土工合成材料

CH2土工合成材料一、土工合成材料发展概况第一节常用土工合成材料二、路用土工合成材料的类型及作用土工合成材料（geosynthetics）土工合成材料是应用于岩土工程、以人工合成的聚合物为原材料制成的各种产品的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”(geo—)两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。早期产品主要是透水的土工织物（俗称土工布）和基本不透水的土工膜以及组合产品，所以称为：土工织物、土工膜和相关产品。随着工程建设需要和制造技术发展，产品种类不断扩展，1994年在新加坡召开的第5届国际土工合成材料学术讨论会议上正式确定为：土工合成材料。土工合成材料名称由来一、土工合成材料发展概况国际发展概况以天然植物作为岩土工程材料，已经有几千年的历史。如：茅草作为土的加筋材料，在我国北方的大部分地区仍在沿用。荷兰在水利工程上，大量利用柳条加固堤防，防止冲刷。但天然植物易于腐烂，不能耐久；金属容易锈蚀；到20世纪30年代，塑料、合成纤维和合成橡胶问世。土工合成材料随化学工业聚合物的发展和工程拓展而兴起，其应用技术则依赖于岩土力学基本原理。创始人之一吉劳德教授（Dr.Giroud.J.P.）曾誉为“可能是岩土工程历史上的一次重要革命”一、土工合成材料发展概况土工合成材料开始应用的确切年代已难以考证。只能从部分早期有里程碑意义的工程事例中知其大概；上世纪30年代，聚氯乙烯土工膜已被应用游泳池防渗；1953年美国垦务局开始用聚乙烯膜于渠道防渗；前苏联也较早地在渠系上铺设设低密度聚乙烯膜；1958年美国佛罗利达州在海岸块石护坡下展铺土工织物作反滤护垫，至今被认为是近代史土工织物应用的发端。1952~1953年荷兰遭遇特大风暴，造成重大生命财产损失，灾后启动著名的三角洲工程，这个项目动用了大量的早期的土工织物，因此大大推动了土工织物的发展。于1968年，荷兰又开发研制成双层土工织物缝制成的用于护岸的混凝土模袋。一、土工合成材料发展概况国际发展概况1968年法国的罗纳.普朗克（RhonePoulenc）公司首创无纺土工织物，可替代传统的砂砾料用作滤层，使土工织物的应用领域广为拓展；上世纪八十年代初英人麦瑟（Mercer）发明了以聚合物制成的至今仍为土加筋的最佳材料的土工格栅（geogrid）。七十年代末有了塑料排水带，替代砂井用于软基排水固结。以有纺织物制成的大直径大长度的土工管袋，可容纳疏浚泥沙、淤泥等物，脱水固结，形成连续大体积土管袋，可作岸边的防冲障墙，也可建成河工丁坝、顺坝，以及围垦造地、兴建人工岛。一、土工合成材料发展概况国际发展概况八十年代后期，大体积土工包产生，土工包放置在开底船上容纳废弃物、疏浚土料等后封闭，靠GPS定位系统运到指定水域，开启船底投放，修成水下稳定平台、防波堤等，或控制海底侵蚀和建潜坝结构等。为了改善生态、保护环境，各种三维土工网垫相继问世，可用于坡面植草。环保问题的高度重视，不仅防渗用土工膜及应用技术有了很大的改进，也促成了土工合成材料膨润土垫（GCL）的研制成功，GCL结合土工膜构成垃圾填埋场的防渗系统。并逐渐推广到渠道、水池和人工湖等防渗。一、土工合成材料发展概况国际发展概况土工合成材料的应用在我国的发展可归纳为四个阶段。（一）自发应用时期早在上世纪六十年代，山东打渔张灌区、河南人民胜利渠即采用塑料薄膜作渠道防渗，后推广用于水池、水库等防漏；1965年辽宁桓仁水电站用沥青聚氯乙烯膜为混凝土支墩坝上游面止裂防漏；1976年江苏长江岸边的江都嘶马以扁丝土工织物结合混凝土块压重，制成软体沉排防治江岸冲塌；这一时期的特点，是个别工程应用该材料，既无一定规格的的产品，也无定型的设计方法，纯属按既往岩土工程经验，群众性自发应用。一、土工合成材料发展概况我国发展概况（二）技术引进时期八十年代初，铁科院用杜邦公司赠送的2万平方米无纺土工织物，试用于治理铁道长期存在的翻浆冒泥病害，算是我国采用正规土土合成材料的开端。土工模袋的引进，并由无锡毛纺织染厂将其国产化。1983年又引进了加筋技术和加筋土工格栅。到九十年代中期，自行研究出国产化产品。一、土工合成材料发展概况我国发展概况（三）组织建立时期1983年，国际土工织物学会（简称IGS）成立，1994年更名为国际土工合成材料学会（仍简称IGS）。1984年底，成立了“土工织物科技情报协作网”。1986年更名为“土工合成材料技术协作网”（简称CTAG）1990年中国正式加入“国际土工合成材料学会”（IGS），并成立了“国际土工合成材料学会中国委员会”（CCIGS）;1986年至今先后在天津、沈阳、仪征、宜昌、西安、上海召开了八届全国土工合成材料学术会议。1995年正式成立“中国土工合成材料工程协会”(仍简称CTAG)。一、土工合成材料发展概况我国发展概况（四）步入标准化时期1998年的特大洪水中，国家领导与各部门领导认识了土工合成材料在防汛抢险中的显著作用；水利部率先编制土工合成材料应用技术规范SL/T225-1998《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，结束了我国无标准的状态；继后国家标准和铁路、公路、水运的行业技术标准随之发布；产品标准和材料测试标准紧随其后。1998年年底，土工合成材料及技术步入规范化时期。一、土工合成材料发展概况我国发展概况二、路用土工合成材料的类型及作用土工合成材料土工织物（土工布）土工膜土工复合材料土工特种材料有纺无纺（长丝和短丝）针刺黏结热黏结胶剂黏结吹塑挤出、压延、上涂料制造的膜PE、HDPE、PVC等膜料纯膜、复合土工膜复合土工织物复合土工膜复合防、排水材料土工格栅、经编格栅、土工带、土工网、土工格室、土工包等土工合成材料膨润土衬垫（GCL）、三维植被网垫、聚苯乙烯板块、发泡土工材料等最常用如：经编土工织物主要作用：加筋、增强、过滤、排水、隔离等功能。在软土地基处理；提高路基、路面工程质量；增强稳定性方面有重要作用。二、路用土工合成材料的类型及作用土工合成材料的聚合物（原材料）(一)土工织物二、路用土工合成材料的类型及作用(一)土工织物织造型土工织物（有纺）织造型土工织物平纹斜纹缎纹非织造型土工织物热粘合化学粘合机械粘合非织造型土工织物纺粘法是粘合法中的一种，是将聚合物原料经过熔融、挤压，纺丝成网，纤维加固后形成的产品。这种织物厚度薄而强度高，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好，品种规格多，成本低，用途广，近年来在我国发展较快。化学粘合法土工织物是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维中，待粘合剂固化，纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3mm。常用的粘合剂有聚烯醋、聚醋乙烯等。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的产品。这类产品在工程中的应用较少。机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广的是针刺法，还有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让网内的纤维互相缠结，从而织网得以加固。产品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。水刺法是利用高压喷射水流射人纤维网，使纤维互相缠结加固。其产品较为柔软，主要用作卫生用品，工程中尚未应用。编织（二）土工膜土工膜是一种基本不透水的材料，有很好的防渗防漏性。广泛用于大坝、堤防、水闸、地下工程、围堰、垃圾填埋场等工程。土工膜作用：过滤、排水、防渗、保土、抵制地下翻浆；防止上下层混杂、使局部负荷分布均匀土工膜应用的技术在于：①合适的材料②合理的防渗层结构设计③正确严格的施工（二）土工膜改善土工膜性能/降低成本的措施：（1）掺入碳黑，可以提高抵抗日光紫外线的能力，可延缓老化；（2）掺入铅盐、钡、钙等衍生物，可以提高材料的抗热与抗光照稳定性；（3）掺入滑石粉等润滑剂，可以改善可操作性；（4）掺入杀菌剂，可防止细菌破坏等。（三）复合型土工合成材料复合型土工合成材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的产品。这类产品将各组合材料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故复合型土工材料的品种繁多，主要分为：复合土工膜和复合排水材两大类。复合土工膜复合土工膜是将土工膜和土工织物（包括织造和非织造型）组合在一起的产品。是一种以土工膜为主体，同时在其一侧或两侧粘有无纺织物、有纺织物或加筋材料等土工材料等的复合土工材料。其功能较多，发展潜力较大。由于布加筋的作用，使复合膜既具有布的特点又具有膜的特点，抗胀破、撕裂、刺破能力大大加强。设计时优先考虑膜的变形率和布的强度。复合膜生产宽度有限，大幅使用时，搭接缝的防渗与强度特性不容忽视。复合土工膜复合土工膜优点：以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型土工织物复合，不仅对膜提供加筋与保护，还可以起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数。复合型排水材复合型排水材种类：塑料排水板、无纺织物与塑料网状管构成的排水材无纺织物、芯材与土工膜构成的排水材无纺织物、网状管材与土工膜构成的排水材无纺织物、芯材排水管等。软式排水管，又称渗水软管，由高强度钢丝圈作为支撑壁+管壁包裹材料（有反滤、透水及保护作用）。复合型排水材塑料排水带（板）塑料排水带是具有纵向连续沟槽的塑料芯带外包裹薄型无纺土工织物而成的复合排水材料。断面形状有多种。（四）特种土工合成材料特种土工合成材料主要包括:土工格栅土工膜袋玻纤网土工垫土工格室超轻型合成材料等土工格栅土工格栅土工格栅是聚合物高分子材料经过定向拉伸形成的具有开孔网格、较高强度的平面网状材料。特点：具有很高的柔性、延展性、抗疲劳性能，抗土和地下水的化学腐蚀性，耐霉性、与填料联锁性好。土工格栅主要用于土体的加筋，是工程中应用很广的加筋材料。土工格栅加筋带焊成的土工格栅土工格栅用途：①用于软土地基加固，增加地基抗剪强度、提高地基承载力、促进地基均匀沉降；②可用于加固地基边坡，可放陡边坡至1：1.5，达到少占地的目的，并可防止水流冲刷；③在半挖半填和挖方、填方交界处或路基加宽处，在新旧路基结合处铺设土工格栅可减少不均匀沉降；④还可用于路面，减少路面裂纹（主要铺在基层底面）及车辙深度（主要铺在基层顶面），以延长路面维修周期并可减薄路面厚度。⑤用于桥台或其他人工构造物台背，防止其填土部分沉降，以减少“跳车”现象。土工格栅土工格栅土工格栅土木膜袋土木膜袋是由双层聚合物化纤织物制成的连续（或单独的）袋状材料，可以代替模板使用。常用高压泵把混凝土或砂浆贯入模袋中，最后形成板状或其他形状材料。主要用于冲刷工程。土木膜袋以织物代替模板用于护坡的土工模袋（fabriform）玻纤网玻纤网是以玻璃纤维制成的平面网格材料，具有较好的高温稳定性，适用于路面裂缝防治。土工网土工网是以合成材料条带或合成树脂压制成的平面网状结构的土工合成材料，可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的差异。用于坡面防护、植草和软基加固垫层的土工网（geonet）土工网特点：抗拉强度较低、延伸率较高。用途：土工网与路基填料间有较大的联锁性，①可增加路基的抗剪强度；②控制基底变形；③防止路基边坡表土流失。土工网强度模量比土工格栅低，但对于受力和变形要求不高的情况，如坡面防护等，也可用于加筋材料。主要用于路堤加筋、路基防护。土工垫土工垫是以热塑性树脂为原料、经挤出、拉伸等工序形成的相互缠绕、并在节点上相互融合、底部为高模量基础层的三维网垫，用于防护工程。土工垫土工格室土工格室是用聚合物制成的蜂窝状三维结构。可以在运输和储存时缩叠起来，施工时再张开使用。特点：张开的土工格室可保持形状不变，在其中填入土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。广泛用于软土地基加固和防护工程。土工格室利用其侧向约束作用以固定散粒土的土工格室（geocell）土工条带土工合成材料的主要特性指标物理性指标：厚度、等效孔径等。力学性指标：抗拉强度、延伸率、撕裂强度、握持