土工合成材料测试技术张鹏程

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1、土工合成材料测试技术,上海勘测设计研究院工程检测中心 水利部土工合成材料检测中心 张鹏程,目 录,一、土工合成材料发展概述 发展、基本功能、原材料及产品类型 二、标准与规范 应用技术标准，测试标准，产品标准 三、性能与测试 工程应用中质量控制常规检测项目；材料质量检测所依据的测试的方法与标准,土工合成材料发展概述,土工合成材料 Geosynthetics = Geo 土地 + Synthetics 化学合成物 是一种新型的建筑材料。是以人工聚合物，如塑料、合成纤维、橡胶等为原材料，制成的各种类型的用于建筑工程的产品的统称。 土工合成材料是相对于传统的木材、钢筋、水泥的第四种建筑材料。 早期产品

2、主要是透水的土工织物（俗称土工布）和基本不透水的土工膜以及组合产品，称为：土工织物、土工膜和相关产品。 随着工程建设需要和制造技术发展，产品种类不断扩展，1994年在新加坡召开的第5届国际土工合成材料学术讨论会议上正式定名为：土工合成材料。,土工合成材料发展概述,以天然植物作为岩土工程材料，已经有几千年的历史： 5000年前，中国人将天然植物纤维与土、石混合用于土木建筑，如茅草作为土的加筋材料，在我国北方的大部分地区仍在沿用； 3000年前，巴比伦人运用土中加筋技术修建庙塔； 荷兰人在水利工程上，大量利用柳条加固堤防，防止冲刷。 但天然植物易于腐烂，不能耐久；金属容易锈蚀；到20世纪30年代，

3、塑料、合成纤维和合成橡胶问世。土工合成材料随化学工业聚合物的发展和工程拓展而兴起，其应用技术则依赖于岩土力学基本原理。,土工合成材料发展概述,创始人之一吉劳德教授（Dr.Giroud.J.P.）- “可能是岩土工程历史上的一次重要革命”。 土工合成材料开始应用的确切年代已难以考证，只能从部分早期有里程碑意义的工程事例中知其大概： 上世纪30年代，聚氯乙烯土工膜已被应用于游泳池防渗； 1953年美国垦务局开始用聚乙烯膜于渠道防渗； 前苏联也较早地在渠系上铺设设低密度聚乙烯膜； 1958年美国佛罗利达州在海岸块石护坡下展铺土工织物作反滤护垫，至今被认为是近代史土工织物应用的发端；,土工合成材料发展

4、概述,19521953年荷兰遭遇特大风暴，造成重大生命财产损失，灾后启动著名的三角洲工程，这个项目动用了大量的早期的土工织物，因此大大推动了土工织物的发展； 1968年，荷兰开发研制成双层土工织物缝制成的用于护岸的砼模袋。 1968年法国的罗纳.普朗克（Rhone Poulenc）公司首创无纺土工织物，可替代传统的砂砾料用作滤层， 使土工织物的应用领域广为拓展； 上世纪八十年代初英人麦瑟（Mercer）发明了以聚合物制成的至今仍为土加筋的最佳材料的土工格栅（Geogrid）。,土工合成材料发展概述,七十年代末有了塑料排水带，替代砂井用于软基排水固结。 八十年代后期，大体积土工包产生，土工包放置

5、在开底船上容纳废弃物、疏浚土料等后封闭，靠GPS定位系统运到指定水域，开启船底投放，修成水下稳定平台、防波堤等，或控制海底侵蚀和建潜坝结构等。 以有纺织物制成的大直径大长度的土工管袋，可容纳疏浚泥沙、淤泥等物，脱水固结，形成连续大体积土管袋，可作岸边的防冲障墙，也可建成河工丁坝、顺坝，以及围垦造地、兴建人工岛。,土工合成材料发展概述,为了改善生态、保护环境，各种三维土工网垫相继问世，可用于坡面植草。环保问题的高度重视，不仅防渗用土工膜及应用技术有了很大的改进，也促成了土工合成材料膨润土垫（GCL）的研制成功， GCL结合土工膜构成垃圾填埋场的防渗系统。并逐渐推广到渠道、水池和人工湖等防渗。,土

6、工合成材料发展概述,土工合成材料的应用在我国的发展可归纳为四个阶段。 （一）自发应用时期 早在上世纪六十年代，山东打渔张灌区、河南人民胜利渠即采用塑料薄膜作渠道防渗，后推广用于水池、水库等防漏； 1965年辽宁桓仁水电站用沥青聚氯乙烯膜为混凝土支墩坝上游面止裂防漏； 1976年江苏长江岸边的江都嘶马以扁丝土工织物结合混凝土块压重，制成软体沉排防治江岸冲塌； 这一时期的特点，是个别工程应用该材料，既无一定规格的的产品，也无定型的设计方法，纯属按既往岩土工程经验，群众性自发应用。,土工合成材料发展概述,（二）技术引进时期 八十年代初，铁科院用杜邦公司赠送的2万平方米无纺土工织物，试用于治理铁道长期

7、存在的翻浆冒泥病害，算是我国采用正规土土合成材料的开端。土工模袋的引进，并由无锡毛纺织染厂将其国产化。 1983年又引进了加筋技术和加筋土工格栅。到九十年代中期，自行研究出国产化产品。,土工合成材料发展概述,（三）组织建立时期 1983年，国际土工织物学会（简称IGS）成立，1994年更名为国际土工合成材料学会（仍简称IGS）； 1984年底，成立了“土工织物科技情报协作网”； 1986年更名为“土工合成材料技术协作网”； 1995年正式成立 “中国土工合成材料工程协会” (简称CTAG)，为国家一级学术组织； 1990年我国正式成为第6个国家会员，建立了国际学会中国委员会（CCIGS），负责

8、国际上技术交流；,土工合成材料发展概述,1986年至今先后在天津、沈阳、仪征、宜昌、西安、上海召开了七届全国土工合成材料学术会议，2012年在天津召开了第八届。 目前协会设有加筋、排水、环保、测试四个专业技术委员会， 协会网址 ： ; QQ群号 ：75195836,土工合成材料发展概述,（四）步入标准化时期 1998年的特大洪水中，国家领导与各部门领导认识了土工合成材料在防汛抢险中的显著作用，国家领导人多次批示要在长江防洪抢险和修复堤坝等水利工程中，大量的采用土工合成材料，并取得了良好的效果； 水利部率先编制土工合成材料应用技术规范 SL/T225-1998水利水电工程土工合成材料应用技术规

9、范，结束了我国无标准的状态； 之后国家标准和铁路、公路、水运的行业技术标准随之发布； 产品标准和材料测试标准紧随其后。 1998年年底，土工合成材料及技术步入规范化时期。,土工合成材料基本功能,滤层作用 排水作用 隔离作用 加筋作用 防护作用 防渗作用 包容作用,土工合成材料基本功能,Filtration - 滤层作用/过滤作用 材料让液体（水）顺畅通过的同时，不允许骨架土颗粒随水流流失的作用。把土工织物放置于土体表面或相邻土层之间，可以有效的阻止土颗粒通过，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土工织物自由排出，以免由于空隙水压力的升高造成土体的失稳等不利后

10、果。例如，土工织物用来阻止土粒迁移进排水骨料或排水管而同时使水能流经系统。土工织物也用在海岸和河岸的抛石和其它护岸材料下以防土壤流失。 此种功能是保持土体结构稳定性的关键要求。,土工合成材料基本功能,利用无纺土工织物建造土坝粘土斜墙过渡层反滤的示意图,土工合成材料基本功能,Drainage 排水作用 材料能让水流沿其内部排走的能力。它作为传统排水材料砂砾料的替代料。无纺土工织物、复合排水材料、排水管与塑料排水带有此功能。,挡墙背部利用无纺土工织物或复合排水材料排除地下水至排水管，再由排水管排走的示意图,土工合成材料基本功能,Separation 隔离作用 将两种不同的材料分隔使其不混和的功能。

11、 例如：将铁路轨道下道碴碎石和地基细粒土隔开。用于隔离的材料常为土工织物或土工膜。通过隔离可保持介质和结构的完整性和稳定性。,土工合成材料基本功能,Reinforcement 加筋作用 土工合成材料埋在土体之中，可以扩散土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移，增加土工合成材料和其他材料之间的摩擦力，提高土体及有关建筑物的稳定性。,土工合成材料基本功能,Protection 防护作用 利用合适材料防护岩土体免受环境影响导致破坏的作用。例如在堤坝临水岸坡铺上土工织物来抵抗水流冲刷；将材料铺于道路防止路面的反射裂缝；也用于土体防冻和景观绿化等。常用的防护材料有土工织物、土工模袋、土

12、工网和三维植被网垫等。,土工合成材料基本功能,土工合成材料基本功能,土工合成材料基本功能,Waterproofing 液体/气体 屏障 防渗作用 利用材料阻隔液（水）体或防止其流失，气体挥发的作用。常用的防渗材料有土工膜和GCL等。,土工合成材料基本功能,Geosystem 土工系统 包容作用 以柔性高强土工织物制成的各式模体，其中填充不同介质如水、砂料、浆液（砂浆、水泥浆）以形成大长度、大面积或大体积的条梗、垫块或巨块，供护岸、护坡、护底、导流、促淤、兴建堤坝、围垦造地等。 这类产品有土工袋（geobag）、土工管袋（geotube）、土工包（geocontainer)和土工箱笼（gabio

13、n）等。统称为土工包容系统。,土工合成材料基本功能,长管袋冲填过程中,长管袋作防护结构,土工合成材料的分类,一、土工织物： 织造（有纺土工织物）：编织型（平织法、圆织法） 机织型（平纹法、斜纹法） 针织型（经编法、缝编法） 非织造（无纺土工织物）：机械加固型（针刺法） 化学粘合型（喷胶法） 热粘合型（热轧法） 土工织物是用于岩土工程的透水性聚合物材料，俗称土工布，按照制造方法不同，分为有纺土工织物和无纺土工织物，有纺土工织物是由纤维纱或长丝按一定方向排列机织而成，而无纺土工织物是由短纤维或长丝按随机或定向排列，制成薄絮垫，再经机械、热粘或化学粘合而成。,土工合成材料的分类,二、土工膜： （压延

14、型、吹塑型） 聚乙烯土工膜（PE） 聚氯乙烯土工膜（PVC） 氯化聚乙烯土工膜（CPE） 三、土工复合材料：复合土工膜 复合土工织物 复合防排水材料-排水带、排水管、排水防水材料等 四、土工特种材料：土工模袋、土工格栅、土工格室、土工条带、 土工网、土工网垫、土工织物膨润土垫（GCL） 聚苯乙烯板块（EPS）等,土工合成材料的分类,土工织物：柔软且具渗透性，通常呈现织物的外观。土工织物可用于隔离、过滤、排水、加筋和防护作用。 土工格栅：是具有开放式网格状外观的土工合成材料。土工格栅主要用于土的加筋。 土工网：由两组粗糙、平行的挤出聚合物束以一恒定的锐角相交形成的开放式网格状材料。这种网络形成了

15、带平面内孔隙的层，可用来输导相对大的液流或气流。 土工膜：是由一种或几种合成材料制成的连续的柔性膜。它们几乎不透水，可用作液体或气体围堵的衬垫和隔气层。,土工合成材料的分类,土工复合材料：是由两类或多类土工合成材料组合而成的土工合成材料。例如：土工织物-土工网型、土工织物-土工格栅型、土工织物-土工膜型。排水板（PVD）是由土工织物滤层包裹塑料排水芯制成的。 土工织物膨润土垫(GCL)： 通常是在两层土工织物之间夹有膨润土层或把膨润土层粘结在一层土工膜上或单层土工织物上制成的复合材料。土工织物外包的GCL 常常是缝合或针刺穿过膨润土核心以提高内部抗剪强度。当水化时它们作为液体或气体屏障很有效，

16、并且常常与土工膜联合常用作垃圾填埋场的衬垫。 土工管：是穿孔或实心管壁的高分子管材，用来引流（包括填埋场应用中的渗滤液或气体收集）。在一些情况下，穿孔管外包有土工织物反滤层。,土工合成材料的分类,土工格室：是由高分子层的条带制成的相对厚的三维网格状结构。这些条带联结在一起形成交错连接的格室用以填充土，有时填充混凝土。 土工泡沫塑料块或板：是由聚苯乙烯泡沫塑料膨胀形成的封闭的、有充气格室的低密度网状结构。土工泡沫塑料可用于隔热，作为轻质填料或可压缩竖直层用以减少作用在刚性挡土墙上的土压力。,土工合成材料的分类,聚乙烯 PE：有高密度HDPE与低密度LDPE之分，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，电绝缘性极好，机械强度与硬度较好，常用于制造土工膜与单向土工格栅。 聚氯乙烯 PVC：比重约为1.4，含氯量56%-58%，硬度比聚乙烯大，根据其所加增塑剂的多寡，可制成软（质）和硬（质）塑料，前者用于制造薄膜，后者可制板材和管材。 聚丙烯 PP 丙纶：由丙烯聚合而成，耐温范围-30至140 ，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，热稳定性