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摘要 土工合成材料由于其多样的性能，广泛应用于道路的防排水设施上。有效地 利用土工合成材料，不仅有利于满足多种工程的需要，而且有利于有效利用材料 资源，以更低的成本达到更好的效益。 在对目前我国士工合成材料产品的种类、性能、测试方法和指标广泛调研的 基础上，论文总结了产品性能参数的变化范围和依据的测试规范，并对存在的问 题进行了分析。本文通过对国内外土工合成材料防排水性能的试验测试方法和主 要研究成果的调研，对室内试验进行了精心设计。在多种试验条件下对土工合成 材料的物理性能和水力学性能进行了测试研究，并基于正交设计表l 9 ( 3 3 ) 安排 了三个代表影响因素与土工织物淤堵特性参数的正交试验，通过大量室内试验， 作者对土工合成材料的物理指标和水力学指标如渗透系数、梯度比、等效孔径、 孔隙率、单位面积量和厚度等作了较为深入的研究，发现渗透系数与其它指标之 间有着良好的相关性。 最后，论文初步提出了土工合成材料的性能分类建议和具体指标值，并给出 了对测试方法的改进建议。 关键词：土工合成材料淤堵试验 梯度比渗透系数等效孔径 a b s t r a c t g e o s y n t h e t i c sa r ew i d e l yu s e di nw a t e r p r o o f i n ga n dd r a i n a g es y s t e m so f h i g h w a y i ti sa b l eg o o dt o m e e td i f f e r e n te n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s a n da l s o b e n e f i c i a lt oe f f e c t i v e l yu s i n gm a t e r i a lr e s o n l c e sa n dm a k i n gl e s s e rc o s tf o ra n ym o r e e f f i c i e n c y , t oe f f i c i e n t l ye x e r tg e o s y n t h e t i c s a f t e re x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n so nt h et y p e so fc i v i lg e o s y n t h e t i c sp r o d u c t s ， p r o p e r t i e s ，t e s tm e t h o d s , a n du s ep e r f o r m a n c e s ，t h i sa r t i c l eh a v ec o n c l u d e dt h e c h a n g i n gr a n g e so fp r o d u c t sp r o p e r t i e sa n dt e s t i n gm e t h o d s ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m s h a v ea l s ob e e na n a l y z e d t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o n sa b o u tt e s t i n gm e t h o d so f h y d r a u l i cp r o p e r t i e so fg e o s y n t h e t i c sa n dr e s e a r c hc o n c l u s i o n s ，t h el a b o r a t o r yt e s th a s b e e ne l a b o r a t e l yd e s i g n e dt og e tt h ev a l i dt e s td a t a p h y s i c a la n dh y d r a u l i cp r o p e r t i e s h a v eb e e nt e s t e du n d e rs e v e r a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n s c l o g g i n gt e s t sa b o u tg e o t e x f i l e c l o g g i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di t si n f l u e n c ef a c t o r sh a v eb e e na r r a n g e db yt h eo r t h o g o n a l t a b l e l 9 ( 3 ) a l o t o f i n d o o r e x p e r i m e n t s h e l p t o f i n d t h e g o o dr e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s t h et y p ec h a r a c t e r i s t i c sa n di t st e s t i n gm e t h o do fg e o s y n t h e t i c sw e r e p r e l i m i n a r i l yd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：g e o s y n t h e t i c sc l o g g i n gt e s t g r a d i e n tr a d i o c o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t y e q u i v a l e n to p e n i n gs i z e ( e o s ) 公路tl 合成丰才料防排水性能研究 l 绪论 1 1 立题依据 随着我国经济的飞速发展，高等级公路的建设规模不断扩大，质量标准和技术要求不断 提高。其中，道路的防排水设计有效与否是对公路的使用性能和使用寿命影响很大的一个因 素。在公路的防排水系统中，土工合成材料占有很重要的位置。如果土工合成材料的性能达 不到设计要求，将会使积滞在公路界内的水难以排出，加速产生许多路基路面及边坡等的病 害，因而严重影响公路的使用功能，并有可能造成大规模路面水毁，中断交通。因此，充分 研究土工合成材料的防排水性能有着非常重要的意义。 1 1 1 研究的意义 近十几年来，我国的公路建设发展迅猛，高等级公路的建设规模不断扩大。根据交通部 2 0 2 0 年远景目标发展纲要计划，我国在今后二十年内将建成由“五纵七横”构成的全国国道 主干线公路网。届时，西部地区将形成由8 条国道和8 条西部省际通道组成的2 8 万公里骨 架路网。经过近几年的努力，特别是国家加大对西部交通基础设施建设以来，西部地区高等 级公路的建设取得了前所未有的成果。但由于起步较晚，底子较薄，在公路建设过程中存在 着一些急需解决的问题。 西部地区多是山峦叠蟑、沟壑遍布的山区，大多属亚热带湿润季风气候，年降雨量较大。 由于受到复杂自然条件的影响，导致公路损毁中水毁现象尤为严重，现有的排水系统及排水 材料无法满足公路安全运营的要求。例如，截水沟设计是为汇集并排除路基边坡上侧的地表 径流，但往往达不到预期效果，还对公路景观造成极大破坏；传统的盲沟设计往往采用带槽 孔的塑料管或混凝土管，排水管迎水面设置反滤层，并用透水性材料回填，其施工工艺复杂， 施工质量难以保证，实际使用中效果较差；支档构造物后回填透水性材料并设置泄水孔的做 法也往往达不到设计效果。 虽然在短短的几十年内，士工合成材料在道路的防排水系统中已有了很广泛的应用，但 在材料的使用方法性能评价上，仍没有得到足够的重视。在公路防排水系统中，使用土工合 成材料有助于将积滞在路界范围内的水分排除到路面和路基结构外，有利于改善道路的使用 性能，大大提高其使用寿命。在公路防排水中应用土工合成材料可在我国新建和改建的道路 建设中推广应用，在我国道路建设中有很强的实用性和优越性。如果土工合成材料的性能达 不到设计要求，将会使积滞在公路界内的水难以排出，加速产生许多路基路面及边坡等的病 害，因而严重影响公路的使用功能，并有可能造成大规模路面水毁，中断交通。因此，充分 开展土工合成材料在公路防排水中的性能及开发研究有着非常重要的意义。 东北林业大学硕士学位论文 1 1 2 研究的社会经济效益 西部交通建设任务繁重，时间紧迫。传统的排水设计虽然能够满足公路排水的要求，但 对环境破坏较大，施工质量难以保证。因此，高效防排水材料的应用是目前公路建设所急需 的。本文的研究不仅具有较好的技术、经济价值，而且还有定的社会效益，其应用领域是 非常广泛的，所取得的作用具有深远的影响。 ( 1 ) 经济效益 新型防排水材料的引入。可以提高公路防排水系统的设计和施工质量，加强公路防排水 的能力，保证运营阶段的安全性和可靠性，使山区公路在设计过程中能充分考虑防排水结构 的合理性与适应性，极大地减小了公路水毁灾害的发生。仅此一项，估计每年可减少公路水 毁治理费用约3 0 0 0 5 0 0 0 万元。 新型防排水材料将随着山区高等级公路建设步伐的加快两得到更好的应用，也将为人们 所普遍接受。在今后二十年内，公路基本建设投资如年平均5 0 0 亿元计算，新型防排水材料 应用的造价占整个造价的0 2 9 6 ，则由此带来的利税将可达2 5 0 0 3 0 0 0 万元。这还仅仅足针 对新建公路所创造的效益。如加上对已建成公路的维护和病害治理，应用新材料所产生的直 接经济效益则可达5 0 0 0 万元以上。 ( 2 ) 社会效益 排水设施性能的改善延长了道路的使用寿命，减少了工程成本费用，提高了施工的工艺 水平，新材料的应用还促进了相关产业的不断发展，促进了相关产业技术革新的动力；另外， 新材料的应用还改善了公路与环境的协调，突出了环境保护的理念。 1 1 3 研究的目的 本文研究的目的是立足贵州，开展公路土工合成材料防排水性能研究，为公路排水设计 提供技术支持，从而提高西部地区高等级公路建设中的防排水技术水平。 1 2 研究内容、方法及目标 1 2 。1 研究内容和方法 1 2 1 1 研究的主要内容和方法 在公路防排水中应用土工合成材料可在我国新建和改建的道路建设中推广应用，在我国 道路建设中有很强的实用性和优越性。限于研究时间和精力，本文的主要研究范围为土工合 成材料在公路防排水中的性能研究，及材料分类体系和产品系列化标准建议的探讨。主要工 作和研究内容有： ( 1 ) 调研目前我国土工合成材料厂商在国内地区的分布情况，以及国内外目前土工合成 公路j r 台j 兑村料防擗水性能研究 材料产品的类别、详细性能指标和测试方法。 ( 2 ) 总结目前我国土1 台成材料产品的现状，分析存在的问题。 ( 3 ) 调研国内外土工合成材料防排水睦能的试验测试方法和主要研究成果： ( 4 ) 上一i ：合成材料防排水性能测试分析研究： 土工合成材料的物理性能研究( 包括单位面积质量、厚度和孔隙率) 。在不同压力下对 土工织物的厚度和孔隙率进行了测试，分析了厚度和孔隙率随压力改变的变化规律。 土工合成材料的水力学性能研究( 包括等效孔径和垂直渗透系数) ，测试方法研究以及 影响因素分析。分别用干筛法和湿筛法对土工织物的等效孔径进行了测试，评价了两种测试 方法的优缺点。在不同的水力梯度和织物试样铺置层数下对土工织物的垂直渗透系数进行了 测试，分析了水力梯度和织物试样的铺置层数对垂直渗透系数的影响。 基于正交设计表l 。( 3 3 ) 分别考虑了三个代表影响因素与土工织物淤堵特性参数的正 交试验，测试了不同土类、织物单位面积质量和水力梯度下的水流渗透流速、土的渗透系数、 系统渗透系数和系统梯度比，并对系统梯度比与其它三个测试参数之闽的关系进军亍了统计分 析。 分析了各测试参数之问的相关关系。 ( 5 ) 初步提出了土工合成防排水材料的性能分类建议和具体指标值，并给出了对测试方 法的改进建议。 1 2 1 2 拟解决的关键问题 着重于公路防排水对土工合成防排水材料的性能要求、公路防排水技术要求的土工合成 防排水材料分类技术与产品系列标准建议研究。跟踪发达国家的最新研究动态，结合西部地 区的自然地理特点，最终形成适合于西部地区的土工合成防排水材料的防排水成套技术。为 此，需解决以下关键问题： ( 1 ) 基于公路防排水技术要求的土工合成防排水材料分类指标体系； ( 2 ) 对土工合成防排水材料的性能要求及其排水性能( 排水、隔水、反滤与渗透) 测 试方法。 拟通过以上问题的解决以形成科学、系统的土工合成防排水材料的防排水技术。 1 2 2 研究目标 本项目在国内未进行过系统研究，本文将在收集国内外现有研究成果的基础上，跟踪当 前国际研究水平，对土工合成材料的防排水性能开展系统的室内试验研究，并针对公路排水 设旌的特点，研究考虑以防排水性能为主要指标的材料分类体系。 东北林业夫学硕一 ：学何路文 1 3 国内外研究现状及存在的问题 1 3 1 国外研究现状 目前欧美等发达国家将路基防排水作为一个系统来研究，其研究内容比较广泛，但主要 可归纳为两个方面：公路防排水合理结构形式与布局；公路防排水材料、结构及其配套 工艺技术。其中，材料的开发应用是关键问题。 随着材料工业的发展，出现了像土工合成材料、弹簧波纹管。阻水灌浆材料等新型防排 水材料，导致了公路防排水设计思想的革命。美国、法国和澳大利亚等国家比较注重新型防 排水材料的研究，开发了适用于不同排水条件的新型土工合成材料复合土工排水体 ( g e o c o m p o s i t ed r a i n a g es y s t e m s ) ，并对其排水效果、设计方法作了大量研究。 在澳大利亚，n y l e x ( 美国制耐纶商标名) 最先倡导复合土工排水体在地下排水中的应用， 并且现在已经形成了完整的复合土工排水体家族。它们都由高密度聚乙烯内核外包复合土工 滤膜组成，具有非常好的过滤性和排水性，能满足大多数场合地下排水的要求。按其性能不 同大致可分为4 类：条状排水体( s t r i p d r a i n ) 。提供了较大的集、排水接触面，能够比常 规排水系统更快速、有效地排水；容易弯曲、连接，施工时开挖的沟较窄，施工引用较低。 高强条状排水体( s t r i p d r a i n x s ) 。它是经过提高强度处理的条状排水体，其最小抗压强 度为3 0 0 k p a ，适用于有较大荷载的场地，如覆盖层较薄，轴载较大的公路等。不透水内核 排水体( c o r d r a i n ) 。它是高效、经济的竖直排水系统，采用不透水内核的特殊设计减小了构 造物后的水压力，有助于构造物的防水。大型场地专用排水体( p l a z a d e c kd r a i n ) 。具有 较好的通水能力和防腐性能，可承受4 5 0 k p a 的水压力，容易切割和安装。 在法国，m u l t i f l o w 排水系统正被应用。它由一排波纹状聚乙烯管堆叠而成，外面包裹 聚丙烯土工布，是另种形式的复合土工排水体，高强度的聚乙烯材料和提高强度的波纹设 计使它具有较高的抗压强度和通水能力，波纹缝问的针孔增加了它的表面开孔率，使它具有 较好的集水性。与法国常用的普通排水系统相比，m u l t i f l 跚具有以下优点：可用于不能 应用排水系统的粘土和淤泥条件；比普通常使用的排水管强度高；施工方便，对土基扰 动较小，回填材料少；需要的机具轻巧、便宜；造价是普通排水系统的一半：便于多 种形式的设计和施工，如网络形、人字形，以及其它形式；具有比较完善的系列。 在美国，复合土工排水体在公路排水中也得到了广泛应用。根据t e n a x 公司的报告，将 复合土工排水体应用于公路排水具有以下优点：可迅速排走路面下的自由水：有效分隔 填方路基和自然土基；加强了基层，抑制了路基的弱化；提供了有效的毛细隔断，减少 了冻胀和翻浆的危害。 综上所述，复合土工排水体在公路防排水中的应用研究在国外已受到了广泛关注，并取 得了显著效果。 4 公路十i 台成材料防排水性能研究 1 3 2 国内研究现状 公路排水结构与设施在“七五”国家科技攻关中已进行过研究，取得了一定的成果，并 完成了公路排水设计规范。但是规范对材料的应用未给予足够重视。 针对公路防排水材料问题。国内许多单位开展了研究。早在八十年代就开始研究适合我 国使用的复合土工排水体，并在九十年代初研制出可供实际工程应用的产品。目前市场上比 较成熟的产品有南京海河土工合成材料有限责任公司与南京水科院、河海大学等科研机构合 作开发的塑料盲沟。该产品是由塑料芯体外包裹滤膜组成。塑料芯体是以热可塑性合成树脂 为主要原料，经过改性，在热熔状态下，通过喷嘴挤压出细的塑料丝条，再通过成型装置将 挤出塑料丝在结点上熔接，形成三维立体网状结构。现有多孔矩形、中空矩形、多孔圆形、 中空圆形四种结构形式。包裹在芯体外的滤膜有尼龙丝网、无纺土工布等。 与有孔管、混凝土渗管。软式透水管等其它常用盲沟材料相比，塑料盲沟具有以下特性： 表面开孔率高，集水性好：空隙率大，排水性好；抗压强度高，耐压性好：柔性好， 能适应土体变形：采用防老化材料，耐久性好；重量轻，施工方便：综合成本低； 形状多样；滤膜具有可选择性。 根据塑料盲沟的特性，可将它应用于收费站、管理站场等大面积场地排水，软基加固水 平排水，路基排水，挡土墙等构造物的背面排水，以及隧道排水等。目前，该产品已在广州 地铁、深圳地铁、南京地铁、宁靖盐高速公路、福宁高速公路、湖北襄十高速公路、贵州洪 家渡水电站等大型工程中应用。 这些研究工作为本课题的开展奠定了坚实基础。 1 3 3 存在的主要问题 复合土工排水体在公路防排水中的应用仍存在以下问题： ( 1 ) 没有针对公路防排水对复合土工排水体的性能做出具体规定； ( 2 ) 现有各种复合土工排水体产品及其性指标未有详细目录； ( 3 ) 现有复合土工排水体产品单一化，需要针对不同使用条件进一步开发系列化产品。 1 4 土工合成材料在公路防排水中的功能与应用 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，如塑料、化纤、合 成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或 保护土体的作用。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工 合成材料等类型。目前己广泛应用于水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等 工程的各个领域。 东北林业人学硕士学位论文 1 4 1 土工合成材料的发展简史 近代土工合成材料的发展，是与合成材料塑料、合成纤维和合成橡胶的发展分不丌 的。硝化纤维是第一个商品化的合成材料。到2 0 世纪3 0 年代，聚氯乙稀、低密度聚己烯、 聚酰胺相继出现在市场。到5 0 年代，聚酯、高密度聚乙烯和聚丙烯相继问世。随着各种塑料 的研制成功，不同类型的合成纤维也投入生产。从3 0 年代到4 0 年代有聚酰胺纤维和聚氯乙 稀纤维，4 0 年代到5 0 年代有聚酯纤维、聚乙烯纤维和聚丙烯纤维。 合成材料开始应用于土工建筑上的确切年代，已很难考证。据c e s t a f f 推测，约在2 0 世纪3 0 年代束或4 0 年代初，聚氯乙稀薄膜首先应用于游泳池的防渗( s a t f f ，1 9 8 4 ) 。大量 塑料防渗薄膜的应用开始于灌溉工程。美国垦务局1 9 5 3 年在渠道上首先应用聚乙烯薄膜， 1 9 5 7 年开始应用聚氯乙稀薄膜。塑料防渗薄膜的应用以后又发展到水闸、土石坝和其它一些 建筑物。 合成纤维在土木工程中的应用开始于5 0 年代末期。1 9 5 8 年r j b a r r e t t 在美国佛罗里 达州利用聚氯乙稀织物作为海岸块石护坡的垫层，一般认为是应用现代土工织物的开端。实 际上在1 9 5 7 年以前，以合成纤维织物做成的砂袋已经在荷兰、德国和日本等国家应用了 ( g i r o u d ，1 9 8 6 1v e l d h u i z e n ，1 9 8 6 ) 。在6 0 年代，合成纤维土工织物在美国、欧洲和日本 逐渐推广( f e d h i g h w a ya d m ，1 9 8 3 ) 。所用的土工织物主要是机织型的( 俗称有纺织物，即 有经、纬线的) ，大部分用于护岸防冲等工程。由于机织型土工织物的强度具有很大的方向性， 而且价格较高，限制了它的发展。 非织造型织物( 俗称无方织物或无纺布) 的应用，给土工织物带来了新的生命。它的特 点是把纤维做成多方向的或任意性的排列，故强度没有显著的方向性。厚的织物不但可以用 作滤层，还可以用作导水体，因此更适用于各种土建工程。非织造型土工织物在6 0 年代末期 开始应用于欧洲。1 9 6 8 1 9 7 0 年间相继用于法国和英国的无路面道路、德国的护岸工程、法 国g a l e r o s 土坝( g i r o u d ，1 9 7 7 ) 的下游排水反滤和上游护坡垫层和德国的一座隧洞。在7 0 年代，这种土工织物很快地从欧洲传播到美洲、西非洲和澳洲，最后传播到亚洲。近2 0 年来， 由于纺粘法制造工艺的推广，生产出大量的成本低、强度高的产品，使非织造型土工织物的 应用飞速地发展起来。 “土工织物”( g e o t e x t i l e ) 和“土工膜”( g e o m e m b r a n e ) 是1 9 7 7 年j p ，6 i r o u d 与 j p e r f e t t i 首先提出来的( g i r o u d 等，i 9 7 7 b ) 。他们把透水的土工合成材料称为“土工织物”， 不透水的称为“土工膜”。这两个名词被使用了许多年。近十几年来大量的以合成聚合物为原 料的其它类型的土工合成材料纷纷闯世，已经超出了“织物，和“膜，的范踌。1 9 8 3 年，j e f 1 u e t 建议使用“土工合成材料”( g e o s y n t h e t i c s ) 一词来概括各种类型的材料( g i r o u d ，1 9 8 6 ) ， 最近几年这一名词己被多数工程师所接受。 公路i ： 台成材料防排水性能研究 随着使用范围的不断扩大，土工合成材料的生产和应用技术也在迅速地提高，使其逐渐 形成一门新的边缘性学科。它以岩土力学为基础，与石油化学工程和纺织工程有密切联系， 应用于土建工程的各个领域。1 9 7 7 年在巴林召开了“织物在岩土工程中的应用国际会议” ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nt h eu s eo ff a b r i c si nc e o t e c h n i c s ) 。后来人们把这次 会议看成是第一届国际土工织物会议。1 9 8 2 年在美国的l a sv e g a s 召开“第二届国际土工织 物会议”。1 9 8 3 年成立了“国际土工织物学会”( i n t e r n a t i o n a lg e o t e x t i l es o c i e t y 简称 i g s ) 。1 9 8 4 年在美国的d e n v e r 召开了“国际土工膜会议”。1 9 8 6 年在维也纳召开了“第三届 国际土工织物会议”。1 9 9 0 年在海牙召开了“第四届国际土工织物、土工膜及有关产品会议”。 1 9 9 4 年在新加坡召开了“第五届国际土工织物、土工膜及有关产品会议”。在这次会议上， 大多数与会代表主张用“土工合成材料”一词来概括各种类型的有关材料，并将“国际土工 织物学会”更名为“国际土工合成材料学会”( i n t e r n a t i o n a lg e o s y n t h e t i c ss o c i e t y 仍简 称i g s ) 。1 9 9 8 年在美国亚特兰大召开了“第六届国际土工合成材料会议”。在这期间还召开 了很多次地区性或专门性的会议，大大地促进了这一新材料和新技术的发展。 合成材料在我国的应用开始于6 0 年代中期，当时在市场上已经出现很多种塑料和化纤产 品。少数工程技术人员发现，这些产品具有优良的工程特性，试用于土建工程，取得了一些 成功的经验，但未能及时推广。1 9 7 9 年党的十一届三中全会以后，与世界各国的交流日益增 多，引进了无妨土工织物，塑料排水带，化纤膜袋等新型材料，才加速了这一新技术在我国 的推广。 塑料薄膜是在我国应用比较早的土工合成材料，在1 9 6 5 年前后，开始应用于渠道防渗。 以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。1 9 6 5 年为了防治恒仁水电站混凝土支墩坝的裂缝漏 水，用沥青聚氯乙稀热压膜锚固并粘贴于上游坝面，取得了良好的防渗效果，是我国利用土 工合成材料处理混凝土坝裂缝的首例( 顾淦臣，1 9 8 5 ) 。从1 9 8 3 年开始，北京市采用了编织 布与塑料薄膜相结合的复合型结构型式，解决了十几处已建中小型水利工程的渗漏问题，取 得了成功的经验( 北京市水科所，1 9 8 6 ) 。这一结构型式曾被推广到其它省市。较厚的土工膜 到8 0 年代中期才在我国开始应用。近十年来完成的或施工中的一些较大型工程，多数采用单 层的较厚的土工膜或复合型土工膜。 土工织物的应用，在我国起步较晚，但发展很快。1 9 7 6 年在江苏省长江嘶马护岸工程中， 首先使用由聚丙烯扁丝织成的编织布，结合聚氯乙稀绳网和混凝土块压重，组成软体排，防 止河岸冲刷。进入8 0 年代，编织布的应用曰渐增多，除用于软体排外，还普遍应用于制造土、 砂、石袋，土、石枕以及软弱地基加固等工程。进入9 0 年代，在东北、华北和长江流域先后 发生了几次特大洪水，编织布在防汛抢险中曾发挥了极为突出的作用。非织造型土工织物( 一 般简称无方织物) 的应用，开始于8 0 年代初期。从1 9 8 1 年至1 9 8 5 年，铁路部门曾匆置了几 东j e 林业入学颂| 学位论文 l 一个试验路段，利用无方织物防止基床的翻浆冒泥，成功率达9 0 以上，1 9 8 4 年，云南的军 用道路及江苏和吉林省的一些公路利用无方织物提高路基强度，解决路基沉陷及翻浆冒泥等 问题。针刺型无方织物在水利工程中的应用发展更为迅速。自8 0 年代中期以后，无方织物的 应用很快推广到储灰坝、尾矿坝、水坠坝、港口码头、海岸护坡以及地基处理等工程。随着 应用范围的不断扩大，生产针刺型土工织物的工厂也如雨后春笋般纷纷建立起来。 另外还有几种工合成材料在我国发展也很快。一种是加固软土地基的塑料排水带( 板) ， 从1 9 8 1 1 9 8 3 年在天津新港试用以后，到8 0 年代末期，己应用于七八个省市的港口码头、 高速公路、电厂厂房、飞机场、铁路等工程；一种是浇筑混凝土用的化纤膜袋，开始试用于 江苏省的南关河口岸，到8 0 年代末期，已推广到七八个省的三十几项工程；另一种是塑料低 压输水管道，7 0 年代末从国外引进，目前已普遍应用于河北、山东、河南、l u 西、东北各省 和京、津两市广大的井灌地区。其它类型的土工合成材料，如合成橡胶、塑料锚杆、塑料条 带、泡沫塑料、土工网、土工隔栅等，也已在我国土建工程中应用。其中尤以土工网和土工 隔栅，在9 0 年代后期发展很快。 随着土工合成材料的普遍推广，试验研究工作和有关学术团体也蓬勃发展起柬。许多学 校和科研单位，或制定研究计划，或举办短期培训班培养专门人才，有的学校培养了硕士生 和博士生。1 9 8 4 年成立了全国性的“土工织物科技情报协作网”，1 9 8 6 年改名为“土工合成 材料技术协作网”。同年在天津召开“全国土工织物学术讨论会”，1 9 8 8 年在“中国水利学会 岩土力学专业委员会”下成立了“土工合成材料专门委员会”，1 9 8 9 年在“中国水利发电工 程学会”下成立了“土工合成材料专业委员会”，同年在沈阳召开“第二届全国土工合成材料 学术讨论会”，同时成立了“国际土工织物学会中国委员会”( 相当予中国分会) 。1 9 9 2 年在 江苏仪征召开了“第三届全国土工合成材料学术讨论会”。1 9 9 5 年，在国务院几个部委的大 力支持下，正式成立了一个独立的学术组织二= 一“中国土工合成材料工程协会”，为以后开展 工作刨造了有利的条件。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”。这 些学术团体和学术活动有效地推动了土工合成材料生产和应用技术在我国的发展。 1 4 2 土工合成材料在公路防排水中的功能 土工合成材料在公路排水中的功能是多方面的。综合起来可以概括为以下五种基本功 能。 ( 1 ) 反滤功能 反滤又称过滤或倒滤。在工程上，是指在土中呈渗流状态的流体，当流入反滤材料时， 流体可以通过，而把起骨架作用的固体颗粒截留下来的现象。反滤材料应用在水流有可能使 土体产生严重渗透变形的地方。例如在水流从土层表面逸出的部位，或在土体中排水体的周 公路：t i ：合成利料防排水性能研究 围，常设置反滤材料。因为在没有排水体时，上中的缓慢渗流一般不会引起内部的渗透变形， 但设置排水体后，水流条件有很大的改变，尤其是靠近渗流出口处水力坡降增大，因而有可 能产生土体的管涌或流土等渗透破坏现象，须加以防护。 把土工织物置于土体表面或相邻土层之问，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于 土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体穿过织物自由排出，以免由 于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。 把土工织物置于挟带有泥沙的流水之中，可以起拦截泥沙的作用。 反滤是土工织物的一项主要功能，适用于挡土墙等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等工程。其示意图如图卜1 所示。 兹兹囫一 图1 1 反滤功能示意图 ( 2 ) 排水功能 工程中往往需要在土体中或其边沿设置一些排水材料，以利土中水的排除，以便降低和 控制土中水位，加速减小土中孔隙水的超静水压力和控制水流渗出位置等等，其目的主要是 在于增加土体的稳定性。 有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着材料的平 面排出体外。较厚的针刺型无方织物和某些塑料排水管道或具有较多孔隙的复合型土工合成 材料都可以起排水功能。适用于软基处理中垂直排水( 塑料排水带或袋装砂井) ；挡土墙后面 的排水；各种建筑物周边的排水；排除隧洞周边渗水，减轻衬砌所承受的外水压力；人工填 土地基的排水等工程。在公路路基土工织物隔离层亦可起排水作用。其示意图如图卜2 所示。 ( 3 ) 隔离功能 为了防止两种材料相互掺混，保证发挥结构预期作用，提供排水和防止地基承载力恶化 等，常常需要在它们中间放置一层材料，把它们隔离开来。 有些土工合成材料能够把两种不同粒径的土、砂、石料，或把土、砂、石料与地基或其 它建筑物隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料和结构的完整性，或发生土粒流失现象。 土工织物和土工膜都可以起隔离作用。可用于公路基层碎石与路基或地基之问：石笼、砂袋 或土袋与软弱地基之间的隔离层；人工填土、填石或材料堆场与地基的隔离层；在人行便道 j 一一 ，1 1 0 一 一一。一 尔北林业人学硕 ：学位论文 一一 t 1 丁r 1 一r t i 、 ： i ；f ；i ，一一、， 一 l ；l ：jj ： ：f ： l 二= = = ：j 图卜2 排水功能示意豳 混凝土板下，有时也铺放土工织物作为隔离层等。其示意图如图卜3 所示。 要冬当0厂专一( 了上_ 、 t 、 、iy _ 、- 二，一一j 图卜3 膊离功能示意图 ( 4 ) 防渗功能 土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保持环境或建筑物 的安全a 可用于公路路基边坡和隧道周边埋设涵管的防渗措旎等工程。其示意图如图l 一4 所 刁弋。 图1 - 4 防渗功能示意图 ( 5 ) 防护功能 广义而言，防护涉及的内容相当广泛。可以说凡是为了消除或减轻自然现象、环境作用 或人类活动等因素造成的危害所采取的各项措旄莫不在防护之列。 土工合成材料以其质轻、强度高、耐腐、柔性强、价廉、施工方便，与土体相互作用有 滤土排水或止水作用、紧贴地面、吸收水流冲击等优点，可有效地用于抗冲刷和防渗漏。 土工合成材料能发挥防护作用，是因为它们在士与水流之问形成隔离层，避免水流直接 冲刷，消减其能量；。他们既能渗水，却又不让土粒被水流冲走；或是直接封堵水流通道，消 除冲蚀动力等。 毪 公路土i 舟成材料防排水性能研究 多种土工合成材料对土体或水面司以起防护作用。适用于防止路面反射裂缝；防止土体 的冻害；防止地面水渗入地下( 在膨胀 ：或湿陷性黄土地区修建建筑物时尤为必要) 等工程。 其它有些起加筋、隔离、防渗和过滤作用的士工合成材料亦起防护作用。 有时一种土工合成材料用于某一项工程中，同时具备几种功能。 1 4 3 土工合成材料在公路防排水中的应用 近2 0 年来国内外公路交通的高速发展，高等级公路网的扩展，为土工合成材料在公路工 程中的应用开拓了广阔的前景。据国外的统计资料，土工合成材料在公路工程中的应用占全 部用量的1 3 以上。 路桥工程面广量大，土工合成材料的反滤排水、防渗、防护、加笳等基本作用在路桥及 支挡工程建筑中发挥了突出的作用。在公路路基病害及灾害防治中，土工合成材料所具有的 整体性好，抗拉强度高，具有反滤排水特性，重量轻，施工简便等特性显示出传统材料难与 比拟的优越性。因此无论是在新建工程，还是既有建筑的养护维修都已得到广泛的应用，成 为土工合成材料应用的主要方面之一。 据不完全统计，土工合成材料己在数十万项工程中得到成功的运用，取得了成功的应用， 取得了良好的经济效益、社会和环境效益；在些抗御自然灾害的斗争中，更显出其快捷、 有效、简便的特点。 以往的防排水系统中，往往仅仅采用碎石、卵石、开级配粒料、砂砾等材料，但这样具 有一些固有缺陷，例如性能单一，质量大，寿命不长等，故不能全面满足工程的特定需要。 而品种齐全的人工合成材料具有多种能满足工程需要的性能，可制成各种符合实用目的的产 品。因而土工合成材料也广泛地应用于道路的防排水系统中，主要有： ( 1 ) 铺设在基床上，用以防治翻浆冒泥等基床病害综合利用土工合成材料的隔离、 反滤和排水作用，使路基的土粒不混入道床，通过平面排水快速消散车辆动载下引起的超静 孔隙水压力。使用的土工合成材料包括多种类型，但多数采用针刺型无纺士工织物或土工膜。 ( 2 ) 用于排水系统用土工织物包在碎石、卵石透水材料之外或直接包在各种带孔的 排水管外，构成排水盲沟；用于线路纵向、横向地面下排水，代替般要求较高且施工困难 的砂砾反滤料，或代替各种材料的搀水盲沟管材。这方面主要采用针刺型或热粘型无纺土工 织物。近年来，排水软管以其重量轻，易于运输和施工，以及寿命长，质量可靠而得到推广 应用。 ( 3 ) 用于边坡防护或防冲蚀主要、利用土工合成材料较高的强度及反滤功 能保护路堤或路堑边坡：也可将其铺在河岸上防止边坡被冲刷；还可利用土工织物袋装砂石 作护坡。近年，用土工网植草护坡也得到广泛地应用。 东北林业人学帧十学位沧文： ( 4 ) 在挡墙背后或桥台背后铺设土工合成材料排水层以降低水压力。德国最新的路基技 术规范明确要求在桥台背后与填土之间铺设土工织物排水层。 ( 5 ) 在隧道衬砌内侧设置土工合成材料作为排水层或防水层。 ( 6 ) 用于软土地基加固处理用塑料排水板代替排水砂井以加速软土地基的固结或者 铺在基底利用其抗拉强度和水平排水增加软土地基的承载能力。 1 5 国内土工合成材料的现状 1 5 1 主要厂商在国内地区的分布情况 目前国内土工合成防排水材料生产厂家约有1 6 9 家，主要分布在华东、华北地区，其中 华东地区有8 8 家，华北地区有2 8 家。全国其它地区厂家的分布情况为：中南地区2 2 家，东 北地区有1 6 家，西南地区9 家，西北地区有6 家。“” 1 5 2 产品总结和存在问题分析 1 5 2 1 产品总结 ( 1 ) 企业采用的主要参数及依据的测试规范 通过对目前我国土工合成材料产品的调研，可以发现各土工合成防排水材料生产企业所 采用的主要参数和所依据的测试规范大致相同。各企业产品的物理性能参数主要为单位面积 质量和厚度；力学性能参数圭要为抗拉强度、延伸率、断裂强度、顶破强度和梯形搬裂强度， 有的企业还采用了刺破强度作为参数：水力学性能参数主要为等效孔径、垂直渗透系数和通 水量。大多数企业都是依据国标和a s t m 系列标准进行测试的。 ( 2 ) 参数值的变化范围 根据调研情况可知各参数值的变化范围为： l o o g m 2 无纺土工织物的抗拉强度均大于2 5 k n m ，机织型土工织物均大于5 0 k n m ，高 强度的在i o o k n m 以上，特高强度编织物( 包括带状织物) 在2 0 0 k n m 以上。 无纺土工布的顶破强度一般在0 3 k n 以上，编织型土工布的顶破强度般大于2 k n ， 机织型土工布的顶破强度在5 k n 以上，高强机织型的一般大于l o k n 。 无纺型士工织物的等效孔径为0 0 5 0 3 m m ：机织型土工织物0 1 1 o r m 。 无纺土工织物的渗透系数1 0 5 1 0 c m s ，机织型土工布为8 1 0 1 0 一c r n s ，高 强的为1 0 6 1 0 c r a s 。 土工膜的渗透系数为l 1 0 1 2 1 2 1 0 1 0 c m s 。 1 5 2 2 存在问题分析 1 2 公路4 - i 合成材科防排水性能研究 合成材料应用于岩土工程是近二十年来发展起来的。门新技术。自从七十年代末被引进 我国，经过众多生产、科研单位和高等院校的实践与研究，已在国内的水利、冶金、电力、 石油、海港、铁路、公路、机场、市政、建筑等十多个基础产业部门兴建的5 0 0 0 多个工程中 加以应用。正是因为土工合成防排水材料具有多功能的优点，所以潜藏着相当宽阔的开拓前 景。随着新材料和新技术的飞速发展，土工合成防排水材料正以很快的速度发展起来。目前 国内土工合成防排水材料生产厂家已有百余家之多，在产品品种上已能满足用户需求，并不 断有新品种问世。但是通过此次调研，也发现了其中存在的一些问题。 ( 1 ) 参数指标的类别与参数的规定值不同 有的企业采用抓式法拉力强度和延伸率来表征材料的强度性能，而大部分企业并未采用 此种参数来表征产品的性能。 有的企业产品的参数值是固定的，有的企业提供的是产品参数的范围。例如：单位面积 质量为( 1 0 0 t 1 1 0 ) g m 2 的土工织物产品的等效孔径值，有的产品大于0 2 m ，有的产品小于 0 2 唧，丽有的产品在0 1 o 2 m m 之间：单位面积质量为( 1 3 0 1 5 0 ) g m z 、( t 8 0 2 1 0 ) g r 2 、 2 5 0 9 m ：、( 3 0 0 3 1 0 ) g m 2 、( 3 5 0 3 6 0 ) g 抒的土工织物产品的等效孔径值也都是类似的表 征方式，这对设计人员在遴选时就增加了很多重复性的工作。用来表征土工织物水力学性能 的另一个重要参数就是垂直渗透系数，在调研过程中发现其表示方法也和等效孔径值的表示 方法相似，例如：i 单位面积质量为( 3 5 0 3 6 0 ) g m 2 的土工织物产品，有的产品为0 2 c m s 左右，有的产品虽然是一个与土的渗透系数有关的关系式，但是其换算值为( 0 0 2 o 2 ) c m s ， 对于这样的一个范围值而言，设计人员在对土工织物的性能进行比较时是十分困难的。 ( 2 ) 试验规范与产品说明不一致 大部分企业都是按照国标来测试其产品的，也有一些企业采用a s t m 标准来测试产品； 有的企业对各种产品的应用方式给予了说明，而有的企业则没有说明其产品的具体应用。 以上所列的在本次调研过程中发现的问题给设计人员在设计时选用产品造成了一定的困 难。 东北林业大学硕 学位论文 2 土工合成材料在公路防排水中的性能测试研究 本章首先叙述了土工合成防排水材料的种类、主要工程性能和测试方法，然后通过大量 的试验数据，对土工合成防排水材料进行了厚度、孔隙率、垂直渗透系数、梯度比和等效孔 径随试验条件不同的变化规律分析，并回归了一系列公式，以期能够用于指导应用土工合成 防排水材料的水力学设计。 2 1 土工合成材料的种类和一般性能 2 1 1 土工合成材料的种类 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，是岩土工程中应用的合成材料的总称。它以 人工合成的高分子聚合物如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于 土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。目前已广泛应用于水利、电 力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等工程的各个领域。 早期曾将土工合成材料分成土工织物( g e o t e x t i l e ) 和土工膜( g e o m e m b r a n e ) 两类，分 别代表透水和不透水合成材料。随后，在工程中透水和不透水材料联合应用不断增多。为适 应需要，复合材料、特种合成材料产品大量涌现，两大类的分法难以互含和概括。为此，国 际土工织物学会提出了土工织物及相关产品的分类体系。1 9 8 3 年j p g i r o u d 和r g c a r o l l 相应提出的方案是一典型代表。但这分类未能纳入土工模，用土工织物相关产品也不确切。 近些年比较一致的看法是把所有土王用的合成材料统称为土工合成材料 ( g e o s y n t h e t i c s ) 。g e o s y n t h e t i c sw o r l d ( 土工合成材料世界) 介绍有关产品和技术讨论时 把土工合成材料细分为五类，即土工织物( 机织和无纺或非织造) ；土工膜；土工格栅 ( g e o g r i d s ) 、土工网( g e o n e t s ) ；土工