土工合成材料綜述

1、 土工合成材料綜述第一節(jié) 土工合成材料的含義及其應(yīng)用概況第二節(jié) 土工合成材料的種類第三節(jié) 土工合成材料的耐久性和防護保養(yǎng)第四節(jié) 土工合成材料的性能和測試方法 千百年來，在水利工程中，人們廣泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金屬材料，但它們都有一些固有的缺陷，例如性能單一，質(zhì)量大，壽命不長，價格昂貴等，故不能全面滿足工程的特定需要。同時天然材料畢竟數(shù)量有限，而且不少天然植物材料如過分利用還會影響自然界的生態(tài)平衡，破壞人們賴以生存的環(huán)境空間，例如大規(guī)模地砍伐森林樹木，破壞地表植被，會造成水土流失和荒漠化。有些金屬材料雖然性能良好，但容易銹蝕，且成本較高，從而限制了其應(yīng)用范圍。隨著近

2、代化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，品種繁多的人工合成材料陸續(xù)問世。它們具有多種能滿足工程需要的性能，可制成各種符合實用目的的產(chǎn)品，而且由于其質(zhì)量輕、施工簡易、運輸方便、價格低廉、料源豐富等優(yōu)點，為巖土工程提供了一種嶄新的較為理想的材料，并由此帶來一種實施簡便和經(jīng)濟有效的技術(shù)途徑。鑒于這種人工合成材料的強大生命力，因此近二三十年來在全世界范圍內(nèi)得到迅速的發(fā)展和廣泛的使用。據(jù)不完全統(tǒng)計，它們已在數(shù)十萬項工程中得到成功的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益；在一些抗御自然災(zāi)害的斗爭中，更顯出其快捷、有效、簡便的特點。無怪乎這一項新材料和新技術(shù)被人們譽為20世紀(jì)巖土工程中的一項技術(shù)革命。第一節(jié) 土工合成材料的含

3、義及其應(yīng)用概況什么是土工合成材料，概括而言，土工合成材料是應(yīng)用于巖土工程的、以合成材料為原材料制成的各種產(chǎn)品的統(tǒng)稱。因為它們主要用于巖土工程，故冠以“土工”(geo一)兩字，稱為“土工合成材料”，以區(qū)別于天然材料。 土工合成材料在早期曾被稱為“土工織物”(geotextile)和“土工膜”(geomembrane)。隨著工程需要，這類材料不斷有新的品種出現(xiàn)，例如土工格柵、土工網(wǎng)和土工模袋等，原來的名稱已不能準(zhǔn)確地涵蓋全部產(chǎn)品，這樣，在其后的一段時期內(nèi)，把它們稱之為“土工織物、土工膜和相關(guān)產(chǎn)品(related product)”。顯然，這樣的名稱不宜作為一種技術(shù)名詞或?qū)W術(shù)名詞。為此，1994年在

4、新加坡召開的第五屆國際土工合成材料學(xué)術(shù)會議上，正式確定這類材料的名稱為“土工合成材料”(geosynthetics)。土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它們是由煤、石油、天然氣或石灰石中提煉出來的化學(xué)物質(zhì)制成，再進一步加工成纖維或合成材料片材，最后制成各種產(chǎn)品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。聚乙烯是在1931年前后，首先由英國ICI公司研制成功的，1939年成為商品在市場上出售，它是聚合物中分子結(jié)構(gòu)最簡單的一種，可分為低分子量和高分子量兩類。聚乙烯的比重為0.92，耐酸堿，抗化學(xué)劑能力強，

5、吸濕性低，低濕時仍具柔性，電絕緣性極好。在1950年前后，又開發(fā)出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、機械強度、熔點和硬度等都比低密度的為優(yōu)。 聚酰胺約在1935年研制成功，俗名為尼龍，其吸濕性較高，干燥時有一定絕緣性、機械性能好。 聚酯于1941年前后問世，它包括聚酯樹脂、聚酯纖維和聚酯橡膠等。 聚丙烯于1954年研制出來，1957年成為商品出售。它的比重為0.900.91，耐溫范圍-301400C，耐化學(xué)劑性能較好，惰性強，價格低廉，是目前應(yīng)用最多的原材料之一。此外，常用的原材料還有聚氯乙烯，它的比重為1.4，具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性，不燃燒，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。以上五種原材

6、料的性能對比如表1-1所示。表1-1幾種高分子聚合物性能對比性能高分子聚合物聚酯聚酰胺聚丙烯聚乙烯聚氯乙烯單位質(zhì)量高中低低高強度高中低低低彈性模量高中低低低破壞應(yīng)變中中高高高蠕變性低中高高抗紫外線高中中低高耐堿性低高高高高耐霉、耐蟲中中中高高 應(yīng)當(dāng)指出，材料的強度還與纖維的制作方法有關(guān)。在應(yīng)用土工合成材料時，其性能更受施工方法、應(yīng)用環(huán)境和側(cè)限壓力大小的影響。 土工合成材料的最早應(yīng)用可追溯到本世紀(jì)二三十年代。1926年美國南卡羅林拉州公路部門曾采用過在棉布上灑瀝青而制成的材料，其形式類似于土工膜。其后，人們曾采用聚氯乙烯PVC土工膜作為游泳池的防滲材料。50年代初，美國墾務(wù)局采用PVC土工膜作防

7、滲襯砌。前蘇聯(lián)以聚乙烯膜進行渠道防滲也有較長歷史。 以近代人工聚合物為原料的土工織物的最早應(yīng)用實例，是50年代初的荷蘭三角洲工程。據(jù)估計，用量超過了1000萬m2，大大促進了土工合成材料的工程應(yīng)用。60年代，美國逐漸擴展了采用土工織物修建護坡下的墊層和反濾以及護岸等，并將土工織物鋪在瀝青路面中以防止路面反射裂縫。土工網(wǎng)于1968年在日本開始應(yīng)用，主要用在填土坡，幫助坡緣填土壓實，以增大其強度和穩(wěn)定性。與此同時，土工網(wǎng)也被用在軟基上筑堤，以后又發(fā)展為在堤底全面鋪設(shè)。非織造土工合成材料技術(shù)可能于1967年在美國、法國、英國開始應(yīng)用，它是一種較厚的聚酯非織造土工織物，作為大壩上游拋石護坡下的反濾層，

8、或作為基土與其上覆蓋的粗粒料之間的隔離層。非織造織物的出現(xiàn)為土工織物的應(yīng)用開辟了較廣闊的天地。 80年代后出現(xiàn)了排水帶，路堤下用非織造織物作加筋，以及土工織物加筋擋墻等應(yīng)用實例。我國應(yīng)用土工合成材料開始較晚，但發(fā)展速度很快。目前幾乎在各種類型的巖土工程和大量的水利及堤防工程中都得到應(yīng)用。1974年江蘇省江都嘶馬用織造型土工織物制成的軟體排，結(jié)合混凝土塊壓重，進行長江護岸。稍后江都西閘和湖北省長江堤防也都采用了軟體排。非織造土工織物用作反濾料的工程實例更多，云南麥子河水庫用得最早。80年代中期，非織造土工織物在尾礦壩和灰堤等工程中得到應(yīng)用。塑料排水帶早在80年代初即在天津新港用于加固軟基，目前排

9、水帶在高速公路和機場工程已應(yīng)用得十分廣泛。混凝土模袋最早用于江蘇南宮河口岸，80年代末已成功應(yīng)用于30多項工程。加筋土擋墻已修建不少。近年來我國已能生產(chǎn)土工格柵，其工程需求量很大，預(yù)計會大大促進加筋土技術(shù)的快速發(fā)展。聚苯乙烯板塊在我國寒冷地區(qū)早已用于工程防凍。近來土工格室、植被土工網(wǎng)墊等新技術(shù)也已開始應(yīng)用。根據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今我們采用土工合成材料的工程已逾8000項。在1998年夏秋，在長江和松花江、嫩江特大洪災(zāi)的防汛搶險工作中，土工合成材料發(fā)揮了重要作用。國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)高瞻遠(yuǎn)矚，在災(zāi)后多次批示和指示，工程界和制造廠商積極響應(yīng)，展現(xiàn)了前所未有的應(yīng)用土工合成材料熱潮。可以預(yù)見，我國的土工合成材料的應(yīng)

10、用程度、技術(shù)水平、以及產(chǎn)品的質(zhì)量和品種在不遠(yuǎn)的將來必將邁上一個新臺階。第二節(jié) 土工合成材料的種類 我國GB5029098土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范將土工合成材料分為以下四大類：土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料，它們又各分為數(shù)種?，F(xiàn)擇要介紹如下。 一、土工織物（geotextile）土工織物是一種透水性材料，按制造方法不同?？蛇M一步劃分為圖1-1所示的各種類型。土工織物織造（有紡）單絲多絲裂膜非織造（無紡）熱粘合化學(xué)粘和機械粘和（針刺）編織圖1-1 土工織物分類(一) 織造型土工織物(woven geotextile) 這類產(chǎn)品又稱有紡?fù)凉た椢?，是最早的土工織物產(chǎn)品。它的制造分兩道工序

11、：先將聚合物原料加工成絲或紗或帶，再借織機制成平面結(jié)構(gòu)的布狀產(chǎn)品?？椩鞎r常包括相互垂直的兩組平行絲，如圖1-2。沿織機(長)方向的稱經(jīng)絲，橫過織機(寬)方向的稱緯絲。這種織物看來簡單，卻有著不同的絲種和不同的織法。 絲種包括單絲、多絲及二者的混合。單絲是單根絲，典型直徑約為圖1-2土工織物的經(jīng)緯絲0.5mm，它是將聚合物熱熔后從模具中擠壓出來的連續(xù)長絲。在擠出同時或剛擠出后將絲拉伸，使其中的分子定向，以提高絲的強度。多絲是由若干根單絲組成的，在制造高強土工織物時常采用多絲。多絲也有用切割圖1-2 土工織物的經(jīng)緯絲成的短絲(一般長100mm)搓擰而成的。早期的土工織物系由單絲織成，后來發(fā)展為采用

12、扁絲。扁絲是由聚合物薄片經(jīng)利刀切成的薄條，其厚度比單絲薄得多，且在切片前后都要牽引拉伸以提高其強度。扁絲寬度約為3mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多數(shù)編織土工織物是由扁絲織成，而圓絲和扁絲結(jié)合織成的織物有較高的滲透性，如圖1-3。 另一種特殊的扁絲叫裂膜絲(fabrillated yarn)，它是將一根扁絲剖成許多根細(xì)絲，但仍連在一起。由裂膜絲織成的織物較為密實，柔軟而滲透性小。多絲和裂膜絲結(jié)合織成的編織物厚度可達12mm，比扁絲織成的要厚。圖1-3 圓絲和扁絲織成的織物織造型土工織物有三種基本的制造型式：平紋、斜紋和緞紋。平紋是一種最簡單、應(yīng)用最多的織法。其形式是經(jīng)、緯絲一上一下，如圖1-

13、2、圖1-3。斜紋則是經(jīng)絲跳越幾根緯絲，最簡單的形式是經(jīng)絲二上一下，如圖1-4。緞紋織法是經(jīng)絲和緯絲長距離的跳越，例如經(jīng)絲五上一下，這種織法適用于衣料類產(chǎn)品。 在織造時，由于梭子要不斷地牽引緯絲從經(jīng)絲的空間中穿過，故要求經(jīng)絲強度比緯絲的高。采用不同的絲和紗以及不同的織法，可以使織成的產(chǎn)品具有不同的特性。例如平紋織物有明顯的各向異性，如圖1-5，其經(jīng)、緯向的摩擦系數(shù)也不一樣；圓絲織物的滲透性一般圖1-4 斜紋土工織物圖1-5土工織物抗拉模量極坐標(biāo)曲線1-織造土工織物；2-非織造土工織物；3-短纖維非織造土工織物比扁絲的要高，每厘米長的經(jīng)絲間穿越的緯絲愈多，織物也愈密愈強，滲透性則愈低。單絲的表面

14、積較多絲的要小，其防止生物淤堵的性能要好一些。聚丙烯的老化速度比聚酯和聚乙烯的要快，等等。由此可見，可以借調(diào)整絲(紗)的材質(zhì)、品種和織造方式等來得到符合工程要求的強度、經(jīng)緯強度比、摩擦系數(shù)、等效孔徑和耐久性等項指標(biāo)。在工程實施中應(yīng)根據(jù)具體要求來優(yōu)選產(chǎn)品，鋪設(shè)時要注意材料的合理鋪設(shè)方向。 (二) 非織造型土工織物(non-woven geotextile)這類產(chǎn)品又稱無紡?fù)凉た椢?。根?jù)粘合方式的不同，非織造型土工織物分為熱粘合、化學(xué)粘合和機械粘合等三種。 熱粘合非織造型土工織物的制造，是將纖維在傳送帶上成網(wǎng)，讓其通過兩個反向轉(zhuǎn)動的熱輥之間熱壓，纖維網(wǎng)受到一定溫度后，部分纖維軟化熔融，互相粘連，冷

15、卻后得到固化。該法主要用于生產(chǎn)薄型土工織物，厚度一般為O.51.0mm。由于纖維是隨機分布的，織物中形成無數(shù)大小不一的開孔。再因為無經(jīng)緯絲之分，故其強度的各向異性不明顯。 紡粘法是粘合法中的一種，是將聚合物原料經(jīng)過熔融、擠壓，紡絲成網(wǎng)，纖維加固后形成的產(chǎn)品。這種織物厚度薄而強度高，滲透性大。由于制造流程短，產(chǎn)品質(zhì)量好，品種規(guī)格多，成本低，用途廣，近年來在我國發(fā)展較快。 化學(xué)粘合法土工織物，是通過不同工藝，將粘合劑均勻地施加到纖維網(wǎng)中，待粘合劑固化，纖維之間便互相粘連，使網(wǎng)得以加固，厚度可達3mm。常用的粘合劑有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合劑前加以滾壓，得到較薄的和孔徑較小的產(chǎn)品。這類產(chǎn)

16、品在工程中的應(yīng)用較少。 機械粘合法是以不同的機械工具將纖維網(wǎng)加固，應(yīng)用最廣的是針刺法，還有用水刺法的。針刺法利用裝在針刺機底板上的許多截面為三角形或棱形且側(cè)面有鉤刺的針，由機器帶動，作上下往復(fù)運動，讓網(wǎng)內(nèi)的纖維互相纏結(jié)，從而織網(wǎng)得以加固。產(chǎn)品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，滲透性大，反濾排水性能均佳，在水利工程中應(yīng)用很廣。水刺法是利用高壓噴射水流射入纖維網(wǎng)，使纖維互相纏結(jié)加固。其產(chǎn)品較為柔軟，主要用作衛(wèi)生用品，工程中尚未應(yīng)用，二、土工膜(geomembrane)土工膜是一種基本不透水的材料。根據(jù)原材料不同，可分為聚合物和瀝青兩大類。為滿足不同強度和變形需要，又有不加筋和加筋的區(qū)分。聚合物膜在工

17、廠制造，瀝青膜則大多在現(xiàn)場制造。 制造土工膜的聚合物有熱塑塑料(如聚氯乙烯)、結(jié)晶熱塑塑料(如高密度聚乙烯)、熱塑彈性體(如氯化聚乙烯)和橡膠(如氯丁橡膠)等。 工廠制造土工膜的方法主要有擠出、壓延或加涂料等。擠出是將熔化的聚合物通過模具制成土工膜，厚0.254mm。壓延則是將熱塑性聚合物通過熱輥壓成土工膜，厚0.252mm。加涂料是將聚合物均勻涂在紙片上，待冷卻后將土工膜揭下來而成。 現(xiàn)場制造土工膜是在地面噴涂或敷一層冷或熱的粘滯聚合物而成。瀝青土工膜用的是瀝青聚合物或合成橡膠。制造土工膜時還需要摻入一定量的添加劑，使在不改變材料基本特性的情況下，改善其某些性能和降低成本。例如摻入碳黑可以提

18、高抗日光紫外線能力，延緩老化；摻人鉛鹽、鋇、鈣等衍生物以提高材料的抗熱、抗光照穩(wěn)定性；摻人滑石等潤滑劑以改善材料可操作性；摻入殺菌劑可防止細(xì)菌破壞等。對于瀝青類土工膜，其主要的摻人材料是一些填料或纖維。填料可為細(xì)礦粉，它能增加膜的強度且降低其成本；加入纖維，也是為提高膜的強度。三、土工復(fù)合材料(geocomposite)土工復(fù)合材料是兩種或兩種以上的土工合成材料組合在一起的制品。這類制品將各組合料的特性相結(jié)合，以滿足工程的特定需要。不同的工程有不同的綜合功能要求，故土工復(fù)合材料的品種繁多，可以說土工復(fù)合材料是當(dāng)前和今后一段時期發(fā)展的大方向。 (一) 復(fù)合土工膜(composite geomem

19、brane)復(fù)合土工膜是將土工膜和土工織物（包括織造和非織造型）復(fù)合在一起的產(chǎn)品。應(yīng)用較多的是非織造針刺土工織物，其單位面積質(zhì)量一般為200600g/m2。復(fù)合土工膜在工廠制造時可以有兩種方法，一是將織物和膜共同壓成；另外也可在織物上涂抹聚合物以形成二層（俗稱一布一膜）、三層（二布一膜）、五層（三布二膜）的復(fù)合土工膜。 復(fù)合土工膜有許多優(yōu)點，例如：以織造型土工織物復(fù)合，可以對土工膜加筋，保護膜不受運輸或施工期間的外力損壞；以非織造型織物復(fù)合，不僅對膜提供加筋和保護，還可起到排水排氣的作用，同時提高膜面的摩擦系數(shù)，在水利工程和交通隧洞工程中有廣泛的應(yīng)用。 (二) 塑料排水帶(prefabrica

20、fed strip drain) 塑料排水帶是由不同截面形狀的連續(xù)塑料芯板外面包裹非織造土工織物（濾膜）而成。芯板的原材料為聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多種型式，常見的有城垛式、和乳頭式等，如圖1-6。芯板起骨架作用，截面形成的縱向溝槽供通水之用，而濾膜多為滌綸無紡織物，作用是濾土、透水。塑料排水帶的寬度一般為100mm，厚度3.54mm，每卷長100200m，每米重約0.125kg。我國目前排水帶的寬度最大達230mm，國外已有2m以上的寬帶產(chǎn)品。 塑料排水帶的施工是利用插帶機將其埋沒在土層中的預(yù)定位置。塑料帶前端與錨靴相連，用插帶機導(dǎo)桿頂住錨靴，插入土層中，達到預(yù)定深度后拔出導(dǎo)桿，

21、但排水帶仍留在預(yù)定位置，在高出地面一定高度(0.5m左右)剪斷排水帶。施工時可用靜荷或動荷送桿，靜荷送桿對土層擾動小，較為常用。我國插帶機的插入深度可達約25m，入士速率可達6m/min。排水帶的平面分布間距可借理論計算確定，一般為l2m。排水帶插入軟基后，為排除土中的多余水量提供了捷徑，多余水可水平向通過帶的濾膜進入芯板溝槽，再向上由地表的透水料墊層排走。排水帶在公路、碼頭、水閘等軟基加固工程中應(yīng)用廣泛，以加速軟土固結(jié)。 (三)軟式排水管圖1-6塑料排水帶斷面示意圖（單位：mm）（a）城垛式；（b）口琴式 （c）乳頭式 軟式排水管又稱為滲水軟管，是由高強鋼絲圈作為支撐體，以及具有反濾、透水及

22、保護作用的管壁包裹材料兩部分構(gòu)成的，如圖1-7。高強鋼絲由鋼線經(jīng)磷酸防銹處理，外包一層PVC材料，使其與空氣及水隔絕，避免氧化生銹。包裹材料有三層，內(nèi)層為透水層，由高強特多龍紗或尼龍紗作為經(jīng)紗，特殊材料為緯紗制成；中層為非織造土工織物過濾層；外層為與內(nèi)層材料相同的覆蓋層。為確保軟式排水管的復(fù)合整體性，支撐體和管壁外裹材料間，以及外裹各層之間圖1-7軟式排水管構(gòu)造示意圖都采用了強力粘結(jié)劑粘合牢固。目前市場出售的管徑分別為50.1mm、80.4mm和98.3mm，相應(yīng)的通水量(坡降i1/250)為45.7cm3/s、162.7cm3/s、311.4cm3/s。 軟式排水管兼有硬水管的耐壓與耐久性能

23、，又有軟水管的柔性和輕便特點，過濾性強，排水性好，可用于各種排水工程中。 (四) 其他復(fù)合排水材料現(xiàn)在已生產(chǎn)出各種型式芯材和外包濾膜的復(fù)合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各種奶頭形的，有土工網(wǎng)的，還有用塑料絲纏成的網(wǎng)狀體的等等(圖1-8)，它們均具有較大的排水能力，可按工程需要選用。圖1-8 復(fù)合排水材料四、土工特種材料土木特殊材料是為工程特定需要而生產(chǎn)的產(chǎn)品，品種多，現(xiàn)選擇幾種主要產(chǎn)品說明如下。(一) 土工格柵(geogrid)土工格柵是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先沖孔，然后進行拉伸而成的帶長方形或方形孔的板材，如圖1-9。加熱拉伸是讓材料中的高分子定向排列，以獲得較高的抗拉強度和較

24、低的延伸率。按拉伸方向不同，格柵分為單向拉伸(孔近矩形)和雙向拉伸(孔近方形)兩種。前者在拉伸方向上有較高強度，后者在兩個拉伸方向上皆有較高強度。圖1-9土工格柵（a）“坦薩”SS2；（b）“奈特龍”CE121；（c）“坦薩”SR2；（d）“坦薩”GM1圖 l-10加筋帶焊成的土工格柵 土工格柵因其高強度和低延伸率而成為加筋的好材料，例如英國奈特龍(Netlon)公司生產(chǎn)的坦薩(TENSAR)SR2(單向)的縱、橫向抗拉強度分別為80kN/m和13kN/m，延伸率分別為9和15(常溫下)。土工格柵埋在土內(nèi)，與周圍土之間不僅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其開孔中，還有較高的咬合力，它與土的摩擦系

25、數(shù)可以高達0.81.0。土工格柵的品種和規(guī)格很多，目前開發(fā)的新品種有用加筋帶縱橫相連而成的(圖1-10)，也有用高強合成材料絲縱橫連接而成的，等等。 (二) 土工網(wǎng)(geonet) 土工網(wǎng)是以聚丙烯或聚乙烯為原料，應(yīng)用熱塑擠出法生產(chǎn)的具有較大孔徑和較大剛度的平面結(jié)構(gòu)材料。可因網(wǎng)孔尺寸、形狀、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差異。一般而言，土工網(wǎng)的抗拉強度都較低，延伸率較高，以英國NETLON系列為例，其抗拉強度僅為28kN/m，延伸率一般達到20以上。這類產(chǎn)品常用于坡面防護、植草、軟基加固墊層，或用于制造復(fù)合排水材料。一般說來，它只有在受力水平不高的場合，才能用于加筋。(三) 土工模袋(

26、fabriform) 土工模袋是由上下兩層土工織物制成的大面積連續(xù)袋狀材料，袋內(nèi)充填混凝土或水泥砂漿，凝固后形成整體混凝土板，可用作護坡。這種袋體代替了混凝土的澆注模板，故而得名。模袋上下兩層之間用一定長度的尼龍繩來保持其間隔，可以控制填充時的厚度。澆注在現(xiàn)場用高壓泵進行?；炷粱蛏皾{注入模袋后，多余水量可從織物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使強度增高。 按加工工藝的不同，可將模袋分為兩類，即機織模袋和簡易模袋。前者是由工廠生產(chǎn)的定型產(chǎn)品，而后者是用手工縫制而成。 機織模袋按其有無排水點和充填后成型的形狀分成許多種。我國現(xiàn)行的機織模袋有下列五種，其形狀、規(guī)格與用途見表1-2表1-

27、2 模袋的種類及其主要用途名稱厚度（cm）充填材料主要用途有過濾點（FP型）PF95N6.5砂漿臨時堤防工程或其他臨時性工程保護橋臺坡面工程修理坡面的毀壞農(nóng)業(yè)用運河（三面鋪填工程）FP100N10FP150N15150FP10200FP14250FP16.5薄型無過濾點（NF型）NF505砂漿農(nóng)業(yè)用水庫高爾夫球場人工池塘NF10010100UAD10150UAD15厚型無過濾點（CX型）CX15015粗粒料直徑1015mm以下的混凝土防止侵蝕護岸工程建筑碼頭工程（專用漁船、快艇等）CX20020CX30030粗粒料直徑25mm以下的混凝土CX50050CX70070鉸鏈型（RB型）RB1001

28、0砂漿軟弱地坡面的保護工程保護河川、河床、河岸工程RB15015框架型（NB型）NB36空隙30cm60cm砂漿坡面綠化工程高爾夫球場、住宅地面保護工程NB22空隙22cm22cm1有過濾點模袋(FP) 過濾點將上下兩片織物連在一起，濾點處不讓泵液進入，它可供排除土坡滲水，消除孔隙水壓力。這類模袋充填砂漿。2薄型無過濾點模袋(NF) 這類模袋只有接縫排水，充填料用砂漿，適用于無水位驟降和無防滲要求的護坡。3厚型無過濾點模袋(CX) 充填細(xì)砂混凝土，厚度大，用于重型防護工程，如海灣、碼頭護岸。4鉸鏈型模袋(RB) 這類模袋充填砂漿凝固后，形成許多獨立而又以尼龍繩相聯(lián)的塊體，塊與塊間能自由轉(zhuǎn)動，排

29、水通暢，適用于有較大不均勻沉降和地形變化大的坡面或地基防沖。 5框架型模袋(NB)這類模袋充填砂漿后形成方形或長方形格子，格中可種植花草，既可護坡，又美化環(huán)境。 此外，近年來美國HYDROTEX公司還生產(chǎn)一種稱為AB型的模袋，其中插有鋼筋，為鉸鏈?zhǔn)?，強度高，適用于海岸防護。(四) 土工格室(geocell)土工格室是由強化的高密度聚乙烯寬帶，每隔一定間距以強力焊接而形成的網(wǎng)狀格室結(jié)構(gòu)。典型的條帶厚1.2mm、寬100mm，每隔300mm進行焊接。閉合和張開時的形狀如圖1-11。格室張開后，可填以土料，由于格室對土的側(cè)向位移的限制，可大大提高土體的剛度和強度。它可用于處理軟弱地基，增大其承載力，

30、沙漠地帶可用于固沙，還可用于護坡等。(a)圖1-11土工格室（a）規(guī)格；（b）鋪設(shè)后(五) 土工管(geotex tube)、土工包(geocontainer) 土工管、土工包是用經(jīng)防老化處理的高強土工織物制成的大型管袋及包裹體，可有效地護岸和用于崩岸搶險，或利用其堆筑堤防，解決疏浚棄土的放置難題。土工包是將大面積高強度的土工織物攤鋪在可開底的空駁船內(nèi)，充填200800m3料物，將織物包裹閉合，運到一定部位，沉至預(yù)定位置。在國外，該技術(shù)大量用于環(huán)保。(六) 聚苯乙烯板塊(EPS) 聚苯乙烯板塊稱泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物為原料，加入發(fā)泡劑制成的。它的主要特點是質(zhì)量極輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率小，

31、但也有一定抗壓強度。其單位體積質(zhì)量僅20.440.8kg/m3，為砂和混凝土的1/501/100，屬超輕型材料；導(dǎo)熱系數(shù)為p0.030.038kcalmH，吸水率僅為O.150.20g/100cm3。由于其質(zhì)輕，可用它代替土料，填筑橋端的引堤，解決橋頭跳車問題。其導(dǎo)熱系數(shù)低，故在寒冷地帶，可用該材料板塊防止結(jié)構(gòu)物凍害，例如在擋墻背面或閘底板下，放置泡沫塑料以防止凍脹等。(七) 土工合成材料粘土墊層(Geosynthetic Clay Liner簡稱GCL)土工合成材料粘土墊層是由兩層或多層土工織物(或土工膜)中間夾一層膨潤土粉末(或其他低滲透性材料)以針刺(縫合或粘接)而成的一種復(fù)合材料。它與

32、壓實粘土墊層相比，具有體積小、質(zhì)量輕、具柔性、密封性良好、抗剪強度較高、施工簡便、適應(yīng)不均勻沉降等優(yōu)點，可以代替一般的粘土密封層，用于水利或土木工程中的防滲或密封設(shè)計。國外大量用于廢料坑的底部防滲襯砌和頂部封蓋。產(chǎn)品的具體規(guī)格和用途可參見第六章第三節(jié)。第三節(jié)土工合成材料的耐久性和防護保養(yǎng)一、影響耐久性的主要因素 土工合成材料的原材料是高分子聚合物。這種物質(zhì)是鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，它對氧化(老化)十分敏感，容易發(fā)生降解反應(yīng)和交換反應(yīng)，導(dǎo)致材料破壞。為此，土工合成材料的使用壽命自然引起工程人員的高度關(guān)注。 氧化包括熱和溫度引起的熱氧化，以及陽光中紫外線產(chǎn)生的光氧化。其中光氧化的破壞作用很強，因為紫外線具有很大

33、能量，能切斷聚合物的分子鏈，或引發(fā)光氧化反應(yīng)。此外，影響材料耐久性的還有化學(xué)與生物侵蝕、干濕作用、凍融變化和機械磨損等，但以日照紫外線的影響最重要。 各種原材料抗紫外線的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚酯最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其間，顏色淺的比深的差。由于老化是從表層逐漸向內(nèi)部發(fā)展，故產(chǎn)品厚的較薄的耐老化。二、延緩老化的措施 老化是高分子材料的固有特性之一，不能完全消除，但如果采取有效措施，可以大大延緩。延緩老化的措施可以從兩方面著手：一方面是在原材料中加人防老化劑，抑制光、氧、熱等外界因素對材料的作用，如摻適量的抗氧劑、光穩(wěn)定劑和深色碳黑等。有的單位在聚丙烯中加入防老化劑，經(jīng)4年日光直接爆曬，

34、強度僅損失25，如果不加防老化劑，直接在日光下照射23月，強度即損失殆盡。另一方面是在工程中采取防護措施，如盡量縮短材料在日光中的暴露時間，用巖土(要求在30cm厚以上)或深水覆蓋等。老化破壞程度常以材料的某物理力學(xué)量的變化率來反映，例如材料抗拉強度的損失或延伸率的變化等。 三、部分現(xiàn)場觀測成果以下是一些實際工程中土工合成材料經(jīng)長期工作后的檢測結(jié)果。 (1)1958年，美國佛羅里達州海岸護坡首先用PVC織造型土工織物作墊層，27年后取樣試驗，其性能仍十分良好。 (2)1965年，中國水利水電科學(xué)研究院在北京東北旺農(nóng)場用PVC土工膜(厚0.120.15mm)鋪在渠道上作防滲試驗，埋在土下3040

35、cm，運行20年后仍保持良好防滲性。 (3)1970年，法國法拉克羅斯土壩用滌綸(聚酯)非織造土工織物作護坡墊層，運行6年后取樣測定，抗拉強度僅減小8。法國許多工程采用這種織物，運行12年后，絕大部分強度損失不到30。(4)1981年，葛洲壩水力發(fā)電工程二江泄水閘基礎(chǔ)按長江委長科院的研究成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、滌綸織造土工織物的組合體作為基巖排水孔的過濾體。運行15年后抽樣檢測，發(fā)現(xiàn)織物在pH值為9.0210.58的水下工作，其經(jīng)向強度僅下降48.5，緯向強度下降7.522.5。(5)西德漢諾威大學(xué)的試驗表明，在有防護條件下，運行15年，滌綸織物強度損失不到5，丙綸織物強度損

36、失不到10。而且老化速度隨時間明顯減緩。 鑒于土工合成材料在工程應(yīng)用中具有一定的抗老化能力，故有些國家的某些文件中對其使用年限作了較為寬限的規(guī)定，如前蘇聯(lián)BCH07-74土石壩應(yīng)用聚乙烯防滲結(jié)構(gòu)須知中規(guī)定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超過50年的建筑物。奧地利林茨公司發(fā)表的“聚丙烯土工合成材料的長期性狀”一文中的結(jié)論寫道：“對聚丙烯的15年以上的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗表明，它們的化學(xué)和生物穩(wěn)定性高；織物的最大損壞是在施工中；鋪設(shè)以后沒有大變化；可預(yù)期超過100年的穩(wěn)定性”。 綜上所述，根據(jù)經(jīng)驗和合理推論，一般認(rèn)為土工合成材料的使用壽命至少在30年以上。事實上，英國NETLON公司對其產(chǎn)品的設(shè)計年限是12

37、0年。第四節(jié) 土工合成材料的性能和測試方法一、土工合成材料性能指標(biāo)的分類土工合成材料被廣泛應(yīng)用于水利和巖土工程的各個領(lǐng)域。不同的工程對材料有不同的功能要求，并因此而選擇不同類型和不同品種的土工合成材料。為使土工合成材料在施工期和運用期能正常工作，必須有合理的設(shè)計方法和使用規(guī)范，統(tǒng)一的設(shè)計指標(biāo)，并通過實驗驗證。土工合成材料的指標(biāo)一般可分為物理性能指標(biāo)、力學(xué)性能指標(biāo)、水力性能指標(biāo)、土工合成材料與土相互作用指標(biāo)及耐久性指標(biāo)等。下面逐一加以簡單介紹。(一) 物理性能指標(biāo)1.單位面積質(zhì)量單位面積質(zhì)量，系1平方米土工織物的質(zhì)量，稱為土工織物的基本質(zhì)量，單位為g/m2。它是土工織物的一個重要指標(biāo)。對于任何一

38、種系列產(chǎn)品來說，土工織物的單價與單位面積質(zhì)量大致成正比，其力學(xué)強度隨質(zhì)量增大而提高。因此，在選用產(chǎn)品時單位面積質(zhì)量是必須考慮的技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)。 2.厚度 指土工織物在2kPa法向壓力下，其頂面與底面之間的距離，單位為mm。土工織物厚度隨所作用的法向壓力而變，規(guī)定2kPa壓力表示土工織物在自然狀態(tài)無壓條件下的厚度。由圖1-12可見不同類型土工織物的壓縮量差別很大，其中針刺非織造土工織物的壓縮量最大。因此，當(dāng)考慮非織造土工織物水力特性時，必須注意到上覆壓力變化使水力特性變化的特點。 3孔隙率定義為非織造土工織物所含孔隙體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)()表示。該指標(biāo)不直接測定，由單位面積質(zhì)量、密度和厚度

39、計算得到?？砂聪率接嬎鉵p=1-（M/）（1-1）圖1-12不同類型土工織物壓縮量式中：np為孔隙率，；M為單位面積質(zhì)量，g/m2；為原材料密度，g/m3；為厚度，m。土工織物常用原材料的密度為：聚丙烯0.91g/m3，聚乙烯0.940.96g/m3，聚酯1.221.38g/m3，聚酰胺1.051.14g/m3，聚乙烯醇1.261.32g/m3，聚氯乙烯1.39g/m3?？紫堵逝c厚度有關(guān)，所以孔隙率也隨壓力增大而變小。有時織造和非織造土工織物的孔徑和滲透系數(shù)很接近，但不能認(rèn)為兩者水力性能相似。非織物土工織物的孔隙率遠(yuǎn)大于織造土工織物，因此其具有更好的反濾和排水性能。(二) 力學(xué)性能指標(biāo)針對土工

40、織物在設(shè)計和施工中所受荷載性質(zhì)不同，其力學(xué)強度指標(biāo)分為下列幾種：抗拉強度、握持強度、撕裂強度、脹破強度、 CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度等。在前3項試驗中，試樣為單向受力，其縱向和橫向強度需分別測定；而后4項試驗中，試樣為圓形，承受軸對稱荷載，縱橫雙向同時受力。在上述眾多力學(xué)指標(biāo)中，最基本的是抗拉強度。 1.抗拉強度和延伸率抗拉強度也稱為條帶法抗拉強度，為單向拉伸?？v向和橫向抗拉強度表示土工織物在縱向和橫向單位寬度范圍能承受的外部拉力，單位為kN/m。對應(yīng)抗拉強度的應(yīng)變?yōu)橥凉た椢锏难由炻剩冒俜謹(jǐn)?shù)()表示?？估瓘姸仁橇W(xué)性能中的重要指標(biāo)。在各種功能的應(yīng)用中對抗拉強度都有一定的要求。當(dāng)用

41、于加筋和隔離功能時，抗拉強度是主要的設(shè)計指標(biāo)，而在排水和反濾功能的工程中，抗拉強度雖不是主要指標(biāo)，但由于鋪設(shè)過程中會受到扯拉、頂壓、撕破等各種施工荷載，運用過程中也可能因建筑物變形而受拉，所以對強度也有一定要求。2.握持強度握持強度表示土工織物抵抗外來集中荷載的能力，試驗時僅1/3試樣寬度被夾持，進行快速拉伸。土工織物對集中荷載的擴散范圍越大，則握持強度越高，單位為N。3.撕裂強度 撕裂強度表示沿土工織物某一裂口將裂口逐步擴大過程中的最大拉力，單位為N。 4.脹破強度、 CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度 這四個強度的試驗都表示土工織物抵抗外部沖擊荷載的能力，其共同特點是試樣為圓形，用環(huán)形

42、夾具將試樣夾住；其差別是試樣尺寸、加荷方式不同，各試驗示意圖見圖1-13。不同頂桿尺寸模擬不同頂壓物，如塊石、樹枝等。脹破強度單位為kPa，其他3項強度單位為N。此外，落錐強度也屬此類，其試樣尺寸與CBR相同，試驗時一個重1kg的圓錐自50cm高處自由落下，測定試樣被刺破的孔洞尺寸，單位為mm，該試驗重復(fù)性較差。除抗拉強度外，其他各力學(xué)強度指標(biāo)直接用于設(shè)計的情況還不多見，它們主要是做為參考指標(biāo)，根據(jù)工程實際情況，便于對產(chǎn)品進行比較和選擇。 （三）水力性能指標(biāo)水力性能指標(biāo)主要為等效孔徑和滲透系數(shù)，是土工織物兩個很重要的特性指標(biāo)。由于土工織物是與土共同工作的，對織物的基本要求是既能保土又能排水，這

43、就要求土工織物的孔徑很小(能擋住土)而排水又很通暢，兩者看來是有矛盾的，而土的多變圖1-13 頂破類試驗示意圖（a）脹破試驗；（b）頂破試驗（c）圓球頂破試驗；（d）刺破試驗性更增大了問題的復(fù)雜性。某一土工織物對這種土是合適的，而對另一種土未必也是合適的。目前常用保土準(zhǔn)則和透水準(zhǔn)則來選擇土工織物的等效孔徑和滲透系數(shù)，即將土工織物的等效孔徑和土的特征粒徑建立關(guān)系式，同時將織物的滲透系數(shù)與土的滲透系數(shù)建立關(guān)系式，以求達到既保土又排水的目的。保土準(zhǔn)則和透水準(zhǔn)則由實驗得到。由于實驗時控制的條件不同，得到的準(zhǔn)則也有差異?？砂淳唧w情況選擇準(zhǔn)則，有條件進行模擬實驗則更好。鑒于目前仍以保土和透水作用做為選擇土

44、工織物反濾層的準(zhǔn)則，因此等效孔徑和滲透系數(shù)兩個水力特性指標(biāo)是反濾和排水功能中的重要指標(biāo)。1.等效孔徑(表現(xiàn)孔徑)以土工織物為篩布，用某一平均粒徑的玻璃珠或石英砂進行振篩，取通過土工織物的過篩率(通過織物的顆粒質(zhì)量與顆?？偼斗帕恐?為5(留篩率為95)所對應(yīng)的粒徑為織物的等效孔徑O95，表示該土工織物的最大有效孔徑，單位為mm。用同樣的步驟，則相應(yīng)得到O85、 O50和Ol5的孔徑值。土工織物的孔徑分布曲線形狀與土的顆粒分布曲線相似，見圖l-14。 2.垂直滲透系數(shù)和透水率垂直滲透系數(shù)為水力梯度等于l時，水流垂直通過土工織物的滲透速率，單位為cm/s。透水率為水位差等于1時的滲透速率，單位為1

45、/s3.水平滲透系數(shù)和導(dǎo)水率圖1-14 孔徑分布曲線水平滲透系數(shù)為水力梯度等于1時水流沿土工織物平面的滲透速率，單位為cm/s。導(dǎo)水率為沿土工織物單位寬度內(nèi)的輸水能力，單位為cm2/s。(四) 土工織物與土相互作用性能指標(biāo) 1.土織物界面摩擦系數(shù)埋在土中的土工織物，通過土織物界面摩擦力將外荷傳遞至土工織物，使土工織物承受拉力，形成加筋土。工程實例有加筋土擋墻、堤基加筋墊層等。按試驗方法可分為直剪摩擦系數(shù)和拉拔摩擦系數(shù)。2.土 織物滲透特性 土織物聯(lián)合應(yīng)用時，如何使土工織物能長期保持良好的保土及排水性能，不發(fā)生淤堵，目前還沒有滿意的理論準(zhǔn)則。為判斷織物是否會發(fā)生淤堵，可進行長期淤堵試驗或梯度比試

46、驗，前者試驗歷時達5001000h，后者需測試24h或更長。兩種試驗都還存在一些問題，有待積累經(jīng)驗逐步改進。(五) 耐久性能指標(biāo) 耐久性能指標(biāo)主要有耐磨、抗紫外線、抗生物、抗化學(xué)、抗大氣環(huán)境等多種指標(biāo)。大多沒有可遵循的規(guī)范、規(guī)程。一般按工程要求進行專門研究或參考已有工程經(jīng)驗來選取。 (六) 有關(guān)土工合成材料功能、設(shè)計指標(biāo)種類及其品種的考慮在表1-3中列出了土工合成材料用作不同功能時，其常用的設(shè)計指標(biāo)種類和通常選用的材料品種。二、測試方法(一) 試驗操作和資料整理時應(yīng)泣意和遵守的事項1.制樣原則每項試驗一般剪取610個試樣，應(yīng)從卷材長度和寬度方向上隨機剪取樣品，距卷材邊緣不小于100mm。同一項

47、試驗的各試樣應(yīng)避免它們位于卷材同一縱向或橫向位置上。2.試樣調(diào)濕表1-3不同功能常用土工合成材料品種和設(shè)計指標(biāo)種類功能土工合成材料性能指標(biāo)常用主要土工合成材料品種單位面積質(zhì)量厚度抗拉強度延伸率孔徑滲透系數(shù)隔離織造土工織物，土工網(wǎng)復(fù)合土工織物排水非織造土工織物，復(fù)合非織造土工織物加筋織造土工織物，土工格柵、土工帶、復(fù)合土工織物反濾非織造土工織物，復(fù)合非織造土工織物防護（模袋）土工模袋防滲土工膜、復(fù)合土工膜注 1.為主要指標(biāo)； 為次要指標(biāo)； 為不重要指標(biāo)。 2.本表僅供參考。大多數(shù)織造或非織造土工織物在測試時對試驗室無溫濕控制要求，只要記錄試驗時溫度和濕度即可。而一些對溫度較敏感的土工合成材料，如

48、土工格柵、土工網(wǎng)等，試驗前應(yīng)對試樣進行調(diào)濕，即將試樣在溫度為20土2和濕度為65土5環(huán)境中靜置24h以上，然后在該環(huán)境下試驗。3.夾具 在力學(xué)指標(biāo)試驗中離不開夾具，單向拉伸用扁夾具，圓形試樣用環(huán)形夾具。都要求夾具能均勻可靠地夾住試樣，應(yīng)能防止試樣在鉗口內(nèi)打滑，且不會被夾壞。當(dāng)有打滑或夾壞現(xiàn)象時應(yīng)采取下列措施：鉗口內(nèi)加襯墊；鉗口內(nèi)試樣用涂料加強；改進鉗口面。在試驗過程中應(yīng)隨時觀察夾具邊緣試樣是否有打滑或局部損壞現(xiàn)象。任何打滑、夾壞或局部損壞現(xiàn)象均將大大降低測試結(jié)果。4.資料整理(1)按式(1-2)計算全部測試值的算術(shù)平均值。（1-2）式中：n為試驗次數(shù)；Xi為第i塊試樣的測試值；為n塊試樣測試值

49、的算術(shù)平均值。 計算時應(yīng)將全部測試值進行平均，除操作不當(dāng)?shù)脑囼灲Y(jié)果可剔除，并增補試樣測定外，其他所有試驗結(jié)果均不得剔除。 (2)按式(1-3)計算變異系數(shù)C。(1-3)式中：為標(biāo)準(zhǔn)差；為算術(shù)平均值。按式(1-4)計算標(biāo)準(zhǔn)差（1-4）式中符號意義見式(1-2)。C反映樣品的均勻程度。當(dāng)樣品很不均勻，測試值變化范圍較大，C就大，平均值的代表性就差。增加試樣數(shù)量，平均值更具代表性，同時C下降。 (3)按式(1-5)計算所需要的試樣塊數(shù)nN。nN=0.11C2(1-5)式中：C為變異系數(shù)，；nN為由C值確定的試樣塊數(shù)。 上式表明了試樣個數(shù)與C 的關(guān)系。土工織物均勻性越差，要求試樣的數(shù)量就越多。非織造土工織物均勻性比織造土工織物差些，因此前者的試驗通常取10塊試樣，而后者可取6塊。對于同一等級的兩個產(chǎn)品，由C值可比較兩者的均勻性。(二) 幾項主要試驗測定方法的一些問題關(guān)于土工合成材料各項指標(biāo)的測定方法可參閱有關(guān)的規(guī)程規(guī)范，這里只對幾項測定技術(shù)比較復(fù)雜的項目作些說明。1.孔徑試驗(干篩法)中的幾個問題(1)振篩用的顆粒材料，按標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑分級如下：0.0630.075