[科普中国]-土工聚合物

研究背景

在一定级配及压实条件下，土体具有较大的剪切强度，但其抗拉强度很低，无粘性土甚至不能承受拉力。与钢筋混凝土的概念相类似，人们在填土中加入金属或土工聚合物等筋材，并依靠筋材和土之间的摩擦力来加强土体，这就引入了加筋土的概念。简言之，加筋土就是在土中加入抗拉材料，以改善土的工程性质。

事实上，加筋土的概念并不新鲜。动物利用树枝、稻草、芦苇和泥建成栖息的巢穴，就本能地演示了加筋土的基本原理。此外，人们在土坯中加入草筋提高强度，将柴排铺在泥沼地带修筑道路等，均是自发地利用带筋或纤维加筋加固的典型例子。例如：在陕西半坡村发现的仰韶遗址中，有许多简单房屋，其墙壁和屋顶是利用草泥修筑而成的。据估计，这些建筑距今已有五、六千年的历史。在玉门一带，还保留有用砂、砾石和红柳或芦苇压叠而成的汉长城遗址。国外也有类似的利用天然植物作加筋材料的记载。约在1822年，Colonel Plasley 采用帆布代替天然植物，将加筋土技术引进英国军队。

1963年，法国工程师亨利·维多尔(Henry Vidal)根据三轴试验结果提出了加筋土的概念及加筋土的设计理论，成为加筋土发展历史上的一个重要里程碑，标志着现代加筋土技术的兴起。自1965年法国在普拉格尔斯(Prageres)成功地修建了一座公路加筋土挡土墙以来，加筋土的研究和应用迅猛发展，加筋材料也从天然植物、帆布、金属发展到预制钢筋混凝土和土工聚合物，工程应用从经验性到具有较为系统的理论指导，加筋土的发展经历了几千年的漫长历程。加筋土技术被誉为“继钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土之后又一造福人类的重要复合材料”，是加固土体的三大法宝之一。

在我国，自1979年由云南煤矿设计院在田坝修建第一座加筋土挡土墙以来，加筋土技术方兴未艾。现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项，砌墙面积超过70万m2。在大量工程实践的基础上，随着经验的积累，创造了符合我国国情的加筋土技术，在某些方面还达到了国际先进水平。如位于陕西洛川201国道上的加筋土挡墙，其主体墙全部设在曲线上，墙高50.13m，其高度位居世界第二。1

发展历程大约20世纪50年代，土工聚合物开始应用于岩土工程中。随着新产品的不断开发和新技术的发展，土工聚合物日益显示出其优越性，并且逐步成为当今的主要加筋材料。正象有人指出的那样,“应用土工聚合物对于岩土工程将是一场革命”。

早在1958年,美国首先使用聚氯乙烯单丝编织物代替传统的级配砂砾料用于护岸工程;1970年法国开创了土石坝工程中使用土工聚合物的先例。

最近二三十年土工聚合物发展迅速,尤以北美、西欧和日本发展最快。土工聚合物被誉为继砖石、木材、钢铁、水泥之后的第五大工程建筑材料，广泛应用于铁路、公路、水利、港口、城建、国防等领域。随着应用范围的不断扩大，土工聚合物的生产和应用技术也在迅速地提高，使其逐渐成为一门新的边缘性科学，有关学术活动也在不断地扩大和深入。

自1977年以来，先后召开了六届国际土工聚合物学术会议；国际土力学与基础工程学会也于1983年成立了土工织物协会，后更名为国际土工聚合物协会，成为土工学术界重视土工聚合物的重要标志。

在我国，土工聚合物的应用与研究起步较晚，但发展较快。20世纪70年代末，铁道部门开始研究并在现场试验中应用土工织物防治铁路路基基床翻浆冒泥和包石盲沟加强排水；水利和交通部门也开始研究土工织物在反滤、防渗和排水等方面的应用。1984年成立了全国性的“土工织物科教情报协作网”，后更名为“中国土工聚合物协会”，自1986年以来，先后召开了五届土工聚合物学术会议，推动了土工聚合物在我国的应用与发展。1998年土工聚合物在抗洪抢险中发挥的巨大作用引起了国家领导人的关注，为了进一步推广应用，有关专家综合国内外的研究成果和工程实践经验，在短短的几个月内制订了《土工聚合物应用技术规范》（GB 50292-98），水利、交通、铁道部门也制订了相应的行业标准。1

类型1977年，J.P.Giroud和J.Pefetti建议将土工聚合物分成两大类：土工织物和土工膜，分别代表透水和不透水的土工聚合物。由于新产品的不断涌现，超出了旧产品的分类体系，因此，1983年，J.P.Giroud和P.G.Caroll提出把土工聚合物分为土工织物和土工织物相关产品两大类，这一分类没有纳入土工膜，而用土工织物相关产品这一名称也不确切。在中国，许多专家依据产品功能和制造工艺的不同，建议把土工聚合物划分为四大类：土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料。1

（1）土工织物（geotextile）

透水性的平面土工聚合物，按制造方法分为非织造 (无纺non-woven)土工织物和织造(有纺woven)土工织物。

① 织造土工织物分机织型与针织型。机织型又称有纺型，是由相互正交的纤维织成,与通常的棉毛织品相似,其特点是孔径均匀、沿经纬线方向强度大,而斜交方向强度低,拉断的延伸率较低。针织型又称编织型，是由单股或多股线带按照一定的方式编织而成,与通常编织的毛衣相似。

② 非织造土工织物又称无纺型。这种土工聚合物中纤维(连续长丝)的排列是无规则的。与通常的毛毯相似,亦称作“无纺布”。制造时,首先将无规则排列的纤维铺成薄层状,然后采用化学处理法、热处理法或针刺机械处理法使之成形,是当前世界上应用最广的一种土工纤维。

（2）土工膜（geomembrane）

在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜。

（3）土工特种材料

① 土工格栅（geogrid）

由聚合物材料（多为聚乙烯或聚丙烯）通过定向拉伸（单向或双向拉伸）形成，是具有开孔网格、较高强度的平面网状材料，其孔格可为圆形、椭圆形、方形或长方形格栅，孔格尺寸为1~10cm。

② 土工网（geonet）

合成材料条带或合成树脂压制成的平面结构网状土工聚合物。

③ 土工垫（geomat）

以热塑性树脂为原料，经挤出、拉伸等工序形成的相互缠绕、并在接点上相互熔合、底部为高模量基础层的三维网垫。

④ 土工模袋（fabriform）

双层聚合化纤织物制成的连续(或单独的)袋状材料。可以代替模板用高压泵把混凝土或砂浆灌入模袋之中，最后形成板状或其他形状结构。

⑤ 玻纤网 (glass geogrid)

以玻璃纤维制成的平面网格状材料。

⑥ 聚苯乙烯 (EPS) 板块

由聚苯乙烯制成的轻质材料,可用作轻质填料。

（4）土工复合材料

由上述两类以上组合而成的材料统称土工复合材料。

土工复合排水材料(geocomposite drain)是以无纺土工织物和土工网、土工膜或不同形状的合成材料芯材复合而成的土工排水材料。1

特性土工聚合物的优点是:质地柔软而重量轻、整体连接性好、施工方便、抗拉强度高、耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好、无纺型的当量直径小和反滤性好。其缺点是:同其原材料一样,未经特殊处理则抗紫外线能力低,但如在其上覆盖粘性土或砂石等物,其强度的降低是不大的。另外,合成材料中以聚脂纤维和聚丙烯腈纤维耐紫外线辐射能力和耐自然老化性能为最好,所以目前世界各国的土工聚合物使用这两种原材料居多。表征土工聚合物产品性能的指标包括:

① 产品形态

材质及制造方法、宽度、每卷的直径及重量。

② 物理性质

单位面积质量、厚度、开孔尺寸及均匀性等。

③ 力学性质

抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、顶破强度、蠕变性与土体间摩擦系数等。

④ 水理性质

垂直向和水平向透水性。

⑤ 抗老化和耐腐蚀性

对紫外线和温度的敏感性,抗化学和生物腐蚀性等。

以上有关产品性能的指标,必通过产品检测,提供作为材料性能规格说明的资料。目前土工聚合物的试验方法和标准都不统一。土与土工聚合物相互作用的性质实验则多数处于研究探索之中。土工聚合物产品因制造方法和用途不一,宽度和重量的规格变化甚大。土工聚合物的宽度为1~18m;重量≥1N/m2;开孔尺寸(等效孔径)无纺型土工纤维为0.05~0.5mm,编织型土工纤维为0.1~1.0mm,土工垫为5~10mm;土工网及土工格栅为5~100mm;导水性不论垂直向或水平向,其渗透系数k≥10-2cm/s(相当于中、细砂的渗透系数);抗拉强度:无纺型土工纤维10~30kN/m(高强度的30~100kN/m),编织型土工纤维20~50kN/m(高强度的50~100kN/m),土工格栅30~200kN/m,(高强度的200~ 400kN/m)。不同类型的土工聚合物的拉应力和拉应变关系变化差别很大。1

常用评价术语（1）抗拉强度 tensile strength

单位宽度的土工聚合物试样在外力作用下拉伸时所能承受的最大拉力。

（2）延伸率 extensity

对应于某一拉力时的应变量。

（3）握持强度 grad tensile strength

土工聚合物试样在握持拉伸过程中所能承受的最大拉力。

（4）握持延伸率 grad extensity

对应于握持强度时的应变量。

（5）撕裂强度 tearing strength

土工聚合物试样在撕裂过程中抵抗扩大破损裂口的最大拉力。

（6）圆球顶破强度 ball burst strength

以规定直径圆球顶杆匀速垂直顶压于土工聚合物平面时，土工聚合物所能承受的最大顶压力。

（7）CBR顶破强度 CBR burst strength

以CBR仪的圆柱形顶杆匀速垂直顶压于土工聚合物平面时，土工聚合物所能承受的最大顶压力。

（8）刺破强度 puncturing strength

一刚性顶杆以规定速率垂直顶向土工聚合物平面将试样刺破时的最大力。

（9）穿透孔径 amount of cone penetration

规定尺寸的落锥在土工聚合物上方500mm高度处自由落下时，穿透土工聚合物的孔洞直径。

（10）平均线收缩系数 average coeffient of contraction

规定尺寸的土工聚合物试样在规定温度区内，以规定速率降温时，每降低1℃的收缩变形与试样原长度的比值。

（11）似摩擦系数 apparent cofficient of friction

在土工聚合物与土的接触界面上有法向力作用时，界面上的摩擦剪切强度与法向力的比值即为似摩擦系数。

（12）等效孔径O95 equivalent opening size

等效孔径是用来表示土工聚合物孔隙大小的指标。采用不同的筛余率标准，可得到不同的等效孔径值。等效孔径O95表示土工聚合物中有95%的孔径低于该值。

（13）当量孔径De equivalent diameter

当量孔径用来表示土工网材孔径的大小，当量孔径是指将某种形状的土工网材孔径换算为等面积圆的直径。

（14）垂直渗透系数 permeability (transverse)

与土工织物平面垂直方向的渗流的水力梯度等于1时的渗透流速。

（15）水平渗透系数 permeability (longitudinal or in plane)

在土工织物内部沿平面方向的渗流的水力梯度等于1时的渗透流速。

（16）透水率 permittivity

水位差等于1时垂直于土工织物平面方向的渗透流速。

（17）导水率 transmissivity

水力梯度等于1时沿土工织物平面单位宽度内输导的水流量。

（18）梯度比 gradient ratio

土工织物试样及其上方25mm土样的水力梯度i1与织物上方从25mm至75mm之间土样的水力梯度i2的比值。1

主要功能1．加筋作用

土中加入抗拉材料，可改变土中的应力分布，约束土体的侧向变形，从而提高结构的稳定性。加筋作用可用于：①支挡结构（如挡土墙、桥台）；②防护结构（制止滑坡等）；③地基加固补强（加筋垫层等）；④水工结构（堤、坝）；⑤地下结构。用于加筋的材料要求具有较高的抗拉强度和一定的刚度，并且与填土之间咬合力强，对于永久性建筑物还要求蠕变小，耐久性好。目前常用的加筋材料有土工格栅、土工带、机织土工织物。

2．反滤作用

在渗流情况下，土工聚合物（主要是无纺土工织物）铺设在渗流出口区，一方面，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止土颗粒的过量流失而造成土体的破坏；另一方面，又允许土中的水或气体穿过土工织物自由排出，以免由于孔隙水压力的上升而造成土体失稳。由于它既容许水流畅通而又能阻止土粒运动，可代替传统的砂砾反滤层，防止发生流土和堵塞，提高被保护土的抗渗强度。

对土工聚合物反滤层工作机理的研究表明:多数土工聚合物在单向渗流的情况下,在紧贴土工聚合物的土体中,发生细颗粒逐渐向滤层移动,同时还有部分细颗粒通过土工聚合物被带走,遗留下较粗的颗粒。从而与滤层相邻的一定厚度的土层逐渐自然形成一个反滤带和一层骨架网,阻止土粒的继续流失,最后趋于稳定平衡。亦即土工聚合物与其相接触的部分土层共同形成一个完整的反滤系统。图1为将土工聚合物铺放在上游面的块石护坡下面,起反滤和隔离作用。图2为土工聚合物同样也可铺放在土坝工程中下游排水体周围,起反滤作用以防止管涌;也可铺在均质土坝坝体内,起竖向排水作用,这样可有效地降低均质坝坝体浸润线,提高下游坝坡的稳定性。渗水沿土工聚合物进入水平排水体,最后排至坝体外。作这种排水用的土工聚合物，要求在本身的平面方面有较大的渗透系数。

具有相同的孔径尺寸的无纺土工织物和砂的渗透性大致相同。但土工织物的孔隙率比砂高得多,而密度约为砂的1/10,因而当土工织物与砂具有相同的反滤特征时,所需土工织物的质量要比砂少10倍。此外,土工织物反滤层的厚度比砂砾反滤层薄100~1000倍,这主要是土工纤维具有良好的连续性,为此,在具有相同反滤特征条件下,土工织物的质量要比砂层小1000~10000倍。

3．排水作用

具有一定厚度的无纺土工织物和复合排水材料具有较高的导水率，利用这种特性除了可作透水反滤外,还可以在土体中形成排水通道，使水经过土工聚合物的平面迅速汇集、排走。它可与其他排水材料(如排水管、粗粒料、塑料排水板等)共同构成排水系统或深层排水井。图3a为土工聚合物用于建造无集水管排水盲沟。铺设时在先开挖好的槽内铺设合成材料,然后回填碎石,并将土工聚合物再包裹好,最后回填砂土即可。为了防止粉、细砂和粘土粒进入排水管道而引起堵塞,也可用土工聚合物包裹管道,然后埋于地下,如图3b所示。另外,板桩挡土墙的板桩间缝隙,由于水流的作用常会将填料吸出而引起结构物沉陷,国外有许多工程都有挡土墙填土之前,将土工聚合物垫于挡土墙后再填土,这样,既可使水排走,又不会把土颗粒带走,以免墙体沉陷。

土工聚合物作为排水层的效果,取决于其在相应的受力条件下导水性的大小(导水性等于水平向渗透系数kn与厚度t的乘积)及其所需排水量和所接触土层的土质条件。1

4．隔离作用

利用土工聚合物把两种不同粒径的土、砂、石料(如道碴与路基土)或把土、砂、石料与其他结构物隔离开来，以免相互混杂，造成土料污染、流失或其他不良效果。用于受力结构，有助于保证结构的状态和设计功能；用于材料存贮、堆放，可避免材料损失或劣化，对于废料还可防止环境污染。

隔离作用的作用原理是依靠土工聚合物的高抗拉、抗顶穿及撕裂强度，整体的连续性和广泛的柔韧性以及良好的耐酸碱、生物侵蚀性等能力,能适应受力、变形和各种环境变化的影响而不破损。一般修筑道路时,路基和道床顺次施工,道路修筑完毕就开始运营。由于运营时荷载压力和雨水通过,使软弱土层侵入路基的碎石,因而引起翻浆冒泥,最后使基床设计厚度减小,导致道路破坏。土工聚合物用在道路工程中可防止软弱土层侵入路基,同时又能增强地基承载能力;又有利于排水加速土体固结。图4为铁路工程中铺设土工聚合物后以保持轨道稳定,减少养护费用。作为隔离用的土工聚合物其渗透性应大于所隔离土的渗透性;在承受动荷载作用时,土工聚合物还应有足够的耐磨性,当被隔离材料或土层间无水流作用时,也可用不透水土工膜。常用的隔离材料包括土工膜、复合土工膜、土工织物。

5．防渗作用

土工膜和复合土工膜都可以有效地防止液体的渗漏或气体的挥发。

6．防护作用

防护作用主要包括坡面防护和冲刷防护。坡面防护用于防护易受自然因素影响而破坏的土质或岩石边坡；冲刷防护用于防护水流对结构物的冲刷与淘刷。

（1）坡面防护

用土工聚合物进行坡面防护的坡面坡度：土质坡面宜在1：1.0～1：2.0之间；岩石坡面宜缓于1：0.3。

土质坡面可采用拉伸网草皮、固定草种布或网格固定撒种进行防护。岩石坡面可采用土工网或土工格栅进行防护。

拉伸网草皮、固定草种布置在种置土层的中间，然后撒种、养护，待草苗旺盛，土体、土工网或土工垫与草根系固定后，成捆送至施工地点进行铺设。草皮宽度为1.5m～2.5m ,每捆长度宜为4m～6m。固定草种布(也可称植生带)护坡方法是在土工织物纺织时，将草种固定于土工织物中，然后到现场铺筑，促使草皮生长，形成植被护坡层。网格固定撒种护坡方法是先将土工网固定于需防护的边坡上，然后撒播草种形成草皮。

易碎岩面的侵蚀和小量的岩崩可采用土工网或土工格栅进行防护。防护方式分为裸露式、埋藏式两种。裸露式是指将土工格栅直接固定并裸露于岩面；埋藏式是指将土工网或土工格栅固定于岩面后再用水泥砂浆喷护。裸露式防护方法适用于临时性工程边坡的防护或永久型工程边坡的临时防护。对永久型的边坡，在更换土工网或土工格栅较方便的场合，也可采用裸露式防护。裸露式防护应采用强度较高的土工格栅，埋藏式防护可采用土工网或土工格栅。用于岩石边坡防护的土工网、土工格栅。1

（2）冲刷防护

沿河路基、坝可采用土工织物软体沉排、土工模袋进行冲刷防护。

① 土工织物软体沉排

土工织物软体沉排坡是在土工织物上以块石或预制混凝土块体为压重的护坡结构。土工织物软体沉排一般适用于水下工程及预计可能发生冲刷的路基坡面。视具体情况可采用单片垫和双片垫两种结构形式。

单片垫是利用土工织物拼接成大面积的排体；双片垫是将两块单片垫重叠后按一定距离和型式将两片垫拼接在一起而构成管状或格状空间，其中再填充透水性材料(如砂卵石等)，起到防冲与反滤的作用。双片垫的结构形式如图7所示。

排体材料可采用聚丙烯编织型土工织物，其等效孔径O95应满足挡土、透水和防淤堵三方面的要求。为了加固排体和施工时便于牵引定位，排体材料每隔30～50cm应设一根尼龙绳。

② 土工模袋防护

土工模袋是一种双层织物袋，袋中充填流动性混凝土或水泥砂浆或稀石混凝土，凝固后形成高强度和高刚度的硬结板块。其主要应用场合及铺设型式如图8所示。

必须注意,在实际工程中应用土工聚合物往往是几种作用的组合,其中有的是主要的,有的是次要的。虽然隔离作用不一定要伴随过滤作用,但过滤作用经常伴随隔离作用。因而设计时,宜根据不同工程应用的对象,综合考虑针对土工聚合物作用的要求进行选料。1

作用机理1、平面结构型材料的加筋机理

平面型材料在这里指的是土工织物、土工格栅、土工网等材料。其工作机理如下:图9(a)为未加筋的土单元体,在竖向荷载ζv的作用下,单元土体产生压缩变形,侧向发生膨胀。通常,侧向应变要比轴向应变大一倍半。随着竖向荷载逐渐增大,压缩变形和侧向膨胀也越来越大,直至破坏。图9(b)为单元土体中放置水平向的拉筋,通过拉筋与土颗粒间的摩擦作用,将引起侧向膨胀的拉力传递给拉筋。由于拉筋通常采用的是拉伸模量大的材料,因此单元土体的侧向变形就受到了限制,在同样大小的竖向应力ζv作用下,侧向变形bH=0。加筋后的土体就好象在单元土体的侧向加了一个侧向荷载一样,它的大小与静止土压力K0·ζv等效,并且随着竖向应力的增加,侧向荷载也成正比增加。图10-9(c) 显示在同样大小的竖向应力σv作用下,加筋土应力圆的各点都在破坏曲线下面。只有当与拉筋之间的摩擦失效或拉筋被拉断时,土体才有可能发生破坏。1

通常在加筋土体中采用抗拉强度高、延伸率小、耐腐蚀和有柔韧性的拉筋材料。如镀锌钢带(截面为5mm×40mm或5mm×60mm)、钢条、尼龙绳、玻璃纤维和土工聚合物等。土工聚合物用于加筋土时,其作用与其他筋材的加筋土类似。土工聚合物作为加筋一般要求有一定的刚度,新发展的土工格栅能够很好地与土相结合,是一种好的加筋材料。与金属筋材相比土工聚合物不会因腐蚀而失效,在桥台、挡墙、海岸、码头等支护建筑物中取得了成功的应用。

加筋效果与加筋材料的布置、加筋材料的强度和刚度、筋土之间的界面特性等因素有关。一般认为，加筋层间距越小、筋土之间的界面摩擦系数越大，则加筋效果越显著。加筋材料水平布置时（即试样中的最大主拉应变平面），加筋效果最好，而加筋层与水平面夹角在40°～60°之间时，效果最差。在一定范围内，试样的抗剪强度随着加筋层数的增大而近似线性地增大，但超出某一加筋层数的范围后，强度不再有明显的增加。

加筋土有两种主要的破坏形式。一种是筋～土之间发生相对滑移，这种破坏形式通常发生在围压较小、加筋层间距较大的情况下，试样的强度取决于筋～土之间的摩擦系数；另一种破坏形式是筋带断裂，这种破坏形式通常发生在围压较大、加筋层间距较小的情况下，试样的强度取决于筋带的抗拉强度。

Gray等人1986年在试验中发现，加筋土试样的抗剪强度包络线是双直线型的，转折点所对应的围压值称为临界围压。临界围压的大小与筋～土之间的界面摩擦以及筋材的抗拉强度有关，筋～土之间的界面摩擦越大，临界围压越小，当所施加的围压小于临界围压时，试样的破坏形式为筋～土之间发生相对滑移；当所施加的围压大于临界围压时，试样的破坏形式为筋带断裂破坏。

由图10可见：对筋～土之间发生相对滑移的破坏形式，筋土复合材料强度的提高表现为内摩擦角的增加；而对于筋带断裂的破坏形式，则表现为粘聚力的增加。2

2、纤维加筋土的加筋机理

纤维加筋土又叫纤维土，是在土中加入纤维长丝或短丝，均匀拌和后压实而成的一种复合材料。由于纤维在土中的分布是随机的，因此，纤维土在宏观上是各向同性的，不像土工织物或土工格栅加筋土那样在平行于加筋材料的方向上存在薄弱面。大量试验和研究结果表明：在土中加入不定向的纤维能显著提高土的强度和刚度；与未加筋土相比，纤维土表现出更好的柔韧性，达到破坏时的轴向应变增大了，而峰后强度损失减小了。

纤维土强度和刚度的提高与以下因素有关：土的性质，如颗粒大小、形状、级配；纤维的性质，如纤维含量，表面率（即纤维的长度与直径之比），表面摩擦，弹性模量；试验条件，如围压大小等。纤维的含量越高，表面率、表面摩擦越大，或填料的级配越好，则纤维土的强度越高；但是，模量很低的纤维，对纤维土强度的提高几乎不起作用。

纤维土抗剪强度随着纤维含量的增加而近似直线地增大，但当纤维含量超过某个上限值后，纤维土的抗剪强度几乎不再增长。1