土工材料的过去、现在和未来
发布时间：2016/6/26 14:55:15作者：阅读次数：次
土工材料完全是现代名词，但它的起源可以上溯到人类文明之初。我们远古的祖先虽然缺乏适当的技术、工具及方法去解决面临的工程问题，探求实用的解决方案，但是他们却不懈的努力着。值得一提的是，他们留下的遗迹虽然部分有严重的缺点，一直在启发现代的工程师们去改进并更具创造性地使用土工材料。
自从60年代土工材料使用以来，一直以稳定的速度增长。直到最近几年，进入了快速发展期。随着土工技术的应用，作为其原料的合成物的生产迅速发展成年产值数十亿美元的产业。1996年，仅北美地区的工程项目就消耗了价值8亿美元的土工材料，主要是被广泛应用的土工膜和土工织物。随着近年来其在欧洲和亚洲的推广，近期内土工材料市场的快速发展仍在继续。
1 土工材料的发展简史
对土工材料及其应用的理解，可以帮助我们探寻早期人类的生活。土工技术广泛应用的领域--土体稳定、土体加劲、液体输送、防漏隔断系统，这些问题在人类早期的生活中也同样存在。
自然我们可以猜想即使是原始人也想使沼泽和湿软的土地变得稳定。毕竟在齐膝深的泥浆中打猎是相当不易的。先人们基于当时的想法和可用的材料，他们所选择的稳定材料可能包括树干和小树枝。我们也可以推测这些努力的失败，因为这些材料达不到强度要求或是很快就损坏了。
随着对技术理解的进步，人类开始用系统的方法来解决稳定问题。不久他们学会了将长短粗细大致相同的圆木并排放置成一个平面以增加路面稳定性。我们可以从公元前3000年用圆木纵向排列的公路遗迹找到证据。从这一点可以看出，稳定技术已经发展到将尖锐的表面改造成平整面，以减少应力的阶段。而后就开始用石头来铺砌路面，这种用木材作基础的路面不可避免地时常损坏。
这种如何有效地稳定土壤的困惑一直持续到20世纪。使用非传统材料加固地基的试验是1926年由南卡洛莱纳州公路局(简称SCHD)进行的。在试验中，先将棉纤维铺到原始地基上，再铺上一层沥青，最后在未干的沥青上铺一薄层细砂。经过几年间8次试验，SCHD提交了一份报告指出，试验路段的状况良好，纤维减少了路面的开裂、破碎及局部破坏。虽然最终纤维腐烂了，导致路面的破坏，但它却是迅速扩展的土工加劲技术的先驱。
历史上土工材料籍以发展的另一领域是过滤和低渗漏隔离物的建设。早期的人们为了保存使用饮用水，用鹅卵石修建沟渠，因为它天然级配良好并且资源充足。这种技术实际上在现代的不发达地区仍在使用。类似地，古罗马人用粘土修建了复杂的供水系统，并使用了几个世纪。
要理解祖先们究竟有多么地超越时代，我们只要想一想直到30年代卡尔·特扎吉()(Karl·Terzaghi)和阿瑟·卡萨格兰德(Arthur·Casagrande)还运用古罗马人广为接受的经验建造了一个系统过滤工程从那时开始，工程师们开始寻求更好的土壤过滤方法，特别是多层级配的过滤物的使用，但是质量的难以控制和高昂的造价阻碍了进一步的研究。土工合成物却能很好地满足上述的要求。自第二次世界大战之后，以沥青提炼的聚合物和各种水泥的一同使用修建阻水系统的技术发展起来。这种技术由美国废物回收局发展到使用热硬性材料、热塑性材料及聚合物。今天，多种多样的土工膜广泛用于填土的液体、气体隔断，容水建筑以及过滤系统和其它土工项目。
2 土工材料现代的应用情况
工程界的一般观点认为，土工合成物已经发展到成熟阶段，不能再被认为是一种新型材料。土工合成物工业界的人们关注的是现有土工材料的推广应用，而不是新型土工材料的研究和生产。旁观者可能由这种情况认为土工合成物的事业前景暗淡，但熟悉它的工程师们会说这一领域的研究刚刚开始。
当今的土工合成材料用途主要有两种：更好的完成工程要求(减少渗漏和损坏)；降低造价(建设造价或长期使用平均造价)。土工合成物的常用功能为分离、加筋、过滤、给排水及隔断。为满足这些需求，可供使用的土工合成材料主要有：
·土工织物
·土工格栅
·土工网
·土工布
·土工膜
·土工合成粘土垫层
·土工管
·土工复合材料
·地工泡沫
近年来这些类型的土工材料不断发展和改进，极大地拓展了使用范围。众多的国家和技术组织都将土工材料写入了规范，说明它已得到工程界一致的认同。例如，联邦公路局(认可土工织物)和美国州际公路交通协会(认可土工合成物加劲技术)都允许在许多公路桥梁建设项目中使用土工材料。美国建设顾问委员会在1996年规范中加入了土工织物、土工格栅和土工防腐材料。环保协会(EPA)于1982年率先制定了土工膜的使用条例。这些认可紧跟美国工程师协会的标准和指南，最新的土工材料施工指南为1992年版。
如果说土工合成物的研究和发展已经完成是天真的，当然核心的技术理论已经建立起来了。如今，土工合成物主要用于交通运输、土工加劲和环境保护领域。这是当然的，因为这些领域的公司在这项技术为众所知之前提供了大量的赞助。土工合成物在这些领域的广泛使用对其发展有利，因为大量的使用规章和条文建立起来了。但许多工程师认为，这些领域的条条框框会束缚土工合成材料未来的发展。为了找到土工合成材料的更多用途，有关人士已经进行了多次合作广泛的有特点的试验。这些试验大多十分困难和复杂，一般条件下很难实现。
3 土工材料的使用前景
在南非，广泛而持久的采矿业造成了矿区严重的地基沉陷和地表建筑的损坏。受雇于采矿业的工程人员采用填注泥浆的土工管道加固地基，不仅完成了地基的加劲，还能解决掉一部分采矿产生的废物。
这些南非工程师们运用土工合成物的创造性方法，正是土工材料发展方向的典型例子。众多领域，如采矿业、环保、水利及海滩治理等领域的研究都运用土工合成物来解决问题。许多应用只是现有应用的分支和延伸。例如，在几个水下工程中，使用土工膜涂层加固老旧的混凝土圬工坝，检验证明获得了完全的成功。
还有，近几年工程师们发现高强度的土工编织袋是收集污染的河底淤泥的有效工具。填满的袋子可以被安全的埋入河底、港口或海底，也可用来修筑水下的拦水坝。
土工编织袋在水下工程应用的成功启发了环保和水利工程师们对编织袋的应用。环保工程师开始用土工编织袋贮存、运输饮用水和污水，但他们还要解决这些重载物品的运输问题。而水利工程师却发现水的浮力就能解决这个问题。比如有一个概念性的设计，用一个巨型容器一次可以运送5百万加仑的饮用水。
土工合成技术在多领域的交叉运用有时也会遇到问题。在已有的土工建筑上再进行另一项土工工程施工，就可能要改动已有的土工材料体系。这也许会导致发现土工合成物新的使用方法，也许只要简单地叠加即可。
垃圾掩埋并不是个新词。事实上，垃圾掩埋中的两大问题：如何恢复掩埋场及如何再利用它，困扰环保部门已经几十年了。原来一般是将垃圾场掩埋后修建成运动场和操场，现在正试图将易得的土工材料装载废物后用于工程建设中。运用两层填塞废物的土工编织袋作地基和围墙，可以有效地隔断废物污染的扩散。土工管技术也用来解决垃圾填埋的废物利用。使用土工管可以过滤出垃圾降解产生的废液，用来生产肥料等可再利用的物质。
土工材料还用于其它领域。为了确定雪崩易发区的范围，工程师们运用一种由土工织物和土工格栅制成的雪崩控制感应网。当雪崩快要发生时，感应网被拉紧，于是发出警报。还有，为了减少运动员在人工草皮上比赛时的踝关节及韧带受伤，工程师们发明了一种土工弹簧——一种坚硬的三维网状结构系统，铺在草皮下能够增加场地的平整度及抗变形能力。他们还计划将土工弹簧与土工组合排水系统结合使用以消除运动场的湿滑。
总之，为了保持和加强土工合成材料在现代工程中的应用，高等院校和工程界应该互相合作。二者都在土工合成材料的应用推广上起了一定的作用，但主要是制造商、业主和承包商的努力才使这种材料的应用达到今天的水平。为了使土工合成材料在工程实践中发挥越来越重要的作用，需要整个工程界更加广泛、目的更加明确的努力。我们相信，这是个值得努力的目标。
自从60年代土工材料使用以来，一直以稳定的速度增长。直到最近几年，进入了快速发展期。随着土工技术的应用，作为其原料的合成物的生产迅速发展成年产值数十亿美元的产业。1996年，仅北美地区的工程项目就消耗了价值8亿美元的土工材料，主要是被广泛应用的土工膜和土工织物。随着近年来其在欧洲和亚洲的推广，近期内土工材料市场的快速发展仍在继续。
1 土工材料的发展简史
对土工材料及其应用的理解，可以帮助我们探寻早期人类的生活。土工技术广泛应用的领域--土体稳定、土体加劲、液体输送、防漏隔断系统，这些问题在人类早期的生活中也同样存在。
自然我们可以猜想即使是原始人也想使沼泽和湿软的土地变得稳定。毕竟在齐膝深的泥浆中打猎是相当不易的。先人们基于当时的想法和可用的材料，他们所选择的稳定材料可能包括树干和小树枝。我们也可以推测这些努力的失败，因为这些材料达不到强度要求或是很快就损坏了。
随着对技术理解的进步，人类开始用系统的方法来解决稳定问题。不久他们学会了将长短粗细大致相同的圆木并排放置成一个平面以增加路面稳定性。我们可以从公元前3000年用圆木纵向排列的公路遗迹找到证据。从这一点可以看出，稳定技术已经发展到将尖锐的表面改造成平整面，以减少应力的阶段。而后就开始用石头来铺砌路面，这种用木材作基础的路面不可避免地时常损坏。
这种如何有效地稳定土壤的困惑一直持续到20世纪。使用非传统材料加固地基的试验是1926年由南卡洛莱纳州公路局(简称SCHD)进行的。在试验中，先将棉纤维铺到原始地基上，再铺上一层沥青，最后在未干的沥青上铺一薄层细砂。经过几年间8次试验，SCHD提交了一份报告指出，试验路段的状况良好，纤维减少了路面的开裂、破碎及局部破坏。虽然最终纤维腐烂了，导致路面的破坏，但它却是迅速扩展的土工加劲技术的先驱。
历史上土工材料籍以发展的另一领域是过滤和低渗漏隔离物的建设。早期的人们为了保存使用饮用水，用鹅卵石修建沟渠，因为它天然级配良好并且资源充足。这种技术实际上在现代的不发达地区仍在使用。类似地，古罗马人用粘土修建了复杂的供水系统，并使用了几个世纪。
要理解祖先们究竟有多么地超越时代，我们只要想一想直到30年代卡尔·特扎吉()(Karl·Terzaghi)和阿瑟·卡萨格兰德(Arthur·Casagrande)还运用古罗马人广为接受的经验建造了一个系统过滤工程从那时开始，工程师们开始寻求更好的土壤过滤方法，特别是多层级配的过滤物的使用，但是质量的难以控制和高昂的造价阻碍了进一步的研究。土工合成物却能很好地满足上述的要求。自第二次世界大战之后，以沥青提炼的聚合物和各种水泥的一同使用修建阻水系统的技术发展起来。这种技术由美国废物回收局发展到使用热硬性材料、热塑性材料及聚合物。今天，多种多样的土工膜广泛用于填土的液体、气体隔断，容水建筑以及过滤系统和其它土工项目。
2 土工材料现代的应用情况
工程界的一般观点认为，土工合成物已经发展到成熟阶段，不能再被认为是一种新型材料。土工合成物工业界的人们关注的是现有土工材料的推广应用，而不是新型土工材料的研究和生产。旁观者可能由这种情况认为土工合成物的事业前景暗淡，但熟悉它的工程师们会说这一领域的研究刚刚开始。
当今的土工合成材料用途主要有两种：更好的完成工程要求(减少渗漏和损坏)；降低造价(建设造价或长期使用平均造价)。土工合成物的常用功能为分离、加筋、过滤、给排水及隔断。为满足这些需求，可供使用的土工合成材料主要有：
·土工织物
·土工格栅
·土工网
·土工布
·土工膜
·土工合成粘土垫层
·土工管
·土工复合材料
·地工泡沫
近年来这些类型的土工材料不断发展和改进，极大地拓展了使用范围。众多的国家和技术组织都将土工材料写入了规范，说明它已得到工程界一致的认同。例如，联邦公路局(认可土工织物)和美国州际公路交通协会(认可土工合成物加劲技术)都允许在许多公路桥梁建设项目中使用土工材料。美国建设顾问委员会在1996年规范中加入了土工织物、土工格栅和土工防腐材料。环保协会(EPA)于1982年率先制定了土工膜的使用条例。这些认可紧跟美国工程师协会的标准和指南，最新的土工材料施工指南为1992年版。
如果说土工合成物的研究和发展已经完成是天真的，当然核心的技术理论已经建立起来了。如今，土工合成物主要用于交通运输、土工加劲和环境保护领域。这是当然的，因为这些领域的公司在这项技术为众所知之前提供了大量的赞助。土工合成物在这些领域的广泛使用对其发展有利，因为大量的使用规章和条文建立起来了。但许多工程师认为，这些领域的条条框框会束缚土工合成材料未来的发展。为了找到土工合成材料的更多用途，有关人士已经进行了多次合作广泛的有特点的试验。这些试验大多十分困难和复杂，一般条件下很难实现。
3 土工材料的使用前景
在南非，广泛而持久的采矿业造成了矿区严重的地基沉陷和地表建筑的损坏。受雇于采矿业的工程人员采用填注泥浆的土工管道加固地基，不仅完成了地基的加劲，还能解决掉一部分采矿产生的废物。
这些南非工程师们运用土工合成物的创造性方法，正是土工材料发展方向的典型例子。众多领域，如采矿业、环保、水利及海滩治理等领域的研究都运用土工合成物来解决问题。许多应用只是现有应用的分支和延伸。例如，在几个水下工程中，使用土工膜涂层加固老旧的混凝土圬工坝，检验证明获得了完全的成功。
还有，近几年工程师们发现高强度的土工编织袋是收集污染的河底淤泥的有效工具。填满的袋子可以被安全的埋入河底、港口或海底，也可用来修筑水下的拦水坝。
土工编织袋在水下工程应用的成功启发了环保和水利工程师们对编织袋的应用。环保工程师开始用土工编织袋贮存、运输饮用水和污水，但他们还要解决这些重载物品的运输问题。而水利工程师却发现水的浮力就能解决这个问题。比如有一个概念性的设计，用一个巨型容器一次可以运送5百万加仑的饮用水。
土工合成技术在多领域的交叉运用有时也会遇到问题。在已有的土工建筑上再进行另一项土工工程施工，就可能要改动已有的土工材料体系。这也许会导致发现土工合成物新的使用方法，也许只要简单地叠加即可。
垃圾掩埋并不是个新词。事实上，垃圾掩埋中的两大问题：如何恢复掩埋场及如何再利用它，困扰环保部门已经几十年了。原来一般是将垃圾场掩埋后修建成运动场和操场，现在正试图将易得的土工材料装载废物后用于工程建设中。运用两层填塞废物的土工编织袋作地基和围墙，可以有效地隔断废物污染的扩散。土工管技术也用来解决垃圾填埋的废物利用。使用土工管可以过滤出垃圾降解产生的废液，用来生产肥料等可再利用的物质。
土工材料还用于其它领域。为了确定雪崩易发区的范围，工程师们运用一种由土工织物和土工格栅制成的雪崩控制感应网。当雪崩快要发生时，感应网被拉紧，于是发出警报。还有，为了减少运动员在人工草皮上比赛时的踝关节及韧带受伤，工程师们发明了一种土工弹簧——一种坚硬的三维网状结构系统，铺在草皮下能够增加场地的平整度及抗变形能力。他们还计划将土工弹簧与土工组合排水系统结合使用以消除运动场的湿滑。
总之，为了保持和加强土工合成材料在现代工程中的应用，高等院校和工程界应该互相合作。二者都在土工合成材料的应用推广上起了一定的作用，但主要是制造商、业主和承包商的努力才使这种材料的应用达到今天的水平。为了使土工合成材料在工程实践中发挥越来越重要的作用，需要整个工程界更加广泛、目的更加明确的努力。我们相信，这是个值得努力的目标。