格對(duì)大堤本身或?qū)ζ浠A(chǔ)進(jìn)

22、行加固。土工膜幾乎不透水，經(jīng)常被用在大壩的迎水面上以形成水力屏障。除了新建大壩采用土工膜防滲外，外貼土工膜是滲漏嚴(yán)重的舊混凝土大壩除險(xiǎn)加固的的有效手段。土工膜可直接暴露在外，也可采用諸如混凝土板覆蓋進(jìn)行防護(hù)。裸露型的土工膜會(huì)因紫外線引起的降解作用而縮短壽命，但用裸露土工膜修復(fù)要比設(shè)置覆蓋型土工膜容易得多。被覆蓋的土工膜容易損壞，比如被堅(jiān)硬材料刺穿。為了預(yù)防土工膜的刺穿，可在其下方（需要時(shí)包括上方）鋪設(shè)一層土工織物作為緩沖襯墊。土工膜的滲漏主要發(fā)生在存在缺陷的接縫處和被刺穿的孔洞處，因此必須通過(guò)嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制措施以減少施工缺陷，并通過(guò)施工質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)補(bǔ)修。為了保護(hù)水工結(jié)構(gòu)物，經(jīng)常

23、在土工膜后設(shè)置土工網(wǎng)或土工織物-土工網(wǎng)組成的排水系統(tǒng)進(jìn)行排水，滲漏的水被收集儲(chǔ)存并通過(guò)設(shè)置在大壩中或大壩后的導(dǎo)管排到水庫(kù)中。2.在垃圾填埋場(chǎng)中的應(yīng)用土工合成材料廣泛的應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)的基層和封蓋的設(shè)計(jì)與建設(shè)中，所采用的材料類型及其應(yīng)用包括以下方面：（1）土工格柵，可以用來(lái)增強(qiáng)垃圾體下部邊坡的穩(wěn)定性，以及在封蓋系統(tǒng)中對(duì)土工膜上部的土壤層加筋。（2）土工網(wǎng)，作為襯里系統(tǒng)中滲濾液收集層的排水體或封蓋系統(tǒng)中的排水層。（3）土工膜，作為阻滯滲濾液和填埋氣的屏障，以防止有害物質(zhì)的擴(kuò)散。（4）GCLs，常用于填埋場(chǎng)襯里系統(tǒng)，與土工膜一起構(gòu)成復(fù)合襯里或雙層襯里，起到阻斷滲透或水力聯(lián)系的屏障作用。（5）土工織物

24、，常置于滲濾液收集層上側(cè)，起過(guò)濾作用，或置于土工膜上面作為緩沖墊，以防止土工膜被穿刺。（6）土工管，在填埋場(chǎng)中用以加速滲濾液的收集和排除。（7）土工復(fù)合材料，用于隔離、過(guò)濾或排水，如由土工織物和土工網(wǎng)構(gòu)成的復(fù)合排水層。3.在鐵路路基工程中的應(yīng)用土工合成材料在鐵路新建軌道或已有軌道修繕工程中可以起到隔離作用、過(guò)濾作用、排水作用和土體加筋作用。（1）隔離在軌道支撐結(jié)構(gòu)體系中，土工合成材料（一般是土工織物）在不同顆粒大小及不同特性的材料層間起隔離作用。列車通行過(guò)程中會(huì)引起枕木的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果地基中的細(xì)小顆粒就可能會(huì)形成翻漿冒泥，吸入上部碎石層，從而導(dǎo)致碎石層承載力降低和排水能力減??；土工合成材料的使用還

25、能減少道砟粗顆粒刺入軟土地基，因此，能夠保持碎石層的厚度和完整性，并延長(zhǎng)軌道的使用壽命。（2）加筋布置在軟弱地基上的土工合成材料（土工織物、土工格柵和土工格室）可避免置換軟土地層，通過(guò)土工合成材料均勻分布上部荷載，可有效地提高地基的承載力。設(shè)置在上道砟層或下道砟層內(nèi)部加筋材料，通過(guò)限制道砟層的側(cè)向變形，有助于減少軌道的沉降。（3）過(guò)濾火車在軌道上穿行會(huì)引起地基內(nèi)應(yīng)力水平上升，致使攜帶細(xì)土顆粒的水流從地基涌入上部碎石層，造成碎石層排水不暢。為避免這種情況的發(fā)生，可在碎石層與地基土之間設(shè)置土工織物濾層，允許水自由通過(guò)的同時(shí)，把水中細(xì)土顆粒攔截下來(lái)。（4）排水為了防止降水或地下水涌入碎石層對(duì)軌道產(chǎn)生

26、的破壞，良好的通水能力對(duì)軌道系統(tǒng)是非常重要的?？蓪?fù)合排水帶設(shè)置在軌道結(jié)構(gòu)體系的合適位置，以形成軌道橫向排水系統(tǒng)，阻止軌道體系內(nèi)水的聚集。4.在防護(hù)方面的應(yīng)用土壤侵蝕是一種由于水力和風(fēng)力作用所引起的自然過(guò)程，其影響因素眾多，如土類、植被和地貌等，在特定條件下人類生產(chǎn)活動(dòng)也會(huì)加速這一過(guò)程。如果這種侵蝕作用得不到相應(yīng)的治理，對(duì)現(xiàn)有的建筑物和環(huán)境可能造成巨大的破壞。在土壤侵蝕控制方面，土工合成材料可以應(yīng)用的領(lǐng)域包括坡面保護(hù)、輸水水渠防護(hù)、海岸線防護(hù)、灘涂圍墾、植被恢復(fù)、落石防護(hù)網(wǎng)及防洪堤壩建設(shè)等。根據(jù)工程特點(diǎn)和場(chǎng)地條件，侵蝕控制工程中可能會(huì)涉及一種或多種土工合成材料產(chǎn)品，諸如土工織物、土工墊、土工網(wǎng)

27、、土工格柵等。在坡面防護(hù)工程中，除了用一些土工合成材料，如土工墊、土工織物外，有時(shí)需要用土釘，甚至用巖石錨桿來(lái)保證防護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在有些情況下，也會(huì)采用充填灰漿的土工織物袋來(lái)固定護(hù)面，并在防護(hù)結(jié)構(gòu)空隙中播散草籽，培育植被，來(lái)防止水土的流失。5.在軟土地基上加筋堤中的應(yīng)用在軟土地基上修建路堤是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作，而采用土工合成材料（一般采用有紡?fù)凉た椢锘蛲凉じ駯牛﹣?lái)提高路堤穩(wěn)定性被證明是富有成效的土體加固技術(shù)之一。通過(guò)在路堤墊層采用土工合成材料加筋，可以有效解決軟土地基上路堤的以下問(wèn)題：（1）減少軟土地基的沉降；（2）防止軟土地基和路堤的整體破壞；（3）防止路堤沿土工合成材料表面發(fā)生滑移失

28、穩(wěn)。在不采取加筋的情況下，路堤填筑到設(shè)計(jì)高度前，就會(huì)塌垮（安全系數(shù)小于1.0），也可能發(fā)生路堤和軟土地基的整體破壞；而采取加筋措施后，在整個(gè)路堤填筑施工期，安全系數(shù)都大于1.0，不會(huì)發(fā)生路堤破壞。在路堤墊層中使用土工合成材料加筋的效果有一定的局限性，如難以有效地解決軟土地基在路堤荷載下的過(guò)大沉降問(wèn)題，而且當(dāng)路堤高度較大時(shí)，僅僅一層加筋并不能保證路堤的穩(wěn)定性。在這些情況下，可采用樁承式加筋路堤方案。在該體系中，樁體可采用預(yù)制樁，或者采用摻入固化劑的就地?cái)嚢铇叮缢嗤翑嚢铇?、石灰樁和CFG樁等。六.土工合成材料發(fā)展簡(jiǎn)史土工合成材料經(jīng)歷了一個(gè)從出現(xiàn)，到發(fā)展，再到基本成熟的歷史過(guò)程。最早的土工合成材

29、料在巖土工程中應(yīng)用的確切年代已很難考證。下面僅列舉些早期有里程碑意義的工程項(xiàng)目，來(lái)大致了解其發(fā)展進(jìn)程。大致在20世紀(jì)30年代末，聚氯乙烯土工膜首先被用于游泳池防滲，大量的防滲薄膜得到應(yīng)用。美國(guó)墾務(wù)局1953年在渠道上用聚乙烯膜防滲；1957年開始用PVC膜；前蘇聯(lián)也較早地用低密度聚乙烯膜做渠道防滲；1992年意大利174m高（1964年建成）的Alpe Gera混凝土壩在修理時(shí)甚至用厚2.2mm的PVC土工膜固定于壩的上游面作為防滲層。1958年R.J.巴雷特將聚乙烯織物鋪放在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海岸塊石護(hù)坡下做保護(hù)墊層，被認(rèn)為是應(yīng)用土工織物的開端。1952-1953年的巨大風(fēng)暴使荷蘭蒙受災(zāi)難性的

30、生命、財(cái)產(chǎn)損失，犧牲生命1800余人。災(zāi)后為了修復(fù)萊茵河、邁斯河和謝爾德沿海岸海堤，開始了著名的三角洲工程。一反以往采用編扎柳排的辦法，大量使用了以寬尼龍袋、手工編織的初期土工織物。據(jù)估計(jì)，該項(xiàng)目共采用了約1000萬(wàn)m2的土工織物，大大促進(jìn)了該種材料的應(yīng)用。1968年荷蘭人獲得專利，研制成以雙層土工織物，在一定距離處加以縫合，可在現(xiàn)場(chǎng)作為模板，往其中充灌混凝土的產(chǎn)品，即現(xiàn)今所稱的土工膜袋。1968年美國(guó)首先將其應(yīng)用于高17m的Allegheny水庫(kù)上作護(hù)坡。1968年美國(guó)聯(lián)邦公路局將土工織物鋪于瀝青路面上，用于防止反射裂縫。同年英國(guó)Netlon公司推出聚乙烯土工網(wǎng)，用于減輕圍堤受動(dòng)荷載與暴雨的

31、破壞，是將短土工網(wǎng)水平向置于邊坡的近坡面處，以便于坡面上的有效壓密，和防止軟土發(fā)生底面滑移。1968年法國(guó)Rhone-Poulenc公司首創(chuàng)無(wú)紡?fù)凉た椢?，它大大拓展了土工織物的?yīng)用范圍。國(guó)際有名廠家生產(chǎn)了Bidim無(wú)紡?fù)凉た椢锵盗小?970年法國(guó)Vacros壩即采用了質(zhì)量為300g/m2的無(wú)紡?fù)凉た椢镒鳛橥翂蜗掠蔚呐潘礊V層，用厚一些織物鋪在上游亂石護(hù)面下作保護(hù)層。同一時(shí)期英國(guó)ICI公司生產(chǎn)的另一種以熱粘法制造的薄層Terram無(wú)紡織物系列，初次用于道路工程中粗粒料與地基土之間作為隔離層。至1973年人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到土工織物的三種基本功能：隔離、過(guò)濾和加筋。不久后，又確認(rèn)了它們的排水功能。隨著土

32、工合成材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品制造技術(shù)也迅速提高，除土工膜與土工織物外，不同類型的產(chǎn)品相繼進(jìn)入市場(chǎng)。例如研制成了多種新產(chǎn)品：20世紀(jì)80年代初英國(guó)F.B.穆塞研制成由Netlon公司生產(chǎn)的Tensar土工格柵系列，至今仍是土加筋應(yīng)用的主要材料；70年代末生產(chǎn)出的塑料排水帶是根據(jù)1937年克界曼提出的排水紙板概念改進(jìn)而成的可加速軟土排水固結(jié)的材料，現(xiàn)已廣泛替代傳統(tǒng)砂井或袋裝砂井用于軟土地基處理。三維土工網(wǎng)墊是以熱塑性樹脂為原料，并擠出成網(wǎng)、拉伸、復(fù)合成型的三維結(jié)構(gòu)，鋪于坡面，保護(hù)草籽不受風(fēng)吹雨沖，助草生長(zhǎng)的產(chǎn)品，已廣泛用于護(hù)坡和美化景觀。土工管袋內(nèi)充泥沙用于岸灘防護(hù)，圍墾筑堤，興建人工島等，

33、為土工合成材料增添了包容功能。膨潤(rùn)土墊（GCL）是后期研制成的另一種防滲材料，在垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。以上僅是少量屬于復(fù)合土工合成材料和特種土工合成材料的舉例。復(fù)合土工合成材料是當(dāng)前發(fā)展的主流。土工合成材料及技術(shù)的快速發(fā)展有賴于理論研究、生產(chǎn)技術(shù)提升和廣泛的國(guó)際交流。對(duì)此，國(guó)際組織和學(xué)術(shù)活動(dòng)起到了重要促進(jìn)作用。雖然早在1977年在巴黎和1982年在美國(guó)Las Vegas已召開過(guò)第一屆和第二屆國(guó)際土工合成材料學(xué)術(shù)討論會(huì)，但國(guó)際土工合成材料學(xué)會(huì)（IGS）卻于1983年11月方告成立。此后基本上每隔四年舉行一次國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)，先后有維也納（1986年）、海牙（1990年）、新加坡（1994

34、年）、亞特蘭大（1998年）、里斯（法國(guó)，2002年）和東京（2006年）等，每屆會(huì)議都出版了正式的會(huì)議論文集。此外，IGS下還有地區(qū)性學(xué)會(huì)，如亞洲、歐洲、北美洲、南美洲等學(xué)會(huì)。亞洲學(xué)會(huì)曾在班加洛（印度，1995年）、科倫坡（2000年）、首爾（2004年）、上海（2008年）分別舉辦過(guò)第一至第四屆亞洲學(xué)術(shù)討論會(huì)。我國(guó)的中國(guó)委員會(huì)（CCIGS）是IGS的國(guó)家會(huì)員之一。七.中國(guó)土工合成材料的發(fā)展20世紀(jì)70年代末，中共十一屆三中全會(huì)確定了劃時(shí)代的“改革開放”政策，使我國(guó)長(zhǎng)期與外界隔絕的局面開始改變，為對(duì)外科技交流開辟了暢通道路。在國(guó)際土工合成材料蓬勃發(fā)展的潮流影響下，我國(guó)全國(guó)性、跨行業(yè)的“土工織

35、物科技情報(bào)協(xié)作網(wǎng)”于1984年底在天津成立，它有效地推動(dòng)了該材料與技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展，20年歷程，它們已從襁褓時(shí)期逐步進(jìn)入“而立”之年。回顧分析，成長(zhǎng)歲月約可劃分為四個(gè)時(shí)期：自發(fā)應(yīng)用時(shí)期、技術(shù)引進(jìn)時(shí)期、國(guó)際接軌與組織建設(shè)時(shí)期、步入標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)期。我國(guó)有數(shù)千年悠久歷史，將植物纖維和草秸等摻入粘土，經(jīng)立模夯實(shí)壘墻修屋的土建技術(shù)早為先民們所掌握。史書記載早在2000年前，先民們就將草木材料用于灌溉工程和攔河堵口，而這種技術(shù)至今仍被廣泛采用。近代以聚合物制成的土工合成材料在我國(guó)則始于20世紀(jì)60年代，最初用得較多的是塑料薄膜作渠道防滲，如山東打漁張灌區(qū)、河南人民勝利渠、陜西人民引渭工程等，膜材多為聚氯

36、乙烯。后來(lái)又推廣至蓄水池、水庫(kù)和水閘等，例如，1965年遼寧桓仁水電站用瀝青聚氯乙烯熱壓膜防止了混凝土支墩壩上游面的裂縫漏水。20世紀(jì)70年代，土工織物已被用于防沖與防護(hù)，1976年在江蘇長(zhǎng)江沿岸的嘶馬，以聚丙烯扁絲土工織物，結(jié)合聚氯乙烯繩網(wǎng)和壓重混凝土塊，構(gòu)成軟體沉排，成功地保護(hù)江岸免受沖塌。由于早期應(yīng)用的特點(diǎn)是無(wú)定型規(guī)格材料，無(wú)材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可循，故其設(shè)計(jì)與施工基本上按既往巖土工程經(jīng)驗(yàn)，或個(gè)別單位自發(fā)應(yīng)用。我國(guó)鐵道長(zhǎng)期以來(lái)存在基床翻漿冒泥病害，嚴(yán)重地影響列車運(yùn)行的安全和運(yùn)輸能力的提高。從20世紀(jì)80年代初開始，鐵道科學(xué)研究院接受國(guó)外贈(zèng)送的20000m2紡粘土工織物，在幾十處試驗(yàn)路面中，以土工

37、織物作為道砟與地基土的反濾隔離層，研究其治理病害的效果。該次試驗(yàn)共鋪設(shè)26個(gè)工程試點(diǎn)，歷時(shí)四五年，防治基床病害的成功率達(dá)90%以上。1981-1983年我國(guó)從日本引進(jìn)了塑料排水板技術(shù)，將連續(xù)的排水帶用插板機(jī)埋入地層中代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂井，起到快速排出軟土中的多余水量、提高土體強(qiáng)度的作用。天津一航局科研所、華東水利學(xué)院和天津港務(wù)局合作，采用了國(guó)產(chǎn)化的塑料排水板，首先在天津新港做現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。土工膜袋是用雙層高強(qiáng)度尼龍材料編織物縫制成的連續(xù)袋狀產(chǎn)品，用高壓泵將混凝土或水泥砂漿充入袋內(nèi)，固化后形成連續(xù)堅(jiān)硬板塊，主要用于保護(hù)土坡。土工膜袋于1983年從日本引入我國(guó)，并在江蘇泰州船閘引航道、通沙汽渡停泊區(qū)和南官沙航道上獲得成功應(yīng)用。土工格柵是一種良好的加筋材料，我國(guó)于1983年引進(jìn)該產(chǎn)品，首先在陽(yáng)安、京秦和大秦等鐵路線上用于加筋陡坡路堤，至20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)開始自制生產(chǎn)設(shè)備，隨之大量土工格柵產(chǎn)品陸續(xù)問(wèn)世。利用土工膜建造垂直防滲墻技術(shù)是我國(guó)的群眾性創(chuàng)新，國(guó)外采用的皆是硬質(zhì)板狀的土工鎖板，而我國(guó)的山東、福建和遼寧等省份創(chuàng)建的垂直鋪塑方法是以自制的開槽機(jī)在地基內(nèi)開槽，一般寬20cm，將厚約0.3mm的