土工合成材料在我國的應(yīng)用和發(fā)展

    土工合成材料，又稱“土工布”、“土工織物”,它是以合成纖維、塑料、合成橡膠等為原料制成的不同種類產(chǎn)品，使用過程中具有分離、加固、排水、過濾、防護(hù)、防滲六大基本功能。國外在三十年代就開始了使用，迄今其產(chǎn)品從單一紡織品發(fā)展到其它合成材料及其復(fù)合材料。現(xiàn)在土工合成材料已被稱作與鋼材、水泥、木材齊名的“第四種工程材料”,并廣泛的應(yīng)用于巖土、水利及土木工程等領(lǐng)域中。

1、土工合成材料的種類及應(yīng)用
          土工合成材料種類很多，一般按功能及生產(chǎn)方法分為四大類，即土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料、土工特種材料。下面概述幾種土工合成材料的特點(diǎn)及應(yīng)用。
1.1機(jī)織土工布
         是我國使用較早的一種土工布。現(xiàn)我國使用較多的機(jī)織布材料有長絲機(jī)織布和扁絲機(jī)織布兩種，材料以聚丙烯為主，單位重量一般為100~300克/平方米。它的應(yīng)用以制作反濾布的土工模袋為多。機(jī)織土工布具有強(qiáng)度高、延伸率低的特點(diǎn)，廣泛使用在水利工程中，用做防汛搶險(xiǎn)、土坡地基加固、壩體加筋、各種防沖工程及堤壩的軟基處理等。其缺點(diǎn)是過濾性和水平滲透性差，孔隙易變形，孔隙率低，較小孔徑在0.05~0.08mm,難以阻隔<0.05mm以下的微細(xì)土壤顆粒；當(dāng)機(jī)織布局部破損或纖維斷裂時(shí)，易造成紗線綻開或脫落，出現(xiàn)的孔洞難以補(bǔ)救，因而應(yīng)用受到一定的限制。
1.2經(jīng)編土工布
          用經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)經(jīng)編土工布的方法較少單獨(dú)采用，經(jīng)常與其他方法聯(lián)合使用，如將經(jīng)編布與非織造布交織形成纖網(wǎng)型縫編土工布，也可與紙帶一起編織成可降解的經(jīng)編土工布。經(jīng)編土工布主要應(yīng)用于排水溝、水壩或煙筒過濾，無中間層的海岸保護(hù)，阻截自流水壓，加固垂直地面、傾斜面和堤岸基層等。
1.3非織造土工布
          非織造土工布的出現(xiàn)比織造土工布晚，其生產(chǎn)方法主要有紡粘法和針刺法兩種，其中針刺法在我國所占比例較大。采用的原料以滌綸為主，其次是丙綸和維綸，單位重量為100~800克/平方米。非織造土工布具有較大的延伸率，能適應(yīng)較大的變形，可以根據(jù)需要制成適當(dāng)大小的孔隙，并在水平與垂直方向均具有較好滲透力。因此，非織造土工布的發(fā)展速度很快，并已成為土工布的主要組成部分。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于解決路基沉陷及翻漿冒泥問題，用于土石壩的排水系統(tǒng)、地下排水管道、軟弱地基加固，各種堤岸的護(hù)坡墊肩等工程的濾層。此外，還可用于土加筋材料，使軟基加固或修筑輕型擋土墻，同時(shí)，還能降低路堤下的孔隙水壓。
1.4土工格柵
          我國以聚乙烯材料為主的塑料土工格柵居多，它是將高聚物薄膜經(jīng)有規(guī)律的刺孔、加熱，然后在一個(gè)方向拉伸，使高聚物中大分子鏈沿拉伸方向取向，并獲得單軸向格柵。也可繼續(xù)在另一方向拉伸，得到雙軸向土工格柵，使兩個(gè)方向都有較高強(qiáng)度，土工格柵主要應(yīng)用于軟土基礎(chǔ)加固及護(hù)坡、護(hù)堤等工程中。
1.5復(fù)合土工布
          復(fù)合土工布是由兩種或兩種以上不同功能、不同種類的土工布及其他材料復(fù)合而成，復(fù)合材料可以是紡粘或針刺型非織造布、機(jī)織布、聚乙烯薄膜、塑料網(wǎng)、塑料管等。其生產(chǎn)方法主要有以下兩種：

（1）機(jī)械方法：采用針刺復(fù)合和縫編工藝技術(shù)；
（2）熱熔粘合法：采用超聲波粘合及熱軋粘合技術(shù)。復(fù)合土工布在我國應(yīng)用較多的是復(fù)合土工膜和塑料排水管，可應(yīng)用于軟地基和地基下具有坑洼的路基，堤岸的增強(qiáng)，路邊排水，橋座和擋土墻下排水，蓄水池、廢物處理池的密封層，傳統(tǒng)沙石層排水系統(tǒng)的替代等。復(fù)合土工布在原有單層材料基礎(chǔ)上使其性能得到很大改善，如層壓后的土工布力學(xué)性能得到很大提高，機(jī)織布與非織造布經(jīng)針刺復(fù)合后的過濾性能得到改善等。
2、國內(nèi)土工合成材料應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題
2.1應(yīng)用現(xiàn)狀
          土工合成材料在我國的發(fā)展較晚，大約在60年代中期開始，機(jī)織土工布應(yīng)用于河道及涵閘工程。80年代初，非織造布始在鐵路工程和水利工程上試用，截止到1986年，我國累計(jì)土工布總產(chǎn)量約100萬平方米。進(jìn)入90年代，土工布應(yīng)用發(fā)展更快，1992年機(jī)織土工布耗用量達(dá)9000多萬平方米。1998年發(fā)生特大洪水，編織布用量已超過1億平方米/年。非織造土工布1995年耗用量達(dá)到6500萬平方米，至今其使用量也已超過1億平方米/年。目前，土工布在我國應(yīng)用規(guī)模較大、效果較好的有以下幾方面：

（1）水利工程建設(shè)方面。江蘇省采用土工布對沿江沿海堤壩進(jìn)行加固，這些航道、河道護(hù)坡成功地經(jīng)受了1998年的特大洪水侵襲的考驗(yàn)；河北省黃壁莊水庫下游減壓進(jìn)井冒渾水，采用土工布封堵后，在1998年特大洪水沖擊下沒有出現(xiàn)險(xiǎn)情；天津北塘水庫使用土工布后，工程質(zhì)量明顯提高；我國較大的水運(yùn)工程長江深水航道疏浚工程，在工程設(shè)計(jì)中決定試用土工布構(gòu)筑導(dǎo)堤，經(jīng)試驗(yàn)段測試，取得了其他材料難以達(dá)到的良好效果。另外，上海陳行水庫工程、江蘇太倉中遠(yuǎn)國際城等工程也均采用了土工布。
（2）公路建設(shè)方面。我國公路建設(shè)使用土工布現(xiàn)還局限于高速和等級公路，使用規(guī)模較大的工程有東北錦大公路、浙江杭甬高速公路、廣州環(huán)城高深汕高速西段、上海滬寧高速公路等。

（3）鐵路建設(shè)方面。我國鐵道部門從1981年開始采用土工布處理路基損壞及其他問題，如用在京九鐵路建設(shè)中的地基處理與邊坡加固、京廣鐵路翻漿冒泥的整治、上海地鐵二號線龍東路西段工程等。

（4）環(huán)境保護(hù)方面。土工布在環(huán)境工程方面的應(yīng)用比例還不很大，但在垃圾場及廢水排放治理等工程中的應(yīng)用會越來越多。至今，我國土工布在環(huán)保方面應(yīng)用較多的是在貯尾礦和灰壩的處理，如上海外高橋電廠、嘉興電廠、上海石洞口電廠的灰壩、銅山尾庫礦等工程中。
2.2存在問題
           土工合成材料在我國從試驗(yàn)、生產(chǎn)、試用到大工程應(yīng)用，已有近20年歷史，雖然在應(yīng)用上已有一定的廣度，但和我國基礎(chǔ)設(shè)施的巨大規(guī)模相比應(yīng)用比例較低。

（1）工藝與技術(shù)裝備方面。我國現(xiàn)有非織造布生產(chǎn)設(shè)備除部分為國產(chǎn)針刺加工設(shè)備外，多為引進(jìn)。在這些引進(jìn)設(shè)備中，仍以針刺短纖土工布的生產(chǎn)為主，紡粘、化學(xué)粘合、熱粘合設(shè)備工藝僅占很少部分，而在這部分中還有一些是為生產(chǎn)地毯、服裝、裝飾布、人造革、化肥袋等設(shè)計(jì)的，與專門生產(chǎn)土工布的設(shè)備存在著一定程度的區(qū)別。
          機(jī)織編織土工布的生產(chǎn)能力是可以滿足我國“九五”期間各項(xiàng)工程的要求，但缺少搶險(xiǎn)抗滑用材料的編織設(shè)備和多軸向編織機(jī)。
          復(fù)合土工布生產(chǎn)設(shè)備國內(nèi)現(xiàn)已具備4m寬以下的生產(chǎn)能力，6m寬以上的生產(chǎn)設(shè)備在國內(nèi)尚屬空白，無法滿足工程的需要。

（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面。主要表現(xiàn)在原料單一，產(chǎn)品品種單一。我國土工布所選用的原料主要是滌綸、丙綸、維綸及少量的錦綸。同時(shí)由于生產(chǎn)設(shè)備的限制造成了以短纖非織造土工布及丙綸編織布為主導(dǎo)的單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。國際上原料的選用除滌綸、丙綸外，還有錦綸、黃麻、特種纖維，有的甚至織入鋼絲等，產(chǎn)品品種除短纖針刺產(chǎn)品外，高強(qiáng)度土工格柵、土工片、紡粘法長絲針刺產(chǎn)品品種及復(fù)合土工布的品種也很多。由于實(shí)際工程中對土工布的功能及品種有著不同的要求，因而單一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)阻礙了土工布應(yīng)用的擴(kuò)大及工程質(zhì)量的提高。