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。