土工合成材料的分类、功能及应用

　　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。

土工合成材料的分类

　　土工合成材料制品种类繁多，而且不断有新产品问世。根据GB50209-1998《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，下图所示。

　　土工织物(geotextile)

　　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。

　　土工格栅(geogrid)

　　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。

　　土工膜(geomembrane)

　　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。

　　土工网(geonet)

　　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。这类土工网在工程应用中常作为排水材料。

　　土工复合材料(geocomposite)

　　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(简称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。

　　土工合成材料粘土衬垫(简称GCL)

　　土工合成材料粘土衬垫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。

　　土工管(geopipe)

　　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。

　　土工格室(geocell)

　　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。

　　土工泡沫(geofoam)

　　土工泡沫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络结构的块体或板材。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。

　　土工网垫(geomatress)

　　土工网垫是由长丝缠绕结合而成的三维透水网垫，又称三维土工垫。网垫结构蓬松柔韧，网内空隙可以填土或喷洒含草籽和营养物质的混合材料，常用于坡面植被防护。

　　土工模袋(geoform)

　　土工模袋是一种由双层聚合织物锕成的连续的管袋状土工合成材料。它可以代替模板，当用高压泵把混凝土或砂浆灌入模袋凝固后，可形成板状或其他形状的连续结构。在模袋的上下两层织物之间，每隔一定的间距用聚合物(如尼龙绳)把两层织物联系在一起，以控制混凝土或砂浆灌注成型后土工模袋的厚度。

　　土工模袋主要用于水利工程中的护面和护坡。土工模袋按充填材料的不同分为充填砂浆型和充填混凝土型;也可按模袋是否设置滤水点(排水点)将其分为无滤水点模袋和带滤水点模袋。

土工合成材料的优缺点

　　1、土工合成材料应用经济效益

　　①加筋路堤的边坡可以加大，既少占用了土地，也减少了土方量。

　　②应用加筋技术可以加快工程进度。

　　③加筋土结构在施工过程中稳定性较好，对施工地点几乎没有限制。

　　④土工合成材料的应用增加了土的强度，使工程性质较差的土也可用于填筑路堤。

　　2、土工合成材料应用优越性

　　①加筋土结构使土的抗剪能力和加筋的抗拉能力都得到发挥，有效利用了材料。

　　②土中加筋使结构柔度加大，增加了结构对变形的适应能力。

　　③可以严格控制加筋的质量，易于保证加筋土结构的质量。

　　④土工合成材料应用于工程，在许多领域提供了崭新的解决方案。

　　3、土工合成材料应用缺陷

　　①土工合成材料的性能有待深入研究。

　　②土工合成材料在贮存、搬运和安装过程中有可能损坏。

　　③结构如果存在不规则几何形状的边、角，其土工合成材料的应用较困难。

　　④还没有完善的土工合成材料的设计施工规范。

土工合成材料的功能

　　1、过滤

　　土工合成材料的这种功能与传统的砂滤层类似，允许土体内部的液体通过并排出，同时起到保土作用，阻止上游土壤颗粒的流失。例如，用有纺土工织物阻止土粒迁移渗入排水骨料或排水管，同时保持排水系统正常工作;在海岸和河岸的抛石防护层和其他护岸材料下面铺设土工织物以防止土壤被侵蚀。

　　2、排水

　　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。

土工合成材料的应用

　　土工合成材料始终是世界性的热门话题，土工合成材料应用量较大的工程主要有以下几个方面：

　　1、水利建设工程

　　近些年国家对水利建设非常重视，东南沿海一带水利工程及广大的农田水利建设一直不停地在进行，现又进一步向中西部发展。

　　历年来水利工程都是土工合成材料应用的Z大市场而邻水地区是土工合成材料销量Z大的市场。随着各个地区的开发进行了大量的基础工程建设，土工合成材料用量也逐年增加。

　　2、环境工程

　　环境工程主要是进行固体、液体、气体废料的处理和污染的FZ等工作，同时要扩大绿化面积改善生态环境。较大城市每天的生活垃圾有1.0～1.5万t。生活垃圾的处理是每个城市都感到十分困难的问题，而且每个城市也不是靠建造大型垃圾场就能解决问题的。土工合成材料是垃圾堆场的建造可选的Z佳材料。

　　环境绿化采用土工合成材料是当前Z佳方案，效果ji佳，特别是立体绿化环境建造。屋顶花园采用复合土工材料Z理想，既可防渗不使屋顶漏水，又可供植物用水，这一项目的开发有很大的发展前景。

　　3、防洪抢险工程

　　洪涝灾害是我国范围较广、损失较大的自然灾害。全国各地每年都要耗费大量的防汛经费和防汛物资。有的省、市和地区已将土工合成材料列为防汛抢险备用物资，其用量非常可观。

　　1998年特大洪水期间土工合成材料在防洪抢险中起了很大作用。国家领导对土工合成材料在防洪抢险中的应用也非常重视，并指示要首先在1998年开始的大修堤防工程中采用。这给土工合成材料的生产与应用提供了良好的时机和美好的前景。

　　有些地区防汛墙虽未被洪水冲坏，但需要提高防汛、防洪标准，进一步维修加固，因此土工合成材料在防洪抢险工程中应用潜力很大。今后应进一步开发新型土工合成材料适应防洪抢险工程的要求。

　　4、其它工程

　　国内将致力于发展中西部地区公路、铁路工程，由东南沿海地区向内地延伸发展。公路建设方面主要需要反滤材料和软弱基础处理材料。铁路建设方面主要是利用非织造布解决路基翻浆冒泥等病害，效果很好，成功率可达90%以上。

　　利用排水带作软弱基础加固及路基边坡防护材料，也是当前常见的土工合成材料的而应用。目前铁路向内地延伸和提高车速，首先要改善路基稳定条件，同时也要解决路基边坡防护问题。这一切都需要各类土工合成材料。