第一节 土工合成材料的定义及发展简史

一、土工合成材料的定义

土工合成材料^[1，2]是一种新型的岩土工程材料。它以天然或人工合成的聚合物（塑料、合成纤维、合成橡胶）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强（加固）或保护土体的作用。目前土工合成材料已经广泛应用于公路、铁路、水利、电力、建筑、海港、采矿、机场、军工、环保等工程的各个领域。

二、土工合成材料发展简史

土工合成材料的发展，是与合成材料——合成树脂（塑料）、合成纤维和合成橡胶的发展分不开的。在1900年以前，虽然已有天然树脂及塑料产品，如硝酸纤维、赛璐珞塑料等，但它们的产量小、应用范围狭窄、影响不大。1909年美国General Bakelite公司以苯酚和甲醛为原料，实现了世界上第一个合成材料——酚醛塑料的工业化生产，从此拉开了合成材料工业发展的序幕。表0-1-1为土工合成材料常用的塑料工业化生产年代。表0-1-2为土工合成材料常用的合成纤维工业化生产年代。本书很少涉及合成橡胶。

表0-1-1 土工合成材料常用的塑料工业化生产年代^[3]

囯际上，土工膜在岩土工程中的应用，根据C. E. Staff推测^[5]大约在20世纪30年代之后，聚氯乙烯薄膜首先应用于游泳池的防渗。大量塑料防渗薄膜的应用开始于灌溉工程。美国垦务局1953年在渠道上首先应用聚乙烯薄膜，1957年开始应用聚氯乙烯薄膜。苏联在渠道上使用低密度聚乙烯的历史也很长。1960年捷克斯洛伐克的Dobsina堆石坝使用聚氯乙烯薄膜。1984年西班牙的Poza de Los Ramos砌石坝，初期高度为97m，以后增至134m，在上游坝面铺设聚氯乙烯薄膜防渗。这些工程都是在土石坝中使用合成材料防渗薄膜的先例。

表0-1-2 土工合成材料常用的合成纤维工业化生产年代^[4]

土工织物在岩土工程中的应用，开始于20世纪50年代末期。1958年R. J. Barrett在美国佛罗里达州利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的垫层，一般认为是应用现代土工织物的开端。实际上，在1957年以前，以土工织物做成的砂袋已经在荷兰、德国和日本等国家应用了^[6，7]。在60年代，土工织物在美国、欧洲和日本逐渐推广。所用的土工织物主要是有纺土工织物（机织布，即有经、纬线的），大部分用于护岸防冲等工程。由于有纺土工织物的强度具有很大的方向性，而且价格较高，限制了它的发展。

无纺土工织物（非织造布或无纺布）的应用，给土工织物带来了新的生命。它的特点是把纤维做成多方向的或随机的排列，使强度没有显著的各向异性，厚的织物不但可以用作滤层，还可以用作导水体，因此更适用于各种岩土工程和土木建筑工程。无纺土工织物在60年代末期开始应用于欧洲，1968—1970年间相继用于法国和英国的无路面道路、德国的护岸工程、法国Valcros土坝的下游排水反滤与上游护坡垫层^[8]和德国的一座隧洞。在70年代，这种无纺土工织物很快从欧洲传播到美洲、非洲和澳洲，最后传播到亚洲。由于纺黏法制造工艺的推广，生产出大量的成本低、强度高的产品，使无纺土工织物的应用飞速地发展起来。

“土工织物”（Geotextile）和“土工膜”（Geomembrane）是1977年J. P. Giroud与J. Perfetti首先提出来的^[9]。他们把透水的土工合成材料称为“土工织物”，不透水的称为“土工膜”，这两个名词被使用了许多年。后来因为以合成聚合物为原料的其他类型的土工合成材料纷纷问世，已经超出了“织物”和“膜”的范畴。1983年J. E. Fluet建议使用“土工合成材料”（Geosyn-thetics）一词来概括各种类型的材料^[6]。这一名词在1994年的第五届国际土工织物学术讨论会（新加坡）上被正式确认。

随着土工合成材料应用领域的不断扩大，它们的生产和应用技术也在迅速地提高，使其逐渐形成一门新的边缘性学科。它以岩土力学为基础，与石油化学工程、塑料工程和纺织工程有密切联系，应用于岩土工程和土木建筑工程的各个领域。1977年在法国巴黎召开了“织物在岩土工程中的应用国际会议”，后来人们把这次会议看成是第一届国际土工织物会议。1982年在美国拉斯维加斯召开了“第二届国际土工织物会议”。1983年在法国巴黎成立了“国际土工织物学会”（International Geotextile Society简称IGS）。1985年6月出版了第一个《国际土工织物学会时事通讯》刊物，1986年在奥地利维也纳召开了“第三届国际土工织物会议”。1990年在荷兰海牙召开了“第四届国际土工织物、土工膜及有关产品会议”。1994年在新加坡召开了“第五届土工织物，土工膜及有关产品会议”。在此次会议闭幕时决定：将“国际土工织物学会”更名为“国际土工合成材料学会”（International Geosynthetics Society仍简称IGS）。此后每四年召开一次会议。最近一次是2018年在韩国首尔召开了“第十一届国际土工合成材料会议及展览会”。

我国土工合成材料在岩土工程和土木建筑工程（以下简称土建工程）中的应用，开始于20世纪60年代中期，首先是土工膜在渠道防渗方面的应用，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，也有聚乙烯。土工膜厚度有0.12～0.38mm，效果都很好。以后推广到水库、水利和蓄水池等工程。1965年为了防治辽宁桓仁水电站混凝土支墩坝的裂缝漏水，用沥青聚氯乙烯热压膜锚固并粘贴于上游坝面，取得了良好的防渗效果，这是我国利用土工合成材料处理混凝土坝裂缝的首例^[10]。同年在河北省子牙新河献县枢纽，曾利用黏土夹土工膜作为进洪闸上游护坝的防渗措施。1979—1980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的聚氯乙烯土工膜防渗，运用多年，效果良好^[11]。1984年陕西西骆峪水库采用二层厚0.06mm的聚乙烯土工膜防止库区渗漏。从1983年开始，北京市采用了编织布与土工膜相结合的复合土工合成材料，解决了十几处已建中小型水利工程的渗漏问题，取得了成功的经验^[12]。较厚的土工膜到80年代中期才在我国开始应用。1986年河北省在乱木水库利用厚度为0.8mm的聚氯乙烯土工膜处理了库区台地的渗漏，1989年水口水电站利用土工织物和1.0mm土工膜的复合土工合成材料修筑堆石围堰的心墙。1990年广西柳州地区田村大坝使用的复合土工膜堆石坝，高达48m^[13]。1998年长江三峡工程大江截流后围堰防渗墙也使用了土工膜^[14]。1998年汉江王甫洲水利枢纽围堤防渗工程使用了120万m²一布一膜（200g/0.5mm）和二布一膜（200g/0.5mm/200g）的复合土工膜，其中土工布为涤纶针刺非织造布，防渗膜为聚乙烯土工膜^[15]。南水北调工程，新疆从北部雨水丰盛地向克拉玛依和乌鲁木齐进水工程^[16]等都大量使用土工膜或复合土工膜。另外，2mm厚的聚乙烯土工膜1992年应用于北京机场维修车间的屋面，随后还用于许多机场、宾馆、隧道以及新疆盐田一期工程、石家庄垃圾处理场等工程之中^[17]。

土工织物的应用，在我国起步较晚，但发展速度很快。1976年在江苏省长江嘶马护岸工程中，首先使用聚丙烯编织土工布（有纺土工织物），结合聚氯乙烯绳网和混凝土块压重，组成软体排，防止河岸冲刷^[2]。类似的软体排相继应用在江苏省江都西闸和湖北省长江堤防工程。进入80年代，编织土工布的应用日渐增多，除用于软体排外，还普遍应用于制造土、砂、石袋，土、石枕以及软弱地基加固等工程。1986年河北宣化洋河整治工程首先采用了防老化聚丙烯编织土工布用于露天水坝，经过10年的使用仍很好，说明它具有优良的防老化性能，这是我国防老化聚丙烯编织土工布露天使用最早和寿命最长的典型工程^[18]。1989年上海陈行水库采用聚丙烯编织土工布用于围堤充填袋、丁坝软体排、围堤坡面反滤结构等。整个工程用量150万m²。1993年长江三峡工程采用六面体土工袋用于护坡和边坡堆砌^[20]。

无纺土工织物的应用，开始于80年代初期。从1981—1985年，铁路部门曾布置了几十个试验路段，利用无纺土工织物（非织造土工布）防止基床的翻浆冒泥，成功率达90%以上。1984年，云南的军用道路及江苏省和吉林省的一些公路利用无纺土工织物提高路基强度，解决路基沉陷及翻浆冒泥等问题。针刺非织造土工布在水利工程中的应用发展更为迅速。1984—1985年间，云南麦子河水库，江苏昆山暗管排水工程，内蒙古翰嗄利水库，天津鸭淀水库，黑龙江引嫩工程，河北庙宫水库都用其作为反滤层，经过多年的考验，效果全都良好。自80年代中期以后，非织造土工布的应用很快推广到储灰坝、尾矿坝、水坠坝、港口码头、海岸护坡以及地基处理等工程。1993年海南省桂林洋经济开发区交通干线A大道上，修建了路面宽达36m的跨沟渠公路桥。在软基处理、护底、基础、桥台、桥墩等方面采用了编织土工布、非织造土工布、工程带、塑料排水管等土工合成材料。其中尤为突出的是在袋装砂井处理完的软土地基上采用加筋土方案修筑了近3m厚的基础工程和采用加筋土方案修筑了独立且过水的桥墩，创下了世界罕见之举^[21]。1997年上海长江口深水航道治理一期工程，采用复合土工织物（即机织与针刺非织造复合土工布，编织与针刺非织造复合土工布）、聚丙烯编织土工布、机织模袋土工布以及丙纶加筋带、防老化丙纶连结绳等。一期工程土工织物总量约为811万m²。其中护底工程软体排土工布用量约为582万m²，复合土工袋充填砂土工布用量约为229万m²。这是我国跨世纪的特大工程之一^[22]。

我国在土工格栅、土工模袋、土工网、土工垫、土工格室、土工泡沫板、排水带（板）、土工管等方面也发展很快。1981—1983年，天津新港试用排水带（板）用于加固软土地基，80年代末期已推广应用于七八个省市的港口码头、高速公路、电厂厂房、飞机场、铁路等工程。1993年京九铁路采用排水带用于软基处理^[21]。1993年京广线和湘桂线三个工点首次试用土工格室加固软弱基床表层。取得成效后，1995年扩大试验到焦柳线^[16]。1995年南昆铁路贵州省境内红果段路堤边处理和贵州省六盘水市环城公路软基处理，都采用了土工格栅^[17]。1993年黄河小浪底水库上游，采用土工网植草护岸，并取得成功^[20]，1996年长江三峡水利枢纽让水坪——三峡工程大坝右坝肩临时公路工程，采用了土工网用于无铺砌面道路中增强^[23]。浇筑混凝土用的土工模袋，开始试用于江苏省南官口岸，到80年代末期，已推广到七八个省市三十几项工程。1996年辽宁大洼三角洲开发区平原水库，采用土工模袋护坡。工程使用土工模袋30多万m^2[24]。土工塑料管（低压水管道），70年代末从国外引进，已普遍应用于河北、山东、河南、山西、东北各省和京、津两市大部分的井灌区。1992年土工泡沫板（EPS）已经在黑龙江阿城、河北涞源和吉林等地用于整治铁路路基冻害^[25，26]。其他类型的土工合成材料，如合成橡胶、塑料锚杆、塑料绳带等，也在我国土建工程中应用。

纵观我国土工合成材料的发展史，可将其应用历程大致分为三个阶段：即80年代中期以前的初创阶段；80年代中期至90年代中期的发展阶段；90年代后期开始的逐渐成熟阶段。可以说，土工合成材料的应用几乎已渗透到岩土工程和其他工程建设的各个角落，充分说明了它具有强大的生命力^[27]。

2007—2010年在上海青草沙水库工程中，使用了近1.05亿m²土工合成材料，其中：土工织物1亿m²（即：防老化有纺土工织物2805万m²；无纺土工织物361.54万m²）；复合土工膜3.37万m²；加筋土工格栅2.71万m²；塑料排水板400万m^[28]。

我国1984年成立了全国性的“土工织物科技情报协作网”。1986年改名为“土工合成材料技术协作网”，同年在天津召开了“全国土工织物学术讨论会”。后来人们把这次会议看成是第一届全国土工合成材料学术讨论会。1989年在沈阳召开了“第二届全国土工合成材料学术讨论会”，同时成立了国际土工织物学会中国委员会。1992年在江苏仪征召开了“第三届全国土工合成材料学术讨论会”。1994年成立了中国土工合成材料工程协会（Chinese Technical Association on Geosynthetics，简称CTAG）。1996年在上海召开了“第四届全国土工合成材料学术会议”。此后每四年召开一次会议。最近一次是2016年在武汉召开了“第九届中国土工合成材料学术会议”。上述学术团体和学术活动有效地推动了中国土工合成材料生产和应用技术的发展。