中心试验室土工合成材料作业指导书

土工合成材料作业指导书土工合成材料概述土工合成材料的开发和使用已有几十年的历史。1926年，美国最早用棉织物加固公路路面；20世纪30年代末40年代初，聚氯乙烯薄膜应用于土工的防渗；50年代末期，在美国佛罗里达洲利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层；1956〜1957年，著名的荷兰三角洲工程用机织土工织物加固防海潮大坝；20世纪60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，机织土工织物的强度高，但价格也较高，反滤、排水功能差，限制了它的发展。非织造布的应用给土工积物带来了新的生命，它的特点是把纤维做成多方向的或任意排列使得其性能上各向同性，非织造型土工积物在20世纪60年代末期开始应用于欧洲，70年代从欧洲传到了世界各地。到70年代土工合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。高性能的原料赋予产品高的强力与耐用性，先进的生产工艺赋予产品良好的功能，使其应用范围不断扩大，特别是近20年来，由于非织造针刺法、纺粘法工艺的推广，产品成本低，而且具有良好的化学物理性能和水工性能，使非织造土工织物的应用飞速地发展起来。目前世界上已有100多个国家和地区（包括发达国家和部分发展中国家和地区）在10万多个工程中采用了土工布。据统计，全世界目前合成纤维土工布年耗量约40万吨，其中美国最多，达10万吨。土工合成材料已经成为继钢材、水泥、木材之后的第4种新型建筑材料。目前全球土工合成材料的发展与应用材料是，发达国家在产品种类、质量、应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国家快，尤以北美发展最快，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，国外产品类型、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。在我国，土工合成材料在岩土工程等领域的应用历史较短。最早应用的是土工膜，大约在20世纪60年代初期，用于渠道防渗；70年代中期，在长江护岸和长江堤防中首次用织造型土工织物；80年代初期，非织造型土工织物开始应用于工程中；80年代末，土工模袋首次引入工程应用。纵观土工合成材料30多年的发展史，可将其应用历程大致分为三个阶段：80年代中期以前的初创阶段；80年代中期至90年代中期的发展阶段和90年代后期开始的逐渐成熟阶段。我国早期的土工织物主要是机织和编织型的。国内生产和使用的非织造土工织物以涤纶短纤维针刺非织造织物为主，产品幅宽可达6m,生产厂家200家左右（而国外的非织造土工织物多为纺粘法长丝针刺非织造布）；以聚乙烯材料为主的土工网格，生产厂有200多家，复合土工膜生产厂已有数十家。据不完全统计，目前我国生产各类土工合成材料的厂家约有400多家，产量超过1亿米，是亚洲最大的土工合成材料生产和应用大国。目前士工合成材料原料大多采用高分子聚合物，主要有聚丙烯，聚酯，聚乙烯，聚氯乙烯，），聚酰胺。其中用的最多的是聚丙烯原料，占土工合成材料总用量的％”.以上，美国已占80%.以上；其次是聚酯原料，占15~30%日本用得较多。聚合物高分子的应用形式与生产土工合成材料的工艺直接相关，其中以纤维形态占绝对比重，各种聚合物纤维利用不同的加工工艺可以开发出不同性能的土工合成材料，如用量最大的聚丙烯，它可以使用纤维形态，采用机织、针织等织造方式或者采用针刺、纺粘等非织造方式生产土工织物，而聚乙烯主要生产土工薄膜，用于土木工程的防渗。此外还有少量采用维纶、麻纤维及其它特种纤维的。近年来，为满足实际应用场合的需求。各种高性能、功能化的原料相继出现以迎合市场的需求，如：采用断裂伸长率较小、断裂强度较高的玻璃纤维加固非织造复合土工布，制成的玻纤增强复合土工布在性能上将会比由机织布或编织布加固的非织造复合土工布好得多东洋纺织株式会社开发的高吸湿纤维可用于制作农用水土保持材料；一种来自于粮食作物称为“天然杰作”乳酸聚合物，具有可控的降解性、输水性强、可控的热粘合和高湿强等特点，使其成为一种增值的多层材料的理想替代品。乳酸聚合物的生产与传统的聚丙烯相比使用的矿物燃料减少30~50%"，有助于减少废物和燃料用量。日本钟纺从玉米中提取并复合成了聚乳酸纤维，纤维的强度、伸长和纺丝方法与锦纶、涤纶相同，可生产机织物、针织物、非织造布等，用于农业、水利等各种领域。①土工合成材料总的发展趋势是不管在产品的种类、数量、还是在产品的质量上都有大幅度的提高。以土工织物为例，土工织物是土工合成材料中数量最大、发展最快、品种最全的，可分织造型、非织造型、复合型等，发展趋势可以从以下几方面来说：类士工合成材料都有所增长，其中土工织物增长的数量与幅度最大，是主要的土工合成材料，而在土工织物中，非织造型土工织物比织造型土工织物产量高、增长快。95年，世界织造型土工织物年产量为8万吨，非织造型土工织物年产量为13.1万〉，非织造型土工织物占全部土工织物70%.；到2000年，世界织造型土工织物年产量为10.8万吨，非织造型土工织物年产量为，非织造型土工织物29.3万吨，占全部土工织物的比例已达73%.，非织造型土工织物的年均增长率为11.3%.，而织造型土工织物的增长率仅为6.2%。②复合型土工织物是土工合成材料发展的重点，它兼有各类土工合成材料的优点，具有高性能、多功能的特点，使其在应用范围上大大拓宽，是科技含量高、高附加值的产品，反映了当前岩土工程材料发展的技术性及与其它相关产业关联的渗透性，是国内外大力推广的土工合成材料，如机织与针刺非织造工艺的结合生产的复合土工织物，使土工织物既有强力高、尺寸稳定等机织物特点，又有增强其防渗性、排水性、过滤等性能。③经编土工织物，分为网眼结构、轴向结构、双层结构和复合结构，其中复合结构即经编复合土工织物被称为新型的“第三代土工织物”，它的主要特点是高强低伸，可设计性强，同时兼具排水、过滤、隔离、加筋等作用。尽管目前用量不大，但近年来发展很快，具有很强的生命力。另外，热粘合非织造物、化学粘合非织造土工织物在国外也有一定数量，我们也应充分予以关注。土工合成材料的类别和性能土工合成材料的分类我国《士工合成材料应用技术规范》将士工合成材料根据材料特征、加工工艺和原材料的不同分为四类：1）土工织物（有纺布，无纺布）；2）土工膜（沥青土工膜，聚合物土工膜）；3）复合土工膜（土工复合材料，塑料排水带，软式排水管，其他复合排水材料）；4）土工特种材料（土工格栅，土工网，土工模袋，土工格室，土工管、土工包，土工泡沫塑料（BG0），土工合成材料粘土垫层;3KSL）。此外还有：土工条带、塑料锁口板桩、软体排、三维植被网、塑料盲沟材、塑排笼等等。土工合成材料性能土工织物透水、滤土。以无纺布代替砂砾料反滤层，可形成排水通道，使土中的水分沿着织物平面排出，还能阻止土颗粒的过量流失。土工膜基本不透水，防渗。复合土工膜将土工膜和土工织物复合在一起，能对土工膜加筋，保护膜不受外力损坏；可排水排气；能提高膜面的摩擦因数。（塑料排水带的连续塑料芯板骨架，纵向沟槽可通水，涤纶无纺布的外裹滤膜可滤土、透水。软式排水管的高强支撑体及反滤、透水的管壁包裹，使其耐压耐久，柔软轻便，过滤性强，排水性好。土工格栅具有高强度和低延伸率，埋在土内，与周围土的摩擦系数可高达0.8~1.0，其加筋土结构具备耐久性、可靠性、经济性，能抵抗地震荷载和动力荷载。士工网有较大孔径和较大刚度，抗拉强度较低，延伸率较高。土工模袋的袋体既可代替混凝土（砂浆）的浇筑模板，又可使混凝土（砂浆）的强度增高。士工格室可限制上的侧向位移，能提高土体的刚度和强度。土工管直径可根据需要变化，所用土工织物强度高、抗老化。土工包尺寸很大（长度可达40m，体积达800~1000m3,强度高，柔性好，整体性强。EPS,质量极轻，单位体积质量仅为砂和混凝土的1/50〜1/100,导热系数低、吸水率小，有一定抗拉强度。GCL既可代替粘土防渗层，又有体积小、质量轻、柔性好、密封性良好、抗剪强度较高、施工简便、适应不均匀沉降等优点。质量标准和试验要点质量标准1998年以来，国家相继制定了一系列士工合成材料的技术标准。主要有：①由土木工程应用部门组织制定的应用技术规程、规范，用于指导设计和施工，以确保使用安全；②由化工和纺织部门制定的产品技术规范，用于控制产品的生产质量。这两部分有一定的区别，也有一定的联系。另外，随着各种新型土工合成材料开发，各生产企业也制定了相应的产品技术标准和施工技术标准。所有这些都为保证产品质量和设计施工质量乃至工程质量起了重要的作用。试验要点按《土工合成材料应用技术规范》（GB50290-1998）］的规定，土工合成材料的性能包括其本身的特性指标（基本性能）和与土相互作用指标（性能指标）。后者为土工合成材料与土共同作用时的反应，通常模拟实际工作条件，由试验测定。土工合成材料性能测试的目的有3个：①“选材”，为选用适宜的土工合成材料提供依据；②为设计提供计算指标；③为产品质量控制提供依据。这里需要特别强调的是，土工合成材料因原料、工艺、环境等因素的影响，材料性能有较大范围的变化，因此在使用时必须模拟现场条件，依据设计要求确定性能指标。物理指标①单位面积质量：单位面积质量是1m2土工合成材料的质量，它是土工合成材料的一个重要指标，单位为g/m2。它不仅仅作为质量特征，它的离散性说明了产品的均匀性情况。②厚度：厚度是指士工合成材料在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。这项指标对于土工织物来说是非常重要的，各类土工织物在其平面上或多或少都能够被压缩，而这对于水力学性能和力学性能都是有影响的。水力学指标用于反滤和排水的土工织物，其水力学指标具有决定性的作用。在多数情况下，土工织物是与土共同工作的，对土工织物的基本要求是既能保土又能排水，这要求土工织物的孔径很小（能挡住土）而排水又很通畅，两者看起来是有矛盾的，而多变的士又增加了问题的复杂性。现行规范用保土准则和透水准则来选择土工织物的等效孔径和渗透系数，即将士工织物的等效孔径和土的特征粒径建立关系式，同时将土工织物的渗透系数与土的渗透系数建立关系式，以求达到既保土又排水的目的。因此，土工织物的等效孔径和渗透系数是反滤和排水功能中的重要指标。①等效孔径：等效孔径是土工织物用O表示，单位为mm。O表明有95%的颗粒不能通过的那个织物的孔L径，它规定了土工织物保持的土壤成分的直径。测量等效孔径的方法有两种。干筛法是利用已知粒径的土粒或玻璃微珠对土工织物进行反筛，以确定其大小范围；湿筛法则是测定土工织物在反复水流作用下的保土性，以模拟反复水流作用下织物的反滤孔径。②垂直渗透系数和透水率：土工织物的垂直渗透系数是指水流垂直于土工织物平面时的渗透系数。定义为水力梯度等于1时，水流垂直通过土工织物的渗透速率，单位为cm/s。透水率为水位差等于1时的渗透速率，单位为l/s。土工膜（复合土工膜）的防渗性能也用垂直渗透系数表示。试验是在有压力（一般为100kPa,相当于1000cm水位差）的条件下进行的，试验持续时间较长，渗水量极少。一般土工膜（复合土工膜）的渗透系数小于1X10-7cm/s。③淤堵试验：要求土工织物能够长时期地保持良好的保土及排水性能，不发生淤堵，规范SL/T225-1998和$1/1235-1999引入了美国陆军工程师兵团建议的梯度比（gradientratio）的保土准则和试验方法。梯度比（GR）是水流垂直通过土工织物和25mm厚土层的水力梯度与通过上覆50mm厚土层的水力梯度的比值。规范要求为了保证土工织物不致淤堵，GRW3。这里需要说明的是，判定土工织物是否会发生淤堵，目前还没有满意的理论准则。现阶段，一般须进行长期淤堵试验或梯度比试验，但历时较长，前者需500~1000亿后者测试需24h或更长时间。这两种试验方法还存在一些问题，有待积累经验逐步完善。力学指标力学性能在很大程度上对于土工合成材料的使用范围有决定性的意义。它与水力学性能一起形成了给予土工合成材料合格保证的基础。特别是在防护工程和加筋工程中应用土工合成材料时，力学性能就有特殊的意义了。力学性能最基本的参数是拉伸强度，也称断裂强度或条带抗拉强度，为单向拉伸。纵向（经向）和横向（纬向）拉伸强度表示土工合成材料在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，单位kN/m。对应拉伸强度的应变是土工合成材料的伸长率，拉伸强度是土工合成材料的重要指标。在不同的工程应用中对拉伸强度都有一定的要求，当用于加筋和隔离工程时，拉伸强度是主要的设计指标；在排水和反滤工程中拉伸强度虽不是主要指标，但由于在施工铺设中会受到扯拉、撕破等施工荷载以及在运行期间会因结构变形而受拉，所以对拉伸强度也有一定的要求。由于土工合成材料的应用历史较短，许多技术指标需在今后的应用中不断地完善，在现行的技术标准中还没能提出土工织物施工期及铺设后所承受荷载的最低强度要求。目前对于土工织物和土工膜（复合土工膜）拉伸强度的试验方法国内有两种，即窄条法和宽条法。窄条法是测量材料50mm宽条样的拉伸强度和伸长率，用于产品的生产质量控制。而宽条法则是为了消除50mm宽条样在拉伸试验中所产生的侧向变形，采用增加样品宽度与夹具之比值，使侧向变形达最小值，以便测量到真实的拉伸强度。规范建议采用200mm宽条试验。其他土工合成材料拉伸强度的试验方法类似，而取样方法不同。土工带取整条带进行拉伸，计量长度100mm，拉伸过程中的最大拉力即为士工带的抗拉力，单位为kN。土工格栅和土工网试样，在经向和纬向均以一根筋（或一孔）作为单元进行拉伸，拉伸过程中的最大拉力为一根筋（或一孔）的拉力，再计算1m宽度内的筋（或孔）数，即可得出材料的拉伸强度，单位为kN/m。施工中的质量控制要点在施工中应采取事前控制、事中控制和事后控制三步骤法进行质量控制，控制的主要依据是:①国家及有关部门颁发制定的现行技术规程规范、工程质量等级评定标准、工程质量管理及工程验收规定等。②招投标文件、承包合同及相关补充协议。③经审查签发的设计图纸文件、技术要求及设计变更文件等。④业主的有关工程质量管理规定。事前控制事前控制是工程质量控制不可缺少的环节，是减少工程质量事故、加快工程进度和确保工程质量的途径之一。①充分熟悉设计图纸及相关文件，针对存在问题与参建各方共同研究协商解决；及时组织设计交底，领会并贯彻设计意图，解答施工现场提出的问题，便于施工部门进行必要的施工准备工作。②审查现场提出的施工组织设计及相关技术措施，核实所用材料及工艺试验、各项施工参数是否符合设计要求，对存在的问题提出修改完善意见。③根据工程的具体特点制定各分项工程的检查、验收、签证、质最记录等标准化报表，编制工程质量控制流程图，以达到质量管理工作的规范化、标准化、制度化要求，使土工合成材料施工质量控制能够具备鲜明的可操作性④工程质量保证体系尤为重要。建立健全质量保证体系，使工程质量管理脉络清晰，责任明确，以保证工程质量管理工作顺利进行。在土工合成材料施工之前，应要求商根据各种土工合成材料的特点及使用部位的不同要求，建立健全相应的施工质量保证体系。⑤在质量控制工作的各个环节始终具有超前意识，坚持以预防为土，实施超前控制，采取预报预控措施，及时提醒施工单位对后续工程中可能出现的问题以及必须采取的措施，以期能防患于未然。⑥对供应商提供的资质、产品样品、产品合格证、出厂检验报告等材料按施工招标文件的要求进行审核，应使用合格供应商提供的土工合成材料产品。事中控制事中控制是整个工程质量控制工作中的关键。在施工过程中，应落实各项质量控制目标，使工程施工质量始终处于受控状态，不至于因“失控”而造成质量隐患或事故。①土工合成材料进场后，按有关规定对原材料进行抽检，并由试验监理工程师现场监督取样，样品送到经认可的有资质的检测单位检测，检测合格后，方可用于工程中。②坚持原则，按规程规范办事。处理质量问题时遵循“勿以善小而不为”的原则，及时有针对性地召开质量事故分析会，以提高相关人员的质量意识及业务水平。③认真细致地做好工程记录，公正准确地填写施工日志、土工合成材料施工记录、质量问题处理通知、质量问题分