土工合成材料的工程应用.docx

1、土工合成材料的工程应用土工合成材料的工程应用第一节 概述 土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的新型建筑材料，已广泛应用于水利、公路、铁路、港口、建筑等工程的各个领域。 目前，国内外通常采用聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维及聚乙烯醇纤维等原料制造土工合成材料，形成了八大系列产品，如：土工织物、土工膜、土工网、土工格栅、土工席垫、土工格室、土工复合材料及相关产品等。其中土工膜是土工合成材料中应用最早也是最广泛的一种系列产品，土工膜为相对不透水的聚合物薄片，在岩土和土木工程中用于防渗和气体的输送；土工复合材料为用两种以上土工合成材料经人工组合的复合体，用于排水、截水及加筋等。土工

2、膜最早应用可追溯到上世纪二三十年代，人们曾采用聚氯乙烯PVC土工膜作为游泳池的防渗材料；50年代初，美国垦务局采用PVC土工膜作防渗衬砌；前苏联以聚乙烯膜进行渠道防渗。我国对土工膜的研究和应用起步虽较晚，但发展很快。60年代中期，塑料薄膜用于渠道防渗，较早的工程有河南人民胜利渠、陕西人民引渭渠、北京东北旺灌区和山西的几处灌区，主要原料是聚氯乙烯，个别是聚乙烯，以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。70年代中后期利用聚丙烯编织布进行防渗护底处理，19791980年宁夏石嘴山市修建了一座容积为25万m3的蓄水池，采用厚度为0.1mm的聚氯乙烯薄膜防渗。1984年陕西西骆峪水库采用三层厚0.06mm的

3、聚乙烯薄膜作防渗。随着高分子化学工业的发展，自20世纪以来相继出现了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等各种纤维，这些合成材料具有强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀、不会发霉、不怕虫蛀及吸湿性小等特点，用于工程又具有施工简便、易保证质量、施工进度快、造价低等优点，故被人们所重视，应用也日益广泛。目前，国内外堤坝渗流控制中所应用的土工合成材料，主要是透水的土工织物和相对不透水的土工薄膜两大类。本章主要讲述土工膜及其应用，其他类型的土工合成材料在此不再赘述。 一、土工膜的种类及性能 1土工膜的种类土工膜是一种由高聚合物制成的透水性极小的土工合成材料。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两

4、大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区别。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。国内外制造土工膜的基本材料大致可分为如下几种： （1）热塑性材料：如聚氯乙烯（PVC）、耐油聚氯乙烯（PVC-OR）等； （2）结晶热塑性材料：如低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）等； （3）弹性材料：如二烯一异丁烯橡胶（IIR）、氯丁橡胶（CR）、环氧丙烷橡胶（CV）等； （4）热塑性弹性材料：如氯化聚乙烯（CPE）、氯磺聚乙烯（CSPE）、氯化聚乙烯熔合物（CPE-A）等； （5）沥青和树脂：如沥青、煤焦油沥青、改性沥青、环氧树脂和丙烯树脂等。这几种主要材料的

5、性能如表10-1所示表10-1 几种土工膜基本材料性能 材料性能氯化聚乙烯CPE高密度聚乙烯HDPE聚氯乙烯PVC氯磺聚乙烯 CSPE（Hypalon）耐油聚氯乙烯PVC-OR力学特性顶破强度好很好很好好很好撕裂强度好很好很好好很好伸长率很好很好很好很好很好耐磨性好很好好好-热力特性（低温柔性）好好较差很好较差尺寸稳定性好好很好差很好最低现场施工温度（）-12-18-1055渗透系数（m/s）10-14-710-153.610-1410-14极限铺设边坡1：2垂直1：11：11：1现场拼接溶剂很好好很好很好很好热力差-差好差粘结剂好-好好好最低现场粘结温度（）-710-7-75相对造价中等高低

6、高中等 制造土工膜时还需要渗入一定量的添加剂，在不改变材料基本特性的情况下，改善其基本力学性能、抗环境影响性能和降低成本。 沥青类薄膜常用的添加料主要有填料和纤维，有时掺入一定的弹性物质。填料加细粒矿粉，常用的有石灰粉、滑石粉、云母、粉煤灰、石墨等。掺量为沥青与矿粉总重的60%以内，一般为30%。添料的作用在于增加膜的劲度，还可降低成本；纤维一般用石棉或玻璃丝，其作用是增加膜的强度。弹性物质常采用再生橡胶等，掺量一般为5%15%，其作用是改善膜的物理性质或增强抗裂能力。 聚合物类薄膜的添加料有填料、纤维、改性剂、增塑剂、炭墨、抗氧化剂、稳定剂、杀菌剂。填料为上述各种矿粉。常用的纤维有玻璃丝、聚

7、脂或尼龙短纤维等。这两种掺料的作用与沥青类相同，其他掺料各有不同的作用。改性剂是在膜的制作过程中使混合料硬化或软化；增塑剂用于增加膜的柔性；炭黑增加膜的抗紫外线和臭氧等的老化作用，并在制作过程中使混合物保持稳定；杀菌剂用于防止菌类微生物对聚合物薄膜的侵蚀。土工膜的类型大体可分为如下几类： （1）现场制成的非加筋土工薄膜 现场非加筋土工薄膜即是在工地防渗面现场（土体或混凝土表面）喷涂一层热的或冷的粘性材料，常用材料是沥青、沥青和弹性材料混合物及其他聚合物（如聚氨基甲酸脂）。这种土工薄膜的主要优点是不存在拼接的问题，价格低，但厚度较厚，约37.5mm。 （2）现场制成的加筋土工薄膜 现场加筋土工薄

8、膜是在现场将一层织物先铺设在需要施工的防渗面上，然后在织物上喷涂一层热的或冷的粘性材料，使透水性很低的粘性材料浸渍在织物的表层，以形成整体性的防渗薄膜。所用的粘性材料与上述第一种土工薄膜相同。起加筋作用的织物，早期主要为玻璃纤维布，现大多使用针刺无纺土工织物。这种土工薄膜的典型厚度为37.5mm。 （3）工厂预制非加筋土工薄膜 预制非加筋土工薄膜使用聚合物、弹性体以及低分子材料通过滚压和挤压工艺制成，是一种没有任何织物加筋的均质薄膜。其典型厚度为0.254mm（挤压工艺）和0.252mm（滚压工艺）。 （4）工厂预制复合土工膜 预制复合土工膜是将土工织物通过滚压或喷涂使表面浸渍或粘合一层聚合物

9、薄膜，应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200600g/m2。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；另外根据工程的质量也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。 复合工膜有许多优点，以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。 2土工膜的性能 土工膜被广泛应用于水利和岩土工程的各个领域。不同的工程对材料有不同的功能要求，并以此选择不同类

10、型和不同种类的土工膜。土工膜的一般性能包括物理、力学、化学、热学和耐久性能等。在工程应用中更重视其防水（渗透性及透气性）、抗变形的能力及耐久性。大量工程实践表明，土工膜有很好的不透水性；有很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力；有良好的耐老化能力，处于水下、土中的土工膜的耐久性尤为突出。总之，可以认为土工膜具有十分突出的防渗和防水性能。土工膜的特性随其类别、制作方法、产品类型的不同而变化较大。 （1）物理性能指标 单位面积质量，系1m2土工膜的质量，称为土工膜的基本质量，单位为g/m2。它是土工膜的一个重要指标。土工膜的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增大而提

11、高。因此，在选择产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。 厚度，指土工膜在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。土工膜厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa压力表示土工膜在自然状态无压条件下的厚度。 （2）力学性能指标，针对土工膜在设计和施工中所受荷载性质不同，其力学强度指标分为下列几种：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度等。在前3项强度试验中，试样均为单向受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后4项强度的试验都表示土工膜抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样均为圆形，用环形夹具将试样夹制住，承受轴对称荷载，纵横双向同时受力

12、。在上述众多力学指标中，最基本的是抗拉强度。 抗拉强度和延伸率，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工膜在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，其对应抗拉强度的应变为土工膜的延伸率，用百分数（%）表示。抗拉强度是力学性能中的重要指标，用于产品质量控制。聚合物土工膜拉断时的极限延伸率可达到150%900%。加筋土工膜的最大抗拉强度高达1030KN/m。 握持强度，是反映土工膜在挟持情况下分散集中荷载的能力，经常用作土工膜的质量控制。试验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工膜对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高，单位为N。 撕裂强度，是土工膜沿某一裂口或切口蔓延过程中的最大拉力，单位

13、为N。 胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度，这四个强度都表示土工膜抵抗外部冲击荷载的能力。其差别是试验时试样尺寸、加荷方式不同，胀破强度单位为kPa,其它3项强度单位为N。水力胀破试验是确定土工膜平铺在孔洞上的抗拉强度，以模拟实际情况。圆球顶破试验是量测土工膜的局部顶破强度，是土工膜的基本特性指标之一。CBR试验是模拟土工膜铺设在软基和密实的粗粒料间，土工膜所能承受的应力。水力刺破试验是量测土工膜支承在带有尖锐棱角的支承物上时的刺破强度。各试验示意图见图10-1所示。图10-1 顶破类试验示意图（单位：mm）(a)胀破试验；(b)CBR顶破试验；(c)圆球顶破试验；(d)刺破试验

14、。 除抗拉强度外，其它各力学强度指标并不直接用于设计，它们主要是作为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。 （3）水力性能指标，主要为渗透系数或抗渗强度，是土工膜很重要的水力特性指标，反映土工膜的抗渗透能力。其渗透系数或抗渗强度通过抗渗强度试验确定。 （4）土工膜与介质面相互作用性能指标，即土或混凝土面土工膜界面的摩擦系数，土工膜埋在土中，通过土土工膜界面摩擦力传递土中应力，形成连续稳定的应力场；土工膜铺设在混凝土或沥青面板上联合防渗，两种介质间通过胶结粘合在一起，共同承担防渗作用，通过界面摩擦力抗衡内部孔隙水应力，防止滑坡形成稳定的复合坝面体。需通过试验方法确定土工膜与界面间

15、的摩擦系数。 （5）土工膜的耐久性指标，影响聚合物土工膜耐久性的因素包括：热、光、氧、臭氧、湿气、大气中的二氧化氮和二氧化硫、溶剂、低温、酶和细菌、应力和应变等。土工膜的破坏可能由于：反聚合作用和分子断裂使聚合物分解，从而使聚合物物理性能衰化和发生软化；失去增塑剂和辅助成分，导致聚合物硬化变脆；薄膜遇液体发生膨胀或溶解而发生强度的衰减，渗透性增大；接缝不良或拉开。 聚合物土工膜一般不会因温度而分解，只有工业废水池中衬护聚合物薄膜会因氧化温升而起分解作用。许多聚合物对紫外线很敏感，会使聚合物分解（加炭黑后可增强抵抗紫外线分解的能力）。臭氧破坏不饱和主链，当聚合物薄膜的拉应变达1525%时，容易受

16、臭氧作用而开裂。 在长期应力或反复应力作用下，有的聚合物会因蠕变或疲劳而变薄、破裂。聚合物一般能抵抗生物分解，但增塑剂或其他单体成分会在湿空气中产生生物分解，而变软或发脆。 交联型聚合物有很好的抵抗化学分解的能力；结晶型聚合物成分简单，含增塑剂和填充料很少，不会因增塑剂容易丧失而很快老化。PVC是热塑型的，老化快。丁基橡胶薄膜是由异丁烯和小比例的异戊二烯聚合而成的，它主要具有烷族的性质，允许硫化处理，是紧序高分子，具有很好的抗氧化、化学、紫外线等侵害的性质（但容易被臭氧破坏）。 土工膜耐久性指标主要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗大气环境等多种指标，但大多没有可遵循的规范、规程，一般根据工程实际情

17、况，按工程经验来选取。当土工膜铺设于渠道边坡和渠底时，上面应覆盖土厚2530cm，当土工膜铺设于混凝土或沥青混凝土面板上时，上面应设置1020cm厚的防护层。 二、土工膜在水利防渗工程中的应用 土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，渗透系数一般为10-1110-12cm/s，这样低的透水性是一种颇为理想的防渗材料。其在水利防渗工程中可应用于以下几个方面： （1）堤坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙。 （2）透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙。 （3）混凝土坝、圬工坝及碾压混凝土坝的防渗体。 （4）渠道的衬砌防渗。 （5）涵闸水平铺盖防渗。 （6）隧道和堤坝内埋管的防渗。 （7）施工围堰

18、的防渗。图10-2是一些常见的防渗结构示意图。图10-2 土工膜防渗形式土工膜作为一种良好的防渗材料，目前在土石坝中，特别是堤防防渗工程中已被广泛地采用，在混凝土坝或碾压式混凝土坝的修补中，作为防渗护面也逐渐增多，其使用量约为土工织物使用量的11%左右。在我国的土坝建设和堤防加固中，作为垂直防渗墙的墙体材料等，被广泛地使用。为了说明土工膜在堤防防渗中的应用，表7-2列出了国内部分坝工中采用土工膜防渗的工程实例。表10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例序号工程名称地点使用时间最大挡水水头(m)土工膜使用部位使用情况土工膜类型1石砭峪陕西200081斜墙加固复合土工膜2塘房庙云南199752斜

19、墙新建复合土工膜3钟 吕江西199851斜墙新建复合土工膜4温泉堡河北199346.3碾压混凝土坝表面新建复合土工膜5田 村广西199041.9心墙新建复合土工膜6小岭头浙江199136斜墙新建复合土工膜7先 锋四川198733斜墙修复三层0.12单膜8甲日普西藏199231.4心墙新建复合土工膜9西北峪陕西197831库区修复30.06单膜10李家箐云南198830.6斜墙新建复合土工膜11红 卫广西199930.2斜墙修复复合土工膜12田 头福建199230斜墙修复单膜13贡拜尔沟新疆199928铺盖修复复合土工膜14松子坑坝群广东199428斜墙和心墙新建复合土工膜15水口围堰福建199

20、026.5心墙新建复合土工膜16白河301吉林198921.5心墙新建3层0.4单膜17切 吉青海199220斜墙加固单膜118毛儿冲湖北199320斜墙修复单膜0.3219小青沟2号辽宁199520斜墙新建复合土工膜20军 山江西198819.6斜墙修复复合土工膜21湾 子云南199518库区修补复合土工膜22温 泉青海199917.5斜墙新建复合土工膜23六 甲福建199115.5斜墙修复单膜24三官塘福建199115.5斜墙修复单膜25黄尖山江西198814.6斜墙加固单膜0.1、0.0726罗 坑江西198614.2斜墙修复单膜0.16、0.18、0.2227黑 河辽宁198913.9

21、心墙新建复合土工膜28大 宁北京198513.5斜墙新建复合土工膜29土 坎四川199913.3斜墙新建膜+织物0.2530三峡二期围堰湖北199913.2斜墙 心墙新建复合土工膜31伍 沟四川199910.5斜墙加固复合土工膜32放马峪北京198410斜墙修复30.1单膜33王甫洲湖北199910斜墙 铺盖新建复合土工膜34乱 木河北198910斜墙加固单膜0.835麦 坑江西19879.75斜墙修复单膜0.3236新 立广东19908铺盖修复单膜续表10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例37滑 子北京19848斜墙和库区修复复合土工膜38闽 江福建19877.8铺盖修复单膜0.2439

22、梨壁桥福建19887.5斜墙修复复合土工膜40万家寨围堰山西内蒙古19955.5心墙新建复合土工膜41四 扣山东19925斜墙新建复合土工膜1.土工膜的防渗结构土工膜的厚度很薄，容易遭破坏，为了有效保护和提高其在坡面上的稳定性，在土工膜与堤身或堤基接触处应加一定厚度的垫层（过渡层）或反滤层，尤其对于膜与粗粒料直接接触的情况。若防渗膜选用复合土工膜材料，则反滤层可以简化。对于已有的堤防加固情况，由于铺反滤层较困难，可以直接选用复有较厚的非织造土工织物的复合土工膜作为反滤层，以便于施工。但应强调指出，不管什么情况下，反滤层是必不可少的。土工膜防渗结构原则上应包括5层，如图10-3所示。图10-3

23、土工膜防渗结构1-防护层；2-上垫层；3-土工膜；4-下垫层；5-支持层 （1）防护层，是与外界接触的最外层，是为了防御外界水流或波浪冲击、风化侵蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设置。该层由堆石、砌石或混凝土板构成，厚度一般1525cm。 （2）上垫层，是防护层和土工膜之间的过渡层，由于防护层多是大块粗糙材料且易移动，如果直接置于土工膜上，很容易破坏土工膜，因此上垫层必须做好。上垫层一般采用透水性良好的砂砾料，厚度应不小于15cm；如果防渗材料采用的是复合土工膜，可不必另设垫层。 （3）土工膜，是防渗主体，除要求有可靠的防渗性外，还应该能承受一定的施工应力和使用期间结构物沉降等引起的应力，故也有

24、强度要求，土工膜的强度与其厚度直接有关，可通过理论计算或工程经验来确定。 单一土工膜表面光滑，摩擦系数小，易产生滑动，不宜铺设在坡面上，在此情况下，一般多采用复合土工膜，其表面的非织造土工织物与土的摩擦系数要比单膜的大得多，另外，有时也可将单膜加上纹路以增加糙度。 （4）下垫层，铺在土工膜的下面，有双重功能：一是排除膜下的积水、积气，确保土工膜的稳定；二是保护土工膜，使其不受支持层的破坏。 对于粗粒的堆石坝，下垫层也可起堆石与土工膜之间过渡层的作用，这时的下垫层由细砾和砂构成，三者之间的粒径应符合一定的层间关系。对于面板堆石坝的防渗加固工程，多采用复合土工膜，可用沥青直接粘结在防渗面板上。对于

25、碾压式土坝，一般采用复合土工膜，下垫层一般可以省去，因为非织造土工织物可以起到保护和排水作用，而且增加膜与坝体间的摩擦力。 下垫层对土工膜起支持层的重要作用。如果土工膜直接放在粗粒料上，在水压作用下，它会被压进粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，如果膜下为平整硬层或细粒土料，则情况就会不同。试验研究证明，0.25mm厚的聚乙烯土工膜铺在级配良好的砂卵石层上，作用水头达到200m，土工膜也没有破坏，这表明膜下垫层的状态对膜的安全至关重要。 （5）支持层，土工膜是柔性材料，必须铺设在可靠的支持层上，它可以让土工膜受力均匀。对于堤坝，支持层可采用级配良好的压实土层，粒径应根据膜厚来选择，对于0.2mm厚

26、的土工膜，支持层的最大粒径应不大于6mm，不均匀系数应不小于20。对于堆石坝，支持层可采用混凝土或沥青混凝土面板斜墙。如果是碾压式土石坝，由于其坝面平整，又有较大密实度，可不设支持层。 2.土工膜的防渗形式 （1）堤坝地基垂直防渗墙 对于已建堤坝的防渗加固工程，一般采用垂直铺塑技术建造垂直防渗墙。垂直防渗墙是在堤坝地基内造孔或开槽，填入透水性极低的材料形成的连续墙。我国现在用铺塑技术已完成多处垂直防渗墙工程。 修建防渗墙的土工合成材料多采用土工膜、复合土工膜。采用插入土工膜，则膜厚度应不小于0.5mm。在目前技术条件下，插入深度可以达到约15m，要求地基土中大于5cm的粗颗粒不多于10%，最大

27、颗粒粒径不大于15cm，否则将超出开槽宽度。 对于新建堤坝，采用中央复合土工膜作垂直防渗墙时，其要求与土工膜斜墙防渗相同。但垫层和过渡层在填筑压实时，应注意不使土工膜损伤。施工时要求堤坝填筑与土工膜心墙同时上升，而且土工膜应做锯齿形铺设，以适应堤身的沉陷。 （2）水平防渗铺盖 堤坝建在透水地基上，当地基厚度过大，采用其他防渗形式不经济或不可能时，可采用铺盖防渗。它是将透水性小的材料水平铺设在堤坝上游的一段长度内，并与堤身或坝身的防渗体系相连接，以增加渗径，减少渗透坡降，防止地基渗透变形并减少渗流量。一般用于铺盖材料的渗透系数至少应比地基的透水性小100倍，故以往常用粘性土。土工膜比粘土的透水性

28、还要小，具有极大的柔性，能和地面密切贴合，而且施工相当方便，防渗效果良好。 土工膜用于堤防的防渗加固，其心墙式或斜墙式等形式的选用与堤基地层结构及其渗透性有关。堤基的地层结构，一般可分为单层结构、双层结构和多层结构三种。单层结构是指从地表往下至基岩基本上是同一类土，粘性土的单层结构均质地层不会发生渗透变形，而均质的砂性土单层结构在靠近背水坡的地面易发生渗透变形，远离堤段的地方则是安全的，这种地层在大江大河上比较少见。双层结构（二元结构）是指地层大致由两种土层组成，上层透水性较弱，其下为较厚的透水性较强的土层，当地层受开挖造成与江水连通或上覆层较薄时，往往是最容易发生渗透破坏。这种“二元结构”在

29、大江大河上比较常见，在我国是一种颇具代表性的堤基地层结构。多层结构往往是弱、较强、弱、较强、强透水层结构的组合，即在深度上是弱透水层与透水地层互层，而深层则往往是砂卵石等强透水层，这种地层也比较常见。对于不同的地层形式，在堤防防渗措施上有明显的不同特点。 （1）对于堤基透水性土层厚度不大（10m左右）的情况，采用垂直铺塑技术建造防渗心墙是有效和可靠的，因为土工膜心墙可以从堤身穿过透水地层直接与不透水土层相连，形成封闭式的防渗结构，保证背水坡不发生渗透破坏。 （2）对于透水性土层比较深厚的地基，心墙达不到不透水土层，故只能形成“悬挂式”的防渗结构。然而研究和经验表明，这种“悬挂式”防渗体系的防渗效果不佳，应采用复合土工膜斜墙加铺盖或其他防渗结构。 （3）近年，在防渗建设中还遇到防渗性各异的另一种多层地基结构的情况，其特点是在深厚的透水层中存在一层透水性较弱的土层，埋深也不大，可以作为防渗的相对不透水层，这时仍可以用心墙的形式，使其达到相对不透水层，以形成“半