浅谈土工合成材料

浅谈土工合成材料硕士3班151302020056伍超摘要:土工合成材料相对于传统的木材、钢筋和水泥，是一种新型品种，有人称之为第四种建筑材料。本文围绕土工合成材料，介绍了土工合成材料的定义、类型、功能、性质、应用，以及土工合成材料在国际上和中国的发展历程。关键字:土工合成材料，土工织物，土工布，土工膜，加筋，排水，IGS一.概述土工合成材料是指通过与土体、岩石或其他岩土工程材料相接触，应用于土木工程领域的各种人工合成的或天然的聚合物材料制品。随着材料工业的发展和工程应用的不断创新，土工合成材料的概念也处于不断完善之中。比如出现一些三维织物、土工泡沫、新型加筋材料等，而且基本不再用天然聚合物来生产土工合成材料制品。土工合成材料相对于传统的木材、钢筋和水泥，是一种比较新型的工程材料制品，是随着聚合物的发明和发展以及工程应用需要而逐步发展起来的。在工程实践中，出现了种类繁多的土工合成材料品种（如土工织物、土工膜）、不同种类的土工复合材料和各种特殊用途的材料品种（如用于加筋作用的土工格栅以及超轻质材料土工泡沫）。经过过去几十年的发展，土工合成材料已陆续应用于土木工程各个领域，取得了很好的经济效益和社会效益，形成了比较完整的技术体系。目前，土工合成材料已经广泛应用于水利、水运、公路、铁路、建筑、环境、矿山和农业等国民经济建设领域，设置于土体内部、表面或与其他岩土材料和结构相结合，以起到隔离、反滤、排水、防渗、加筋和防护等功能和作用，用来解决岩土工程中所涉及的稳定、变形和防渗排水等方面的一系列实际工程问题。二.土工合成材料的类型土工合成材料制品种类繁多，而且不断有新产品问世。根据GB50209-1998《土工合成材料应用技术规范》对于土工合成材料的分类，将土工合成材料归纳为土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料四大类，如下图所示：图1土工合成材料的分类（GB50209-1998）各类当中又包含不同类型或不同生产工艺的各种材料产品，如土工织物根据工艺不同分为有纺（织造）与无纺（非织造）土工织物；土工格栅根据材质不同分为塑料格栅和玻纤格栅，又可根据工艺不同分为拉伸格栅、焊接格栅与经编格栅，以及根据形态不同划分为单向格栅、双向格栅与三项格栅等。下面结合图1介绍每种类型土工合成材料及其特点。土工合成材料土工织物织造机织（含编织）针织非织造（无纺）针刺热粘结化学粘结土工膜土工复合材料复合土工膜复合土工织物复合防排水材料（包括排水带、排水管、排水防水材料等）土工特种材料土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土工膜袋、土工网垫、土工织物膨润土垫（GCL）、聚苯乙烯板块（EPS）等1.土工织物土工织物俗称土工布，是经过织造、非织造或编织方法制成的，由纤维或纱线构成连续的平面状材料。这种材料具有柔性和透水（气）性，通常呈织物外观。一般划分为有纺土工织物和无纺土工织物。土工织物在工程应用中可发挥隔离、过滤、排水、加筋和侵蚀控制等作用。2.土工格栅土工格栅是一类在制造过程中经过定向拉伸的具有网格状外观的开口式土工合成材料。常见的有单向拉伸土工格栅和双向拉伸土工格栅两种。土工格栅的主要作用是用于土体的加筋加固。3.土工膜土工膜是由一种或几种合成材料制成的连续的柔性膜状材料。土工膜具有很低的渗透性，其渗透系数小于，几乎不透水。可用作封闭液体或气体的防渗衬里和防扩散屏障。4.土工网土工网包括平面型的多用于防护的工程网和具有三维结构的排水土工网两类。后者是由两组平行挤出的聚合物以恒定锐角交叉（在节点处融合在一起）形成的开放式网格状土工合成材料。这种交互式网格构成了网内多孔结构层，因此，排水土工网具有较强的输导液流或气流的能力。这种土工网在工程应用中常作为排水材料。5.土工复合材料土工复合材料是由两种或多种土工合成材料复合而成的一大类土工合成材料。这类材料包括土工织物-土工网型、土工织物-土工格栅型、土工网-土工膜型和土工织物-土工膜型土工复合材料。土工织物与土工膜可构成复合土工膜，土工织物和土工网可以构成复合排水板，以及软土地基排水固结法中常用的预制垂直排水带（PVD），这些都是典型的土工复合材料。PVD就是由土工织物滤层包裹塑料排水芯带制成的复合材料。将具有各自特性的不同类型材料有目的地结合在一起的土工复合材料，在工程实践中可以起到排水、反滤、隔离、防渗、加筋等作用，为工程实际问题提供针对性的解决方案。6.土工合成材料粘土衬垫（GCL）GCL属于土工复合材料的一种，通常是在上下两层土工织物之间夹一层膨润土，或将一层膨润土粘结在土工膜或单层土工织物上而制成的一种土工复合材料。由两层土工织物覆盖制成的GCL常通过缝合或针刺的方式贯穿膨润土层，用以提高GCL的内部抗剪强度。当膨润土经过水化作用，吸水膨胀，具有很低的渗透性能，可以作为液体或气体的有效屏障。因此，垃圾填埋场建设中，GCL常与土工膜联合使用，作为填埋场的防渗衬垫，或作为水利工程的防渗层单独使用。7.土工管土工管是用来排水或导气的管壁穿孔或不穿孔的聚合物管材，如垃圾填埋场中用于渗滤液或填埋气体的收集。在一些情况下，在穿孔管外采用无纺土工织物包裹，起反滤作用。8.土工格室土工格室是由聚合物条带相互连接制成的具有三维网格状或蜂窝状结构的土工合成材料。铺设后，交错连接的条带之间形成一个个格室用以填充土、碎石，有时也用混凝土填充。这种材料主要用于道路路基底层加筋或地基加筋，也可用于侵蚀控制工程。9.土工泡沫土工泡沫的块或板是通过聚苯乙烯泡沫塑料膨胀形成的，是一种超低密度的、由封闭充气单元构成的具有空间网格结构的块体或板材。根据生产工艺的不同，一般又分为模塑型土工泡沫（简称EPS）和挤塑型土工泡沫（简称XPS）。土工泡沫塑料可作为隔热材料和轻质填料使用。在刚性面板挡土墙中，竖直置于面板与填土之间作为可压缩夹层，起到减小土压力的作用。10.土工网垫土工网垫是由长丝缠绕结合而成的三维透水网垫，又称三维土工垫。网垫结构蓬松柔韧，网内空隙可以填土或喷洒含草籽和营养物质的混合材料，常用于坡面植被防护。11.土工膜袋土工膜袋是一种由双层聚合织物制成的连续的管袋状土工合成材料。它可以代替模板，当用高压泵把混凝土或砂浆灌入膜袋凝固后，可形成板状或其他形状的连续结构。在膜袋的上下两层织物之间，每隔一定的间距用聚合物（如尼龙绳）把两层织物联系在一起，以控制混凝土或砂浆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护面和护坡。土工膜袋按充填材料的不同分为充填砂浆型和充填混凝土型；也可按膜袋是否设置滤水点（排水点）将其分为无滤水点膜袋和带滤水点膜袋。三.土工合成材料的功能土工合成材料的应用非常广泛，主要用于岩土工程、环境土工、水利工程和铁路与公路交通工程等领域。在实际工程应用中，土工合成材料可以起到过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护六大基本功能。在特定情况下或对于特种土工合成材料，还可以发挥保护和减压的作用，如防渗结构层中将土工织物铺设在土工膜上面，阻止填土或其他锋利物体对土工膜的损伤；在软土地基上使用土工泡沫块体修筑路堤，可以在不降低路堤高度的情况下有效地降低路堤对地基的压力。土工合成材料的基本功能分述如下：1.过滤土工合成材料的这种功能与传统的砂滤层类似，允许土体内部的液体通过并排出，同时起到保土作用，阻止上游土壤颗粒的流失。例如，用有纺土工织物阻止土粒迁移渗入排水骨料或排水管，同时保持排水系统正常工作；在海岸和河岸的抛石防护层和其他护岸材料下面铺设土工织物以防止土壤被侵蚀。2.排水土工合成材料在土体内部作为排水体，可使水流沿其内部从低渗透性土体中排出。例如，铺设与路堤底部的土工织物可用来消散孔隙水压力；对于流量较大而对排水能力要求更高的场合，也可采用土工复合（排水）材料。这些材料已被用来作为路缘排水体、边坡截排水体及挡土墙墙后排水体。塑料排水板（PVD）则被用于预压荷载下加快软粘土地基的排水固结过程。3.隔离这种功能是指土工合成材料能够把两种具有不同粒径分布的土料隔离开来，以免相互混杂而失去各种材料的整体性和结构完整性。土工织物和土工膜都可以起到隔离作用。例如，铺设与道路基层与软土地基之间的土工织物可起到隔离作用，一方面防止路基骨料嵌入软弱土层，从而维持基层的设计厚度和道路结构的完整性；另一方面，也能够阻止下部细粒土进入透水料层之中从而降低其渗透性。4.加筋土工合成材料置于土体内部作为加筋构件，或土工合成材料与土相结合形成一个复合体，加筋复合土体与未加筋土体相比，其强度及变形性能都得到明显的改善。例如，用土工织物和土工格栅加筋可提高土体的抗拉强度，从而能够建造垂直或近乎垂直加筋土挡墙；加筋还能用来在极软地基上建造路堤；加筋后路堤边坡可以比未加筋时更陡。5.防渗一些土工合成材料具有相对低的透水（气）性，可防止液体或气体流动和扩散，发挥防渗作用或包容作用。例如，土工膜、复合土工膜、土工合成材料粘土衬垫（GCL）都具有很低的渗透性，可作为流体的防渗屏障。对于液体，无论是土体中的水，还是垃圾填埋场中的渗滤液，土工膜、复合土工膜和GCL的这种屏障功能，传统上常称为防渗作用。6.防护又称为水土保持，是指通过设置土工合成材料防护措施，减少由降雨冲击和地表水径流造成的土壤流失。例如，将临时性的土工合成材料毯或永久性的土工网垫铺在边坡上裸露土体的表面，可以有效地避免或减轻降水和地表径流的侵蚀；用土工织物制成的泥沙栅栏能够滤掉浑浊径流中的悬浮泥土颗粒。在一些工程应用中，土工织物还能发挥其他方面的作用。例如，土工织物可用于沥青路面补强；作为缓冲垫层，以防止下层的石头、施工期和使用期的废弃物或排水集料造成土工膜穿孔（通过减少点接触应力）。土工织物也可用作混凝土膜袋和沙袋。圆柱形土工管袋是用双层土工织物制成的，采用水力充填方式以构成海岸线堤防。一方面，同一类土工合成材料在不同的工程应用中可以发挥不同的功能；另一方面，在某些情况下，一种土工合成材料可以同时发挥双重或多重功能。如铺设在软基和路堤之间的土工织物，其主要功能是隔离，但同时可以发挥加筋和排水的作用。对于像土工织物、土工复合材料这些具有多种功能的材料，在实际工程中，需分析特定的工况环境和所选用土工合成材料的特点，判断其发挥的基本功能或主要作用。表1列出了各类土工合成材料的种类与功能。表1土工合成材料的种类与功能四.土工合成材料的性质1.物理性质（1）厚度功能材料种类隔离加筋过滤排水屏障/防渗防护土工织物√√√√土工膜√土工格栅√土工网√土工网垫√有些土工合成材料如无纺织物和一些复合材料，受压时厚度变化很大，因此需在规定的压力（一般为2kPa）下测定其厚度。有时，根据工程需要还应测试在20kPa、200kPa压力下的厚度。（2）单位面积质量是指单位面积土工合成材料具有的质量，它反映材料多方面的性能，如拉伸强度、顶破强度等力学性能，以及孔隙率、渗透性等水力学性能。（3）开口面积百分率织物开口面积与织物总面积的百分比称为开口面积百分率。这一指标用于有纺织物。2.力学性质（1）拉伸强度土工合成材料是柔性材料，大多通过其拉伸强度来承受荷载，因此拉伸强度及其应变是土工合成材料主要的力学性质指标。（2）撕裂强度撕裂强度反映了土工织物或土工膜试样抵抗扩大破损的能力，可评估不同土工织物和土工膜被扩大破损的难易程度，是土工合成材料应用中的重要力学指标。（3）顶破强度顶破强度是反映土工织物（或土工膜）抵抗垂直织物平面的法向压力的能力，顶破强度与刺破强度相比，压力作用面积相对较大，材料呈双向受力状态。（4）刺破强度刺破强度是反映土工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载如有棱角的石子或树枝等的能力。（5）穿透强度为了评价土工织物或土工膜抵御穿透的能力，通常要进行落锥穿透试验，它是模拟工程中具有尖角的石块或其他锐利物掉落在土工织物或土工膜上的情况的一种试验。（6）握持强度握持强度反映土工织物分散集中力的能力。（7）蠕变性质材料的蠕变是指材料在恒力的作用下，变形随时间增长而逐渐增大的现象。蠕变的大小取决于原材料的性质和生产工艺3.水力学性质（1）土工织物的孔隙率土工织物的孔隙率是指其孔隙体积与总体积的比值，以n（%）