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土工合成材料近期发展概况和存在问题
土工合成材料的历史是比较短暂的。70年代以后逐渐形成一门新的学科。进入80年代，才以很快的速度发展起来。下面从几个主要方面介绍一下近期的发展概况和存在问题。
一、材料品种
土工合成材料在发展初期的品种是比较少的，主要有土工织物和土工膜两大类。80年代以后，品种逐渐增多。如土工网、格栅、格室、席垫、条带、拉杆、模袋、输水管道、纤维丝、各种成型的塑料板，以及由两种以上的材料组合而成的复合型材料等相继问世。其中比较突出的新材料有以下几种：一种是1979年英国F.S.Mercer发明的“土工格栅”，是用塑料板材经过冲孔拉伸而成具有很高的强度和模量，已普遍应用于欧、美和日本。进入90年代，以高强度纤维丝编制而成的格栅正在逐步推广(Koemer 1994)。另一'种是 1982 年 E.Leflaive 提出的“纤维土”(Texsol) (Le flaive，1982)，是把合成纤维长丝或短丝，利用特制的机械均匀地掺混在土中，形成一种复合材料，目前已在法国和其它少数应用。再一种是1987年P.R.Rankilor和
S. Raz介绍的“定向结构织物”(Directional Structure Fabrics )，是一'种把较高强度的纤维丝，沿预定方向排列的化纤织物，以满足不同工程的需要。还有一'种是“土工合成材料膨润土垫”(Geosynthetic Clay Layer) (GCL)，是由土工织物或土工膜与膨润土组合而成，具有很高的防渗性能，进入90年代才逐渐推广，一般应用于对防渗要求较高的工程，尤其用于防止带有巨毒性的废弃液体的扩散。这些材料的出现，把土工合成材料又向前推进了一步。土工合成材料的原料，也趋向于多样化。如泡沫塑料、蜂窝状塑料、废弃塑料、再生塑料等等相继应用起来。荷兰在三角洲工程中，曾利用钢丝为土工织物加筋，在历次国际会议上，有人建议合成纤维与天然纤维混合使用，有人主张尽量利用天然纤维。当前沥青、玻璃纤维、金属等材料在岩土工程中仍具有一定的生命力。这些材料已经出“合成材料”的范畴。从发展趋势看，“土工合成材料”这一'门学科很可能被“土工材料”(Geomaterial)或“土工广品”(Geoproduct)所代替。
二、力学特性试验与加筋设计
土工合成材料的力学特性试验方法，多来源于岩土工程、纺织工程和高分于化学工程等学科。但土工合成材料具有其本身的特点，旧的试验方法已不能满足工程设计的要求，因此近几年正在不断地改进。首先试验仪器和试样的尺寸逐渐加大。例如，拉伸试验的试样宽度由过去的50mm加大到200 i 500mm，直剪仪的剪切面积很多已加大到0.1m2; G.Wemer使用的顶破仪直径为500mm (Wemer，1990); G.E.Bauer使用的拉拔盒尺寸为1.5mX1.0mx1.2m (Bauer等，1990); T.W.Finlay等人在野外做了一个大拉拔箱，尺寸为5m X 4.5m X 3.1m;日本的M.Futaki使用的二轴仪直径为1.6m，高2.4m。由于试验仪器的加大，减少了仪器的边界影响，使成果更接近于实际，同时通过大模型试验，可以比较深入地研宄加筋土的机理。与此同时，新的试验方法也在不断的提出：如平面拉伸试验：约束条件下的拉伸试验;零跨度试验;离心模型试验等等。这些方法虽然各有其特点，但未被多数工程师们所采用。利用合成材料作为土的加筋，70年代还不太普及，进入80年代才迅速推开。初期多用于散粒状土，如砂、砂砾石，粉质土等。近开始应用于粘性土。加筋材料初期多为土工织物，近期土工格栅的应用如雨后春笋，发展很快，塑料条带的应用也与日俱增。纤维土在一些正在兴起。以法国修建的纤维土工程为多。日本曾利用合成纤维作为砂土的加筋，修筑一座10m高的挡土墙，经过强烈地震的考验，未发生破坏现象，取得很多可贵的资料。加筋土的设计方法，仍以极限平衡法为普遍，其次是有限元法。多数认为极限平衡法是一种保守而安全的设计方法，迄今仍适用于各种土建土程，不过在设计时要限制加筋料的延伸长度。十几年来，利用极限平衡理论推导的计算方法很多，常常使设计人员莫衷一是。近期由于对土与加筋材料本构关系的研宄日益深入，有限元法的应用也发展很快。尤其对于比较重要的，或对变形有严格要求的建筑物，常常用有限元法进行核算。有限元法的试验和计算工作量较大，具体问题也很多，目前尚未被普遍采用。为了检验不同设计方法的可靠程度，很多单位进行了大量的原型观测和足尺模型破坏试验。通过观测和试验成果，证明极限平衡法和有限元法都具有一定的可靠性，但由于问题的复杂性，尚需与工程师的经验相结合，才能达到实用目的。法国的J.G.Gourc和Ph.Delmas等人，在极限平衡法的基础上，引入了土与筋材的应变相容关系，于1986年提出了位移法(Displacement，Method)(Gourc等，1986)。这一'方法在法国已开始应用，并在不断地改进。(Fidleret.al.1994) (Lemonnier et.al.1998)。有的专豕认为这是一'种有发展前途的方法(Voskamp，1990)，有的还持有不同的意见(Broms，1998)。我国的刘祖德等同志，曾应用弹性理论预测陡坡极限平衡所需的加筋力和滑动面的位置，对极限平衡法也做了一定的改进。进入90年代，在加筋土设计方面，有些的设计人员，开始米用极限状态法(Limit State Method)。设计时分为限状态和使用极限状态两大类，考虑建筑物的使用寿命和筋材与土的应变相容，对材料特性指标、土力学指标和作用力等，采用分项系数以代替单一的安全系数，较大地改进了极限平衡法，但目前尚未被普遍使用(McGown 等，1998 )。加筋土在加固软弱地基方面的应用也日益增多。在堤、坝或其它建筑物中，结合各种型式的垂直排水措施(如砂井、塑料排水板等等)，沿软弱地基铺设土工织物或其它加筋材料，是一种既经济且有效的加固方法。对于较高的或施工困难的堤坝，可以大大加速施工进度。我国在这方面已经取得不少经验。Jones等人在粧基的顶部铺设土工织物或土工格栅，提高了地基的承载力或堤坝的稳定性。(Jones，1990; Bell，1994; Rogbeck，Jenner，Kemp-ton，1998)利用合成材料加固铁路和公路的路基或路面，在理论和实践方面都进展较快，尤其在动荷载下，利用土工织物防止栗吸现象(Pumping)的研究，引起很多的重视。通过分析和实践，证明较厚的针刺型无纺织物对于防止或减轻泵吸现象，效果是明显的。加筋土的分析研宄工作近期正在逐步深入，在某些书刊上，也曾发表了
一些其它的分析方法，之，加筋土机理的研宄有待进一步提高，设计方法有待进一步完善和统一。
三、水力学特性试验与滤层设计
在60~70年代，土工织物滤层的设计，一般认为决定于被保护土和织物的几个主要的水力学特性。如土的粒径和渗透性，织物的孔径、渗透性，开孔面积等。其中土的粒径和织物孔径起着决定性的作用。人们曾参考古典的粒料反滤设计原理，通过试验分析，提出不同的设计准则，按照土的特征粒径选择织物的孔径。关于织物孔径的试验方法，初期多用干筛法或湿筛法。自1977年D.Fayoux提出动力水筛法后，近几年已被很多所采用。对于织物孔径的设计，自70年代末期以后，们考虑了更多的因素：如被保护土的颗粒级配，不均匀程度、密实度，粘性等等;渗流的流态——层流或紊流;渗流的方向一一单向或双向、与重力方向一致或相反;织物的开孔度、厚度、结构、以及受力情况等等，提出了比较复杂的设计准则，并进行了长期的室内试验和原型观测，以验证这些准则的准确性。但迄今仍未取得一致的模式。织物渗透性准则也有类似的情况。鉴于对设计准则的意见比较分歧，有些建议通过试验来选择织物，即利用被保护土和织物进行模拟的过滤试验，以判断该织物是否能满足要求。如70年代美国陆军工程师团所的梯度比(GR)试验(美国陆军工程师团，1977)，至今仍被很多单位所沿用，虽然有些曾提出不同的意见。1982年R.M.Koemer和F.K.Ko等人建议用长期的管涌淤堵试验来选择织物(Koemer等，1982)。目前在一些重要工程中，已采用这种方法，只是试验的时间长短不一。在“第四届国际土工织物和土工膜会议”上，提出两种值得重视的方法，一种叫导水率比试验(Hydraulic Conductivity Ratio Test) (William 等，1990)。另一'种叫界面过水能力试验(Interface Flow Capacity Test) (Legge，1990)。导水率比是指土和织物所组成的复合体的导水率与单纯土的导水率的比值，利用这一比值来判断织物的过滤性能。界面过水能力试验是把土样分成细粒、中粒和粗粒三部分，然后分组测定土样与织物所形成界面的过水能力，以及试样在试验前后的重量变化，以判断有无淤堵或管涌的可能。这两种方法都具有各自的特点，但都还未进入实用阶段，需要进行更多的试验研宄工作。近几年来，有些在理论分析方面做了一些有益的工作。例如利用概率论、图象分析，流变学原理以及因次分析等方法，推导一些有关织物滤层孔径的理论公式，这些公式有的与试验结果比较接近，有的还有一定的差距。多数处于探索阶段，需要通过较多的室内试验和工程实践予以验证。土工织物的适应能力较强。根据过去的实践经验，利用土工织物作为滤层，绝大多数工程是的，发生管涌的情况极少，只有在个别工程中发生过由于淤堵而失效的问题。因此，对于一般中小型工程，设计人员可以根据
个人的判断，选择一个适当的设计推测。对于比较重要的工程，应进行较长时期的管涌淤堵试验。无论如何，土工织物滤层的机理、试验方法和设计准则仍是一个比较复杂的课题。还要进行大量的工作，制定一套比较成熟的设计方法(Ingold，1990b)。关于土工膜的渗透机理，主要有两种意见：一种认为完好的土工膜不可能有液体通过，只能通过气体的扩散才产生渗漏，另一种意见则认为上述两种类型的渗透现象都可能存在。但共同认为：当土工膜上具有孔洞或接缝开裂等缺陷时，定会产生液体的渗流(Giroud，1990)。一些对土工膜上的孔洞或缝隙的渗流特性曾进行过试验研究工作(Fukuoka，1986; Jayawickra-maaed Brown等，1988; Giroud等，1989，1992)。土工膜的渗漏问题，在环保工程中至关重要。尤其当利用土工膜处理带有毒性的废料时，更要采取慎重的态度。对这一课题的研宄，正在引起很多的重视。近几年，利用“土工合成材料粘土垫”(GCL)防止废料污染的研宄工作，已经应用于实际工程。(Rowe 1998)
四、蠕变、老化和其它特性的研究
合成材料具有明显的蠕变特性。对于如何判断蠕变对工程的影响，一般采用短期蠕变的成果，求得经验公式，以推求长期的蠕变量。近很多主张延长蠕变试验的时间，以增加推求长期蠕变的精度。J.H.Greenwood所做的试验，时间长达两年之久，还做了应力松弛试验以进行对比(Green-wood， 1990)。 其他学者也做了类似的试验。大量的试验证明，蠕变不仅受材料种类和时间的影响，同时还受温度、材料结构、约束条件和荷载水平的影响(Matichard等，1990)。关于温度对蠕变的影响，有的曾提出不同的试验方法(Thomton 1998)有的甚至把“温度”这一变量也包含在经验式之中(Duyall，1990)。一般聚酯的蠕变量小，受温度及荷载的影响也小。聚烯烃(聚丙烯、聚乙烯)的蠕变量大，受温度及荷载的影响也大。土工合成材料的老化，是工程技术人员关心的问题。对于解决老化问题，近期也有较大的进展。几十年来人们应用土工合成材料修建了大量工程，通过实地观测和取样试验，对老化的认识更深入了。在应用过程中，采取各种防止老化的措施，取得有效的成果。例如丙纶织物暴露在阳光之下寿命一般只有几个月。我国北京市化工研宄和常州编织袋厂等单位，研制出特殊配方的防老化稳定剂，可以把寿命延长6至20倍。丙纶织物置于水下，老化速度较慢。但由于水对稳定剂的“沥滤”作用，也严重地影响其寿命，因而不敢在性工程中使用。1978年荷兰的工程师们在的三角洲程中，采用了一种“低沥滤”稳定化的丙纶织物，1985~ 1986年取样试验，经过分析，估计寿命可达千年以上(Wisse等1990)。这虽然只是一个参考数字，也足以说明老化问题不是那么严重。近几年对老化的研宄工作仍在积极进行。1986年在条件不同的地区(英国、北极圈、南部海面、新墨西哥沙漠等处)设立了世界范围的气候老化试验站，已累积了几年的资料(Rankilor，1990 )。关于人工老化试验近几年也做了很多改进(Richard，1990) (，1990)。大量的资料证明：老化速度除受材料种类和阳光辐射的影响外，还受材料的结构、厚度、环境温度、湿度以及受力大小等条件的影响。对土工合成材料其它特性，如抗化学腐蚀、抗生物腐蚀、抗冻融、抗生物破坏等特性的研宄，几年以来也取得了一些成果。
五、施工技术
施工简便，容易保证质量，是土工合成材料的特点。早期铺放土工织物和土工膜的方法是比较简单的。但随着材料品种的增多，应用范围的扩大，施工方法和设备也在不断地改进。首先在土工膜的接缝方面，从简单的搭接和粘合剂粘接，发展到利用各种机械焊接(lngold，1990a)。如热压填角焊(Extrusion Fillet Welding)、热压平焊(Extrusion Flat Welding)、热模溶焊(Hot Wedge Fusion Welding)、热空气溶焊、超声波接缝等等。在比较重要的工程上，为了保证和检查质量，有时采用双道焊缝。我国在土工合成材料的施工方面，也积累了一些经验。例如：对塑料排水板工程中使用的插板机，土工膜截水墙土程中使用的开槽机，以及混凝土模袋的施工设备等，我们都做了不少创新和改进。荷兰在东谢尔德防潮闹(Ooster Schelde Barrier) 土程中，曾米用了 一'整套比较的施工方法。该闸于1986年完成，共63孔，全长2800m，闸墩大高度53m，每座闸墩大重量18000#，均在岸边预制，然后拖至现场安放。闸墩底部和闸室的上下游都用各种型式的软体排保护。软体排由土工织物、砂、石料或混凝土块组装而成，面积达500万m2。其中以反滤软体排结构比较复杂，施工难度也较大。每块排体面积为200m x 42m，重5000t,在加工厂预制，用特种工作船运送到现场，准确地展放在海底的工程位置上。每块反滤排从开始组装到铺放完毕平均只需要40h。另外几种型式的软体排也各有其特点。东谢尔德闸的经验，使土工织物的应用和施工技术达到一个新的水平。之，土工合成材料近期的发展速度是很快的。以土工织物为例，1980年以前在、苏联、印度、南美及东非等广大地区基本上还没有开始应用，到80年代末已推广到世界的各个角落。土工合成材料的品种日益增多，应用范围已扩大到土建工程的每个领域。我国从80年代中期以后也发展很快，目前已推广应用到土木建筑工程的各个领域。不过在生产和应用技术等方面，与一些比较，还有一定的差距。有些产品盲目上马，重复生产，工艺比较落后，成本较高，质量也较差，缺少系列产品。在应用技术方面，专门从事试验研宄的人员还比较少，很多土木工程师对这一材料还比较生疏。1998年在长江、嫩江和松花江发生了历史上罕见的洪水，土工合成材料在抗洪抢险中发挥了很大的作用，引起中央领导的重视，责成有关单位大力推广。一些职能部门，纷纷组织力量，编写生产和应用的技术规范或规程，在掀起了应用土工合成材料的新高潮，估计近几年，这一新学科必将以更快的速度蓬勃发展，大放异采。
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