加筋土技術及土工合成材料的類型及特性

在一定級配及壓實條件下，土體具有較大的剪切強度，但其抗拉強度很低，無粘性土甚至不能承受拉力。與鋼筋混凝土的概念相類似，人們在填土中加入金屬或土工合成材料等筋材，并依靠筋材和土之間的摩擦力來加強土體，這就引人了加筋土的概念。簡言之，加筋土就是在土中加入抗拉材料，以改善土的工程性質。

事實上，加筋土的概念并不新鮮。動物利用樹枝、稻草、蘆葦和泥建成柄息的巢穴，就本能地演示了加筋土的基本原理。此外，人們在土坯中加入草筋提高強度，將柴排鋪在泥沼地帶修筑道路等，均是自發地利用帶筋或纖維加筋加固的典型例子。例如∶在陜西半坡村發現的仰部遺址中，有許多簡單房屋，其墻壁和屋頂是利用草泥修筑而成的。據估計，這些建筑距今已有五、六千年的歷史。在玉門一帶，還保留有用砂、礫石和紅柳或蘆葦壓疊而成的漢長城遺址。國外也有類似的利用天然植物作加筋材料的記載。約在1822年，Colonel Plasley采用帆布代替天然植物，將加筋土技術引進英國軍隊。

1963年，法國工程師亨利·維多爾（Henry Vidal）根據三軸試驗結果提出了加筋土的概念及加筋土的設計理論，成為加筋土發展歷史上的一個重要里程碑，標志著現代加筋土技術的興起。自1965年法國在普拉格爾斯（Prageres）成功地修建了一座公路加筋土擋土墻以來，加筋土的研究和應用迅猛發展，加筋材料也從天然植物、帆布、金屬發展到預制鋼筋混凝土和土工合成材料，工程應用從經驗性到具有較為系統的理論指導，加筋土的發展經歷了幾千年的漫長歷程。加筋土技術被譽為“繼鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土之后又一造福人類的重要復合材料”，是加固土體的三大法寶之一。

在我國，自1979年由云南煤礦設計院在田壩修建第一座加筋土擋土墻以來，加筋土技術方興未艾?，F在除西藏和青海省以外，其他各省市修建的加筋土工程已逾千項，砌墻面積超過70萬m2。在大量工程實踐的基礎上，隨著經驗的積累，創造了符合我國國情的加筋土技術，在某些方面還達到了國際先進水平。如位于陜西洛川 201國道上的加筋土擋墻，其主體墻全部設在曲線上，墻高50.13m，其高度位居世界第二。

土工合成材料

概 述

土工合成材料（geosynthetics）是巖土工程中應用的合成材料的總稱，其原料主要是人工合成的高分子聚合物，如塑料、化纖、合成橡膠，等等。土工合成材料可置于巖土或其他工程結構內部、表面或各結構層之間，具有加強、保護巖土或其他結構的功能，是一種新型工程材料。

大約 20世紀50年代，土工合成材料開始應用于巖土工程中。隨著新產品的不斷開發和新技術的發展，土工合成材料日益顯示出其優越性，并且逐步成為當今的主要加筋杖料。正象有人指出的那樣，"應用土工合成材料對于巖土工程將是一場革命"。早在1958年，美圍首先使用聚氯乙烯單絲編織物代替傳統的級配砂礫料用于護岸工程;1970年法國開創了土石壩工程中使用土工合成材料的先例。最近二三十年土工合成材料發展迅速.尤以北美、西歐和日本發展最快。土工合成材料被譽為繼磚石、木材、鋼鐵、水泥之后的第五大工程建筑材料，廣泛應用于鐵路、公路、水利、港口、城建、國防等領域。隨著應用范圍的不斷擴大，土工合成材料的生產和應用技術也在迅速地提高，使其逐漸成為一門新的邊緣性科學。有關學術活動也在不斷地擴大和深人。自1977年以來，先后召開了六屆國際土工合成材料學術會議;國際土力學與基礎工程學會也于1983年成立了土工織物協會，后更名為國際土工合成材料協會，成為土工學術界重視土工聚合物的重要標志。

在我國，土工合成材料的應用與研究起步較晚，但發腰較快。20世紀70年代末，鐵道部門開始研究并在現場試驗中應用土工織物防治鐵路路基基床翻漿冒泥和包石盲溝加強排水;水利和交通部門也開始研究土工織物在反濾、防滲和排水等方面的應用。1984 年成立了全國性的"土工織物科教情報協作網"，后更名為"中國土工合成材料協會"，自1986年以來，先后農開了多屆士工合成材料學術會議。推動了土工合成材料在我國的應用與發震。1998 年土工合成材料在抗洪搶險中發揮的巨大作用引起了國家領導人的關注，為了進一步推廣應用，有關專家綜合國內外的研究成果和工程實踐經驗。在短短的幾個月內制訂了《土工合成材料應用技術規范》（GB 50292-98），水利、交通、鐵道部門也制訂了相應的行業標準。

土工合成材料的類型及特性

1.土工合成材料的類型

1977年。J.P.Giroud 和J. Pefeti 建議將土工合成材料分成兩大類∶土工織物和土工膜.分別代表透水和不透水的土工合成材料。由于新產品的不斷通現，超出了舊產品的分類體系，因此，1983年，J.P.Giroud 和P.G.Caroll提出把土工合成材料分為土工織物和土工織物相關產品兩大類。這一分類沒有納入主工膜，而用土工織物相關產品這一名稱也不確切。在中國，許多專家依據產品功能和制造工藝的不同，建議把土工合成材料劃分為四大類;土工織物、土工膜、土工特種材料和土工復合材料。

（1）土工織物（geotextile）

透水性的平面土工合成材料，按制造方法分為非織造（無紡 non-woven）土工織物和織造（有紡 woven）土工織物。

①織造土工織物分機織型與針織型。機織型又稱有紡型，是由相互正交的纖維織成，與通常的棉毛織品相似，其特點是孔徑均勻，沿經緯線方向強度大.而斜交方向強度低，拉斷的延伸率較低。針織型又稱編織型，是由單股或多股線帶按照一定的方式編織而成，與通常編織的毛衣相似。

②非織造土工織物義稱無紡型。這種土工合成材料中纖維（連續長絲）的排列是無規則的。與通常的毛毯相似，亦稱作"無紡布"。制造時，首先將無規則排列的纖維鋪成薄層狀，然后采用化學處理法、熱處理法或針刺機械處理法使之成形，是當前世界上應用最廣的一種土工纖維。

（2）土工膜（geomembrane）

在各種塑料、橡膠或土工纖維上噴涂防水材料而制成的各種不透水膜。

（3）土工特種材料

①土工格柵（（geogrid）

由聚合物材料（多為聚乙烯或聚丙烯）通過定向拉伸（單向或雙向拉伸）形成，是具有開孔網格、較高強度的平面網狀材料，其孔格可為圓形、橢圓形、方形或長方形格柵，孔格尺寸為1 ~10cm。

②土工網（geonet）

合成材料條帶或合成樹脂壓制成的平面結構網狀土工合成材料。

③土工墊（geomat

以熱塑性樹脂為原料，經擠出、拉伸等工序形成的相互纏繞、并在接點上相互熔合、底部為高模量基礎層的三維網墊。

④土工模袋（fabriform）

雙層聚合化纖織物制成的連續（或單獨的）袋狀材料?？梢源婺０逵酶邏罕冒鸦炷粱蛏皾{灌入模袋之中，最后形成板狀或其他形狀結構。

⑤玻纖網（glas8geogrid）

以玻璃纖維制成的平面網格狀材料。

⑥聚苯乙烯（EPS）板塊

由聚苯乙烯制成的輕質材料，可用作輕質填料。

（4）土工復合材料

由上述兩類以上組合而成的材料統稱土工復合材料。

土工復合排水材料（geocomposite drain）是以無紡土工織物和土工網、土工膜或不同形狀的合成材料芯材復合而成的土工排水材料。

2.土工合成材料的特性

土工合成材料的優點是;質地柔軟而重量輕、整體連接性好、施工方便、抗拉強度高、耐腐燭性和抗微生物侵蝕性好、無紡型的當量直徑小且反濾性好。其缺點是∶同其原材料一樣，未經特殊處理則抗紫外線能力低，但如在其上覆蓋粘性土或砂石等物，其強度降低不大。另外，合成材料中以聚脂纖維和聚丙烯腈纖維耐紫外線輻射能力和耐自然老化性能為最好，所以目前世界各國的土工合成材料使用這兩種原材料居多。表征土工合成材料產品性能的指標包括∶

①產品形態

材質及制造方法、寬度、每卷的直徑及重量。

②物理性質

單位面積質量、厚度、開孔尺寸及均勻性等。

③力學性質

抗拉強度、斷裂時延伸率、撕裂強度、頂破強度、蠕變性與土體間摩擦系數等。

④水理性質

垂直向和水平向透水性。

⑤抗老化和耐腐蝕性

對紫外線和溫度的敏感性，抗化學和生物腐蝕性等。

以上有關產品性能的指標，必通過產品檢測，并提供作為材料性能規格說明的密料。目前土工合成材料的試驗方法和標準尚不統一。土與土工合成材料相互作用的性質實驗則多數處于研究探索之中。土工合成材料產品因制造方法和用途不一，寬度和重量的規格變化甚大。土工合成材料的寬度為1~18m;重量≥1N/m2;開孔尺寸（等效孔徑）無紡型土工纖維為0.05 ~0.5 mm.編織型土工纖維為0.1~1.0mm.土工墊為5~10mm;土工網及土工格柵為5~100 mm;導水性不論垂直向或水平向，其滲透系數k≥10-2cm/。（相當于中、細砂的滲透系數）;抗拉強度;無紡型土工纖維 10~30 kN/m（高強度的30~100 kN/m），編織型土工纖維 20~50 kN/m（高強度的50~100kN/m），土工格柵30~200kN/m，（高強度的200~400 kN/m）。不同類型的土工合成材料的拉應力和拉應變關系變化差別很大。

3.土工合成材料的常用術語

（1）抗拉強度（tensile strength）

單位寬度的土工合成材料試樣在外力作用下拉伸時所能承受的最大拉力。

（2）延伸率（extenaity）對應于某一拉力時的應變量。

（3）握持強度（grad tenaile strength）土工合成材料試樣在握持拉伸過程中所能承受的最大拉力。

（4）握持延伸率（grad extensity）對應于握持強度時的應變量。

（5）撕裂強度（tearing strength）土工合成材料試樣在撕裂過程中抵抗擴大破損裂口的最大拉力。

（6）圓球頂破強度（ball burst strength）以規定直徑圓球頂桿勻速垂直頂壓于土工合成材料平面時，土工合成材料所能承受的最大T頂壓力。

（7）CBR 頂破強度（CBR burst strength）以CBR 儀的圓柱形頂桿勻速垂直頂壓于土工合成材料平面時，土工合成材料所能承受的最大頂壓力。

（8）刺破強度（puncturing strength）一剛性頂桿以規定速率垂直頂向土工合成材料平面將試樣刺破時的最大力。

（9）穿透孔徑（amount of cone penetration）規定尺寸的落錐在土工合成材料上方 500 mm 高度處自由落下時，穿透土工合成材料的孔洞直徑。

（10）平均線收縮系數（average coeffient of contraction）規定尺寸的土工合成材料試樣在規定溫度區內，以規定速率降溫時，每降低1℃的收縮戀形與試樣原長度的比值。

（11）似摩擦系數（apparent cofficient of friction）在土工合成材料與土的接觸界面上有法向力作用時，界面上的摩擦剪切強度與法向力的比值即為似摩擦系數。

（12）等效孔徑 O（equivalent opening size）等效孔徑是用來表示土工合成材料孔隙大小的指標。采用不同的篩余率標準，可得到不同的等效孔徑值。等效孔徑 Og表示土工合成材料中有95%的孔徑低于該值。

（13）當量孔徑 D， （equivalent diameter）當景孔徑用來表示土工網材孔徑的大小.當量孔徑是指將某種形狀的土工網材孔徑換算. 為等面積圓的直徑。

（14）垂直滲透系數【permeability（transverse）】與土工織物平面垂直方向的滲流的水力梯度等于1時的滲透流速。

（15）水平滲透系數【permeability（longitudinal or in plane）】在土工織物內部沿平面方向的滲流的水力梯度等于1 時的滲透流速。

（16）透水率（permitivity）水位差等于1時垂直于土工織物平面方向的滲透流速。

（17）導水率（transmissivity水力梯度等于1時沿土工織物平面單位寬度內輸導的水流量。

（18）梯度比（gradient ratio）土工織物試樣及其上方25mm 土樣的水力梯度i與織物上方從 25mm 至75mm 之間土樣的水力梯度i的比值。