土工合成材料是指通過與土體、巖石或其他巖土工程材料相接觸，應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的各種人工合成的或天然的聚合物材料制品。隨著材料工業(yè)的發(fā)展和工程應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，土工合成材料的概念也處于不斷完善之中。比如出現(xiàn)一些三維織物、土工泡沫、新型加筋材料等，而且基本不再用天然聚合物來生產(chǎn)土工合成材料制品。

土工合成材料制品種類繁多，而且不斷有新產(chǎn)品問世。根據(jù)GB50209-1998《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》對(duì)于土工合成材料的分類，將土工合成材料歸納為土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料四大類，下圖所示。

土工織物(geotextile)

俗稱土工布，是經(jīng)過織造、非織造或編織方法制成的，由纖維或紗線構(gòu)成連續(xù)的平面狀材料。這種材料具有柔性和透水(氣)性，通常呈織物外觀。一般劃分為有紡?fù)凉た椢锖蜔o紡?fù)凉た椢?。土工織物在工程?yīng)用中可發(fā)揮隔離、過濾、排水、加筋和侵蝕控制等作用。

土工格柵(geogrid)

土工格柵是一類在制造過程中經(jīng)過定向拉伸的具有網(wǎng)格狀外觀的開口式土工合成材料。常見的有單向拉伸土工格柵和雙向拉伸土工格柵兩種。土工格柵的主要作用是用于土體的加筋加固。

土工膜(geomembrane)

土工膜是由一種或幾種合成材料制成的連續(xù)的柔性膜狀材料。土工膜具有很低的滲透性，其滲透系數(shù)小于10-11cm/s，幾乎不透水?？捎米鞣忾]液體或氣體的防滲襯里和防擴(kuò)散屏障。

土工網(wǎng)(geonet)

土工網(wǎng)包括平面型的多用于防護(hù)的工程網(wǎng)和具有三維結(jié)構(gòu)的排水土工網(wǎng)兩類。后者是由兩組平行擠出的聚合物以恒定銳角交叉(在節(jié)點(diǎn)處融合在一起)形成的開放式網(wǎng)格狀土工合成材料。這種交互式網(wǎng)格構(gòu)成了網(wǎng)內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)層，因此，排水土工網(wǎng)具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)液流或氣流的能力。這類土工網(wǎng)在工程應(yīng)用中常作為排水材料。

土工復(fù)合材料(geocomposite)

土工復(fù)合材料是由兩種或多種土工合成材料復(fù)合而成的一大類土工合成材料。這類材料包括土工織物-土工網(wǎng)型、土工織物-土工格柵型、土工網(wǎng)-土工膜型和土工織物-土工膜型土工復(fù)合材料。

土工織物與土工膜可構(gòu)成復(fù)合土工膜，土工織物和土工網(wǎng)可以構(gòu)成復(fù)合排水板，以及軟土地基排水固結(jié)法中常用的預(yù)制垂直排水帶(簡(jiǎn)稱PVD)，這些都是典型的土工復(fù)合材料。

PVD就是由土工織物濾層包裹塑料排水芯帶制成的復(fù)合材料。將具有各自特性的不同類型材料有目的地結(jié)合在一起的土工復(fù)合材料，在工程實(shí)踐中可以起到排水、反濾、隔離、防滲、加筋等作用，為工程實(shí)際問題提供針對(duì)性的解決方案。

土工合成材料粘土襯墊(簡(jiǎn)稱GCL)

土工合成材料粘土襯墊屬于土工復(fù)合材料的一種，通常是在上下兩層土工織物之間夾一層膨潤(rùn)土，或?qū)⒁粚优驖?rùn)土粘結(jié)在土工膜或單層土工織物上而制成的一種土工復(fù)合材料。

由兩層土工織物覆蓋制成的GCL常通過縫合或針刺的方式貫穿膨潤(rùn)土層，用以提高GCL的內(nèi)部抗剪強(qiáng)度。當(dāng)膨潤(rùn)土經(jīng)過水化作用，吸水膨脹，具有很低的滲透性能，可以作為液體或氣體的有效屏障。因此，垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)中，GCL常與土工膜聯(lián)合使用，作為填埋場(chǎng)的防滲襯墊，或作為水利工程的防滲層單獨(dú)使用。

土工管(geopipe)

土工管是用來排水或?qū)獾墓鼙诖┛谆虿淮┛椎木酆衔锕懿?，如垃圾填埋?chǎng)中用于滲濾液或填埋氣體的收集。在一些情況下，在穿孔管外采用無紡?fù)凉た椢锇鸱礊V作用。

土工格室(geocell)

土工格室是由聚合物條帶相互連接制成的具有三維網(wǎng)格狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)的土工合成材料。鋪設(shè)后，交錯(cuò)連接的條帶之間形成一個(gè)個(gè)格室用以填充土、碎石，有時(shí)也用混凝土填充。這種材料主要用于道路路基底層加筋或地基加筋，也可用于侵蝕控制工程。

土工泡沫(geofoam)

土工泡沫塊或板是通過聚苯乙烯泡沫塑料膨脹形成的，是一種超低密度的、由封閉充氣單元構(gòu)成的具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的塊體或板材。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，一般又分為模塑型土工泡沫(簡(jiǎn)稱EPS)和擠塑型土工泡沫(簡(jiǎn)稱XPS)。土工泡沫塑料可作為隔熱材料和輕質(zhì)填料使用。在剛性面板擋土墻中，豎直置于面板與填土之間作為可壓縮夾層，起到減小土壓力的作用。

土工網(wǎng)墊(geomatress)

土工網(wǎng)墊是由長(zhǎng)絲纏繞結(jié)合而成的三維透水網(wǎng)墊，又稱三維土工墊。網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)蓬松柔韌，網(wǎng)內(nèi)空隙可以填土或噴灑含草籽和營養(yǎng)物質(zhì)的混合材料，常用于坡面植被防護(hù)。

土工模袋(geoform)

土工模袋是一種由雙層聚合織物錒成的連續(xù)的管袋狀土工合成材料。它可以代替模板，當(dāng)用高壓泵把混凝土或砂漿灌入模袋凝固后，可形成板狀或其他形狀的連續(xù)結(jié)構(gòu)。在模袋的上下兩層織物之間，每隔一定的間距用聚合物(如尼龍繩)把兩層織物聯(lián)系在一起，以控制混凝土或砂漿灌注成型后土工模袋的厚度。

土工模袋主要用于水利工程中的護(hù)面和護(hù)坡。土工模袋按充填材料的不同分為充填砂漿型和充填混凝土型;也可按模袋是否設(shè)置濾水點(diǎn)(排水點(diǎn))將其分為無濾水點(diǎn)模袋和帶濾水點(diǎn)模袋。

1、土工合成材料應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益

①加筋路堤的邊坡可以加大，既少占用了土地，也減少了土方量。

②應(yīng)用加筋技術(shù)可以加快工程進(jìn)度。

③加筋土結(jié)構(gòu)在施工過程中穩(wěn)定性較好，對(duì)施工地點(diǎn)幾乎沒有限制。

④土工合成材料的應(yīng)用增加了土的強(qiáng)度，使工程性質(zhì)較差的土也可用于填筑路堤。

2、土工合成材料應(yīng)用優(yōu)越性

①加筋土結(jié)構(gòu)使土的抗剪能力和加筋的抗拉能力都得到發(fā)揮，有效利用了材料。

②土中加筋使結(jié)構(gòu)柔度加大，增加了結(jié)構(gòu)對(duì)變形的適應(yīng)能力。

③可以嚴(yán)格控制加筋的質(zhì)量，易于保證加筋土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

④土工合成材料應(yīng)用于工程，在許多領(lǐng)域提供了嶄新的解決方案。

3、土工合成材料應(yīng)用缺陷

①土工合成材料的性能有待深入研究。

②土工合成材料在貯存、搬運(yùn)和安裝過程中有可能損壞。

③結(jié)構(gòu)如果存在不規(guī)則幾何形狀的邊、角，其土工合成材料的應(yīng)用較困難。

④還沒有完善的土工合成材料的設(shè)計(jì)施工規(guī)范。

1、過濾

土工合成材料的這種功能與傳統(tǒng)的砂濾層類似，允許土體內(nèi)部的液體通過并排出，同時(shí)起到保土作用，阻止上游土壤顆粒的流失。例如，用有紡?fù)凉た椢镒柚雇亮＿w移滲入排水骨料或排水管，同時(shí)保持排水系統(tǒng)正常工作;在海岸和河岸的拋石防護(hù)層和其他護(hù)岸材料下面鋪設(shè)土工織物以防止土壤被侵蝕。

2、排水

土工合成材料在土體內(nèi)部作為排水體，可使水流沿其內(nèi)部從低滲透性土體中排出。例如，鋪設(shè)與路堤底部的土工織物可用來消散孔隙水壓力;對(duì)于流量較大而對(duì)排水能力要求更高的場(chǎng)合，也可采用土工復(fù)合(排水)材料。這些材料已被用來作為路緣排水體、邊坡截排水體及擋土墻墻后排水體。塑料排水板(PVD)則被用于預(yù)壓荷載下加快軟粘土地基的排水固結(jié)過程。

3、隔離

這種功能是指土工合成材料能夠把兩種具有不同粒徑分布的土料隔離開來，以免相互混雜而失去各種材料的整體性和結(jié)構(gòu)完整性。土工織物和土工膜都可以起到隔離作用。例如，鋪設(shè)與道路基層與軟土地基之間的土工織物可起到隔離作用，一方面防止路基骨料嵌入軟弱土層，從而維持基層的設(shè)計(jì)厚度和道路結(jié)構(gòu)的完整性;另一方面，也能夠阻止下部細(xì)粒土進(jìn)入透水料層之中從而降低其滲透性。

4、加筋

土工合成材料置于土體內(nèi)部作為加筋構(gòu)件，或土工合成材料與土相結(jié)合形成一個(gè)復(fù)合體，加筋復(fù)合土體與未加筋土體相比，其強(qiáng)度及變形性能都得到明顯的改善。例如，用土工織物和土工格柵加筋可提高土體的抗拉強(qiáng)度，從而能夠建造垂直或近乎垂直加筋土擋墻;加筋還能用來在極軟地基上建造路堤;加筋后路堤邊坡可以比未加筋時(shí)更陡。

5、防滲

一些土工合成材料具有相對(duì)低的透水(氣)性，可防止液體或氣體流動(dòng)和擴(kuò)散，發(fā)揮防滲作用或包容作用。例如，土工膜、復(fù)合土工膜、土工合成材料粘土襯墊(GCL)都具有很低的滲透性，可作為流體的防滲屏障。對(duì)于液體，無論是土體中的水，還是垃圾填埋場(chǎng)中的滲濾液，土工膜、復(fù)合土工膜和GCL的這種屏障功能，傳統(tǒng)上常稱為防滲作用。

土工合成材料始終是世界性的熱門話題，土工合成材料應(yīng)用量較大的工程主要有以下幾個(gè)方面：

1、水利建設(shè)工程

近些年國家對(duì)水利建設(shè)非常重視，東南沿海一帶水利工程及廣大的農(nóng)田水利建設(shè)一直不停地在進(jìn)行，現(xiàn)又進(jìn)一步向中西部發(fā)展。

歷年來水利工程都是土工合成材料應(yīng)用的最大市場(chǎng)而鄰水地區(qū)是土工合成材料銷量最大的市場(chǎng)。隨著各個(gè)地區(qū)的開發(fā)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)工程建設(shè)，土工合成材料用量也逐年增加。

2、環(huán)境工程

環(huán)境工程主要是進(jìn)行固體、液體、氣體廢料的處理和污染的防治等工作，同時(shí)要擴(kuò)大綠化面積改善生態(tài)環(huán)境。較大城市每天的生活垃圾有1.0～1.5萬t。生活垃圾的處理是每個(gè)城市都感到十分困難的問題，而且每個(gè)城市也不是靠建造大型垃圾場(chǎng)就能解決問題的。土工合成材料是垃圾堆場(chǎng)的建造可選的最佳材料。

環(huán)境綠化采用土工合成材料是當(dāng)前最佳方案，效果極佳，特別是立體綠化環(huán)境建造。屋頂花園采用復(fù)合土工材料最理想，既可防滲不使屋頂漏水，又可供植物用水，這一項(xiàng)目的開發(fā)有很大的發(fā)展前景。

3、防洪搶險(xiǎn)工程

洪澇災(zāi)害是我國范圍較廣、損失較大的自然災(zāi)害。全國各地每年都要耗費(fèi)大量的防汛經(jīng)費(fèi)和防汛物資。有的省、市和地區(qū)已將土工合成材料列為防汛搶險(xiǎn)備用物資，其用量非?？捎^。

1998年特大洪水期間土工合成材料在防洪搶險(xiǎn)中起了很大作用。國家領(lǐng)導(dǎo)對(duì)土工合成材料在防洪搶險(xiǎn)中的應(yīng)用也非常重視，并指示要首先在1998年開始的大修堤防工程中采用。這給土工合成材料的生產(chǎn)與應(yīng)用提供了良好的時(shí)機(jī)和美好的前景。

有些地區(qū)防汛墻雖未被洪水沖壞，但需要提高防汛、防洪標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步維修加固，因此土工合成材料在防洪搶險(xiǎn)工程中應(yīng)用潛力很大。今后應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)新型土工合成材料適應(yīng)防洪搶險(xiǎn)工程的要求。

4、其它工程

國內(nèi)將致力于發(fā)展中西部地區(qū)公路、鐵路工程，由東南沿海地區(qū)向內(nèi)地延伸發(fā)展。公路建設(shè)方面主要需要反濾材料和軟弱基礎(chǔ)處理材料。鐵路建設(shè)方面主要是利用非織造布解決路基翻漿冒泥等病害，效果很好，成功率可達(dá)90%以上。

利用排水帶作軟弱基礎(chǔ)加固及路基邊坡防護(hù)材料，也是當(dāng)前常見的土工合成材料的而應(yīng)用。目前鐵路向內(nèi)地延伸和提高車速，首先要改善路基穩(wěn)定條件，同時(shí)也要解決路基邊坡防護(hù)問題。這一切都需要各類土工合成材料。