土工合成材料的主要性能及在工程中的应用

('土工合成材料的主要性能及在工程中的应用一、国内外土工合成材料的应用概况土工合成材料的开发和使用已有几十年的历史。1926年，美国最早用棉织物加固公路路面；20世纪30年代末或40年代初，聚氯乙烯薄膜应用于土工的防渗；50年代末期，Ｒ.Ｊ.Ｂarrtt在美国佛罗里达州利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层；1956～1957年著名的荷兰三角洲工程用机织土工织物加固防海潮大坝；20世纪60年代，合成纤维土工织物在美国、欧洲和日本逐渐推广，但是其生产技术主要是机织型的，主要用于护岸防冲等工程，机织土工织物的强度高，但价格也较高，反滤、排水功能差，限制了它的发展。非织造布的应用给土工积物带来了新的生命，它的特点是把纤维做成多方向的或任意排列使得其性能上各向同性，非织造型土工积物在20世纪60年代末期开始应用于欧洲，70年代从欧洲传到了世界各地。到70年代土工合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。高性能的原料赋予产品高的强力与耐用性，先进的生产工艺赋予产品良好的功能，使其应用范围不断扩大，特别是近30年来，由于非织造针刺法、纺粘法工艺的推广，产品成本低，而且具有良好的化学物理性能和水工性能，使非织造土工织物的应用飞速地发展起来。目前世界上已有100多个国家和地区(包括发达国家和部分发展中国家和地区)在10万多个工程中采用了土工布。据统计,全世界目前合成纤维土工布年耗量约40万吨,其中美国最多,达10万吨,。土工合成材料已经成为继钢材、水泥、木材之后的第4种新型建筑材料。目前，发达国家在产品种类、质量、应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国家快，尤以北美发展最快，欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利等西欧国家发展较快，亚洲主要是日本、马来西亚、韩国发展较快，国外产品类型、品种较多，规格齐全，以非织造型、合成型、复合型所占比例较大。在我国，土工合成材料在岩土工程等领域的应用历史较短。最早应用的是土工膜，大约在20世纪60年代初期，用于渠道防渗；70年代中期，在长江护岸和长江堤防中首次用织造型土工织物；80年代初期，非织造型土工织物开始应用于工程中；80年代末，土工膜袋首次引入工程应用。纵观土工合成材料40多年的发展史，可将其应用历程大致分为三个阶段：80年代中期以前的初创阶段；80年代中期至90年代中期的发展阶段和90年代后期开始的逐渐成熟阶段。二、土工合成材料的主要类型土工合成材料的主要类型有：土工织物、土工膜、土工格栅、土工网、土工复合材料和土工织物粘土垫。土工织物是可渗透的土工合成材料，是一类最古老和用量最大的土工合成材料。土工织物主要有两种类型：纺织的和无纺的。纺织的土工织物是在普通纺织机上使用单纤维、多纤维丝或细长薄膜或带制成。无纺土工织物还可按照纤维连接在一起的方法细分为：以特殊设计的针将纤维缠结在一起的机械连接或针刺的无纺土工织物，在纤维交接点上以加热；或加压方法将纤维焊接在一起的无纺土工织物，纤维网喷涂或浸渍以丙烯酸树脂的化学或树脂粘结无纺土工织物。纺织的土工织物通常具有较高的强度和刚度（因此可以用在土壤加固中）以及较差的过滤、排水特性。无纺的土工织物具有低到中等的强度和高断裂延伸率过滤、排水性能良好。在制造土工织物中使用的主要原材料是聚丙烯，也使用聚酯。土工膜是渗透性很低的土工合成材料，用作流体或蒸气阻拦层。使用最广泛的土工膜是主要由ＰＶＣ、ＣＳＰＥ、高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）和低密度聚乙烯（ＶＬＤＰＥ）制成的柔软薄片材。浸渍沥青或喷涂聚合混合物的土工织物或土工织物—沥青复合材料也可用作土工膜。聚合物片材土工膜以挤出法、压延法和刮涂法制造。所有的聚乙烯土工膜都是以挤出法生产的，并进行“压花”加工以获得粗糙的表面。世界各地颁布的环境法规，特别是关于有害物质处理的法规都要求广泛地、强制性地使用土工膜。土工格栅是格子状材料，带有足够尺寸的格孔与周围的土壤结合，起加固作用。挤出格栅的制造方法是首先在聚合物片材上冲等边的孔（单轴向格栅用聚或双轴向拉伸。比较柔软的土工格栅由两组90°相交的高韧性聚酯纱制成，在相交点以编织法或热焊法连接，然后涂以聚合物（通常是聚乙烯、聚氯乙烯或沥青，双轴向格栅用聚丙烯），然后将片材进行单轴向土工网是两组平行的大致呈圆形的聚合物股，通常以60°相交，形成网状外观。虽然土工网可用作较低强度的土壤加固，但它的主要用途是在输送液体或气体的复合排水制品中用作芯材或隔片。土工网往往用PE以连续挤出法制成。土工复合材料是由土工织物、土工格栅、土工网、土工膜和其他材料进行不同组合而成。多数土工复合材料用于排水。土工合成材料粘土衬材是低渗透性的复合材料，典型的组合是干膨润土薄层与土工织物和%或土工膜制成，用针刺、缝合或胶粘剂固定在一起。三、土工合成材料的主要功能土工合成材料的功能是多方面的，综合起来，可以概括为过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护六大功能。3.1反滤土工合成材料具有细小的孔隙通道，将其铺在地下水渗流的土体中，水可以通过织物，而土粒被阻挡住，从而避免因土粒过量而造成的土体破坏以及由于孔隙水压力而造成的土体失稳。广泛应用于水利、铁路、公路、建筑等各项工程，特别是水利工程中用作堤、坝基础或边坡反滤层已极为普遍。在砂石料紧缺的地区，用土工织物做反滤层，更显示了它的优越性。在土木工程中为了防止管涌破坏，常需设置由经过设计的砂石料所组成的“反滤层”，而土工织物完全可以取代这种常规的砂石料反滤层起到防渗反滤作用。3.2排水土工织物主要是无纺织物，是良好的透水材料。无论是织物的法向或水平向，均具有较好的排水能力，能将土体内的水积聚到织物内部，形成一排水通道，排出土体。较厚的针刺无纺土工布和一些具有较多孔隙的复合土工布都可以起排水作用。在岩土工程中很多情况下需要采取排水措施，以降低渗透压力，或加速土体的固结，或降低无压渗流场的浸润线的位置。过去所采用的常规措施是在适当的部位（如两种透水性不同的土层的交界面，或土料与混凝土建筑物表面的交界面等）铺放在碎石层进行排水。用土工织物则可取代这种碎石层。这种取代不仅可以收到排水效果，而且施工特别简单（特别对倾斜或垂直方向的施工面），工程造价也可以大为节省。可用于土坝内垂直或水平排水，土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水，埋入土体中消散孔隙水压力，软基处理中垂直排水，挡土墙后面的排水等。3.3防护在实际工程中，土工合成材料可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物的安全。可用于土石坝和库区的防渗，渠道防渗，隧道和涵管周围防渗，防止各类大型液体容器或水池的渗漏和蒸发，屋顶防渗，用于修筑施工围堰等。3.4加筋所谓加筋，即将土工合成材料按照一定的方式埋入土中，使土工合成材料与土之间良好地结合，利用合成材料的较高强度性能，重新分布土体应力，增加土体变形模量，传递拉应力，限制土体侧向位移，增加土体的抗剪强度，从而提高土体及有关建筑物的稳定性。土工合成材料较多的应用于软弱地基处理、陡坡、挡土墙等边坡稳定方面。加筋作用可以通过“宏观加筋”与“微观加筋”两种方法获得。宏观加筋就是在土体中埋入土工合成材料，形成所谓“加筋土”。土工合成材料在其中可以约束土体的拉伸应变，减少土体变形，从而增加土体的模量，改善土体的受力状况，提高土体的稳定性。各类土工织物都可埋入土体内起加筋作用，特别是土工格栅效果更好。微观加筋就是在土体中掺合土工合成连续纤维丝，形成所谓“纤维土”（或“织物土”），以提高土体的强度和稳定性。与加筋土相比，纤维的加固是三维的，而加筋土的加固一般是一维的，只有经过特殊设计才可能成为二维或三维的加筋结构。可用于加强软土地基，加强边坡稳定性，用作挡土墙会填土中的加筋或锚固挡土墙的面板，修筑包裹式挡土墙或桥台，加固柔性路面，防止反射裂缝的发展等。3.5隔离将土工合成材料放在不同的材料之间或同一材料不同粒径之间及土体表面与上部建筑结构之间，使其隔离开来。当受外部荷载作用时，虽然材料受力互相挤压，而由于土工织物在中间隔开，不使互相混杂或流失，保持材料的整体结构和功能。隔离用的土工织物必须有较高的强度来承受外部荷载作用时而产生的应力，保证结构的整体性。可用于道路基层与路基之间或路基与地基之间的隔离层，在土石混合坝中隔离不同的筑坝材料，用作坝体与地基之间的隔离体，堆场与地基间的隔离层等。3.6防渗将土工织物表面涂一层树脂或橡胶等防水材料，也可将土工织物与塑料薄膜复合在一起形成不透水的防水材料即土工膜。主要用于防止河岸或海岸被冲刷，防止垃圾、废料或废液污染地下水或发散臭味，防止水面蒸发或空气中灰尘污染水面，防止土体冻害等。四、土工合成材料在岩土工程中的应用土工合成材料是岩土工程的新型建筑材料，我国20世纪70年代末开始在工程中应用。20世纪80年代初，非织造布开始在铁路工程和水利工程上试用，到20世纪80年代后期，土工织物的生产能力、应用范围、测试技术、理论研究等各个方面都得到了较快的发展，并且有相当大的规模和较广泛的分布范围，各地均有其应用。产品和应用技术在不断发展，国外先进技术的应用与发展给我国以极大的促进，针对我国实际情况，在生产技术、测试技术、施工技术、理论研究、设计水平等各个方面的工作，均在不断提高和完善。4.1在水利水电建设工程中的应用水电建设是我国土工合成材料应用最广泛、用量最大、应用品种最多的一个方面，主要用作软弱地基基加固、反滤、加筋、防渗等。在全国各地的各项水电工程中土工织物均有不同程度的应用。如：中国最大的水电建设工程三峡工程围堰防渗、福建水口水电工程大坝上下游围堰、上海陈行水库存围堤筑堤及边坡反滤、浙江秦山核电站围堤工程、京杭大运河整治边坡反滤、湖南省湘乡市桐子水库的粘土斜墙堆石坝、重庆市长江护岸工程以及黄河治理、淮河治理、长江口整治工程等一些较大的水利水电工程。电力能源系统新建电厂粉煤灰库90%以上采用土工织物修建库堤。有40%的老灰库维修或扩建也均采取土工织物。如上海外高桥电厂灰库、上海石洞口电厂灰库、嘉兴电厂灰库、江苏谏壁电厂真观山贮灰场等，尤其近几年在全国各地先后发生的几次特大洪水的防汛抢险中发挥了突出的作用。防汛抢险洪涝灾害是我国范围较广、损失较大的自然灾害，受洪水威胁的地区总的土地面积约73.8万Kｍ2,占全国总土地面积的8%，土工合成材料是一种较好的防汛材料，在防汛抢险中主要利用其排水、反滤和防渗功能。如：1998年长江流域大洪水期间，利用编织袋快速抢筑子堤得成功。子堤绵延数百公里，最高达2.2ｍ，挡水1.7ｍ。利用编织布防浪也取得了很好的效果。工程实例如：1991年6月14日滁洒大水，在跣跃坪堤段有61处漏水洞，有的漏水洞口有碗口大，主要是因为白蚁凿孔贯穿堤身所引起。查明原因后，迅速用土工布袋装土等物料将蚁窝夯实，用土工膜在迎水坡截渗，漏洞下游出水口用无纺布等滤水材料作反滤井,险情得到控制。石笼沉床土工合成材料可做成石笼放入水中，加固水库边(岸)坡或海岸，防止海水冲刷,免去水下作业的麻烦。防止水土流失土工织物管是用高强纤维制成，是为海岸和内地水土流失提供防护发展的一项技术。现在已经有采用直径达3ｍ的有纺织或编织的土工织物管，在长度上没有限制，只是充填和处理上的困难需要考虑。充填方法是通过泵将水砂混合体压入土工织物管，由于内壁阻力，一般每10ｍ设置一个进口。进口常常采用一个小直径的土工织物管，在大土工织物管的上游侧将其锚固。一般情况下，需要用土覆盖,以防紫外线照射或人为破坏。堤岸的加筋土挡墙在码头河岸、江岸及海岸均采用直立或坡度挡墙。坝体增强，在水库坝体这种永久性负载面积上铺设两层土工合成材料，可防止坝底发生细微沉陷。渠道衬砌美国垦务局从20世纪50年代开始试验用土工膜进行渠道防渗衬砌，取得了较大的进展，几乎在所有的渠道上都采用土工膜衬砌。许多国家也采用该方法。水产养殖区域衬砌土工膜作为池塘底或边的衬砌,以便养殖贝类及其它水产品。现在的进展是用于这种目的的土工膜有一坚固的保护面,以防止使用和维修过程中的损坏。因而，土工膜应选择较厚的(比如，厚于2.5ｍｍ)编织的土工膜。未来的发展是开发土工膜新品种,使其能达到营养、防污染和防氧化的目的。4.2在铁路建设中的应用土工合成材料主要用于铁路路基加固处理、路基隔离、排水防治翻浆冒泥、防治严寒地区冻融灾害等方面，并可在不停止列车运行的情况下进行处理，因此不论是老干线维修，还是新干线建造，都可应用土工合成材料，并取得良好效果。研究如何有效地防治路基灾害的产生和发展中，铁路科技工作者较早地注意到了土工合成新材料，继20世纪70年代初大量试用土工聚合材料不透水薄膜作防水覆盖层之后，20世纪70年代中以来，很多国家如法国、美国、澳大利亚、日本、苏联、匈牙利等在铁路上进行了多种应用的试验研究和工程实践。国内的应用如京九铁路路基处理、大连至秦皇岛铁路路基加筋、上海至杭州外环线路基加固以及京广铁路翻浆冒泥整治等。铁道路基加固，土工格栅用于铁路路基增强，合成材料和路面材料融合在一起，可有效的分配载荷，防止道渣流失和路基变形，提高路基的稳定性，承受更大的变形载荷。铁道道渣保护，由于火车震动及风吹雨淋，造成道渣流失，用土工合成材料包裹，防止道渣流失，提高路基的稳定性。铁路挡墙，土工合成材料用于铁道边上的挡墙增强，如用于火车站内月台和货台，可延长使用寿命，减少维修费用。铁道边坡防护土工合成材料用于铁道两旁的边坡防护，可防止石块和土体滑落，提高铁路的使用寿命，减少维修费用。4.3在公路建设工程中的应用公路建设主要是应用针刺无纺布解决路基沉陷、软基加固、防治翻浆冒泥、防止路基冻融等。另外利用薄型无纺布防止沥青路面产生反射裂缝，其效果也很显著。近20年来国内外公路交通的高速发展，高等级公路网扩展，为土工合成材料在公路工程中的应用开拓了广阔的前景。据国外的统计资料，土工合成材料在公路工程中的应用占全部用量的1/3以上。加筋土挡墙，在公路旁边和垂直挡墙中加铺土工合成材料，可提高挡墙的承载能力。路面、路基增强，土工合成材料可用于公路路面、路基的增强，尤其是在软地基的公路，解决路面裂缝、车辙压痕，在填充物之间加铺土工合成材料，可大大提高路面、路基的承载力和使用寿命。边坡防护，用土工合成材料铺在公路边坡上，可防风吹雨淋，坡上的石块和泥土滑落。桥台加固，公路桥台地基一般很容易向下沉陷，使桥梁出现裂纹，在桥台地基下铺设土工合成材料，可提高承载力。4.4在港湾与海岸工程建设中的应用土工合成材料主要是用作反滤材料、软土地基加固、海岸防护以及防波堤工程。另外港区集装箱堆场及港区内道路的地基加固、场内的排水盲沟等也都采用土工合成材料。如：天津新港在突堤软基处理及码头滤层、青岛前港湾区防波堤工程、上海芦潮港及金同石化防波堤工程。4.5环境工程中的应用土工合成材料是环境工程中比较理想的应用材料。利用土工织物处理工业废料，建造废料库、垃圾场、废水处理池等工程越来越多。另外土工织物在保护水源、环境绿化等方面也有很大的发展前景。可以肯定，土工合成材料因其优良特性，必将在环境工程中得到更广泛的应用。我国的环境保护工程中，土工合成材料的应用起步较晚，应用范围较窄，目前，仅限于尾矿和粉煤灰贮存方面的应用报导。实际上，应用的潜在范围是广阔的，一些大中城市相继建成的垃圾填埋场、水处理厂等工程均可运用土工合成材料。例如：四川绵阳市塔子岭填埋场和杭州的天子岭填埋场。4.6在建筑工程中的应用土工合成材料在建筑工程方面的应用是近年来才开始发展的。土工合成材料可以制成多种功能制品，因此在建筑工程上的应用也是多方面的。迄今为止，虽然应用尚不广泛，已发展了地基加筋垫层、深基础排水减压、排水固结、桩基处理、膨胀土地基等多种应用类型。除上述几个方面外，在矿山尾矿坝、机场跑道地铁、隧道、市政建设、环保工程、军事工程等各个方面都不同程度、不同数量的应用土工织物。',)