土工合成材料

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摘要土工合成材料是土木工程中使用的一类合成材料的统称。作为一种土木工程材料,它是以天然或人工合成的聚合物(塑料、合成纤维、合成橡胶)为原料,制成各种类型的产品,置于土体内部、表面或各层土体之间,发挥加强(加固)或保护土体的作用。目前土工合成材料已经广泛应用于公路、铁路、水利、电力、建...

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土工合成材料是土木工程中使用的一类合成材料的统称。作为一种土木工程材料,它是以天然或人工合成的聚合物(塑料、合成纤维、合成橡胶)为原料,制成各种类型的产品,置于土体内部、表面或各层土体之间,发挥加强(加固)或保护土体的作用。目前土工合成材料已经广泛应用于公路、铁路、水利、电力、建筑、海港、采矿、机场、军工、环保等工程的各个领域。

土工合成材料的旧称为“土工织物”(geotextile)和“土工膜”(geomembrane)。然而,随着工程需求的增加,出现了越来越多新型的土工合成材料,如土工格栅、土工网、土工模袋、土工网垫、土工带、复合土工膜、膨润土防水毯、复合排水网等。原有的名称已经不能准确地覆盖所有产品。因此,在一段时间内,这些材料被称之为“土工织物、土工膜和相关产品(relate product)”。然而,这样的名称不适合作为技术名词或学术名词。
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土工合成材料分类

土工合成材料的分类,至今还没有统一的准则。国际上,比较一致的看法是把所有土工用的合成材料统称为土工合成材料。《土工合成材料世界》(Geosynthetics World)介绍有关产品和技术讨论时把土工合成材料细分为五类,即土工织物(机织和无纺或非织造);土工膜;土工格栅(Geogrids)、土工网(Geonets);土工排水材料(Geocomposite Drain);土工复合材料(Geocom-posite)。 我国1998年颁布国家标准《GB 5029—1998土工合成材料应用技术规范》(后修订为GB/T 5029—2014),把土工合成材料分为四大类,即土工织物,土工膜,土工复合材料,土工特种材料。 2016年《土工合成材料加筋土结构应用技术指南》,把土工合成材料分类为:土工织物,土工格栅,土工格室,土工网,土工膜,土工织物膨润土工垫(GCL),聚苯乙烯板块,土工复合材料。

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土工合成材料原料

土工合成材料的原材料是高分子聚合物。这些高分子聚合物是从煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质,经过加工成纤维或合成材料片材,最终制成各种产品。聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚酰胺(PER)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)和聚苯乙烯(EPS)等是主要用于制造土工合成材料的聚合物种类。

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土工合成材料标准

(一)土工织物

(1)扁丝编织土工布

①塑料扁丝编织土工布(GB/T 17690—1999);

②裂膜丝机织土工布(GB/T 17641—1998);

③有纺土工织物(JT/T 514—2004)。

(2)长丝机织土工布

①长丝机织土工布(GB/T 17640—2008);

②有纺土工织物(JT/T 514—2004)。

(3)短纤针刺非织造土工布

①短纤针刺非织造土工布(GB/T 17638—2017);

②短纤针刺非织造土工布(JT/T 520—2004);

③无纺土工织物(JT/T 667—2006)。

(4)长丝纺黏针刺非织造土工布

①长丝纺黏针刺非织造土工布(GB/T 17639—2008);

②长丝纺黏针刺非织造土工布(JT/T 519—2004);

③无纺土工织物(JT/T 667—2006)。

(5)聚丙烯纺黏针刺土工布

聚丙烯纺黏针刺土工布。

(6)湿法非织造土工布

湿法非织造土工布。

(7)土工模袋

土工模袋(JT/T 515—2004)。

(二)土工膜

①聚乙烯土工膜(GB/T 17643—2011);

②聚氯乙烯土工膜(GB/T 17688—1999);

③土工膜(JT/T 518—2004);

④土工膜(Q/CR 549.3—2016);

⑤防水材料(JT/T 664—2006);

⑥防水材料(Q/CR 549.7—2017)。

(三)土工复合材料

①机织/非织造复合土工布(GB/T 18887—2002);

②经编复合土工织物(GB/T 35752—2017);

③非织造布复合土工膜(GB/T 17642—2008);

④聚合物涂覆复合土工织物。

(四)土工格栅

①塑料土工格栅(GB/T 17689—1999);

②土工格栅(JT/T 480—2002);

③钢塑格栅(JT/T 925.1—2014);

④土工格栅(Q/CR 549.2—2016)。

(五)土工网

①塑料土工网(GB/T 19470—2004);

②塑料三维土工网垫(GB/T 18744—2002);

③土工网(JT/T 513—2004);

④土工网(Q/CR 549.4—2016)。

(六)土工格室

①塑料土工格室(GB/T 19274—2003);

②土工格室(JT/T 516—2004);

③土工格室(Q/CR 549.1—2016)。

(七)土工排水材料

①排水材料(JT/T 665—2006);

②塑料排水板(带)(JT/T 521—2004);

③排水材料(Q/CR 549.6—2017);

④排水网(CJ/T 452—2014垃圾填埋场用土工排水网);

⑤排水管材及管件。

(八)土工发泡材料

①轻型硬质泡沫材料(JT/T 666—2006);

②保温隔热材料(JT/T 668—2006);

③保温材料(Q/CR 549.8—2017)。

(九)其他土工合成材料

①土工加筋带(JT/T 517—2004);

②土工合成材料黏土垫

a.天然钠基膨润土防水毯(GB/T 35470—2017);

b.钠基膨润土防水毯(JG/T 193—2006);

③土工管袋;

④土工复合软体排。

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土工合成材料功能

土工合成材料具有过滤、排水、隔离、加固、防护、防渗六大功能,使土工合成材料解决了许多土木工程施工中常规材料无法解决的工程问题。

这些土工合成材料可以被放置在土体的内部、表面或不同的土体之间,以实现以下功能:

1、反滤作用

把土工织物置于土体表面或相邻土层之间,可以有效地阻止土颗粒通过,从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体穿过织物自由排出,以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。把土工织物置于挟带有泥沙的流水之中,可以起拦截泥沙的作用。

反滤是土工织物的一项主要作用,适用于下列工程:

①土石坝黏土心墙或黏土斜墙的滤层;

②土石坝(包括碾压坝、水坠坝、水中倒土坝等)或堤防内的各种排水体的滤层; ③储灰坝或尾矿坝的初期坝上游坝面的滤层;

④堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡的滤层;

⑤水闸下游护坦、海漫或护坡下部的滤层;

⑥挡土墙回填土中排水系统的滤层;

⑦排水暗管周边或碎石排水暗沟周边的滤层;

⑧水利工程中水井、减压井或测压管的滤层;

⑨其他如公路和飞机场的基层、铁路道碴和人工堆石与地基之间的土工织物隔离层,均同时起反滤作用。

2、排水作用

有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道,把土中的水分汇集起来,沿着材料的平面排出体外。较厚的针刺无纺土工织物和某些塑料排水管道或具有较多孔隙的复合土工合成材料都可以起排水作用。

适用于下列工程:

①土坝内部垂直或水平排水;

②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;

③埋入土体中(如水力冲填坝中)消散孔隙水压力;

④软基处理中垂直排水(塑料排水带或袋装砂井);

⑤挡土墙后面的排水;

⑥各种建筑物周边的排水;

⑦排除隧洞周边渗水,减轻衬砌所承受的外水压力;

⑧人工填土地基或运动场地基的排水;

⑨其他如在霜冻区、盐碱区截断毛细管水的上升,降低地下水位,起防冻和防止盐碱化作用;在公路路基的土工织物隔离层亦可起排水作用。

3、隔离作用

有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、砂、石料,或把土、砂、石料与地基或其他建筑材料隔离开来,以免相互混杂,失去各种材料和结构的完整性,或预期作用,或发生土粒流失现象。土工织物和土工膜都可以起隔离作用。

适用于下列工程:

①铁路道砟与路基的隔离层,或地基与软弱地基之间的隔离层;

②公路基层碎石与路基或地基之间,飞机场、停车场、运动场面层与地基之间的隔离层;

③在土石混合坝中,隔离不同的筑坝材料;

④在裂隙发育的岩基,或者卵石、砂卵石地基上修建土石坝,用作坝体与地基之间的隔离层,有时还可起加筋作用;

⑤石笼、砂袋或土袋与软弱地基之间的隔离层;

⑥人工填土、堆石或材料堆场与地基的隔离层;

⑦其他如在水(江、河、湖、海)中抛填土石方,将土工织物铺放在水下泥面以上,起隔离作用,也可起反滤加固作用;在人行便道混凝土板下,有时也铺放土工织物作为隔离层等。

4、加筋作用

土工合成材料埋在土体之中,可以扩散土体的应力,增加土体的模量,传递拉应力,限制土体侧向位移;还增加土体和其他材料之间的摩擦阻力,提高土体及有关建筑物的稳定性。土工织物、土工格栅、土工加筋带、土工网及一些其他或复合土工合成材料,都具有加筋功能。

适用于下列工程:

①在公路(包括临时道路)、铁路、土石坝、防波堤、运动场等工程中,用以加强软弱地基,同时起隔离与反滤的作用;

②加强填土或开挖陡坡的边坡稳定性;

③用作挡土墙回填土中的加筋,或锚固挡土墙的面板;

④修筑包裹式挡土墙或桥台;

⑤加固柔性路面,防止反射裂缝的发展;

⑥增加破碎岩石边坡的稳定性,也是加筋土挡墙的另一种形式;

⑦其他如在裂隙或断层发育的基岩上,增加边坡的稳定性或加固地基,制造石笼、土砂石袋,在存货场或施工场地的地基上铺放土工织物既可起隔离作用、反滤作用,又可起加筋作用。

5、防渗作用

土工膜和复合土工合成材料,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。适用于下列工程:

①土石坝的防渗斜墙或心墙,上游铺盖或库区防渗措施;

②土石坝或水闸地基的垂直防渗或地下水库的垂直防渗墙;

③浆砌石坝或碾压混凝土坝的上游坝面防渗措施,及其他类型混凝土坝的渗漏处理措施; ④水闸上游护坦及护坡防渗;

⑤渠道防渗;

⑥灌区内的低压输水管道;

⑦隧道周边及堤坝内埋设涵管的防渗措施;

⑧防止蓄水池、游泳池、养鱼池、污水池和各类大型液体容器的渗漏与蒸发;

⑨地下室防渗及其他建筑物的防潮措施;

⑩屋顶防漏;

⑪充水或充气的橡胶坝;

⑫用于修筑施工围堰;

⑬其他各种土建工程中的防渗措施。

6、防护作用

多种土工合成材料对土体或水面,可以起防护作用。适用于下列工程:

①土工织物、注浆模袋、土砂石编织袋、土砂石织物枕管袋、织物软体排等材料防止河岸或海岸被冲刷;

②防止垃圾、废料或废液污染地下水或散发臭味;

③防止水面蒸发或空气中的灰尘污染水面;

④防止路面反射裂缝;

⑤防止土体的冻害;

⑥临时保护岸边或草地,防止水土流失,促进植物生长;

⑦防止地面水渗入地下(在膨胀土或湿陷性黄土地区修建建筑时尤为必要);

⑧在地下工程施工中为防止对邻近建筑物的影响而采取的措施;

⑨其他有些起加筋、隔离、防渗和反滤作用的土工合成材料亦起防护作用。

土工合成材料指标

土工合成材料的部分技术指标如下:

1.物理性能指标

材料的比重(Gs):土工合成材料产品由各种不同的高分子原材料制成,它们的比重即为原材料的比重。

厚度(δ):材料的厚度指其顶面至底面间的垂直距离,常以mm表示。

单位面积重量(质量)(G):单位面积重量指在单位面积(1m2)材料所具有的重量,通常以g/m2表示。

等效孔径(O95):等效孔径指土工织物的表观最大孔径,以mm表示。

2.力学性能指标

抗拉强度(T):材料抗拉强度(T)指其在拉力机上拉伸单位宽度(1m)时所能承受的最大拉力,以kN/m表示。用条样法进行测试时,水利部规程规定,条样宽度有两种,一种宽度为500mm,称窄条,另一种宽度为200mm,称宽条。拉伸强度和应变是材料最基本和最重要的力学性能指标。

握持强度(Tgr):材料的握持强度是反映其分散集中荷载能力的指标,它表现的是一个力,以kN表示。

梯形撕裂强度(Tt):材料的梯形撕裂强度反映其已有裂口尚能承受撕拉的能力,以最大撕裂力(N)表示。

胀破强度(Pb):胀破强度指材料抵抗土体挤压或水压力顶胀的能力,Pb为压力值,以kPa表示。

顶破强度(Tp):顶破强度也是通过模拟试验测定材料抵抗集中法向荷载能力的指标。顶破力以N表示。该试验模拟在凹凸不平地基上有尖棱石块顶刺织物或土工膜的情况。

直剪摩擦系数(fd):直剪摩擦系数是借类似于土工直剪仪的仪器测得的土工合成材料和周围土接触界面间的强度指标,为一无因次数。

拉拔摩擦系数(fp):拉拔摩擦系数是利用拉拔试验箱测取的土工合成材料与其两侧土体接触面间的强度指标,为一无因次数。它与直剪摩擦系数的差别是该系数反映材料两侧受剪,而非直剪的一侧受剪。

3.水力学性能指标

垂直渗透系数(Kv)、透水率(ψ)和流率(q/A):渗透系数是反映水流法向通过织物平面时的透水性指标,试验方法和土工试验中的相仿,采用垂直渗透试验仪进行。透水率表示在单位水头时,通过单位面积、单位时间内的渗流量。流率表示在某水头差时,单位时间流过材料单位面积的渗透量。

平面渗透系数(Kh):平面渗透系数可称水平渗透系数,指水流在织物平面方向流动时的透水性指标。

梯度比(GR):梯度比是用于评价无纺土工织物用做反滤料长期工作条件下会不会被土体中的细颗粒淤堵失效的定量试验,试验特点是一般在24h即可得到评价指标。

土工膜的垂直渗透系数(Km):土工膜是一种透水性很低,可视为基本不透水材料,为了评价其防渗性能,也常要求测定其渗透性。

土工合成材料检测

1、测试项目

和任何工程材料一样,欲将其正确应用于工程结构,首先要掌握其反映工程性能的定量指标,这些指标需要通过相应的测试来获取。土工合成材料的性能指标有两方面的用途:其一是根据工程需要,对照指标来优选适用产品;其二是将测试指标通过规定的处理作为计算指标用于工程设计。 土工合成材料性能指标就其反映的性状可以分为两类:一类是单纯标明材料本身的特性,例如材料的比重、产品的厚度等,它们可作为选料的依据,可称为基本指标,生产厂家应直接提供;另一类是材料产品在应用中与周围土体相互作用的反应,这一类指标可称为功能指标,它们需要以选用材料结合工程实际土料,在模拟预期工况条件下测定,产品厂家无法提供,只能由设计单位自己测试,或根据合理途径来确定。例如摩擦系数是材料与周围介质接触面共同工作的表现,再如土工织物的淤堵特性也取决于周围土体与材料孔径分布间的配合关系。

土工合成材料种类甚多,反映它们的力学性能指标不一,要求进行不同项目的测试,但归纳起来,一般的测试项目可分为四大类:即物理性能指标、力学性能指标、水力学性能指标和耐久性指标。

测试项目 测试方法 说明
物理性能 厚度/mm 用测厚度仪测2kPa压力下厚度 尚应测定不同法向压力时的厚度
单位面积重量/(g/m²) 用称重法
等效孔径Ogs/mm 用粒料干筛法 它表示织物试样的表观最大孔径
力学性能 抗拉强度/(kN/m) 宽条法,用拉力机
握持抗拉强度/N 夹具钳口窄于样条宽,用拉力机
撕裂强度 梯形撕裂法,用拉力机 模拟土工织物边缘有裂口继续抗撕能力
刺破强度/N 用平头钢性顶杆顶破 模拟织物遇尖棱石块等的抗破坏能力
胀破强度/kPa 用胀破仪,施液压 模拟织物受基土反力时抗胀破的能力
直剪摩擦系数fa 用土工试验直剪仪 确定材料与土或其他材料的界面抗剪能力
拉拔摩擦系数fp 用拉拔试验箱,加法向压力拉拔 确定材料从土中拔出时的抗力
水力学性能 垂直渗透系数K/(cm/s) 渗透仪,测垂直于试样的渗透
系数
测定织物长期工作时判别其会不会被淤堵的指标
平面渗透系Kh/(cm/s) 渗透仪,测沿试样平面的渗透
系数
梯度比GR 用梯度比渗透仪
耐久性能 抗紫外线 用人工老化箱照射试样 估计材料受日光紫外线一定时间后的性能改变
其他特殊试验(抗酸碱、抗高低温等) 根据需要,专门设计试验方法 估计不同环境条件下材料性能改变

2、取样制备

土工合成材料的性能测试目前还没有公认的标准方法,现有的一些方法大多移植于其他专业已建立的技术标准,例如岩土工程、纺织工业及高分子化学工程等。国外为了发展该国土工合成材料专业,相关单位制定了相应标准。 我国不同系统也先后制定了测试标准,水利部于2012年颁布了水利行业标准《土工合成材料测试规程》(SL 235—2012),替代了《土工合成材料测试规程》(SL/T 235—1999)。 用做试验的试样从厂家送交的产品中按5%的数量抽检,不得少于1件,并且样品沿其径向的长度不应小于1m,其面积不应小于2m2;随机剪取的样品距产品的边缘至少为100mm;从样品裁切试样时,应尽量避免在同样的纵向和横向位置上,即要求沿对角线取样。裁切试样时应注意以下事项:

(1)试样应完好无损,不含污秽、折痕、孔洞和损伤等明显瑕点。

(2)裁样前应有计划,对织物可先剪成尺寸较要求稍大的块片,然后再修成精确尺寸。

(3)剪成的试样应予以编号,有特殊情况应做记录。 由于土工合成材料产品均匀性较差,同一批产品甚至同一样品的不同部位,性能指标都会有差异。

为了尽量减少测试结果再受外界其他影响,要求将试样先在规定的标准状态下静置24h:温度为(20±2)℃,相对湿度为60%±10%和1个标准大气压。如确认材料不受环境影响,可免去上述调湿处理。试验记录中应标明实验时的温度和湿度。 3、引用标准 除了水利部颁布的《土工合成材料测试规程》(SL 235—2012)之外,尚有国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布的土工合成材料国家标准以及其他部门发布的行业标准。

4、检测规则

a 抽样方法

土工膜产品以批为单位进行检验,同一配方、同一规格、同一工艺条件下连续生产的产品50t以下为一检验批。如日产量低,生产期6天尚不足50t,则以6天产量为一检验批。产品质量的测定,以批为单位,随机抽取3卷检验规格尺寸和外观质量,在检验合格的样品中再随机抽取足够的试样,检测表9.5中各项指标。

b 型式检验

型式检验项目为全部技术性能要求。正常情况下每两年进行一次,有下列情况之一应进行检验:

(1)产品的原料、配方、生产工艺有重大改变时。

(2)停产超过6个月以上在恢复生产时。

(3)出厂检验结果与上次型式检验有较大差异时。

(4)新产品或老产品转厂生产的试制定型鉴定。

c 合格性判定规则

对于规格尺寸和外观质量所规定的要求,其中有1项不合格即为不合格卷。不合格卷不多于1卷,且技术性能指标符合各项指标要求时,判为合格批。 若不合格卷多于1卷或技术性能指标有不合格项,应在原批中重新加倍抽样,对不合格项复测。复测结果仍有不合格项时判该批为不合格批,复测合格时判定为合格批。

d 标志、包装、贮存和运输

每卷产品应附产品合格证。并标明:产品名称、代号、产品规格、面积或净质量、产品标准编号、生产日期、批号、检验员及厂名、厂址等内容。 可采用黑色薄膜、编织袋进行包装,特殊情况按供需双方商定进行。在贮存装卸和运输过程中避免日晒、雨淋、沾污、重压、损伤、抛摔及机械碰撞等,保持外包装完整远离热源和化学污染;贮存期从生产之日起不超过两年。

土工合成材料加筋地基

(1)土工织物地基:又称土工聚合物地基,是在软弱地基中或边坡上埋没土工织物作为加筋,使其共同作用形成弹性复合土体,达到排水、反滤、隔离、加固和补强等方面的目的,以提高土体承载力,减少沉降和增加地基的稳定。

(2)加筋土地基:由填土、填土中布置的一定量带状筋体(或称拉紧)以及直立的墙面板三部分组成的一个整体的复合结构。

土工合成材料应用范围

土工合成材料是一类应用广泛且多功能的材料,可以在许多工程领域使用。

已经应用的领域包括但不限于:

1. 岩土工程:土工合成材料常用于土体加固、地基改良、边坡保护和土壤侵蚀防治等方面,提高工程稳定性和地质环境的安全性。

2. 土木工程:土工合成材料可用于道路、铁路、机场、港口等工程中的土壤加固、路基加强、土体过滤、土壤分离等方面,增强工程的承载能力和耐久性。

3. 水利工程:在水坝、水库、渠道和水体工程中,土工合成材料可用于防渗透、防渗漏、水体隔离、河床防护等,确保水利工程的安全和可靠性。

4. 环境工程:土工合成材料可应用于垃圾填埋场、废物处理厂、重金属污染治理等环境工程中,用于防渗、隔离和防护,减少环境污染和资源浪费。

5. 交通工程:在公路、铁路、桥梁等交通工程中,土工合成材料常用于路基加固、边坡保护、防水防渗、降噪等方面,提高交通工程的稳定性和安全性。

6. 市政工程:土工合成材料可应用于城市给排水工程、地铁隧道、地下空间等市政工程中的土壤加固、雨水排放、地下水控制等方面,提高工程效率和可持续性。

7. 围海造地工程:在海岸线调整、围垦造地等工程中,土工合成材料可用于海滩保护、岸堤加固、海岛填筑等,保障工程的稳定和环境的可持续发展。

总之,土工合成材料在多个工程领域中发挥着关键的作用,提供了解决问题和改进工程性能的有效解决方案。

土工合成材料的发展史

土工合成材料的发展,是与合成材料——合成树脂(塑料)、合成纤维和合成橡胶的发展分不开的。在1900年以前,虽然已有天然树脂及塑料产品,如硝酸纤维、赛璐珞塑料等,但它们的产量小、应用范围狭窄、影响不大。1909年美国General Bakelite公司以苯酚和甲醛为原料,实现了世界上第一个合成材料——酚醛塑料的工业化生产,从此拉开了合成材料工业发展的序幕。

囯际上,土工膜在岩土工程中的应用,根据C. E. Staff推测大约在20世纪30年代之后,聚氯乙烯薄膜首先应用于游泳池的防渗。大量塑料防渗薄膜的应用开始于灌溉工程。美国垦务局1953年在渠道上首先应用聚乙烯薄膜,1957年开始应用聚氯乙烯薄膜。苏联在渠道上使用低密度聚乙烯的历史也很长。1960年捷克斯洛伐克的Dobsina堆石坝使用聚氯乙烯薄膜。1984年西班牙的Poza de Los Ramos砌石坝,初期高度为97m,以后增至134m,在上游坝面铺设聚氯乙烯薄膜防渗。这些工程都是在土石坝中使用合成材料防渗薄膜的先例。

土工织物在岩土工程中的应用,开始于20世纪50年代末期。1958年R. J. Barrett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,一般认为是应用现代土工织物的开端。实际上,在1957年以前,以土工织物做成的砂袋已经在荷兰、德国和日本等国家应用了。在60年代,土工织物在美国、欧洲和日本逐渐推广。所用的土工织物主要是有纺土工织物(机织布,即有经、纬线的),大部分用于护岸防冲等工程。由于有纺土工织物的强度具有很大的方向性,而且价格较高,限制了它的发展。

无纺土工织物(非织造布或无纺布)的应用,给土工织物带来了新的生命。它的特点是把纤维做成多方向的或随机的排列,使强度没有显著的各向异性,厚的织物不但可以用作滤层,还可以用作导水体,因此更适用于各种岩土工程和土木建筑工程。无纺土工织物在60年代末期开始应用于欧洲,1968—1970年间相继用于法国和英国的无路面道路、德国的护岸工程、法国Valcros土坝的下游排水反滤与上游护坡垫层和德国的一座隧洞。在70年代,这种无纺土工织物很快从欧洲传播到美洲、非洲和澳洲,最后传播到亚洲。由于纺黏法制造工艺的推广,生产出大量的成本低、强度高的产品,使无纺土工织物的应用飞速地发展起来。

“土工织物”(Geotextile)和“土工膜”(Geomembrane)是1977年J. P.Giroud与J. Perfetti首先提出来的。他们把透水的土工合成材料称为“土工织物”,不透水的称为“土工膜”,这两个名词被使用了许多年。后来因为以合成聚合物为原料的其他类型的土工合成材料纷纷问世,已经超出了“织物”和“膜”的范畴。1983年J. E. Fluet建议使用“土工合成材料”(Geosyn-thetics)一词来概括各种类型的材料。这一名词在1994年的第五届国际土工织物学术讨论会(新加坡)上被正式确认。

随着土工合成材料应用领域的不断扩大,它们的生产和应用技术也在迅速地提高,使其逐渐形成一门新的边缘性学科。它以岩土力学为基础,与石油化学工程、塑料工程和纺织工程有密切联系,应用于岩土工程和土木建筑工程的各个领域。1977年在法国巴黎召开了“织物在岩土工程中的应用国际会议”,后来人们把这次会议看成是第一届国际土工织物会议。1982年在美国拉斯维加斯召开了“第二届国际土工织物会议”。1983年在法国巴黎成立了“国际土工织物学会”(International Geotextile Society简称IGS)。1985年6月出版了第一个《国际土工织物学会时事通讯》刊物,1986年在奥地利维也纳召开了“第三届国际土工织物会议”。1990年在荷兰海牙召开了“第四届国际土工织物、土工膜及有关产品会议”。1994年在新加坡召开了“第五届土工织物,土工膜及有关产品会议”。在此次会议闭幕时决定:将“国际土工织物学会”更名为“国际土工合成材料学会”(International Geosynthetics Society仍简称IGS)。此后每四年召开一次会议。最近一次是2018年在韩国首尔召开了“第十一届国际土工合成材料会议及展览会”。

我国土工合成材料在岩土工程和土木建筑工程(以下简称土建工程)中的应用,开始于20世纪60年代中期,首先是土工膜在渠道防渗方面的应用,较早的工程有河南人民胜利渠、陕西人民引渭渠、北京东北旺灌区和山西的几处灌区。主要原料是聚氯乙烯,也有聚乙烯。土工膜厚度有0.12~0.38mm,效果都很好。以后推广到水库、水利和蓄水池等工程。1965年为了防治辽宁桓仁水电站混凝土支墩坝的裂缝漏水,用沥青聚氯乙烯热压膜锚固并粘贴于上游坝面,取得了良好的防渗效果,这是我国利用土工合成材料处理混凝土坝裂缝的首例。同年在河北省子牙新河献县枢纽,曾利用黏土夹土工膜作为进洪闸上游护坝的防渗措施。1979—1980年宁夏石嘴山市修建了一座容积为25万m3的蓄水池,采用厚度为0.1mm的聚氯乙烯土工膜防渗,运用多年,效果良好。1984年陕西西骆峪水库采用二层厚0.06mm的聚乙烯土工膜防止库区渗漏。从1983年开始,北京市采用了编织布与土工膜相结合的复合土工合成材料,解决了十几处已建中小型水利工程的渗漏问题,取得了成功的经验。较厚的土工膜到80年代中期才在我国开始应用。1986年河北省在乱木水库利用厚度为0.8mm的聚氯乙烯土工膜处理了库区台地的渗漏,1989年水口水电站利用土工织物和1.0mm土工膜的复合土工合成材料修筑堆石围堰的心墙。1990年广西柳州地区田村大坝使用的复合土工膜堆石坝,高达48m。1998年长江三峡工程大江截流后围堰防渗墙也使用了土工膜。1998年汉江王甫洲水利枢纽围堤防渗工程使用了120万m2一布一膜(200g/0.5mm)和二布一膜(200g/0.5mm/200g)的复合土工膜,其中土工布为涤纶针刺非织造布,防渗膜为聚乙烯土工膜。南水北调工程,新疆从北部雨水丰盛地向克拉玛依和乌鲁木齐进水工程等都大量使用土工膜或复合土工膜。另外,2mm厚的聚乙烯土工膜1992年应用于北京机场维修车间的屋面,随后还用于许多机场、宾馆、隧道以及新疆盐田一期工程、石家庄垃圾处理场等工程之中。

土工织物的应用,在我国起步较晚,但发展速度很快。1976年在江苏省长江嘶马护岸工程中,首先使用聚丙烯编织土工布(有纺土工织物),结合聚氯乙烯绳网和混凝土块压重,组成软体排,防止河岸冲刷。类似的软体排相继应用在江苏省江都西闸和湖北省长江堤防工程。进入80年代,编织土工布的应用日渐增多,除用于软体排外,还普遍应用于制造土、砂、石袋,土、石枕以及软弱地基加固等工程。1986年河北宣化洋河整治工程首先采用了防老化聚丙烯编织土工布用于露天水坝,经过10年的使用仍很好,说明它具有优良的防老化性能,这是我国防老化聚丙烯编织土工布露天使用最早和寿命最长的典型工程。1989年上海陈行水库采用聚丙烯编织土工布用于围堤充填袋、丁坝软体排、围堤坡面反滤结构等。整个工程用量150万m2。1993年长江三峡工程采用六面体土工袋用于护坡和边坡堆砌。

无纺土工织物的应用,开始于80年代初期。从1981—1985年,铁路部门曾布置了几十个试验路段,利用无纺土工织物(非织造土工布)防止基床的翻浆冒泥,成功率达90%以上。1984年,云南的军用道路及江苏省和吉林省的一些公路利用无纺土工织物提高路基强度,解决路基沉陷及翻浆冒泥等问题。针刺非织造土工布在水利工程中的应用发展更为迅速。1984—1985年间,云南麦子河水库,江苏昆山暗管排水工程,内蒙古翰嗄利水库,天津鸭淀水库,黑龙江引嫩工程,河北庙宫水库都用其作为反滤层,经过多年的考验,效果全都良好。自80年代中期以后,非织造土工布的应用很快推广到储灰坝、尾矿坝、水坠坝、港口码头、海岸护坡以及地基处理等工程。1993年海南省桂林洋经济开发区交通干线A大道上,修建了路面宽达36m的跨沟渠公路桥。在软基处理、护底、基础、桥台、桥墩等方面采用了编织土工布、非织造土工布、工程带、塑料排水管等土工合成材料。其中尤为突出的是在袋装砂井处理完的软土地基上采用加筋土方案修筑了近3m厚的基础工程和采用加筋土方案修筑了独立且过水的桥墩,创下了世界罕见之举。1997年上海长江口深水航道治理一期工程,采用复合土工织物(即机织与针刺非织造复合土工布,编织与针刺非织造复合土工布)、聚丙烯编织土工布、机织模袋土工布以及丙纶加筋带、防老化丙纶连结绳等。一期工程土工织物总量约为811万m2。其中护底工程软体排土工布用量约为582万m2,复合土工袋充填砂土工布用量约为229万m2。这是我国跨世纪的特大工程之一。

我国在土工格栅、土工模袋、土工网、土工垫、土工格室、土工泡沫板、排水带(板)、土工管等方面也发展很快。1981—1983年,天津新港试用排水带(板)用于加固软土地基,80年代末期已推广应用于七八个省市的港口码头、高速公路、电厂厂房、飞机场、铁路等工程。1993年京九铁路采用排水带用于软基处理。1993年京广线和湘桂线三个工点首次试用土工格室加固软弱基床表层。取得成效后,1995年扩大试验到焦柳线。1995年南昆铁路贵州省境内红果段路堤边处理和贵州省六盘水市环城公路软基处理,都采用了土工格栅。1993年黄河小浪底水库上游,采用土工网植草护岸,并取得成功,1996年长江三峡水利枢纽让水坪——三峡工程大坝右坝肩临时公路工程,采用了土工网用于无铺砌面道路中增强。浇筑混凝土用的土工模袋,开始试用于江苏省南官口岸,到80年代末期,已推广到七八个省市三十几项工程。1996年辽宁大洼三角洲开发区平原水库,采用土工模袋护坡。工程使用土工模袋30多万m2。土工塑料管(低压水管道),70年代末从国外引进,已普遍应用于河北、山东、河南、山西、东北各省和京、津两市大部分的井灌区。1992年土工泡沫板(EPS)已经在黑龙江阿城、河北涞源和吉林等地用于整治铁路路基冻害。其他类型的土工合成材料,如合成橡胶、塑料锚杆、塑料绳带等,也在我国土建工程中应用。

纵观我国土工合成材料的发展史,可将其应用历程大致分为三个阶段:即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;90年代后期开始的逐渐成熟阶段。可以说,土工合成材料的应用几乎已渗透到岩土工程和其他工程建设的各个角落,充分说明了它具有强大的生命力。

2007—2010年在上海青草沙水库工程中,使用了近1.05亿m2土工合成材料,其中:土工织物1亿m2(即:防老化有纺土工织物2805万m2;无纺土工织物361.54万m2);复合土工膜3.37万m2;加筋土工格栅2.71万m2;塑料排水板400万m。

我国1984年成立了全国性的“土工织物科技情报协作网”。1986年改名为“土工合成材料技术协作网”,同年在天津召开了“全国土工织物学术讨论会”。后来人们把这次会议看成是第一届全国土工合成材料学术讨论会。1989年在沈阳召开了“第二届全国土工合成材料学术讨论会”,同时成立了国际土工织物学会中国委员会。1992年在江苏仪征召开了“第三届全国土工合成材料学术讨论会”。1994年成立了中国土工合成材料工程协会(Chinese Technical Association on Geosynthetics,简称CTAG)。1996年在上海召开了“第四届全国土工合成材料学术会议”。此后每四年召开一次会议。最近一次是2016年在武汉召开了“第九届中国土工合成材料学术会议”。上述学术团体和学术活动有效地推动了中国土工合成材料生产和应用技术的发展。

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最后更新:2024-3-30