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1、第1章 绪 论12隧道防渗水库防渗 3湖北恩施芭蕉变电站4第1 章 绪 论1.1 概述土工合成材料（Geosynthetics)是指应用于岩土工程和土木工程中合成材料的总称。1、材料 聚丙烯、聚乙烯、聚酯等2、产品形式 土工织物（geotextiles)、土工膜（geomembranes）、土工格栅（geogrids）、土工复合材料(geocomposites)、土工其它（geoothers)。例如，土工泡沫(EPS)，土工格室(Geocell)、土工合成材料粘土垫（GCL）等3、功用排水反滤、隔离、防渗、加筋、减载、防护4、应用领域 土建、水利、交通、采矿、环境保护等5发展历史1、塑料布在1
2、930年美国已用到游泳池的防漏措施之 中。到50年代美国、前苏联、印度等国家开始在渠 道表层采用土工膜的防渗措施。1963年荷兰采用 聚乙烯土工膜作为一个占地50公顷的小型水库的 防渗措施。2、土工织物在1957年应用在荷兰的堵口工程。3、泡沫塑料在1960年用于路工中作为隔热保温材料；1972年用其质轻特点在道路工程中起到减载作用。4、1984年英国Tensar公司生产出世界上第一条土工 格栅应用于加筋土工程。应用进展取决于塑料工业的发展和应用的需求。6 国际会议、组织、出版物1977年在巴黎召开了第一届国际会议，而2023年11月将在意大利罗马召开了第12届国际土工合成材料会议。1980年
3、美国KoernerR.M.关于土工合成材料的第一本专著(DesigningwithGeosynthetics)问世，至2005年出了第五版1983年国际土工合成材料协会（InternationalGeosyntheticsSociety,简称IGS）成立。期刊和时事通讯，GeotextilesandGeomembranes（目前岩土类影响因子（Impactfactor,简记，IF3），最高之一）、GeosyntheticsInternational#，IGSNews。土工合成材料试验和应用的标准，例如国际标准化组织（ISO）、美国（ASTM）、英国（BSI）、法国（NF）、德国（DIN）、日本
4、（JIS）和澳大利亚（AS）等。$71984年成立了“土工织物技术协作网”1994年协作网正式改名为“中国土工合成材料工程协会”1986年在天津召开了我国第一届土工织物学术交流会2004年在西安召开了第六届2008年在上海召开了第七届.2012年在天津召开了第八界.2016年在武汉召开了第九届2020年在成都召开了第十届协会下设加筋土专委会、防渗排水专委会，我国8其后水利部确定了十大“示范工程”(如深圳河治理工程、王浦洲）、规范和专著，对土工合成材料应用和研究促进很大，有些被列入本教材的参考文献中。9在1998年我国的防洪抢险中,土工合成材料发挥了积极的作用，因而得到政府的大力推广。10 1.
5、2 聚合物简介 聚合物是土工合成材料的主要原料。由单体聚合而成。如聚乙烯：n（CH2=CH2）CH2-CH2nn个乙烯单体 聚乙烯(聚合物)还有聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯等。我国习惯以“纶”字作为合成纤维商品的后缀字，如锦纶(尼龙-6)，腈纶(聚丙烯腈)，氯纶(聚氯乙烯)，丙纶(聚丙烯)，涤纶(聚对苯二甲酸乙二酯)等等。11在实际应用时聚合物还采用代号(英文缩写)代表其名称：产品名称 英文名 代号低密度聚乙烯LowDensityPolyethyleneLDPE聚氯乙烯PolyvinylchloridePVC高密度聚乙烯HighDensityPolyethyleneHDPE聚丙烯Polyprop
6、ylenePP聚苯乙烯PolystyrenePS聚酯PolyesterPET聚酰胺(尼龙)PolyamidePA12聚合物的分类聚合物按性能分为塑料、纤维和橡胶三大类。(1)塑料 在一定条件下具有流动性、可塑性，并能加工成型，当恢复平常条件(如除去压力和降温)，则仍保持加工时形状的聚合物称为塑料。从性能上又分为：a.热塑性塑料 在温度升高后能够软化并能流动，当冷却时即变硬并保持高温时形状的塑料，而且在一定条件下可以反复加工定型，例如聚乙烯，聚丙烯和聚氯乙烯等；b.热固性塑料 加工成型后的塑料在温度升高时不能软化，其形状不变的塑料，例如酚醛树酯，脲醛树酯等。13(2)纤维 长度大于直径1000倍
7、以上而又具有一定强度的线形或丝状、且直径很小的聚合物称为纤维。重要的合成纤维品种有：聚酯纤维，如涤纶；聚酰胺纤维，如尼龙66；烯类纤维，如腈纶，维尼纶等。(3)橡胶在室温下具有高弹性的聚合物材料称为橡胶(又称为弹性体)。在外力作用下，橡胶能产生很大的应变(可以达到：1000)，外力除去后又能迅速恢复原状。重要的合成橡胶品种有顺丁橡胶，氯丁橡胶，硅橡胶等。以上是从性能上的分类。就其原材料来说可以是相同的，例如聚氯乙烯可以制成为塑料产品，纤维和类似于橡胶的制品。14影响聚合物力学性能的因素（1）化学成分（2）分子量分子量大，分子数少，分子端点的薄弱环节减少，分子间相互作用的次价键就多，因而分子间相
8、互作用力就较大，强度就高。（3）结晶结晶度增加使分子链排列紧密有序(即结晶化)，空隙小，分子间作用力增强，造成屈服应力、强度、模量、硬度等提高；但同时变硬变脆使断裂伸长率、抗冲性能下降。（4）取向取向是一个分子或晶粒趋向排列整齐的过程，使材料在取向方向的强度大为增加，但同时断裂伸长率降低，而且在垂直方向的强度会有所降低，形成强烈的各向异性特性。15（5）添加剂在原材料中掺入一定数量的其它原料，称为添加剂(或助剂，additive)，以改变它们的加工或使用性能。a.增塑剂使流动性较差的聚氯乙烯易于加工。b.增强剂热塑料可以采用合成纤维、玻璃纤维和碳纤维等作为增强剂形成比钢材强度还要高的纤维加筋塑
9、料，例如玻璃纤维增强塑料(玻璃钢，GlassFabricReinforcedPlastics,简称GFRP(#)、碳纤维增强塑料（CFRP)c.稳定剂，例如在聚乙烯中添加2的碳黑(早期常用的稳定剂)，可以使抗老化能力提高30倍。（6）加工工艺 例如格栅在生产过程中是否经过拉伸定向，对 它的抗拉强度影响极大；又如同样的原材料经过不同制造方 式形成的有纺织物和无纺织物，两者的性能就有很大的差别。161.3 土工合成材料的类型、功能和应用1.3.1 土工合成材料的类型1土工织物geotextiles土工织物是采用编织技术生产的透水性土工合成材料，成布状，故俗称土工布。主要特点是重量轻、整体连续性好、
10、施工简便、抗拉强度高、耐腐蚀。土工织物又分为有纺土工织物（wovengeotextiles）和无纺土工织物（nonwovengeotextiles），前者由单丝或多股丝织成，或由薄膜切成的扁丝编织而成；后者由短纤维或喷丝长纤维随机铺成絮垫，再经机械缠合（针刺）或热粘/化学粘合而成（参见章前彩图1和2）。17 无纺织物功能：隔离、加筋、防护、反滤、排水有纺织物 18 2土工膜(Geomembranes)土工膜是土工合成材料的主要产品之一（章前彩图3、4），具有极低渗透性的膜状材料，渗透系数为110-11110-13cm/s,实际上几乎不透水，是理想的防渗材料。与传统的防水材料相比，土工膜具有渗透
11、系数低、低温柔性好、形变适应性强、质量轻、强度高、整体连接性好、施工方便等优点。常用土工膜由HDPE和PVC用吹塑或压延的方法生产。19功能：防渗和隔离厚型和带防滑纹土工膜聚乙烯土工膜20 3土工格栅Geogrids 土工格栅是一种以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料或玻璃纤维为原料加工形成的开口的、类似格栅状的产品，具有较大的网孔。塑料土工格栅可以在一个方向或两个方向上进行拉伸取向以提高力学性能。另一种更灵活的、织物状的土工格栅由英国的ICI开发出来，采用的是聚酯纤维，这导致了在编织机上制造聚脂格栅的发展，产品称为经编（knitted）格栅。在这种工艺中，众多的纤维在一起形成了纵向和横向肋条，上面涂有
12、一些保护材料，如PVC，乳胶或沥青。此外，还有玻纤(glass fiber)格栅，它也是一种经编格栅（章前彩图6）。目前，我国具有上述格栅的生产能力。21功能：加筋、隔离单向塑料格栅 双向塑料格栅 经编土工格栅 22 NewGeogridProductTriAx canbemanufacturedinWuhan(Tensar,Wuhan).23244土工网geonets土工网是由连续的聚合物肋条以一定角度的连续网孔平行挤出而成。较大的孔径使其形成了象网一样的结构，同时能承受一定的法向压力而不显著减小孔径（章前彩图7）。其设计功能主要应用在排水领域，即需要输导各种液体的地方。在土中需和外包无纺织
13、物反滤层构成土工复合材料使用。255土工格室（geocell）这是一种呈菱形或蜂窝网格状结构的土工合成材料，铺设厚度为50200mm,中间空格尺寸大约80400mm.格中填土、砂、碎石或混凝土，起侵蚀控制作用，亦可用于加筋地基、加筋土挡土墙。266土工复合材料geocomposites土工复合材料的基本原理就是将不同材料的最好特性组合起来，使特定的某个问题能以最优的方式解决。其提供的主要功能就是前面提到的排水反滤、防渗、加筋、隔离、防护和减载等基本作用。（1）塑料排水带（prefabricatedverticaldrainsPVD，wickdrains,stripdrains）用薄的无纺织物包
14、裹的塑料芯条带，典型断面尺寸3mm100mm，芯板上有很多排水通道（凹槽）且在压力下不至缩小，土中水通过无纺织物滤层沿芯板的排水通道排出（章前彩图5）。2728导电塑料排水板（Electricalverticaldrains-EVD)土柱29+EO=EVD30（2）土工织物土工网型复合材料（土工复合排水网）当土工织物用在土工网上面或下面，或土工网像三明治一样夹在两层土工织物中间使用时，隔离、反滤和排水作用始终是能满足的。还有一种土工复合排水网，在网的一面为土工织物，另一面是土工膜，其隔渗效果更好。31（3）土工织物土工膜型复合材料（复合土工膜）复合土工膜是以织物为基材，以聚乙烯、聚氯乙烯等土工
15、膜为膜材，经流延、压延、涂刮、辊压等复合工序形成的土工膜-土工织物的组合物。按结构可分为：一布一膜、二布一膜、一布二膜、多布多膜等。目前工程大多采用以无纺织物与土工膜复合而成的复合土工膜。复合土工膜中土工织物对膜起保护作用,能提高土工膜的抗拉强度,增大土工膜与其他土工材料摩擦系数。32（4）土工膜土工格栅型复合材料由于某些土工膜和土工格栅可用同种原料生产，如高密度聚乙烯，它们可以粘合在一起形成一个不透水的屏障，且其强度和摩擦力都有所提高。（5）土工织物土工格栅型复合材料这些低模量、低强度和高延伸率的土工织物（通常是无纺织物）可通过用土工格栅做成复合材料而使其弱点得到克服，共同发挥隔离、反滤和加
16、筋作用。33（6）土工合成材料粘土垫(GeosyntheticClayLiners,GCL)土工合成材料粘土垫是由土工织物或土工膜中间夹有膨润土，通过针刺、粘合或缝合在一起的防渗隔离复合材料。土工合成材料粘土垫可用于环境（如垃圾填埋场）、防护、交通、土工技术及水利等领域。34 泡沫塑料的原料为聚苯乙烯，模室法生产的是EPS,挤出法生产的是XPS。因泡沫塑料具有无数小孔，故质量很轻，压缩性高，除用作隔音、隔热材料外，还可用于挡土墙后或上埋式管道上面的填料，减小土压力。（1）土工泡沫塑料（geoform）7、土工其它材料geo-others35（2）土工模袋（fabricform）将双层土工织物按
17、一定间隔用定长的绳索相连，铺在坡面上起模板的作用，在其间充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成板状护块（参见参见章前彩图31）。36（3）土工包容系统（geocontainer）简称土工系统土工包容系统泛指用土工合成材料（土工织物、土工膜、土工格栅和土工网等）包裹土、石块或水的包容体，包括土工管袋（geotube）、土工包(geobag)、土工筐笼(geogabion)等，分别用于护岸、筑堤、挡土墙面板或储水容器等。37（4）土工网垫（geomats）土工网垫是一种以聚烯烃为主要原料，经挤出菱形网与双向拉伸网复合、点焊、热收缩成型的三维多开孔结构（章前彩图8）。由于其强度高、易于和植被根系结合促进植
18、物生长，故对控制坡面水土流失有独特效果，同时满足全球环保要求，是公认的绿色土工合成 材 料，又 称 为 三 维 植 被 网（three-dimensionalmattresses）。38（5）土工管(geopipe)土工管又叫埋塑管，管上有很多开孔，用于土中排水时，需外包无纺织物反滤层使用。土工管可能是土工合成材料家族中使用最早且至今仍在沿用的一个品种（参见章前彩图10）。39 1.3.2 土工合成材料的功能（1）隔离这种土工合成材料可以隔离颗粒级配不同的两层土例如，土工织物可用于防止路基材料嵌入软弱下卧层，从而维持设计厚度和道路的完整性。隔离层也有利于防止土基中的细粒土涌入路基透水粒料层中。
19、（2）过滤这种土工合成材料的性能与砂滤层类似，允许水流经土壤同时又保留所有高水位处的土壤颗粒，也称为过滤作用。土工织物也用在海岸和河岸的抛石和其它护岸材料之下，以防在波浪的反复作用下土体颗粒在波浪反复作用下土体的颗粒流失。隔离功能示意图过滤功能示意图401.3.2 土工合成材料的功能（3）排水这种土工合成材料作为排水管引导液体流经渗透性较弱的土壤。例如，土工合成材料可用来消散路堤中的孔隙水压力。针对排水流量较大的情况，已开发出土工复合排水管。这些材料已被用来作为路缘带排水管、边坡截水管、坝肩及挡土墙的排水管。塑料排水板（PVDs）已被用于加速堤坝和预压荷载下的软黏土地基的固结。（4）加筋这种土
20、工合成材料作为土体内的加筋体或与土体结合形成复合体，土体强度及变形性能较未加筋土有所提高。例如，土工织物和土工格栅用来增加土体的抗剪强度以形成垂直或陡坡加筋体（即加筋挡土墙或加筋、陡坡）。加筋能使堤坝建在极软地基上，且堤坝边坡的坡角可以比未加筋时更陡。土工合成材料（通常为土工格栅）可跨越（公路和铁路）持力层下或填埋场覆盖系统下的孔洞。411.3.2 土工合成材料的功能（5）液体/气体围堵（屏障）这种土工合成材料作为一种阻隔液体或气体的屏障。例如，土工膜、薄膜复合土工布、土工合成材料黏土衬垫（GCLs）和涂层土工布等作为流体的屏障，以阻止液体或气体的流动。这个功能也可用于沥青路面覆盖、膨胀土的封
21、装和废弃物的围堵。（6）水土保持这种土工合成材料用以减少由降雨影响和地表水径流造成的土壤流失。例如，将临时土工合成垫和永久性轻质土工合成垫铺设在边坡上外露的土壤表面。土工布粉土围栏可用来拦截含砂径流水中的悬浮颗粒。液体/气体围堵功能示意图 水土保持功能示意图421.3.3 土工合成材料的应用设计应用设计的方法属于“功能设计”的范畴，即根据土工合成材料应用的主要功能和设计理论确定土工合成材料要求的性能指标，根据材料试验结果和不同的折减系数得到土工合成材料的允许特性指标，则设计的安全系数Fs用下式计算：其中，设计理论来自相关工程设计中成熟的模型，并结合土工合成材料的特点作一些必要的修正；折减系数须综合考虑材料的蠕变、施工破坏、应用环境中的化学破坏和生物破坏等的影响。43