第一节 土工合成材料的含义及其应用概况
什么是土工合成材料，概括而言，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各种产品的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”(geo一)两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。
土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”(geotextile)和“土工膜”(geomembrane)。随着工程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如土工格栅、土工网和土工模袋等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品，这样，在其后的一段时期内，把它们称之为“土工织物、土工膜和相关产品(related product)”。显然，这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为此，1994年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的名称为“土工合成材料”(geosynthetics)。
土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。
聚乙烯是在1931年前后，首先由英国ICI公司研制成功的，1939年成为商品在市场上出售，它是聚合物中分子结构最简单的一种，可分为低分子量和高分子量两类。聚乙烯的比重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，低湿时仍具柔性，电绝缘性极好。在1950年前后，又开发出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、机械强度、熔点和硬度等都比低密度的为优。
聚酰胺约在1935年研制成功，俗名为尼龙，其吸湿性较高，干燥时有一定绝缘性、机械性能好。
聚酯于1941年前后问世，它包括聚酯树脂、聚酯纤维和聚酯橡胶等。
聚丙烯于1954年研制出来，1957年成为商品出售。它的比重为0.90～0.91，耐温范围-30～1400C，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，是目前应用最多的原材料之一。
此外，常用的原材料还有聚氯乙烯，它的比重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。
以上五种原材料的性能对比如表1-1所示。
| 表1-1 | 几种高分子聚合物性能对比 |
|
性能 |
高分子聚合物 | ||||
| 聚酯 | 聚酰胺 | 聚丙烯 | 聚乙烯 | 聚氯乙烯 | |
| 单位质量 |
高 |
中 | 低 | 低 | 高 |
| 强度 | 高 | 中 | 低 | 低 | 低 |
| 弹性模量 | 高 | 中 | 低 | 低 | 低 |
| 破坏应变 | 中 | 中 | 高 | 高 | 高 |
| 蠕变性 | 低 | 中 | 高 | 高 | |
| 抗紫外线 | 高 | 中 | 中 | 低 | 高 |
| 耐碱性 | 低 | 高 | 高 | 高 | 高 |
| 耐霉、耐虫 | 中 | 中 | 中 | 高 | 高 |
应当指出，材料的强度还与纤维的制作方法有关。在应用土工合成材料时，其性能更受施工方法、应用环境和侧限压力大小的影响。
土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。1926年美国南卡罗林拉州公路部门曾采用过在棉布上洒沥青而制成的材料，其形式类似于土工膜。其后，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也有较长历史。
以近代人工聚合物为原料的土工织物的最早应用实例，是50年代初的荷兰三角洲工程。据估计，用量超过了1000万m2，大大促进了土工合成材料的工程应用。60年代，美国逐渐扩展了采用土工织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将土工织物铺在沥青路面中以防止路面反射裂缝。土工网于1968年在日本开始应用，主要用在填土坡，帮助坡缘填土压实，以增大其强度和稳定性。与此同时，土工网也被用在软基上筑堤，以后又发展为在堤底全面铺设。
非织造土工合成材料技术可能于1967年在美国、法国、英国开始应用，它是一种较厚的聚酯非织造土工织物，作为大坝上游抛石护坡下的反滤层，或作为基土与其上覆盖的粗粒料之间的隔离层。非织造织物的出现为土工织物的应用开辟了较广阔的天地。
80年代后出现了排水带，路堤下用非织造织物作加筋，以及土工织物加筋挡墙等应用实例。我国应用土工合成材料开始较晚，但发展速度很快。目前几乎在各种类型的岩土工程和大量的水利及堤防工程中都得到应用。1974年江苏省江都嘶马用织造型土工织物制成的软体排，结合混凝土块压重，进行长江护岸。稍后江都西闸和湖北省长江堤防也都采用了软体排。非织造土工织物用作反滤料的工程实例更多，云南麦子河水库用得最早。80年代中期，非织造土工织物在尾矿坝和灰堤等工程中得到应用。塑料排水带早在80年代初即在天津新港用于加固软基，目前排水带在高速公路和机场工程已应用得十分广泛。混凝土模袋最早用于江苏南宫河口岸，80年代末已成功应用于30多项工程。加筋土挡墙已修建不少。近年来我国已能生产土工格栅，其工程需求量很大，预计会大大促进加筋土技术的快速发展。聚苯乙烯板块在我国寒冷地区早已用于工程防冻。近来土工格室、植被土工网垫等新技术也已开始应用。根据不完全统计，迄今我们采用土工合成材料的工程已逾8000项。
在1998年夏秋，在长江和松花江、嫩江特大洪灾的防汛抢险工作中，土工合成材料发挥了重要作用。国务院领导高瞻远瞩，在灾后多次批示和指示，工程界和制造厂商积极响应，展现了前所未有的应用土工合成材料热潮。可以预见，我国的土工合成材料的应用程度、技术水平、以及产品的质量和品种在不远的将来必将迈上一个新台阶。
第二节 土工合成材料的种类
我国GB50290—98《土工合成材料应用技术规范》将土工合成材料分为以下四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料，它们又各分为数种。现择要介绍如下。
一、土工织物（geotextile）
土工织物是一种透水性材料，按制造方法不同。可进一步划分为图1-1所示的各种类型。
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土工织物 |
{ |
织造（有纺） |
{ |
单丝 |
| 多丝 | ||||
| 裂膜 | ||||
|
非织造（无纺） |
{ |
热粘合 | ||
| 化学粘和 | ||||
| 机械粘和（针刺） | ||||
| 编织 | ||||
图1-1 土工织物分类
(一) 织造型土工织物(woven geotextile)
| 这类产品又称有纺土工织物，是最早的土工织物产品。它的制造分两道工序：先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再借织机制成平面结构的布状产品。织造时常包括相互垂直的两组平行丝，沿织机(长)方向的称经丝，横过织机(宽)方向的称纬丝。这种织物看来简单，却有着不同的丝种和不同的织法。 丝种包括单丝、多丝及二者的混合。单丝是单根丝，典型直径约为图1-2土工织物的经纬丝0.5mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分子定向，以提高丝的强度。多丝是由若干根单丝组成的，在制造高强土工织物时常采用多丝。多丝也有用切割 |
成的短丝(一般长100mm)搓拧而成的。
| 早期的土工织物系由单丝织成，后来发展为采用扁丝。扁丝是由聚合物薄片经利刀切成的薄条，其厚度比单丝薄得多，且在切片前后都要牵引拉伸以提高其强度。扁丝宽度约为3mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多数编织土工织物是由扁丝织成，而圆丝和扁丝结合织成的织物有较高的渗透性，如图1-3。
另一种特殊的扁丝叫裂膜丝(fabrillated yarn)，它是将一根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在一起。由裂膜丝织成的织物较为密实，柔软而渗透性小。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度可达1～2mm，比扁丝织成的要厚。 |
|
比扁丝的要高，每厘米长的经丝间穿越的纬丝愈多，织物也愈密愈强，渗透性则愈低。单丝的表面积较多丝的要小，其防止生物淤堵的性能要好一些。聚丙烯的老化速度比聚酯和聚乙烯的要快，等等。由此可见，可以借调整丝(纱)的材质、品种和织造方式等来得到符合工程要求的强度、经纬强度比、摩擦系数、等效孔径和耐久性等项指标。在工程实施中应根据具体要求来优选产品，铺设时要注意材料的合理铺设方向。
(二) 非织造型土工织物(non-woven geotextile)
这类产品又称无纺土工织物。根据粘合方式的不同，非织造型土工织物分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。
热粘合非织造型土工织物的制造，是将纤维在传送带上成网，让其通过两个反向转动的热辊之间热压，纤维网受到一定温度后，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。该法主要用于生产薄型土工织物，厚度一般为O.5～1.0mm。由于纤维是随机分布的，织物中形成无数大小不一的开孔。再因为无经纬丝之分，故其强度的各向异性不明显。
纺粘法是粘合法中的一种，是将聚合物原料经过熔融、挤压，纺丝成网，纤维加固后形成的产品。这种织物厚度薄而强度高，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好，品种规格多，成本低，用途广，近年来在我国发展较快。
化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维网中，待粘合剂固化，纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3mm。常用的粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的产品。这类产品在工程中的应用较少。
机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广的是针刺法，还有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让网内的纤维互相缠结，从而织网得以加固。产品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。水刺法是利用高压喷射水流射入纤维网，使纤维互相缠结加固。其产品较为柔软，主要用作卫生用品，工程中尚未应用，
二、土工膜(geomembrane)
土工膜是一种基本不透水的材料。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。
制造土工膜的聚合物有热塑塑料(如聚氯乙烯)、结晶热塑塑料(如高密度聚乙烯)、热塑弹性体(如氯化聚乙烯)和橡胶(如氯丁橡胶)等。
工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.25～4mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.25～2mm。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。
现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。
制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。例如掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺人铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺人滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。对于沥青类土工膜，其主要的掺人材料是一些填料或纤维。填料可为细矿粉，它能增加膜的强度且降低其成本；加入纤维，也是为提高膜的强度。
三、土工复合材料(geocomposite)
土工复合材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。这类制品将各组合料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故土工复合材料的品种繁多，可以说土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。
(一) 复合土工膜(composite geomembrane)
复合土工膜是将土工膜和土工织物（包括织造和非织造型）复合在一起的产品。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200～600g/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。
复合土工膜有许多优点，例如：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。
(二) 塑料排水带(prefabricafed strip drain）
|
塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物（滤膜）而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、和乳头式等，如图1-6。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，而滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。塑料排水带的宽度一般为100mm，厚度3.5～4mm，每卷长100～200m，每米重约0.125kg。我国目前排水带的宽度最大达230mm，国外已有2m以上的宽带产品。 塑料排水带的施工是利用插带机将其埋没在土层中的预定位置。塑料带前端与锚靴相连，用插带机导杆顶住锚靴，插入土层中，达到预定深度后拔出导杆，但排水带仍留在预定位置，在高出地面一定高度(0.5m左右)剪断排水带。施工时可用静荷或动荷送杆，静荷送杆对土层扰动小，较为常用。我国插带机的插入深度可达约25m，入士速率可达6m/min。排水带的平面分布间距可借理论计算确定，一般为l～2m。排水带插入软基后，为排除土中的多余水量提供了捷径，多余水可水平向通过带的滤膜进入芯板沟槽，再向上由地表的透水料垫层排走。排水带在公路、码头、水闸等软基加固工程中应用广泛，以加速软土固结。 (三)软式排水管 |
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| 软式排水管又称为渗水软管，是由高强钢丝圈作为支撑体，以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的，如图1-7。高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理，外包一层PVC材料，使其与空气及水隔绝，避免氧化生锈。包裹材料有三层，内层为透水层，由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱，特殊材料为纬纱制成；中层为非织造土工织物过滤层；外层为与内层材料相同的覆盖层。为确保软式排水管的复合整体性，支撑体和管壁外裹材料间，以及外裹各层之间 |
|
都采用了强力粘结剂粘合牢固。目前市场出售的管径分别为50.1mm、80.4mm和98.3mm，相应的通水量(坡降i＝1/250)为45.7cm3/s、162.7cm3/s、311.4cm3/s。
软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能，又有软水管的柔性和轻便特点，过滤性强，排水性好，可用于各种排水工程中。
(四) 其他复合排水材料
现在已生产出各种型式芯材和外包滤膜的复合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各种奶头形的，有土工网的，还有用塑料丝缠成的网状体的等等(图1-8)，它们均具有较大的排水能力，可按工程需要选用。
四、土工特种材料
土木特殊材料是为工程特定需要而生产的产品，品种多，现选择几种主要产品说明如下。
(一) 土工格栅(geogrid)
土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材，如图1-9。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸(孔近矩形)和双向拉伸(孔近方形)两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。
土工格栅因其高强度和低延伸率而成为加筋的好材料，例如英国奈特龙(Netlon)公司生产的坦萨(TENSAR)SR2(单向)的纵、横向抗拉强度分别为80kN/m和13kN/m，延伸率分别为9％和15％(常温下)。土工格栅埋在土内，与周围土之间不仅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其开孔中，还有较高的咬合力，它与土的摩擦系数可以高达0.8～1.0。
土工格栅的品种和规格很多，目前开发的新品种有用加筋带纵横相连而成的(图1-10)，也有用高强合成材料丝纵横连接而成的，等等。
(二) 土工网(geonet)
土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。一般而言，土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高，以英国NETLON系列为例，其抗拉强度仅为2～8kN/m，延伸率一般达到20％以上。
这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。
(三) 土工模袋(fabriform)
土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。这种袋体代替了混凝土的浇注模板，故而得名。模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔，可以控制填充时的厚度。浇注在现场用高压泵进行。混凝土或砂浆注入模袋后，多余水量可从织物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使强度增高。
按加工工艺的不同，可将模袋分为两类，即机织模袋和简易模袋。前者是由工厂生产的定型产品，而后者是用手工缝制而成。
机织模袋按其有无排水点和充填后成型的形状分成许多种。我国现行的机织模袋有下列五种，其形状、规格与用途见表1-2
| 表1-2 | 模袋的种类及其主要用途 |
|
名称 |
厚度（cm） |
充填材料 |
主要用途 | |
|
有过滤点（FP型） |
PF95N | 6.5 |
砂浆 |
临时堤防工程或其他临时性工程保护桥台坡面工程修理坡面的毁坏农业用运河（三面铺填工程） |
| FP100N | 10 | |||
| FP150N | 15 | |||
| 150FP | 10 | |||
| 200FP | 14 | |||
| 250FP | 16.5 | |||
|
薄型 |
NF50 | 5 |
砂浆 |
农业用水库高尔夫球场人工池塘 |
| NF100 | 10 | |||
| 100UAD | 10 | |||
| 150UAD | 15 | |||
|
厚型 |
CX150 | 15 | 粗粒料直径10～15mm以下的混凝土 | 防止侵蚀护岸工程建筑码头工程（专用渔船、快艇等） |
| CX200 | 20 | |||
| CX300 | 30 | 粗粒料直径25mm以下的混凝土 | ||
| CX500 | 50 | |||
| CX700 | 70 | |||
|
铰链型 |
RB100 | 10 |
砂浆 |
软弱地坡面的保护工程保护河川、河床、河岸工程 |
| RB150 | 15 | |||
|
框架型 |
NB36 | 空隙30cm×60cm |
砂浆 |
坡面绿化工程高尔夫球场、住宅地面保护工程 |
| NB22 | 空隙22cm×22cm | |||
1．有过滤点模袋(FP)
过滤点将上下两片织物连在一起，滤点处不让泵液进入，它可供排除土坡渗水，消除孔隙水压力。这类模袋充填砂浆。
2．薄型无过滤点模袋(NF)
这类模袋只有接缝排水，充填料用砂浆，适用于无水位骤降和无防渗要求的护坡。
3．厚型无过滤点模袋(CX)
充填细砂混凝土，厚度大，用于重型防护工程，如海湾、码头护岸。
4．铰链型模袋(RB)
这类模袋充填砂浆凝固后，形成许多独立而又以尼龙绳相联的块体，块与块间能自由转动，排水通畅，适用于有较大不均匀沉降和地形变化大的坡面或地基防冲。
5．框架型模袋(NB)
这类模袋充填砂浆后形成方形或长方形格子，格中可种植花草，既可护坡，又美化环境。
此外，近年来美国HYDROTEX公司还生产一种称为AB型的模袋，其中插有钢筋，为铰链式，强度高，适用于海岸防护。
(四) 土工格室(geocell)
土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2mm、宽100mm，每隔300mm进行焊接。闭合和张开时的形状如图1-11。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。
(五) 土工管(geotex tube)、土工包(geocontainer)
土工管、土工包是用经防老化处理的高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，可有效地护岸和用于崩岸抢险，或利用其堆筑堤防，解决疏浚弃土的放置难题。
土工包是将大面积高强度的土工织物摊铺在可开底的空驳船内，充填200～800m3料物，将织物包裹闭合，运到一定部位，沉至预定位置。在国外，该技术大量用于环保。
(六) 聚苯乙烯板块(EPS)
聚苯乙烯板块称泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。其单位体积质量仅20.4～40.8kg/m3，为砂和混凝土的1/50～1/100，属超轻型材料；导热系数为λp＝0.03～0.038kcal／mH·℃，吸水率仅为O.15～0.20g/100cm3。由于其质轻，可用它代替土料，填筑桥端的引堤，解决桥头跳车问题。其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害，例如在挡墙背面或闸底板下，放置泡沫塑料以防止冻胀等。
(七) 土工合成材料粘土垫层(Geosynthetic Clay Liner简称GCL)
土工合成材料粘土垫层是由两层或多层土工织物(或土工膜)中间夹一层膨润土粉末(或其他低渗透性材料)以针刺(缝合或粘接)而成的一种复合材料。它与压实粘土垫层相比，具有体积小、质量轻、具柔性、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，可以代替一般的粘土密封层，用于水利或土木工程中的防渗或密封设计。国外大量用于废料坑的底部防渗衬砌和顶部封盖。产品的具体规格和用途可参见第六章第三节。
第三节土工合成材料的耐久性和防护保养
一、影响耐久性的主要因素
土工合成材料的原材料是高分子聚合物。这种物质是链节结构，它对氧化(老化)十分敏感，容易发生降解反应和交换反应，导致材料破坏。为此，土工合成材料的使用寿命自然引起工程人员的高度关注。
氧化包括热和温度引起的热氧化，以及阳光中紫外线产生的光氧化。其中光氧化的破坏作用很强，因为紫外线具有很大能量，能切断聚合物的分子链，或引发光氧化反应。此外，影响材料耐久性的还有化学与生物侵蚀、干湿作用、冻融变化和机械磨损等，但以日照紫外线的影响最重要。
各种原材料抗紫外线的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚酯最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其间，颜色浅的比深的差。由于老化是从表层逐渐向内部发展，故产品厚的较薄的耐老化。
二、延缓老化的措施
老化是高分子材料的固有特性之一，不能完全消除，但如果采取有效措施，可以大大延缓。延缓老化的措施可以从两方面着手：一方面是在原材料中加人防老化剂，抑制光、氧、热等外界因素对材料的作用，如掺适量的抗氧剂、光稳定剂和深色碳黑等。有的单位在聚丙烯中加入防老化剂，经4年日光直接爆晒，强度仅损失25％，如果不加防老化剂，直接在日光下照射2～3月，强度即损失殆尽。另一方面是在工程中采取防护措施，如尽量缩短材料在日光中的暴露时间，用岩土(要求在30cm厚以上)或深水覆盖等。
老化破坏程度常以材料的某物理力学量的变化率来反映，例如材料抗拉强度的损失或延伸率的变化等。
三、部分现场观测成果
以下是一些实际工程中土工合成材料经长期工作后的检测结果。
(1)1958年，美国佛罗里达州海岸护坡首先用PVC织造型土工织物作垫层，27年后取样试验，其性能仍十分良好。
(2)1965年，中国水利水电科学研究院在北京东北旺农场用PVC土工膜(厚0.12～0.15mm)铺在渠道上作防渗试验，埋在土下30～40cm，运行20年后仍保持良好防渗性。
(3)1970年，法国法拉克罗斯土坝用涤纶(聚酯)非织造土工织物作护坡垫层，运行6年后取样测定，抗拉强度仅减小8％。法国许多工程采用这种织物，运行12年后，绝大部分强度损失不到30％。
(4)1981年，葛洲坝水力发电工程二江泄水闸基础按长江委长科院的研究成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、涤纶织造土工织物的组合体作为基岩排水孔的过滤体。运行15年后抽样检测，发现织物在pH值为9.02～10.58的水下工作，其经向强度仅下降4％～8.5％，纬向强度下降7.5％～22.5％。
(5)西德汉诺威大学的试验表明，在有防护条件下，运行15年，涤纶织物强度损失不到5％，丙纶织物强度损失不到10％。而且老化速度随时间明显减缓。
鉴于土工合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力，故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定，如前苏联BCH07-74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道：“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明，它们的化学和生物稳定性高；织物的最大损坏是在施工中；铺设以后没有大变化；……可预期超过100年的稳定性”。
综上所述，根据经验和合理推论，一般认为土工合成材料的使用寿命至少在30年以上。事实上，英国NETLON公司对其产品的设计年限是120年。
第四节 土工合成材料的性能和测试方法
一、土工合成材料性能指标的分类
土工合成材料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，并因此而选择不同类型和不同品种的土工合成材料。为使土工合成材料在施工期和运用期能正常工作，必须有合理的设计方法和使用规范，统一的设计指标，并通过实验验证。土工合成材料的指标一般可分为物理性能指标、力学性能指标、水力性能指标、土工合成材料与土相互作用指标及耐久性指标等。下面逐一加以简单介绍。
(一) 物理性能指标
1.单位面积质量
单位面积质量，系1平方米土工织物的质量，称为土工织物的基本质量，单位为g/m2。它是土工织物的一个重要指标。对于任何一种系列产品来说，土工织物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高。因此，在选用产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。
2.厚度
| 指土工织物在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。土工织物厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa压力表示土工织物在自然状态无压条件下的厚度。由图1-12可见不同类型土工织物的压缩量差别很大，其中针刺非织造土工织物的压缩量最大。因此，当考虑非织造土工织物水力特性时，必须注意到上覆压力变化使水力特性变化的特点。
3．孔隙率 定义为非织造土工织物所含孔隙体积与总体积之比，以百分数(％)表示。该指标不直接测定，由单位面积质量、密度和厚度计算得到。可按下式计算
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图1-12不同类型土工织物压缩量 |
式中：np为孔隙率，％；M为单位面积质量，g/m2；ρ为原材料密度，g/m3；δ为厚度，m。
土工织物常用原材料的密度为：聚丙烯0.91g/m3，聚乙烯0.94～0.96g/m3，聚酯1.22～1.38g/m3，聚酰胺1.05～1.14g/m3，聚乙烯醇1.26～1.32g/m3，聚氯乙烯1.39g/m3。
孔隙率与厚度有关，所以孔隙率也随压力增大而变小。
有时织造和非织造土工织物的孔径和渗透系数很接近，但不能认为两者水力性能相似。非织物土工织物的孔隙率远大于织造土工织物，因此其具有更好的反滤和排水性能。
(二) 力学性能指标
针对土工织物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项试验中，试样为单向受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后4项试验中，试样为圆形，承受轴对称荷载，纵横双向同时受力。在上述众多力学指标中，最基本的是抗拉强度。
1.抗拉强度和延伸率
抗拉强度也称为条带法抗拉强度，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工织物在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，单位为kN/m。对应抗拉强度的应变为土工织物的延伸率，用百分数(％)表示。抗拉强度是力学性能中的重要指标。在各种功能的应用中对抗拉强度都有一定的要求。当用于加筋和隔离功能时，抗拉强度是主要的设计指标，而在排水和反滤功能的工程中，抗拉强度虽不是主要指标，但由于铺设过程中会受到扯拉、顶压、撕破等各种施工荷载，运用过程中也可能因建筑物变形而受拉，所以对强度也有一定要求。
2.握持强度
握持强度表示土工织物抵抗外来集中荷载的能力，试验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工织物对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高，单位为N。
3.撕裂强度
撕裂强度表示沿土工织物某一裂口将裂口逐步扩大过程中的最大拉力，单位为N。
4.胀破强度、 CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度
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这四个强度的试验都表示土工织物抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样为圆形，用环形夹具将试样夹住；其差别是试样尺寸、加荷方式不同，各试验示意图见图1-13。不同顶杆尺寸模拟不同顶压物，如块石、树枝等。胀破强度单位为kPa，其他3项强度单位为N。此外，落锥强度也属此类，其试样尺寸与CBR相同，试验时一个重1kg的圆锥自50cm高处自由落下，测定试样被刺破的孔洞尺寸，单位为mm，该试验重复性较差。 除抗拉强度外，其他各力学强度指标直接用于设计的情况还不多见，它们主要是做为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。 （三）水力性能指标 水力性能指标主要为等效孔径和渗透系数，是土工织物两个很重要的特性指标。由于土工织物是与土共同工作的，对织物的基本要求是既能保土又能排水，这就要求土工织物的孔径很小(能挡住土)而排水又很通畅，两者看来是有矛盾的，而土的多变 |
图1-13 顶破类试验示意图 （a）胀破试验；（b）顶破试验 |
性更增大了问题的复杂性。某一土工织物对这种土是合适的，而对另一种土未必也是合适的。目前常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，即将土工织物的等效孔径和土的特征粒径建立关系式，同时将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。保土准则和透水准则由实验得到。由于实验时控制的条件不同，得到的准则也有差异。可按具体情况选择准则，有条件进行模拟实验则更好。鉴于目前仍以保土和透水作用做为选择土工织物反滤层的准则，因此等效孔径和渗透系数两个水力特性指标是反滤和排水功能中的重要指标。
1.等效孔径(表现孔径)
| 以土工织物为筛布，用某一平均粒径的玻璃珠或石英砂进行振筛，取通过土工织物的过筛率(通过织物的颗粒质量与颗粒总投放量之比)为5％(留筛率为95％)所对应的粒径为织物的等效孔径O95，表示该土工织物的最大有效孔径，单位为mm。用同样的步骤，则相应得到O85、 O50和Ol5的孔径值。土工织物的孔径分布曲线形状与土的颗粒分布曲线相似，见图l-14。
2.垂直渗透系数和透水率 垂直渗透系数为水力梯度等于l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1/s 3.水平渗透系数和导水率 |
图1-14 孔径分布曲线 |
水平渗透系数为水力梯度等于1时水流沿土工织物平面的渗透速率，单位为cm/s。导水率为沿土工织物单位宽度内的输水能力，单位为cm2/s。
(四) 土工织物与土相互作用性能指标
1.土—织物界面摩擦系数
埋在土中的土工织物，通过土—织物界面摩擦力将外荷传递至土工织物，使土工织物承受拉力，形成加筋土。工程实例有加筋土挡墙、堤基加筋垫层等。按试验方法可分为直剪摩擦系数和拉拔摩擦系数。
2.土 织物渗透特性
土—织物联合应用时，如何使土工织物能长期保持良好的保土及排水性能，不发生淤堵，目前还没有满意的理论准则。为判断织物是否会发生淤堵，可进行长期淤堵试验或梯度比试验，前者试验历时达500～1000h，后者需测试24h或更长。两种试验都还存在一些问题，有待积累经验逐步改进。
(五) 耐久性能指标
耐久性能指标主要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗化学、抗大气环境等多种指标。大多没有可遵循的规范、规程。一般按工程要求进行专门研究或参考已有工程经验来选取。
(六) 有关土工合成材料功能、设计指标种类及其品种的考虑
在表1-3中列出了土工合成材料用作不同功能时，其常用的设计指标种类和通常选用的材料品种。
二、测试方法
(一) 试验操作和资料整理时应泣意和遵守的事项
1.制样原则
每项试验一般剪取6～10个试样，应从卷材长度和宽度方向上随机剪取样品，距卷材边缘不小于100mm。同一项试验的各试样应避免它们位于卷材同一纵向或横向位置上。
2.试样调湿
| 表1-3 | 不同功能常用土工合成材料品种和设计指标种类 |
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功能 |
土工合成材料性能指标 |
常用主要土工合成材料品种 | |||||
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单位面 |
厚度 |
抗拉 |
延伸率 |
孔径 |
渗透 | ||
| 隔离 | ▲ | ○ | ▲ | ▲ | △ | △ | 织造土工织物，土工网复合土工织物 |
| 排水 | ▲ | ▲ | △ | △ | ▲ | ▲ | 非织造土工织物，复合非织造土工织物 |
| 加筋 | ▲ | ○ | ▲ | ▲ | △ | △ | 织造土工织物，土工格栅、土工带、复合土工织物 |
| 反滤 | ▲ | ▲ | △ | △ | ▲ | ▲ | 非织造土工织物，复合非织造土工织物 |
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防护 |
▲ | △ | ▲ | △ | ▲ | ▲ | 土工模袋 |
| 防渗 | ▲ | ▲ | ○ | ▲ | ▲ | 土工膜、复合土工膜 | |
| 注 1.▲.为主要指标； △为次要指标； ○为不重要指标。 2.本表仅供参考。 |
大多数织造或非织造土工织物在测试时对试验室无温湿控制要求，只要记录试验时温度和湿度即可。而一些对温度较敏感的土工合成材料，如土工格栅、土工网等，试验前应对试样进行调湿，即将试样在温度为20土2℃和湿度为65土5％环境中静置24h以上，然后在该环境下试验。
3.夹具
在力学指标试验中离不开夹具，单向拉伸用扁夹具，圆形试样用环形夹具。都要求夹具能均匀可靠地夹住试样，应能防止试样在钳口内打滑，且不会被夹坏。当有打滑或夹坏现象时应采取下列措施：①钳口内加衬垫；②钳口内试样用涂料加强；③改进钳口面。在试验过程中应随时观察夹具边缘试样是否有打滑或局部损坏现象。任何打滑、夹坏或局部损坏现象均将大大降低测试结果。
4.资料整理
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(1)按式(1-2)计算全部测试值的算术平均值。 | |
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（1-2） |
式中：n为试验次数；Xi为第i块试样的测试值；为n块试样测试值的算术平均值。
计算时应将全部测试值进行平均，除操作不当的试验结果可剔除，并增补试样测定外，其他所有试验结果均不得剔除。
(2)按式(1-3)计算变异系数Cυ。
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(1-3) |
式中：σ为标准差；为算术平均值。
按式(1-4)计算标准差σ
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（1-4） |
式中符号意义见式(1-2)。
Cυ反映样品的均匀程度。当样品很不均匀，测试值变化范围较大，Cυ就大，平均值的代表性就差。增加试样数量，平均值更具代表性，同时Cυ下降。
(3)按式(1-5)计算所需要的试样块数nN。
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nN=0.11Cυ2 |
(1-5) |
式中：Cυ为变异系数，％；nN为由Cυ值确定的试样块数。
上式表明了试样个数与Cυ 的关系。土工织物均匀性越差，要求试样的数量就越多。非织造土工织物均匀性比织造土工织物差些，因此前者的试验通常取10块试样，而后者可取6块。对于同一等级的两个产品，由Cυ值可比较两者的均匀性。
(二) 几项主要试验测定方法的一些问题
关于土工合成材料各项指标的测定方法可参阅有关的规程规范，这里只对几项测定技术比较复杂的项目作些说明。
1.孔径试验(干筛法)中的几个问题
(1)振筛用的颗粒材料，按标准筛孔径分级如下：0.063～0.075mm，0.075～0.090mm，0.090～0.106mm等等。
(2)需测定孔径分布曲线时，应取得不少于3～4级连续分级颗粒的过筛率，并要求试验点均匀分布。若仅测定等效孔径O95，则有两组的筛余率在95％左右即可。
(3)孔径试验有干筛法、湿筛法、显微镜直读法、水银压入法等，不管哪个方法都存在一些问题。最近国际标准(ISO)及我国国标(GB)都规定孔径试验采用湿筛法。但实际应用中国内和国外都普遍采用干筛法。
(4)孔径曲线的纵标为筛余率。由于筛余量包括了留在织物上面和嵌在织物内的颗粒，因此是不容易直接测准的，而过筛量可以准确测定，所以通常测定过筛量，计算筛余率。
2.拉伸试验中的几个问题
(1)目前国内试验室大多采用窄条试样，即试样宽50mm、长100mm。国际上大多采用宽条试样，试样宽200mm、长100mm。这两种试样的试验方法相同，但宽条试样试验要具备一对实际有效宽度为210mm的夹具，试验荷载相应增大，操作技术也复杂一些。目前国际上只认定宽条法试验成果，为此国内有关部门还需不断改进设备、提高操作技术，逐步过渡到宽条法。
(2)拉伸过程中应记录拉力 伸长量曲线。目前设计往往要求提供某一应变时的抗拉强度，有时要求提供初始模量，两者都由拉力 伸长量曲线上获得。
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(3)握持试验和撕裂试验的方法与条带拉伸试验方法相似，仅夹持方法不同。握持和撕裂试样如图1-15所示，图中阴影线部分为夹持部分。由图可知，握持试验夹持面积(长×宽)为50mm×25mm，撕裂试验夹持宽度为84mm。两试验拉伸速率为100mm/min。拉伸过程中最大拉力即为握持强度或撕裂强度，单位为N。 (4)土工带、土工格栅和土工网等的抗拉强度试验方法类似，而取样方法各不相同。土工带取整条带进行拉伸，计量长度100mm，拉伸速率为50mm/min。拉伸过程中的最大拉力即为土工带的抗拉力，单位为kN。土工格栅和土工网试样，在宽度和长度方向上均以一根筋(或一孔)作为单元进行拉伸。拉伸速率每分钟为试样计量长度的20％。拉伸过程中的最大力为一根筋(或孔)的拉力，再计算l米宽度范围内的筋(或孔)数，即可得出每米宽的抗拉力，即抗拉强度，单位为kN/m。 |
图l-15 握持试样和撕裂试样的夹持方法(单位：mm) (a)握持试样；(b)梯形撕裂试样 |
(5)拉力机上配一反向器即有加压功能，可进行刺破和圆球顶破试验。两种试验的试样直径相同，可用同一环形夹具，再分别配一个φ8mm顶杆和一个φ25mm圆球顶杆即可。项压速率为100mm/min，单位为N。
对于CBR试验，试样直径φ150mm，顶杆φ50mm，通常在压力机上加压，顶压速率为60mm/min，单位为N。另胀破试验应用专门设备进行试验。
3.垂直渗透试验中的几个问题
(1)垂直渗透系数的定义为水力梯度等于1(或单位水力比降)时的渗透速率。这并不是规定试验时的水力梯度为l。试验用的水力梯度变化范围较大，主要由织物的透水程度、测读精确度和保证层流条件而定。
(2)通常进行无压下的垂直渗透试验，而实际工程上都是有压的。有压时的垂直渗透系数很重要，但试验比较困难。若要在试样上加压，势必在试样上面有加压板，同时在试样下面有托板。这上下两块板，即使用开孔面积很大的板，也会影响试样的过水面积。目前还没有直接测定的好办法。
(3)渗透试验采用单片试样还是多片试样取决于试样类型。从理论上说，用单片试样最好，但往往难以实施。如非织造土工织物由于孔隙大，透水性大，若用单片，则要求所用的水位差很小，但过小的水位差测读误差大，为此应该加大渗径长度，取多片试样进行测试。通常非织造土工织物试样的总厚度应达到20mm左右。对于织造土工织物，视其孔隙而异，有时用单片，有时用2～3片。
(4)土工膜的防渗性能也可用垂直渗透系数表示。一般土工膜的渗透系数值小于1×10-11cm/s。试验原理与土工织物垂直渗透试验相同。不同之处有，试验在有压力(一般为100kPa，相当于1000cm水位差)下进行，由于渗水量很小，试验持续时间较长。