第三节 土工布

第三节土工布一切和地基、土壤、岩石、泥土或任何其他土建材料一起使用、并作为人造工程、结构、系统的组成部分的纺织品称为土工布。土工布主要用于土木工程、大型结构设施、建筑物和路面建造、水文地质和环保工程。广义上的土工布包括可渗透的土工布和不可渗透的土工膜（在纺织品上涂沥青或其他涂料）。我国从20世纪70年代末开始使用土工布。在各种使用环境中的土工布，其主要功能有增强稳定功能（加固）、过滤功能、隔离功能、排水功能、防渗功能（防潮）、防护功能六种，以及由此引伸而来的应力分散、张力平衡、控制侵蚀和容装成形及抗冻保温作用。一、土工织物的功能土工布的加固作用就是利用土工布的拉伸性能来改善土壤层的机械性能。土工布有较高的抗拉强度，为土壤提供抗拉伸机能，提高其承载能力，因此土工织物是改进土壤质量，提高土壤稳定的理想材料。对发挥增强功能的土工布的性能要求是机械强度(剪切、拉伸)、水力学性能和耐用性(抗化学剂和耐腐蚀)。土工织物的增强作用主要用在软弱地基处理、斜坡、挡土墙等方面。1.增强和稳定功能（加固）土工织物增强功能影响增强功能的参数应用场合机械性参数水力学参数长期运行性能(防止)坡体损坏(防止)基础损坏土工布的拉伸强度土工布—土壤摩擦拉伸强度土工布—土壤摩擦水力学界面条件沿平面导水率水力学界面条件沿平面导水率土工布—土壤系统蠕变抗化学剂和耐腐烂抗化学剂和耐腐烂2.过滤功能（反滤）土工布在发挥滤层作用时起着类似过滤器的作用，它要让水通过土工布，滞留泥土。另一个重要因素是土壤——织物体系应能长期适应水流通过，即在运行期限内土工布不堵塞。所以对发挥过滤功能的土工布来说，其重要的性能是液流穿过织物平面的透过能力(透水率)、滞留泥沙能力和长时限的使用适应性。应用场合机械性滤层稳定性水力学滤层稳定性长期运行性能长效滤层临时性滤层土工织物最大和最小表观孔径AOSAOS(最小和最大)土工织物透水率土工织物透水率孔隙率AOS最小值水和土壤化学性能影响滤层功能的参数AOS（apparentopeningsize）干筛孔径孔径参数主要包括有效孔径、特征孔径、平均孔径、最大孔径、最小孔径、孔径分布、孔隙率等。有效孔径（Oe）：（Effectiveopeningsize）GB/T14799—2005《土工布及其有关产品有效孔径的测定》中定义则如下：能有效通过土工布的近似最大颗粒直径。O90，O95(即织物中95%的孔径小于该值）。等效孔径（Oe）：（Equivalentopeningsize）土工织物的最大表观孔径。反滤层的等效孔径为O95=0.05-0.10mm（有的资料是0.07-0.2mm），既能透水，又能保土和防堵。过滤功能的土工布主要用于水利、铁路、公路、挡土墙等。特别是水利工程中做堤坝基础或边坡反滤层。土工织物的反滤用途的基本要求是保土和排水。但由于土工织物用作反滤层时往往不仅起反滤作用，而且还可起隔离和加固作用。反滤层常设于土石等材料修筑的堤坝或透水地基上，也常用于防汛中处理管涌、流土等险情。管涌是在渗流过程中，土体中的化合物不断溶解、细小颗粒在大颗粒间的孔隙中移动，形成一条管状通道，最后土粒在渗流逸出处冲出的一种现象。土工布的滤层作用应用在排水沟中3.隔离功能所谓的隔离功能，就是用来将两种不同的材料分离开。如两层不同性质的土壤。隔离的目的是保持和改善两种材料的整体性和运行性能，土工织物固定土壤颗粒，使其不会转移，避免了和粗碎石的相混。同时确保粗碎石维持其承载能力。如果不使用土工织物，下层的泥土会和粗碎石基础相混，降低承载能力。土工织物隔离功能应用情况机械性参数水力学参数长期运行参数铺放时建造时建成后抗撞击断裂伸长抗刺破抗顶破压力断裂伸长抗刺破抗顶破压力抗撕破蔓延断裂伸长有效孔径单位面积质量AOS单位面积质量AOS单位面积质量抗紫外光化学稳定性抗紫外光化学稳定性耐腐烂影响隔离功能的参数土工织物的排水功能是在不使泥土流失的条件下能沿布面输导液流，排水是沿平面流动。这和起过滤作用时，液流穿过土工布截面的方向(透水率)完全不同。但其滞留泥土和适应长期使用的要求，排水和过滤是相类似的。织物要相对较厚，以提供充分的导水率。针刺土工织物是用于液流在平面内工作的土工布。4.排水功能影响排水功能的参数应用场合机械性参数水力学参数长期运行性能永久性排水临时性排水法向积土压力的影响法向积土压力的影响平面内渗透性单位面积质量表观孔径AOS平面内渗透性单位面积质量表观孔径AOSAOS孔隙率水和土壤的化学性能抗腐烂化学稳定性5.防渗功能(防潮层)土工织物浸渍有沥青或氯丁橡胶密封材料后（即土工膜）可用作防水材料。主要防止水和有毒液体的渗漏。影响防渗功能的参数应用场合物理性参数机械性参数重铺工程液膜膜包泥土层方法沥青饱和度收缩率产品同质性饱和能力收缩率产品同质性饱和能力产品同质性土工布的拉伸强度土工布的伸长固有刚度土工布的拉伸强度固有刚度挠曲性抗顶破压力抗刺破性断裂伸长土工布可以将比较集中的应力分散开，防止土体受外力作用而破坏，起到对土体的保护作用。在一些结构中，土工布和土工膜一起使用，土工织物可为土工膜提供长期性保护，使其在铺设时和铺设后避免穿孔和机械损伤。对防护功能土工织物的性能要求，主要是抗刺破和耐磨损，并应具有长期运行化学稳定性和耐腐烂性。典型的应用领域是公路隧道、土工填筑、上下水管道、铁路隧道、地铁通道以及水库等。6.防护功能土工膜的作用是防渗，土工布的作用是保护土工膜聚脂不被刺破使其相对稳定，土工膜放在土工布上，土工布是由塑胶聚和体组成，用于土工膜和大坝间的排水层。影响防护功能参数应用场合机械性参数长期运行性能三废填筑和水库中(采用)土工膜结构减小开裂蔓延应力屋顶设施隧道设施抗刺破抗顶破压力摩擦系数单位面积质量抗刺破抗顶破压力抗刺破耐磨损pH=2～13范围化学性能稳定抗腐烂抗蠕变抗蠕变化学亲和性pH=2～13，化学性能稳定抗腐烂7.复合功能在绝大情况下，常需要土工织物发挥不只一项功能，例如在道路设施中就包括有隔离、滤层和增强等功能。土工织物用于铁路碎石路基下面时，就应满足隔离、增强、滤层和排水等要求，因此在使用土工布的时候，要考虑到多种功能要求。土工织物的应用领域及其相应功能应用领域隔离滤层排水增强防护防渗湿、松软的地基膜片路基路面重铺排水运动场地控制侵蚀／水力设施铁路密封设施(外壳)松软土质上的土堤增强土墙和固坡隧道XX○X○X○XX○XXXXXXX○○○X○X○○○○○X○XXX○X——主要功能，○——次要功能。二、土工织物的性能土工织物的性能主要有：本身的性能（物理、机械性能）；与土壤的相互作用性能及耐用性能。(一)物理性能土工织物的物理性能主要是指厚度、几何尺寸、密度。土工织物要求具有厚度与密度的均匀性。1．密度当土工布用于有水的情况下，其密度如果比水的密度小，织物就会浮起，影响织物的使用。2．厚度土工织物一般厚度较大，在要求排水功能的土工布，厚度影响到土工布的排水。0.8~5.5mm，100~1000g/m2。3．合理的稳定的尺寸土工织物是二维产品。幅宽一般在4~9米，长度为20~100米。(二)机械性能土工织物要求具有较高的机械性能，包括压缩性，抗拉伸强度，接合强度，抗撕裂、顶破、撞击和刺破强度等。土工织物的机械性能要求各项性能要好。1．压缩性土工织物受压缩后，由于织物的孔隙结构发生变化，其导水率和透水率将减小。机织物和热粘合非织造土工布的压缩性较小，针刺土工布具有较大的压缩性。2．拉伸性能拉伸性能是土工布的重要性能，应有较好的干湿拉伸强度和缝结强度及断裂伸长率，具有较高的初始模量和较好蠕变能力。一般要求在一个方向上的抗拉伸强力50kN／m；能承受一定的集中应力而不致破坏，即要有较高的撕裂强度(包括刺穿和圆球顶破强度)、同时还要具有较高的耐冲击性能。石块是导致土工布被顶破的主要因素。(三)与土壤的相互作用性能土工织物与土壤的相互作用情况有两种，即机械作用和物理作用。机械作用体现在土壤和土工布之间形成剪切关系。在要求发挥增强功能时，土工织物必须具有较高的接触剪切强度；在要求土壤和土工布之间相互产生移动时，那么就要求较小的接触剪切强度。（四）土工布的水力学性能土工布的水力学性能用来表征土壤和土工织物间物理性能相互作用情况，这些性能是土工布的孔隙率、孔径、透水率和导水率。孔隙率是空隙体积和总体积的比值，表示在土壤中土工布有效滤层的总空隙空间。孔隙率越大，排水性越好。孔径尺寸反映的是土工布透水和保持土壤颗粒的能力，其大小和分布是土工布用于过滤和隔离工程时首先要考虑的指标。透水率表征水流透过土工布的情况，透水率或垂直透过布面的水流量是滤层指标测试的重要内容。土工布的导水率表征其沿平面排水的水量。机织土工布和热粘法非织造土工布相对较薄，其导水率很小，而针刺织物的导水率则略大一些。（五）耐用性能指土工布抵御老化损坏的能力，耐用性主要取决于自身的原材料及其使用的环境。主要有机械性能、物理性能、化学性能及耐生物性。1．机械性能的耐用性主要是耐疲劳、耐磨、抗蠕变。2．耐化学破坏性土工布的工作环境十分恶劣，要求土工布能耐酸、耐碱和耐盐的腐蚀。3．耐物理破坏性主要是指耐气候性，耐阳光(主要是紫外线)、耐热、耐湿等作用。4．良好的耐生物性防霉、防蛀及理化性降解。三、土工织物的性能测试指标及其标准1．土工布的指标值测试包括鉴别性能测试、水力学性能测试、对外界环境的忍耐性能测试、机械性能测试。鉴别性能的测试包括单位面积重量和厚度的测试，有时还包括幅宽和经纬密度(对机织物而言)的测试。水力学性能测试包括：孔径尺寸的测定、渗透系数(或导水率)的测试、透气性的测试、孔隙率的测试等。对外界环境的忍耐性能测试中，环境指除土壤外的大气、阳光、温度、湿度、酸碱等对土工布性能的影响，包括土工布的耐久性测试，耐热性测试，抗化学腐蚀测试，抗生物实验等。机械性能测试包括：拉伸强度试验、撕裂强度试验、顶破强度试验、刺穿试验、接头／接缝强度试验、夹持强度测试、疲劳实验、断裂功、蠕变和松弛、耐磨性测试、摩擦角、抗弯刚度的测定等。2．土工布应用特性测试主要是土壤与土工布之间相互作用的性能测试，它模拟土工布在实际使用条件下所进行的实验，包括土工布的阻塞试验、土工布与土壤之间的摩擦性能测试等。土工布测试标准标准名称标准号1、鉴别标志GB14798——19932、孔径测定方法干筛法GB/T14799-19933、顶破强力试验方法GB/T14800-19934、拉伸试验方法宽条样法GB/T15788-19955、透水性测定方法GB/T15789-19956、接头/接缝宽条拉实验GB/T16989-19957、多层产品中单层厚度的测定GB/T17598-19988、动态穿孔试验落锥法GB/T17630-19989、抗氧化性能的试验方法GB/T17631-199810、抗酸、碱液性能的试验方法GB/T17632-199811、平面内水流量的测定GB/T17633-199812、有效孔径的测定湿筛法GB/T17634-199813、直接剪切试验GB/T17635.1-199814、抗磨损性能的测定砂布／滑块法GB/T17636-199815、拉伸蠕变和拉伸蠕变断裂性能的测定GB/T13637—199816、土工合成材料短纤针刺非织造土工布GB/T17638—199817、土工合成材料长丝纺粘针刺非织造土工布GB/T17639—199818、土工合成材料长丝机织土工布GB/T17640-199819、土工合成材料裂膜丝机织土工布GB/T17641-199820、土工合成材料非织造复合土工膜GB/T17642-1998四、土工织物的设计（一）土工织物的材料在土工布的设计和生产中，原料的选择是非常重要的，在选择原料之前，必须了解土工布的使用场合及其对性能指标的要求。在满足使用条件的情况下，我们尽量要降低产品的成本。土工布所使用的纤维原料主要是合成纤维，有涤纶、丙纶、锦纶、乙纶、维纶等。其中最常用的是涤纶和丙纶。天然纤维容易腐蚀变质，目前一般不用于土工布。涤纶强力高，熔点高(256℃)，能与热的沥青接触，化学性好