（纺织材料与纺织品设计专业论文）水土保持用土工织物的开发与应用研究.pdf

摘要 随着新材料、新技术的发展以及工程的需要，土工织物这种用于岩土工程的 材料不断有新的品种出现。作为工程应用材料，土工织物具有良好的物理性能、 水力学性能和化学性能，因此，已被广泛应用于交通、水利、电力、海港、采矿、 海岸提坝、水土保持、环境污染的防治等各项工程领域中。目前，将天然或合成 的土工织物覆盖于坡面上用于防止土壤侵蚀、促进植物成活与生长，进行水土保 持的研究，在我国刚刚开始，但已经显示出了广阔的应用前景。 本课题的目的是开发与研究机织土工织物，主要用来控制陡坡的土壤侵蚀， 同时促进植被在坡面上成活与生长，最终获得长期的水土保持。织物原料选择 可自然降解的红麻，在实验方案的设计中，从机织物结构参数中最影响织物性 能的参数入手，通过生产和工程实际中广泛应用的正交实验法。综合织物规格 参数中的经纬纱细度、织物组织、经纬密度三个因素对产沙量、产流量和拉伸 强度这三个指标进行分析，确定设计中最优的规格参数组合，此外，进行了草 本种植试验及织物降解试验，得到了一些有用的结论。 首先，本课题的重点是采用人工模拟降雨的方法，定量研究了各种士工织物 对坡面侵蚀防治的作用功效，对实验结果加以分析和讨论，研究织物的结构参数 对织物力学和坡面水土保持功效的影响及程度。模拟降雨条件下坡面的侵蚀研究 表明，土工织物覆盖于土壤表面可以减少雨滴击溅对土壤的分离作用，此外可以 减少地表径流，降低径流侵蚀动能。红麻土工织物可以起到吸水、截水，减少径 流的作用，在一定程度上提高了土壤对天然降雨的利用率。 其次，草本种植实验结果显示，红麻土工织物能够加快植物的生长速度， 提高植物的成活率。说明了红麻织物的覆盖可以有效的改善土壤的微环境，对植 物的生长发育都有一定的促进作用。 最后，红麻织物的降解性测试采用土埋和覆盖种草这两种方法。从实验结 果可以推测出该织物一般会在铺设的一到两年间发挥作用，一年后织物已部分 生物降解，植被基本建立，降解性能够满足使用。降解后对环境无害，并可为 植物生长提供养分，有利于植物生长。 本研究是在多学科交叉的基础上展开的，研究涉及纺织材料学、土壤侵蚀 学、水土保持学、土壤学、水文学、生态学等学科。通过多学科的交叉，有利 于全面客观的认识土工织物的作用，推动纺织、土壤侵蚀与水土保持科学的发 展，为水土保持工作提供合理的方法和科学的依据，实现可持续发展。 关键词：水土保持，红麻，土工织物，织物结构，土壤侵蚀，模拟降雨 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e wm a t e r i a l s ，n e wt e c h n o l o g i e sa sw e l la s t h en e e do fp r o j e c t ，g e o t e x t i l em a t e r i a lf o rg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h e r ea r ea l w a y sn e wv a r i e t i e s a se n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，g e o t e x t i l ei s o f g o o dp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，h y d r a u l i cp r o p e r t i e sa n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s ，t h e r e f o r ei th a sb e e nw i d e l yu s e di nt r a n s p o r t a t i o n ，w a t e r c o n s e r v a n c y ，e l e c t r i cp o w e r ，p o r t ，m i n i n g ，s e a c o a s t ，d y k e ，w a t e ra n d s o i lc o n s e r v a t i o n ，p o l l u t i o np r e v e n t i o np r o j e c t sa n ds oo n a tp r e s e n t ， t h ec o v e r a g eo fn a t u r a lo rs y n t h e t i cg e o t e x t i l e su s e dt op r e v e n ts o l l e r o s i o no nt h es l o p e ，p r o m o t i n gp l a n tg r o w t ha n ds u r v i v a l ，s o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o nr e s e a r c hh a sj u s ts t a r t e di nc h i n a b u ti th a sd e m o n s t r a t e d f lb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pa n ds t u d yw o v e ng e o t e x t i l e w h i c hi sm a i n l yu s e df o rt h ec o n t r o lo fs o i le r o s i o no ns t e e ps l o p e s ， p r o m o t i n gt h es u r v i v a la n dg r o w t ho fv e g e t a t i o no nt h es l o p e ，t h e u l t i m a t el o n g t e r ms o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o n i nt h ed e s i g no f e x p e r i m e n t s ，b i o d e g r a d a b l ek e n a fw a ss e l e c t e da sar a wm a t e r i a lo ft h e g e o t e x t i l e w ec h o o s et h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h ew o v e nf a b r i c s t r u c t u r e ：y a r nf i n e n e s s ，d e n s i t y ，t e x t u r ef o rt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h e nt h er u n o f f ，s e d i m e n t ，t e n s il es t r e n g t hw e r ea n a l y z e da n dt h eo p t i m u m d e s i g ns p e c i f i c a t i o n so fp a r a m e t e r sw a sd e t e r m i n e d i na d d i t i o n t h e h e r b a c e o u sp l a n t i n ga n dg e o t e x t i l ed e g r a d i n ge x p e r i m e n tw e r ep e r f o r m e d ， s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r eg o t f i r s t l y ，t h ek e yo ft h ep r o j e c ti st h eu s eo fa r t i f i c i a ls i m u l a t i n g r a i n f a l lm e t h o d e f f e c t i v e n e s so fv a r i e t yg e o t e x t i l ec o n t r o l l i n gt h e s l o p e e r o s i o nc o n t r o lw a s q u a n t i t a t i v e s t u d i e d u l t i m a t e l y ，w e r e s e a r c h e dt h ee f f e c to fs t r u c t u r ep a r a m e t e r st ot e n s i l e s t r e n g t h ， e f f e c to fs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o no nt h es l o p eb ya n a l y z i n ga n d d i s c u s s i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s l o p ee r o s i o ne x p e r i m e n t su n d e r r a i n f a l ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a tg e o t e x t i l ec o v e r i n go nt h es o i ls u r f a c e c a nr e d u c es o i lr a i n d r o ps p l a s ho nt h es e p a r a t i o ne f f e c t s ：i tc a na l s o r e d u c es u r f a c er u n o f fa n dk i n e t i ce n e r g yo fs u r f a c er u n o f fe r o s i o n k e n a f g e o t e x t i l ec a na b s o r bw a t e r ，r e s i s tw a t e r ，r e d u c et h ee f f e c to fr u n o f f ， i m p r o v eu s ef a c t o ro fs o i l t on a t u r a lr a i n f a l lt oac e r t a i ne x t e n t s e c o n d l y ，t h eh e r b a c e o u sp l a n t i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ek e n a fg e o t e x t il ec a ns p e e du pt h eg r o w t hs p e e do fp l a n ta n de n h a n c e t h es u r v i v a lr a t eo ft h ep l a n t a 1 1c a nb ee x p l a i n e dt h a tt h ec o v e ro f k e n a fg e o t e x t i l ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v es o i lm i c r o e n v i r o n m e n tf o r p l a n tg r o w t ha n dp r o m o t ep l a n tg r o w t h f i n a l l y ，t h ed e g r a d a b i l i t yo fk e n a fg e o t e x t i l ew a st e s t e db yu s i n g e a r t hb u r y i n ga n dh a y l a n dc o v e r i n gm e t h o d s w ec a nc o n c l u d e ，f r o m e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h a tk e n a fg e o t e x t i l ew i l lp l a yar o l eo nt h es l o p e i no n eo rt w oy e a r s a f t e ro n ey e a rt e x t i l ew i l lb i o d e g r a d ep a r t l y ，b u t v e g e t a t i o nw i l lb ec o v e r e d t h ed e g r a d a b i l i t yc a nm e e tt h en e e d t h e d e g r a d e dt e x t i l ew i l lb es a t i s f yt oe n v i r o n m e n ta n dc a np r o v i d en u t r i e n t s f o rp l a n tg r o w t h i tw i l lb eh e l p f u lt op l a n tg r o w t h t h es t u d yw a sc o n d u c t e do nt h eb a s i so ft h em u l t i d i s c i p l i n a r y s u b j e c t s t h er e s e a r c hi n c l u d e st e x t i l em a t e r i a l ，s o i le r o s i o n ，s o i la n d w a t e rc o n s e r v a t i o ns c i e n c e ，s o i ls c i e n c e ，h y d r o l o g y ，e c o l o g ya n ds oo n t h r o u g hm u l t i d i s c i p l i n a r yc r o s s ，w ew i l l h a v eac o m p r e h e n s i v ea n d o b j e c t i r eu n d e r s t a n d i n go ft h er o l eo fg e o t e x t i l e ：i ti sc o n d u c i v et o p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et e x t i l e ，s o l le r o s i o na n ds o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o n ：i tc a np r o v i d et h er e a s o n a b l em e t h o da n dt h es c i e n t i f i c b a s i sf o rt h ec o n s e r v a t i o no fw a t e ra n ds o l lw o r k a n dt h e nr e a l i z e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：s o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o n ，k e n a f ，g e o t e x t i l e ，t e x t i l e s t r u c t u r e ，s o l le r o s i o n ，s i m u l a t i n gr a i n f a l l 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使 用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工 程大学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) z 国钼强卜 蠡乞卜 史张加 名签 ： ： 者名期 作签 文师 论老位导 学指日 西安工程科技学院学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研 究成果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 吏龋& 潞乏& 2 d 0 1 卜王9 1 绪论 1 绪论 1 1 土工织物的发展及现状 1 1 1 土工织物简介 土工织物，又简称为土工布。1 9 7 7 年4 月在法国巴黎举行了名为“纤维在岩 土工程中的应用”的国际会议，现在统称为第一届国际土工织物会议，该会议将 应用于岩土工程的各种名称的合成纤维，如“土工纤维”、“渗透布”、“塑料 纤维”、“土木工程纤维”等统称为“土工织物”和“土工膜”0 1 。这里，土工 织物是指所有透水的用于岩土工程的天然或合成纤维产品；土工膜则是指不透水 的薄膜制品”。美国材料试验学会( a s t m ) 给土工织物下的定义是：“一切和地 基、土壤、岩石、泥土或任何其它土建材料起使用、并作为人造工程、结构、 系统的组成部分的纺织物，叫做土工织物”。1 。 但是随着新材料、新技术的发展以及工程的需要，这些用于岩土工程的合成 纤维材料不断有新的品种出现，例如土工格栅、土工网、塑料排水板等，原来的 名称已不能准确地涵盖全部产品。在一段时期内，这种材料被称之为“土工织物、 土工膜和相关产品”。显然，这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为 此，在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的 名称为“土工合成材料”。o “1 目前，土工合成材料还没有统一的标准，我国土 工合成材料应用技术规范( g b 5 0 2 9 0 9 8 ) 将土工合成材料共分为四大类，即土 工织物；土工膜；土工复合材料和土工特种材料4 1 。土工织物就成为土工合成材 料中的一个重要类型。 作为工程用材料，土工织物具有良好的化学性能、物理性能和水力学性能”1 ， 它的使用可以简化施工、提高工程质量、降低工程费用、延长工程使用寿命、减 少工程维修量。因此，土工织物己被广泛应用于交通、水利、电力、海港、采矿、 江河湖泊、海岸提坝、水土保持、防治环境污染等各项工程领域中。 1 1 2 国外土工织物的发展及现状 国外对土工织物的应用已有多年的历史。1 9 2 6 年美国在北卡罗林纳州己采用 了棉纤维土工织物修筑高速公路”1 ；2 0 世纪3 0 年代末或4 0 年代初，聚氯乙烯薄 膜已被应用于土工的防渗。 土工织物真正开始大量应用于岩土工程，是从2 0 世纪5 0 年代末期开始的。 1 9 5 7 年，荷兰在海岸堵口工程中采用了尼龙编织袋装砂1 9 5 8 年，美国佛罗 里达州海岸护岸工程中，用聚氯乙稀单丝编织物代替传统的级配砂粒料，经过2 7 年的运用，情况仍然良好。这两个工程被公认为应用土工织物的开端。1 9 5 9 年， 在日本伊势湾修复围堤沉排时，采用维尼纶编织布替代沉排，5 年后检查未发现 1 绪论 腐蚀现象，强度也没有明显下降。 2 0 世纪6 0 年代，合成纤维土工织物在美国、欧洲和日本逐渐推广。但是其生 产技术主要是机织型的，主要用于护岸防冲等工程，1 9 6 2 年，美国杜邦公司开发 纺粘法长纤维非织造布以取代短纤维非织造布，作为滤层和导水体应用于道路和 护岸等土木工程：1 9 6 7 年，英国、日本应用土工格栅修建加筋土堤，并予以推广。 非织造型土工积物在2 0 世纪6 0 年代末期开始应用于欧洲，1 9 6 8 年法国的r h o n e p o u l e n e 公司第一次开发了非织造土工织物，并于1 9 7 0 年成功的应用于法国 v a l c a r o s 大坝工程的排水系统”1 。 2 0 世纪7 0 年代，由于非织造布的大量生产，使土工织物的应用有了新的发展， 其应用范围日益广泛，在水利、海港、公路、铁路、建筑和国防等各个领域中都 得到了应用。例如，1 9 7 0 年法国修建的法拉克罗斯( v i a c r o s ) 土坝，就在上游块 石护坡底层和下游坝趾排水体周围铺设了土工织物。从1 9 7 8 年开始，在8 0 m 高的 土坝中也采用土工织物进行排水和反滤，如西德的佛朗奥( f r a u a n c u ) 坝和南非的 斯特里基多姆( s t r i j d o m ) 坝。与此同时，像美国陆军工程师兵团水力学研究室等 科研、教学单位都针对土工织物的应用开展了系统的试验和理论研究工作，大大 促进了土工合成材料科学的发展。 2 0 世纪8 0 年代以后，土工织物的应用又有了新的飞跃，产品形式不断革新， 各种复合型土工合成材料不断涌现。据统计，1 9 8 5 年国外生产土工织物的大公司 就接近4 0 家，其中美国的杜邦公司、法国的罗纳普朗克公司等都在国际上享有盛 名，前者年产土工织物4 6 万吨，可提供2 4 种不同性能和用途的土工织物。 1 9 8 2 年，在美国召开了第二届国际土工织物会议，并决定以后每4 年召开 一次。1 9 8 3 年成立了国际土工织物学会，简称i g s 。土工合成材料工程逐渐形成 一门以岩土力学和工程力学为基础，与高分子聚合物及纺织工业生产相联系，应 用于土建各个领域的新的边缘学科。而这个新型学科的工程应用使传统的岩土工 程充满了生机和活力。 由于土工织物具有显著的经济效益和社会效益，自从土工织物使用以来，一 直以稳定的速度增长。1 9 7 6 年世界土工织物的总产量为5 0 0 万m 2 ，n 1 9 8 5 年达到4 亿m 2 ，( 其中非织造土工织物占总产量的7 2 ) ，1 9 9 0 年达到约6 8 亿m 2 ，目前 全世界用量己超过l o 亿m 2 ”1 。西欧1 9 7 8 年土工织物销售量为0 4 6 亿m 2 ，1 9 8 6 年销 售量达1 4 4 亿m 2 ，1 9 8 6 1 9 9 5 年其以年增长率为1 0 的速度发展；美国1 9 7 0 年 土工织物销售量仅为0 4 2 亿m 2 ，1 9 8 5 年达到1 7 6 亿m 2 ，1 9 8 6 为2 亿m 2 ，1 9 9 5 年达到 3 6 0 亿m 2 左右。 国外土工织物产品类型、品种较多，规格齐全，以非织造型、合成型、复合型 所占比例较大，而非织造型以纺粘法涤纶长丝产品为主，其中薄型非织造布主要 2 1 绪论 用作复合产品，厚型非织造布主要用作滤层材料，合成型和复合型产品主要用作 如筋材料、防渗材料，由于国外的理论研究、测试技术、设计准则、施工方法等 都比较完善，因而工程应用较为广泛普及。 目前世界上大约有已有1 0 0 多个国家和地区在1 0 多万个工程采用土工织物 嗍，年耗量约4 0 万t ，其中美国最多，达1 0 万t “”，应用范围涉及海岸保护、公路、 铁路、隧道、机场、港口、河道、水库、堤坝、运动场、游泳池、房屋、及军事 等工程”1 。国外以美国，尤以北美发展较快，欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利 等西欧国家发展较快，亚洲主要是日本、马来西亚、韩国发展较快“”。以现在的 发展速度推测，到2 0 6 5 年世界土工织物的用量可能达到覆盖地球表面的一半以 上。 1 i 3 国内土工织物的发展及现状 土工织物的应用在我国起步较晚，但发展速度很快。1 9 7 6 年江苏省长江嘶马 护岸工程中，首先使用聚丙烯扁丝织成的编织布为排体，结合聚氯乙烯绳网和混 凝土块，组成软体沉排，防止河岸冲刷。类似的软体排相继在湖北省长江堤防工 程、辽宁省辽河护岸工程以及水库的一些排水工程。1 。 2 0 世纪8 0 年代以后，土工织物的应用日渐增多，产品以编织型为主，非织造 型土工织物开始应用于工程中，8 0 年代末，土工模袋首次引入工程应用。其中针 刺非织造土工织物在水利工程中的应用，发展更为迅速。仅1 9 8 4 1 9 8 6 年3 年时间， 云南麦子河水库、江苏昆山暗管排水、内蒙的翰嘎利水库、天津鸭淀水库、黑龙 江的引嫩工程、河北的庙宫、山东省牟山水库等，都用其做反滤排水，效果良好。 不久，非织造土工织物的应用范围很快扩展到储灰坝、尾矿坝、港口码头、海岸 护坡及储油罐等地基处理领域，一大批生产土工织物的工厂也纷纷建成投产。 2 0 世纪9 0 年代末期，由于土工织物所具有的功能和特性及其在工程实践中的 卓越成效，开始在一些国家大型重点工程中得以应用。如，三峡工程、秦山核电 工程、长江口整治工程、治黄工程、治淮工程、京杭大运河、大型引黄平原水库 工程和江河防汛抢险等“”，并获得了较大的技术经济效益和社会效益。其中“长 江口深水航道整治工程”是目前国内土工织物用量最大的工程。一期工程量达 1 4 0 0 万m 2 ，二期工程比一期工程用量还多，约近2 0 0 0 万m 2 。 2 0 世纪8 0 年代中期，全国累计使用的土工织物尚不足1 0 0 万m 2 。进入9 0 年代， 土工织物迅速发展，1 9 9 2 年机织土工织物耗用量达9 0 0 0 多万m 2 ，“3 1 到1 9 9 7 年全 国土工织物的实际耗用量为2 5 万t j 4 o1 9 9 8 年发生特大洪水，当年土工织物 的用量超过4 亿m 2 ，为世界之最。 随着土工织物的普遍推广与应用，试验研究工作和有关学术团体也蓬勃发展 起来。我国在1 9 8 4 年成立了“土工织物科技情报协作网”，后改名为“土工合成 1 绪论 材料技术协作网”“”，1 9 8 8 年成立了“土工合成材料专门委员会”，1 9 8 9 年成 立了“国际土工织物学会中国委员会”，1 9 9 5 年成立了中国土工合成材料工程协 会“”。1 9 9 6 年在上海召开了第四届全国土工合成材料学术讨论会暨第一届国际土 工合成材料展览会，2 0 0 0 年在宜昌召开了第五届全国土工合成材料学术会议和土 工合成材料产品展览会，这些有力地推动了我国土工合成材料工程技术的发展。 但是至今不论在产品，还是在应用技术和测试研究等方面与国外相比都存在一定 的差距。 1 9 9 8 年末至1 9 9 9 年初，在我国国家领导人关注下，国家有关部门用最快的速 度制定并颁布了第一个土工合成材料应用技术国家标准土工合成材料应用技术 规范( g b 5 0 2 9 0 - 9 8 ) 。水利部、铁道部、交通部也分别发布了具体的土工合成材 料应用技术规范，如水运工程土工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) ，铁 路路基土工合成材料应用技术规范( t b i o i1 8 9 9 ) 及公路土工合成材料应用技 术规范( j t j t 0 1 9 - 9 8 ) 。这些规范及规程科学地总结了国内外土工合成材料工 程技术的经验教训，为今后土建工程领域内全面推广应用该项技术提供了依据， 成为我国土工合成材料工程技术发展的里程碑。 目前，我国生产土工合成材料的厂家约有4 0 0 家，其生产设备主要是引进美、 德、日、意、奥地利等国家，是亚洲最大的土工合成材料生产和应用大国“”。国 内土工合成材料发展的总趋势是，产品向系列型、合成型、复合型方向发展，应 用向大、中型工程发展。相应的理论研究、测试技术、设计标准、施工工艺等方 面都在不断提高和完善“”。随着我国大量基础设施工程建设的相继展开，土工合 成材料的生产和应用逐年增加。西部大开发战略决策的实施，又给土工合成材料 的发展带来了新机遇，其发展前景是非常广阔的。 1 2 - 1 - 工织物的分类、功能及应用 1 2 1 土工织物的分类 我国g b 5 0 2 9 0 9 8 土工合成材料应用技术规范将土工合成材料共分为四大 类，即土工织物；土工膜；土工复合材料和土工特种材料。其中土工织物作为土 工合成材料中的一个重要类型，根据制造方法的不同可进一步分为图卜1 所示的 各种类型。 4 l 绪论 厂机织( 含编织) r 织造 t针织 土工织物j if - 针刺 l 非织造( 无纺) 热粘结 fl 化学粘结 图卜l 土工织物的分类 a 织造型土工织物 ( i ) 机织土工织物机织土工织物，是最早的土工织物产品。机织土工织物 是由两组长丝，纱线或扁条穿梭织成的织物，品种有反滤布、土工模袋等。编织 型土工织物除常规的平织布外，高强圆机布、加筋编织布、抗老化编织布、纳米 编织布等都相继投入市场。机织土工织物的优点是拉伸强度和模量较大，但断裂 伸长较小，具有较好的应力一应变关系，结构一般比较稳定：缺点是过滤性和渗 透性较差，孔隙尺寸较大，难以阻隔小于0 0 5 舢的微细土壤颗粒。 我国的机织土工织物以聚丙烯扁丝织物为主，幅宽多在3 8 m 以上。规格多为 1 2 0 1 5 0 9 m 2 的织物，工程要求高的一般选用2 0 0 5 0 0g m 2 的织物。土工模袋是 由化纤原料，通过织造加工成袋状物，用高压泵向袋内灌注砂浆后，形成的板状 物或构件。我国目前生产的土工模袋己达国际水平。目前，机织土工织物的比重 逐渐下降，但宽幅织机和特种织机能加工高强特种功能织物，不可能完全被取代 “，机织土工织物用量约占土工织物总用量的1 7 。 ( 2 ) 针织土工织物针织土工织物通常是指经编土工织物，由经编机织制而 成。品种有双层间隔经编织物，管状和垫状经编织物，双轴向和多轴向经编织物。 经编土工织物的产品结构可设计性强，稳定性好，抗磨损，抗撕扯强度高，结构 均匀，生产速度高，成本低，可代替非织造土工织物起排水作用，代替机织土工 织物模袋，具有很大的市场可能性。目前用量最少，但增长率最高。 b 非织造型土工织物非织造土工织物与织造型土工织物相比，具有更便宜的 价格和一些更优良的性能，生产效率高，特别是易加工成宽幅制品的优点使非织 造土工织物占土工布消费量的一半以上。 非织造布的成网方式与固着工艺目前已有很多种。适用于土工织物的成网方 法主要有两种，一种是短纤非织造布的机械梳理成网，另一种是长丝非织造布的 纺丝直接成网。固着方法用的较多的是针刺法、热熔粘合法，或者是几种固着方 法的复合。 l 绪论 ( 1 ) 纺粘法土工织物纺粘法土工织物是将聚合物粒子熔融后，经螺杆挤出， 内式过滤，气流纺丝，分丝铺网，通过热轧粘合、粘合剂粘合或用针刺加固而成。 使用规格一般在8 0 4 0 0 9 m 2 ，国内幅宽一般在2 3 5 m ，与短纤维针刺土工织物 相比，强度高、延伸率低，成本低，但生产线的投资费用高，均匀性、灵活性差。 适用于加固、隔离、过滤和排水等工程中。目前，世界上的非织造土工织物中， 纺粘法土工织物约占7 5 。 ( 2 ) 短纤维针刺土工织物纤维经过混合、开松、梳理、成网，然后针刺成 布。使用规格一般在1 5 0 4 0 0 9 m 2 ，国内产品幅宽一般在2 5 4 m 。短纤维针刺 土工织物密度高，结构蓬松，厚度较厚，吸水和透水能性好，抗形变能力大，但 成本稍高于纺粘法土工织物。它适用于过滤和排水工程，是我国应用最广泛的土 工织物之一。 ( 3 ) 热熔粘合土工织物由同一种合成纤维或两种熔点不同的合成纤维，经 过混合、开松、梳理、杂乱成网，然后通过热轧成布，也可用热熔粘合剂撒于纤 网表面，再通过热压辊来达到纤维间的粘合。国内的幅宽在2 4 m ，生产速度高， 能耗低，横向强力低是其特点，主要用于公路增强。 1 2 2 土工织物的功能及应用 土工织物在各项工程中得以广泛应用，主要是由土工织物本身功能所决定 的。土工织物不仅具有产品质量稳定、耐酸碱、抗腐蚀、易于储运和施工的特点， 而且具有造价低、效果好的优点。土工织物是一种多功能的材料，其基本功能概 括为六个方面：过滤作用、排水作用、加筋作用、隔离作用、保护作用和防渗作 用。在工程实际应用中，往往是某种功能起主导作用，其他功能不同程度地起辅助 作用。 a 过滤作用及应用土工织物能让水分通过，又能有效地阻止土壤颗粒通过， 从而防止土粒的流失而造成土体的破坏1 。主要应用于：土石坝粘土心墙或粘土 斜墙的滤层；土石坝或堤防内的各种排水体的滤层；储灰坝或存矿坝坝面的滤层； 堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡的滤层；挡土墙回填土中排水系统的滤 层：排水暗管周边或碎石排水暗沟周边的滤层：水利工程中水井、减压井或斜压 管的滤层。 b 排水作用及应用土工织物可以在土体中形成排水通道，把土中水分汇集起 来，沿着织物的平面排出体外。主要应用于：土坝内部垂直或水平排水；挡土墙 后面的排水；各建筑物周围的排水；埋入土体中消散孔隙水压力；人工填土地基 或运动场地基的排水等。 c 加筋作用及应用土工织物能稳定、限制土木工程在长时间使用过程中发 生位移，并能使作用在土壤的局部应力传递或分配到更大的面积上，增加土体和 6 1 绪论 土工织物之间的摩擦阻力，对土木工程，特别是在软土壤上的工程起到加筋或增 强的作用。”。主要应用于：公路、铁路、堤岸、土石坝、机场、运动场等工程中， 用以加强软弱地基的同时也起隔离和过滤的作用；潮湿地带、沼泽或可压缩性土 壤上的临时通道；加强堆土或开挖陡坡的边坡稳定性；增加碎石边坡及加筋土的 稳定性；用作挡土墙回填土中的加筋；加固柔性路面，修补道路上的反射裂缝等。 d 隔离作用及应用用土工织物把不同的土质结构分离，形成稳定的分界面， 使各层结构分离，按照要求发挥各自的特性和整体作用。用土工织物分离可以减 少材料的种类，大量节省运费，降低工程造价。主要应用于：公路、铁路、机场、 停车场等面基和地基之间的隔离层；铁路道碴与路基之间的隔离；路基与软弱地 基之间的隔离；在土石混合坝中，隔离不同的筑坝材料；石笼、砂袋或土袋与软 弱地基之间的隔离；人工填土、堆石、或材料场与地基的隔离层：不同冻土层之 间的隔离：江、河、湖、海抛填土石方，将土工织物放在水下，起隔离作用，也 起反滤和加固作用。 e 防护作用及应用土工织物能有效地将集中应力扩散、传递或分解，防止土 体受外力作用而破坏。主要应用于：护岸、护堤工程，道路坡面防护，河道整理， 海岸防潮等方面。 f 防渗作用及应用土工织物浸渍沥青或聚合物密封材料后可用作防水材料， 浸渍后的土工布无论在穿越布面或沿织物平面上，水和汽的渗透能力都变得很 小。主要应用于：堤、坝和水库工程中，以取代粘土心墙，防渗斜墙等，同时，也可 以应用于游泳池、房屋建筑、隧道、地下建筑及环境工程等 1 3 本论文研究的内容和意义 1 3 1 本论文研究的内容 a 研究概述 土工织物具有优异的性能，在工程使用中能够起到加强、过滤、隔离、排水 和防护等作用，与它所选用的材料种类和织物结构密不可分。这些作用的体现则 是土工织物特有的物理、力学、水力学性能，即土工织物的重量、厚度、抗拉强 度、延伸率、顶破强力、抗磨损能力、渗透性能、孔径等。当工程旋工或使用中 需要土工织物发挥一种或几种功能时、首先所使用的织物必须具备一定的物理 的、力学的或水力学的性能。结构决定性能，当我们明确了工程对织物的性能要 求时，就需要选用适当结构的土工织物。而目前国内外土工织物研究内容集中在 怎样根据具体工程确定对土工布的性能要求，但如何确立土工织物的组织结构参 数与各种性能之间的关系从而便捷地找出符合工程技术要求的结构参数，这方面 的研究工作却较少。 本课题研究的水土保持用土工织物是覆盖于裸露的坡面上，用来防止土壤 1 绪论 侵蚀，同时促进植被在坡面上成活与生长，最终达到水土保持的目的。选择红麻 作为织物原料，从机织土工布的结构参数入手，找出最影响织物性能的参数： 织物组织、纱线细度、经纬纱密度，通过合理的实验设计和参数的量化，对实 验数据加以处理和分析，研究织物组织、纱线细度、经纬纱密度等因素对织物 力学和织物坡面水土保持功效影响程度并确定具体关系。这样可以通过改变织 物的组织结构参数而使土工布具有不同的性能，进而满足不同工程土质、不同 用途的要求，使土工布形成系列产品。 b 具体研究内容 ( 1 ) 设计正交试验方案，并制织红麻土工织物，以此进行后面的试验研究。 ( 2 ) 红麻土工织物的不同规格参数对拉伸性能的影响。 ( 3 ) 覆盖红麻土工织物对土壤抗侵蚀性的影响。 ( 4 ) 红麻土工织物的不同规格参数对土壤抗侵蚀性的影响。 ( 5 ) 覆盖红麻土工织物对植物发芽及生长状态的影响。 ( 6 ) 红麻土工织物降解性的测试研究初探。 1 3 2 本论文研究的意义 水土流失( 国外称为“土壤侵蚀”) 是由水力、重力和风等外力引起的水 土资源和生产力的破坏和损失。我国水土流失面积达3 6 7 万平方千米，占国土 面积的3 8 。”，是世界上水土流失最严重的国家之一。其中黄土高原水土流失 面积4 0 3 万平方千米，每年流失表土5 0 1 0 万吨以上，是我国水土流失最严 重的地区，也是我国水蚀荒漠化比较严重的地区之一1 。 我国黄土高原大部分地区，土壤结构疏松，抗冲抗蚀能力差，气候干旱， 植被稀少，坡陡沟深，暴雨集中，加上人类不合理的开发利用，水土流失面积 广，侵蚀强度大m 1 。由于水土流失，使表层具有营养的熟土随水流失，造成本 就贫瘠的土地更加贫瘠，而使露在外面的里层土含沙量更高，其保水能力更低， 且没有植物生长的养分，因而植物难以生长存活。里层土又在风、雨等侵蚀下 发生风化，造成对附近植被的新的危害。水土流失严重，不仅造成了该地区贫 困，制约了社会经济的可持续发展，而且加剧了荒漠化的发展和其他灾害的发 生。因此，必须综合治理，加强植被建设，将工程措施与生物措施相结合汹1 ，加 快治理速度，提高水土保持效益。 水土流失防治措施的核心是如何解决土壤颗粒受到的径流冲刷力和由于坡 度引起的向下滚动力的问题。”，直接目的是减少天然降水对土壤的侵蚀作用。本 课题开发的红麻土工织物是覆盖于地表进行物理固沙保土，主要用于控制土壤侵 蚀，同时可以促进植被的建立，自然降解后增添土壤肥力，促进植被生长，从而 达到改善生态环境、治理土壤侵蚀的目的”1 。 1 绪论 本论文研究的内容将纺织与水土保持这一重大的环境改造和生态恢复的课 题相结合，为坡面水土保持提供了更合理更科学的办法；分析研究的结果对土工 织物的实际应用具有参考价值，并对学科的发展也具有重要的理论意义 9 2 织物设计及其基本性能测试 2 织物设计及其基本性能测试 2 1 织物设计方案 2 1 1 原料特点 a 红麻简介红麻别名洋麻、槿麻、钟麻等，锦葵科木槿属一年生草本纤维 作物”1 。红麻适宜种植在气候温和、日照及雨水充足的地区。世界范围主要集 中在东南亚国家，如印度、孟加拉国。在我国栽培红麻的区域非常广阔，南起 海南岛、北至黑龙江，除青海、西藏外，在北纬4 7 度以南各省( 区) 都有种植。 红麻纤维由7 0 7 6 纤维素、1 3 2 0 木质素、7 8 果胶、2 灰分组 成，主要分布在韧皮部，单纤维横截面呈不规则的多角形和圆形，纤维的中腔 呈圆形或卵圆形，纤维表面光滑无卷曲，纤维经过伸长加厚成熟，见图2 一l ，2 2 。 一般单纤维长度为2 6 m m ，宽度1 8 2 7 m ，单纤维具有短、粗、硬的特点，不宜 采用单纤维纺纱，故在脱胶处理中，要求除去纤维束之间的果胶类物质和单纤 维束外部的非纤维性物质，但不能破坏单纤维之间的胶层，即用所谓工艺纤维 的状态下才能纺纱。纤维密度较低为1 2 9 c m 3 ，自然含水量高，公定回潮率为 1 4 9 4 。 剐 图2 一l 红麻纤维横截面图图2 - 2 红麻纤维纵向截面图1 b 红麻原料的优点红麻是世界主要纤维作物和经济作物，是纺织工业不可 缺少的重要原料，在世界天然纤维中占有相当高的比例。在我国，由于红麻的产 量高，已逐步取代了黄麻，2 0 世纪8 0 年代初两者的比例为2 ：8 ，现在几乎是红麻 一统天下，而且红麻的产区分布几乎遍布全国各地。红麻材料主要用于包装材料、 地毯和土工织物的使用。红麻纤维作为一种天然纤维资源具有很多优点，这些优 点还使红麻特别适合用于土工织物。”： ( 1 ) 较高的强力：是天然纤维中最强的，对土壤具备一定的增强保护作用。 ( 2 ) 纤维粗硬：适合于纺织粗厚土工布。 ( 3 ) 极好的吸水性：红麻织物可吸收高达自身质量5 倍的水分。 ( 4 ) 对环境无害：燃烧不产生有毒气体，且可生物降解，降解后对环境无害。 l o 2 织物设计及其摹本性能测试 ( 5 ) 产量很高，价格低廉。 传统上，生产土工布所用的基本原料主要是高分子合成材料，如聚酯、聚丙 烯和聚酰胺等。随着人们对生存环境的日益重视，以聚丙烯为代表的合成纤维土 工布所引起的“白色污染”己使许多国家，尤其是发达国家开始限制使用这些合 成纤维材料。而红麻作为传统的天然纤维具有易于被土壤中微生物降解，分解后 的产物参与生物中的循环特点，普遍受到环境保护者的欢迎”“。早在2 0 世纪8 0 年代初期，印度、孟加拉等国就相继开始开发生产黄红麻土工布，欧美等一些发 达国家开始将黄红麻土工布用于各种工程。 因此，红麻作为土工布原料有着十分广阔的应用前景。不仅拥有强度等优良 的物理化学性能，而且可生物降解，对环境无污染。原料在我国种植广泛，成本 低廉，是不可多得的土工布原料。 2 1 2 红麻纱线 a 红麻纱线介绍红麻工艺纤维通过纺纱工艺加工成红麻纱线，红麻纱线的 好坏直接影响到了织造过程的能否顺利进行，合理地设计纱线结构，充分利用 红麻纱线的特性，生产适合红麻土工织物加工的纱线。红麻纱线可分为粗支纱 和细支纱，租支纱的线密度范围为4 0 0 1 0 0 0 t e x ( 公制