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山东联祥工程材料有限公司
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土工合成材料相对于传统的木材、钢筋和水泥,是一种新型品种,有人称之为第四种建筑材料。本文围绕土工合成材料,介绍了土工合成材料的定义、类型、功能、性质、应用,以及土工合成材料在国际上和中国的发展历程。

关键字:土工合成材料,土工织物,土工布,土工膜,加筋,排水,IGS

. 概述

土工合成材料是指通过与土体、岩石或其他岩土工程材料相接触,应用于土木工程领域的各种人工合成的或天然的聚合物材料制品。随着材料工业的发展和工程应用的不断创新,土工合成材料的概念也处于不断完善之中。比如出现一些三维织物、土工泡沫、新型加筋材料等,而且基本不再用天然聚合物来生产土工合成材料制品。

土工合成材料相对于传统的木材、钢筋和水泥,是一种比较新型的工程材料制品,是随着聚合物的发明和发展以及工程应用需要而逐步发展起来的。在工程实践中,出现了种类繁多的土工合成材料品种(如土工织物、土工膜)、不同种类的土工复合材料和各种特殊用途的材料品种(如用于加筋作用的土工格栅以及超轻质材料土工泡沫)。经过过去几十年的发展,土工合成材料已陆续应用于土木工程各个领域,取得了很好的经济效益和社会效益,形成了比较完整的技术体系。

目前,土工合成材料已经广泛应用于水利、水运、公路、铁路、建筑、环境、矿山和农业等国民经济建设领域,设置于土体内部、表面或与其他岩土材料和结构相结合,以起到隔离、反滤、排水、防渗、加筋和防护等功能和作用,用来解决岩土工程中所涉及的稳定、变形和防渗排水等方面的一系列实际工程问题。

. 土工合成材料的类型

土工合成材料制品种类繁多,而且不断有新产品问世。根据GB 50209-1998《土工合成材料应用技术规范》对于土工合成材料的分类,将土工合成材料归纳为土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料四大类@

机织(含编织)

织造

针织

土工织物针刺

非织造(无纺)

土工膜

复合土工膜

土工合成材料

土工复合材料复合土工织物热粘结化学粘结

复合防排水材料(包括排水带、排水管、排水防水材料等)

土工特种材料土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土工膜袋、土工网垫、

土工织物膨润土垫(GCL )、聚苯乙烯板块(EPS )等

1 土工合成材料的分类(GB 50209-1998)

各类当中又包含不同类型或不同生产工艺的各种材料产品,如土工织物根据工艺不同分为有纺(织造)与无纺(非织造)土工织物;土工格栅根据材质不同分为塑料格栅和玻纤格栅,又可根据工艺不同分为拉伸格栅、焊接格栅与经编格栅,以及根据形态不同划分为单向格栅、双向格栅与三项格栅等。

下面结合图1介绍每种类型土工合成材料及其特点

1. 土工织物

土工织物俗称土工布,是经过织造、非织造或编织方法制成的,由纤维或纱线构成连续的平面状材料。这种材料具有柔性和透水(气)性,通常呈织物外观。一般划分为有纺土工织物和无纺土工织物。土工织物在工程应用中可发挥隔离、过滤、排水、加筋和侵蚀控制等作用。@

2. 土工格栅

土工格栅是一类在制造过程中经过定向拉伸的具有网格状外观的开口式土工合成材料。常见的有单向拉伸土工格栅和双向拉伸土工格栅两种。土工格栅的主要作用是用于土体的加筋加固。

3. 土工膜

土工膜是由一种或几种合成材料制成的连续的柔性膜状材料。土工膜具有很低的渗透性,其渗透系数小于10−11cm/s,几乎不透水。可用作封闭液体或气体的防渗衬里和防扩散屏障。

4. 土工网

土工网包括平面型的多用于防护的工程网和具有三维结构的排水土工网两类。后者是由两组平行挤出的聚合物以恒定锐角交叉(在节点处融合在一起)形成的开放式网格状土工合成材料。这种交互式网格构成了网内多孔结构层,因此,排水土工网具有较强的输导液流或气流的能力。这种土工网在工程应用中常作为排水材料。

5. 土工复合材料

土工复合材料是由两种或多种土工合成材料复合而成的一大类土工合成材料。这类材料包括土工织物-土工网型、土工织物-土工格栅型、土工网-土工膜型和土工织物-土工膜型土工复合材料。土工织物与土工膜可构成复合土工膜,土工织物和土工网可以构成复合排水板,以及软土地基排水固结法中常用的预制垂直排水带(PVD ),这些都是典型的土工复合材料。PVD 就是由土工织物滤层包裹塑料排水芯带制成的复合材料。将具有各自特性的不同类型材料有目的地结合在一起的土工复合材料,在工程实践中可以起到排水、反滤、隔离、防渗、加筋等作用,为工程实际问题提供针对性的解决方案。

6. 土工合成材料粘土衬垫(GCL )@

GCL 属于土工复合材料的一种,通常是在上下两层土工织物之间夹一层膨润土,或将一层膨润土粘结在土工膜或单层土工织物上而制成的一种土工复合材料。由两层土工织物覆盖制成的GCL 常通过缝合或针刺的方式贯穿膨润土层,用以提高GCL 的内部抗剪强度。当膨润土经过水化作用,吸水膨胀,具有很低的渗透性能,可以作为液体或气体的有效屏障。因此,垃圾填埋场建设中,GCL 常与土工膜联合使用,作为填埋场的防渗衬垫,或作为水利工程的防渗层单独使用。

7. 土工管

土工管是用来排水或导气的管壁穿孔或不穿孔的聚合物管材,如垃圾填埋场中用于渗滤液或填埋气体的收集。在一些情况下,在穿孔管外采用无纺土工织物包裹,起反滤作用。

8. 土工格室

土工格室是由聚合物条带相互连接制成的具有三维网格状或蜂窝状结构的土工合成材料。铺设后,交错连接的条带之间形成一个个格室用以填充土、碎石,有时也用混凝土填充。这种材料主要用于道路路基底层加筋或地基加筋,也可用于侵蚀控制工程。

9. 土工泡沫

土工泡沫的块或板是通过聚苯乙烯泡沫塑料膨胀形成的,是一种超低密度的、由封闭充气单元构成的具有空间网格结构的块体或板材。根据生产工艺的不同,一般又分为模塑型土工泡沫(简称EPS )和挤塑型土工泡沫(简称XPS )。土工泡沫塑料可作为隔热材料和轻质填料使用。在刚性面板挡土墙中,竖直置于面板与填土之间作为可压缩夹层,起到减小土压力的作用。

10. 土工网垫

土工合成材料在土体内部作为排水体,可使水流沿其内部从低渗透性土体中排出。例如,铺设与路堤底部的土工织物可用来消散孔隙水压力;对于流量较大而对排水能力要求更高的场合,也可采用土工复合(排水)材料。这些材料已被用来作为路缘排水体、边坡截排水体及挡土墙墙后排水体。塑料排水板(PVD )则被用于预压荷载下加快软粘土地基的排水固结过程。@

3. 隔离

这种功能是指土工合成材料能够把两种具有不同粒径分布的土料隔离开来,以免相互混杂而失去各种材料的整体性和结构完整性。土工织物和土工膜都可以起到隔离作用。例如,铺设与道路基层与软土地基之间的土工织物可起到隔离作用,一方面防止路基骨料嵌入软弱土层,从而维持基层的设计厚度和道路结构的完整性;另一方面,也能够阻止下部细粒土进入透水料层之中从而降低其渗透性。

4. 加筋

土工合成材料置于土体内部作为加筋构件,或土工合成材料与土相结合形成一个复合体,加筋复合土体与未加筋土体相比,其强度及变形性能都得到明显的改善。例如,用土工织物和土工格栅加筋可提高土体的抗拉强度,从而能够建造垂直或近乎垂直加筋土挡墙;加筋还能用来在极软地基上建造路堤;加筋后路堤边坡可以比未加筋时更陡。

5. 防渗

一些土工合成材料具有相对低的透水(气)性,可防止液体或气体流动和扩散,发挥防渗作用或包容作用。例如,土工膜、复合土工膜、土工合成材料粘土衬垫(GCL )都具有很低的渗透性,可作为流体的防渗屏障。对于液体,无论是土体中的水,还是垃圾填埋场中的渗滤液,土工膜、复合土工膜和GCL 的这种屏障功能,传统上常称为防渗作用。

6. 防护

又称为水土保持,是指通过设置土工合成材料防护措施,减少由降雨冲击和地表水径流造成的土壤流失。例如,将临时性的土工合成材料毯或永久性的土工网垫铺在边坡上裸露土体的表面,可以有效地避免或减轻降水和地表径流的侵蚀;用土工织物制成的泥沙栅栏能够滤掉浑浊径流中的悬浮泥土颗粒。


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