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土工合成材料相對于傳統(tǒng)的木材、鋼筋和水泥，是一種新型品種，有人稱之為第四種建筑材料。本文圍繞土工合成材料，介紹了土工合成材料的定義、類型、功能、性質(zhì)、應(yīng)用，以及土工合成材料在國際上和中國的發(fā)展歷程。

關(guān)鍵字:土工合成材料，土工織物，土工布，土工膜，加筋，排水，IGS

一. 概述

土工合成材料是指通過與土體、巖石或其他巖土工程材料相接觸，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的各種人工合成的或天然的聚合物材料制品。隨著材料工業(yè)的發(fā)展和工程應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，土工合成材料的概念也處于不斷完善之中。比如出現(xiàn)一些三維織物、土工泡沫、新型加筋材料等，而且基本不再用天然聚合物來生產(chǎn)土工合成材料制品。

土工合成材料相對于傳統(tǒng)的木材、鋼筋和水泥，是一種比較新型的工程材料制品，是隨著聚合物的發(fā)明和發(fā)展以及工程應(yīng)用需要而逐步發(fā)展起來的。在工程實(shí)踐中，出現(xiàn)了種類繁多的土工合成材料品種（如土工織物、土工膜）、不同種類的土工復(fù)合材料和各種特殊用途的材料品種（如用于加筋作用的土工格柵以及超輕質(zhì)材料土工泡沫）。經(jīng)過過去幾十年的發(fā)展，土工合成材料已陸續(xù)應(yīng)用于土木工程各個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，形成了比較完整的技術(shù)體系。

目前，土工合成材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利、水運(yùn)、公路、鐵路、建筑、環(huán)境、礦山和農(nóng)業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域，設(shè)置于土體內(nèi)部、表面或與其他巖土材料和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以起到隔離、反濾、排水、防滲、加筋和防護(hù)等功能和作用，用來解決巖土工程中所涉及的穩(wěn)定、變形和防滲排水等方面的一系列實(shí)際工程問題。@

二. 土工合成材料的類型

土工合成材料制品種類繁多，而且不斷有新產(chǎn)品問世。根據(jù)GB 50209-1998《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》對于土工合成材料的分類，將土工合成材料歸納為土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料四大類，如下圖所示：

機(jī)織（含編織）

織造

針織

土工織物針刺

非織造（無紡）

土工膜

復(fù)合土工膜

土工合成材料

土工復(fù)合材料復(fù)合土工織物熱粘結(jié)化學(xué)粘結(jié)

復(fù)合防排水材料（包括排水帶、排水管、排水防水材料等）

土工特種材料土工格柵、土工帶、土工格室、土工網(wǎng)、土工膜袋、土工網(wǎng)墊、

土工織物膨潤土墊（GCL ）、聚苯乙烯板塊（EPS ）等

圖1 土工合成材料的分類（GB 50209-1998）

各類當(dāng)中又包含不同類型或不同生產(chǎn)工藝的各種材料產(chǎn)品，如土工織物根據(jù)工藝不同分為有紡（織造）與無紡（非織造）土工織物；土工格柵根據(jù)材質(zhì)不同分為塑料格柵和玻纖格柵，又可根據(jù)工藝不同分為拉伸格柵、焊接格柵與經(jīng)編格柵，以及根據(jù)形態(tài)不同劃分為單向格柵、雙向格柵與三項(xiàng)格柵等。@

下面結(jié)合圖1介紹每種類型土工合成材料及其特點(diǎn)。

1. 土工織物

土工織物俗稱土工布，是經(jīng)過織造、非織造或編織方法制成的，由纖維或紗線構(gòu)成連續(xù)的平面狀材料。這種材料具有柔性和透水（氣）性，通常呈織物外觀。一般劃分為有紡?fù)凉た椢锖蜔o紡?fù)凉た椢�。土工織物在工程�?yīng)用中可發(fā)揮隔離、過濾、排水、加筋和侵蝕控制等作用。

2. 土工格柵

土工格柵是一類在制造過程中經(jīng)過定向拉伸的具有網(wǎng)格狀外觀的開口式土工合成材料。常見的有單向拉伸土工格柵和雙向拉伸土工格柵兩種。土工格柵的主要作用是用于土體的加筋加固。

3. 土工膜

土工膜是由一種或幾種合成材料制成的連續(xù)的柔性膜狀材料。土工膜具有很低的滲透性，其滲透系數(shù)小于10−11cm/s，幾乎不透水�？捎米鞣忾]液體或氣體的防滲襯里和防擴(kuò)散屏障。

4. 土工網(wǎng)

土工網(wǎng)包括平面型的多用于防護(hù)的工程網(wǎng)和具有三維結(jié)構(gòu)的排水土工網(wǎng)兩類。后者是由兩組平行擠出的聚合物以恒定銳角交叉（在節(jié)點(diǎn)處融合在一起）形成的開放式網(wǎng)格狀土工合成材料。這種交互式網(wǎng)格構(gòu)成了網(wǎng)內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)層，因此，排水土工網(wǎng)具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)液流或氣流的能力。這種土工網(wǎng)在工程應(yīng)用中常作為排水材料。@

5. 土工復(fù)合材料

土工復(fù)合材料是由兩種或多種土工合成材料復(fù)合而成的一大類土工合成材料。這類材料包括土工織物-土工網(wǎng)型、土工織物-土工格柵型、土工網(wǎng)-土工膜型和土工織物-土工膜型土工復(fù)合材料。土工織物與土工膜可構(gòu)成復(fù)合土工膜，土工織物和土工網(wǎng)可以構(gòu)成復(fù)合排水板，以及軟土地基排水固結(jié)法中常用的預(yù)制垂直排水帶（PVD ），這些都是典型的土工復(fù)合材料。PVD 就是由土工織物濾層包裹塑料排水芯帶制成的復(fù)合材料。將具有各自特性的不同類型材料有目的

地結(jié)合在一起的土工復(fù)合材料，在工程實(shí)踐中可以起到排水、反濾、隔離、防滲、加筋等作用，為工程實(shí)際問題提供針對性的解決方案。

6. 土工合成材料粘土襯墊（GCL ）

GCL 屬于土工復(fù)合材料的一種，通常是在上下兩層土工織物之間夾一層膨潤土，或?qū)⒁粚优驖櫷琳辰Y(jié)在土工膜或單層土工織物上而制成的一種土工復(fù)合材料。由兩層土工織物覆蓋制成的GCL 常通過縫合或針刺的方式貫穿膨潤土層，用以提高GCL 的內(nèi)部抗剪強(qiáng)度。當(dāng)膨潤土經(jīng)過水化作用，吸水膨脹，具有很低的滲透性能，可以作為液體或氣體的有效屏障。因此，垃圾填埋場建設(shè)中，GCL 常與土工膜聯(lián)合使用，作為填埋場的防滲襯墊，或作為水利工程的防滲層單獨(dú)使用。

7. 土工管

土工管是用來排水或?qū)獾墓鼙诖┛谆虿淮┛椎木酆衔锕懿�，如垃圾填埋場中用于滲濾液或填埋氣體的收集。在一些情況下，在穿孔管外采用無紡?fù)凉た椢锇�，起反濾作用。

8. 土工格室

土工格室是由聚合物條帶相互連接制成的具有三維網(wǎng)格狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)的土工合成材料。鋪設(shè)后，交錯(cuò)連接的條帶之間形成一個(gè)個(gè)格室用以填充土、碎石，有時(shí)也用混凝土填充。這種材料主要用于道路路基底層加筋或地基加筋，也可用于侵蝕控制工程。@

9. 土工泡沫

土工泡沫的塊或板是通過聚苯乙烯泡沫塑料膨脹形成的，是一種超低密度的、由封閉充氣單元構(gòu)成的具有空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的塊體或板材。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，一般又分為模塑型土工泡沫（簡稱EPS ）和擠塑型土工泡沫（簡稱XPS ）。土工泡沫塑料可作為隔熱材料和輕質(zhì)填料使用。在剛性面板擋土墻中，豎直置于面板與填土之間作為可壓縮夾層，起到減小土壓力的作用。

10. 土工網(wǎng)墊

土工網(wǎng)墊是由長絲纏繞結(jié)合而成的三維透水網(wǎng)墊，又稱三維土工墊。網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)蓬松柔韌，網(wǎng)內(nèi)空隙可以填土或噴灑含草籽和營養(yǎng)物質(zhì)的混合材料，常用于坡面植被防護(hù)。

11. 土工膜袋

土工膜袋是一種由雙層聚合織物制成的連續(xù)的管袋狀土工合成材料。它可以代替模板，當(dāng)用高壓泵把混凝土或砂漿灌入膜袋凝固后，可形成板狀或其他形狀的連續(xù)結(jié)構(gòu)。在膜袋的上下兩層織物之間，每隔一定的間距用聚合物（如尼龍繩）把兩層織物聯(lián)系在一起，以控制混凝土或砂漿灌注成型后土工膜袋的厚度。土工膜袋主要用于水利工程中的護(hù)面和護(hù)坡。土工膜袋按充填材料的不同分為充填砂漿型和充填混凝土型；也可按膜袋是否設(shè)置濾水點(diǎn)（排水點(diǎn)）將其分為無濾水點(diǎn)膜袋和帶濾水點(diǎn)膜袋。@

三. 土工合成材料的功能

土工合成材料的應(yīng)用非常廣泛，主要用于巖土工程、環(huán)境土工、水利工程和鐵路與公路交通工程等領(lǐng)域。在實(shí)際工程應(yīng)用中，土工合成材料可以起到過濾、排水、隔離、加筋、防滲和防護(hù)六大基本功能。在特定情況下或?qū)τ谔胤N土工合成材料，還可以發(fā)揮保護(hù)和減壓的作用，如防滲結(jié)構(gòu)層中將土工織物鋪設(shè)在土工膜上面，阻止填土或其他鋒利物體對土工膜的損傷；在軟土地基上使用土工泡沫塊體修筑路堤，可以在不降低路堤高度的情況下有效地降低路堤對地基的壓力。土工合成材料的基本功能分述如下：

1. 過濾

土工合成材料的這種功能與傳統(tǒng)的砂濾層類似，允許土體內(nèi)部的液體通過并排出，同時(shí)起到保土作用，阻止上游土壤顆粒的流失。例如，用有紡?fù)凉た椢镒柚雇亮＿w移滲入排水骨料或排水管，同時(shí)保持排水系統(tǒng)正常工作；在海岸和河岸的拋石防護(hù)層和其他護(hù)岸材料下面鋪設(shè)土工織物以防止土壤被侵蝕。

2. 排水

土工合成材料在土體內(nèi)部作為排水體，可使水流沿其內(nèi)部從低滲透性土體中排出。例如，鋪設(shè)與路堤底部的土工織物可用來消散孔隙水壓力；對于流量較大而對排水能力要求更高的場合，也可采用土工復(fù)合（排水）材料。這些材料已被用來作為路緣排水體、邊坡截排水體及擋土墻墻后排水體。塑料排水板（PVD ）則被用于預(yù)壓荷載下加快軟粘土地基的排水固結(jié)過程。

3. 隔離

這種功能是指土工合成材料能夠把兩種具有不同粒徑分布的土料隔離開來，以免相互混雜而失去各種材料的整體性和結(jié)構(gòu)完整性。土工織物和土工膜都可以起到隔離作用。例如，鋪設(shè)與道路基層與軟土地基之間的土工織物可起到隔離作用，一方面防止路基骨料嵌入軟弱土層，從而維持基層的設(shè)計(jì)厚度和道路結(jié)構(gòu)的完整性；另一方面，也能夠阻止下部細(xì)粒土進(jìn)入透水料層之中從而降低其滲透性。@

4. 加筋

土工合成材料置于土體內(nèi)部作為加筋構(gòu)件，或土工合成材料與土相結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合體，加筋復(fù)合土體與未加筋土體相比，其強(qiáng)度及變形性能都得到明顯的改善。例如，用土工織物和土工格柵加筋可提高土體的抗拉強(qiáng)度，從而能夠建造垂直或近乎垂直加筋土擋墻；加筋還能用來在極軟地基上建造路堤；加筋后路堤邊坡可以比未加筋時(shí)更陡。

5. 防滲

一些土工合成材料具有相對低的透水（氣）性，可防止液體或氣體流動和擴(kuò)散，發(fā)揮防滲作用或包容作用。例如，土工膜、復(fù)合土工膜、土工合成材料粘土襯墊（GCL ）都具有很低的滲透性，可作為流體的防滲屏障。對于液體，無論是土體中的水，還是垃圾填埋場中的滲濾液，土工膜、復(fù)合土工膜和GCL 的這種屏障功能，傳統(tǒng)上常稱為防滲作用。

6. 防護(hù)

又稱為水土保持，是指通過設(shè)置土工合成材料防護(hù)措施，減少由降雨沖擊和地表水徑流造成的土壤流失。例如，將臨時(shí)性的土工合成材料毯或永久性的土工網(wǎng)墊鋪在邊坡上裸露土體的表面，可以有效地避免或減輕降水和地表徑流的侵蝕；用土工織物制成的泥沙柵欄能夠?yàn)V掉渾濁徑流中的懸浮泥土顆粒。

在一些工程應(yīng)用中，土工織物還能發(fā)揮其他方面的作用。例如，土工織物可用于瀝青路面補(bǔ)強(qiáng)；作為緩沖墊層，以防止下層的石頭、施工期和使用期的廢棄物或排水集料造成土工膜穿孔（通過減少點(diǎn)接觸應(yīng)力）。土工織物也可用作混凝土膜袋和沙袋。圓柱形土工管袋是用雙層土工織物制成的，采用水力充填方式以構(gòu)成海岸線堤防。

一方面，同一類土工合成材料在不同的工程應(yīng)用中可以發(fā)揮不同的功能；另一方面，在某些情況下，一種土工合成材料可以同時(shí)發(fā)揮雙重或多重功能。如鋪設(shè)在軟基和路堤之間的土工織物，其主要功能是隔離，但同時(shí)可以發(fā)揮加筋和排水的作用。對于像土工織物、土工復(fù)合材料這些具有多種功能的材料，在實(shí)際工程中，需分析特定的工況環(huán)境和所選用土工合成材料的特點(diǎn)，判斷其發(fā)揮的基本功能或主要作用。表1列出了各類土工合成材料的種類與功能。@