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泪如潮涌;心中只有一个信念:愿远方的你幸福!
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标  题:『 土工合成材料应用的新进展及展望 』

作  者: 葛克成

时  间: 2005/1/16

前  言:

     土工合成材料应用的新进展及展望


正  文:

    土工合成材料应用的新进展及展望
    龚晓南 李海芳(浙江大学 建工学院 杭州 310027)
    [提要] 本文以Koerner的第32届太沙基讲座为基础,结合我国土工合成材料的实际应用情况,介绍了土工合成材料在工程中应用的最新进展及前景展望。
    引言
    土工合成材料技术自20世纪70年代引入我国以后,在水利、土建、交通和港口等领域得到了普遍的应用。本文以Koemer的第32届太沙基讲座[1],为基础,结合我国土工合成材料的实际应用情况,介绍土工合成材料在工程中应用的最新进展及前景展望。Koerner的讲座精选了土工合成材料应用的17个方面,他在土工合成材料应用领域划分上和我们国家的有所不同,但对土工合成材料在工程中应用最新进展的总结及前景展望没有影响。限于篇幅,本文略去Koerner讲座中的插图。
    进入90年代,设计模型(方法)和试验得到了发展,使得土工合成材料在许多应用实例中已经在技术上被接收。Koerner定义土工合成材料的安全系数为:
    FS=许可的性质/要求的性质
    式中,许可的性质可以由模拟实验得到,或通过指标实验乘以折减系数得到;要求的性质可
    以通过合适的设计模型(方法)得到。
    土工合成材料在土工技术中的应用
    1.加筋土坡
    土坡中加入土工合成材料(土工格栅或土工织物)可以将土坡填筑得更陡一些。就加筋功能而言,同针刺土工织物相比,土工格栅和有纺土工织物可以在较小的应变下发挥作用。针刺土工织物则具有土工格栅和有纺土工织物所不具有的土工合成材料平面内的透水性。因而,土工合成材料在加筋(低透水性土)土坡中的最新进展是
    (1)针刺土工织物与土工格栅叠合铺设,具有加筋和排水功能;或
    针刺土工织物与有纺土工织物叠合铺设结合,具有加筋和排水功能;或
    (2)土工合成材料作为土坡内排水系统(竖向和水平向)和土工格栅结合;或
    土工合成材料作为土坡内排水系统(竖向和水平向)和有纺土工织物结合。
    土工合成材料在加筋(低透水性土)土坡中的应用前景是将土工合成材料作为含有活性炭纤维的载体,使土工合成材料成为具有导水性的填充聚合物或金属纤维。从而,通过电泳、离子转移和电渗改善加筋区内细粒土的性质。
    Nettleton等1998年对以上概念进行了描述,目前正处于早期的研究和试验应用阶段。
    2.加筋土挡墙
    与加筋土坡类似,加筋土挡墙可以形成直立墙面。加筋可以是土工织物,但更多的是使用土工格栅。近10年的主要进展是在墙面系统上的不断改进,包括:
    土工合成材料包绕墙面系统;
    木制墙面系统; 焊接丝网墙面系统;
    堆叠筐笼墙面系统; 预制混凝土板(全高)墙面系统;
    现浇混凝土面板墙面系统; 预制混凝土(分单元)墙面系统;
    标准混凝土块(现称分块挡土墙)(SRWS)墙面系统。
    在以上所有的墙面系统中,分块加筋土挡墙的墙面一般采用干砌方式。经常会产生新型的面块、面块的新型细部设计和新型锚固方式。这种墙型现多用于较高的挡墙(达15米),以承受较大的超载(如铁路),或者加筋土挡墙面向水流(如小溪、河流等)。这种挡墙在地震区也表现出良好的性能。
    最有意义的是SRWS的新型面板块上设有向上的槽口,填土后,可以种植当地的植物。如果气候适宜,这种“活墙”可以遮挡干砌面板。
    土工合成材料在加筋土挡墙中的应用前景是在锚固区设置聚合绳、条带和锚具(或土钉),将墙面单元通过加筋体锚固在锚固区。实质上,这一概念在20世纪80年代在我国的加筋土挡墙上已经采用[2]。如果加筋土挡墙距岩体较近,也可以将锚具(或土钉)锚固在岩石上。
    3.土堤地基加筋
    20世纪70年代,美国工程师兵团采用高强土工织物加固土堤地基。其最终目的是减少软土地基上土堤的沉降。荷兰也是将该技术用于大面积填土的较早采用者之一。
    目前的进展是在土堤和地基之间设置加筋以减少不均匀沉降。如果土堤需要跨过地基中的孔洞,就所涉及的加筋抗拉强度而言,导致不均匀沉降的地基中孔洞的最大尺寸是最为关键的。
    土工合成材料作为土堤地基加筋的应用前景是寻找现场安装预应力加筋的方法。如果取得成功,经过应力松弛,该预应力可以减少变位的发生。
    4.混凝土坝防渗
    许多已建成的混凝土坝存在严重的缺陷。除了剥落和裸露钢筋外,工程上最为关心的缺陷是结构渗漏的增加。现行的方法是放空水库后,在混凝土坝的上游面粘贴土工膜。沿垂直方向每隔2米设一水平不锈钢槽,以夹紧土工膜。该方法的改善是先在混凝土坝上游面设置土工网格,然后将土工膜粘贴在土工网格上。设置土工网格的目的是收集渗过土工膜的水。土工膜用于该目的已有15年。据报道,它最早用于意大利,目前在全世界得到普遍的采用。
    这方面的最新进展是粘贴区域的处理。例如,在不放空水库或部分放空水库的情况下,由潜水员完成粘贴。在土工膜下面设置气泡系统,以防水库上游面的冰将土工膜刺坏。
    由于紫外线和氧化作用,土工膜的寿命受到限制。如遇高温,这些作用对大多数聚合材料的影响非常大。这方面的发展前景应是开发改善型的聚合材料,以提供寿命更长的土工膜。
    5.土坝防渗
    土工膜以及土工合成材料和粘性土形成的衬砌(GCL),已被用在土坝或土坝的上游面作为防渗体。土工膜应妥善防护,防止刺破,并妥善锚固。
    最新的发展是将该项技术用于碾压混凝土坝。在这种情况下,土工膜及铺于土工膜下面的土工织物在工厂被粘贴在混凝土板上。在现场,随混凝土坝升高,逐步进行安装。在现场,用土工膜条带对这种板进行粘贴。该项技术有效地减少了水平渗漏。
    将来的可能是将土工膜用于已建成的土坝的防渗处理上。利用膨润土泥浆护壁,在土坝内挖槽(如有必要,该槽应深入坝基)。土工膜置于槽的上游面。应小心地选择用于置换膨润土泥浆的回填土,使回填土本身能形成防渗层。
    6.隧道防渗
    现行的方法是将土工膜用于永久性混凝土里侧的防渗体,与针刺的、较厚的无纺土工织物一起,将水导人设在隧道底脚的排水出口,形成封闭的排水系统。
    然而,土工膜及其下面的土工织物的布置是很困难的。土工合成材料会从临时的护顶下垂,在永久性混凝土衬砌施工时容易遭到破坏。因此,现在的进展集中在施工方法的改进上。土工合成材料应和永久性混凝土衬砌同时施工,以避免在永久性混凝土衬砌施工时损坏土工合成材料。
    将来的发展是开发寿命在100年以上的土工合成材料,以抵抗隧道周围的不利环境。因而,施工方法的改进和材料的寿命是最关心的问题。
    土工合成材料在交通工程中的应用
    1.改善道路
    有许多方法将合成材料用于道路的断面上,其目的是使道路具有更好的性能和更长的使用期,或两者兼有。将土工织物和土工格栅用于道路的不同部位时,土工合成材料的功能为:
    土工织物用于路堤和路基的隔离和加筋;
    土工格栅用于路堤和路基的加筋;
    土工格栅用于路堤内部的侧向加筋。
    该方面的最新进展是在路基施工过程中加入连续纤维。类似的,微网格也可以用于路面的铺设中。已有人进行过这方面的室内和现场试验。迄今,最大的成功是将分散的纤维(典型的有聚丙烯)应用于碎石路基中。
    将来的发展是用土工合成材料处理路基中的孔洞。该方法先在孔洞中设置灯芯排水,在灯芯排水上铺设针刺无纺布,然后用纤维加筋土回填。该方法很有前途,有待现场试验。
    2,无沟槽管道维修
    城市的基础设施在不断地老化,建筑材料也有数百年的历史。采用无沟槽技术维修是正在兴起的行业,而且都采用了聚合材料。
    由于现行的方法都减小原有管网的尺寸,现在的进展是用高压的探头挤坏原有的管道,以扩大直径。然后,迅速插入新管道并衬砌。这样,原管道的能力不降低。有些情况下,还扩大了管道的直径。
    现行的无沟槽管道维修面临的困难是不能形成侧向接触,形成了侧向自由渗漏点。将来,这一困难可能采用开切系统内遥控装置来解决,它不但能穿过新管道,还能通过跟随的机器人实现完善的侧向接触。
    3.水土保持系统
    水土流失影响土地和农田的使用,也是水污染的原因之一。为了控制、减轻和避免土的流失,许多与土工合成材料有关的水土流失控制方法被采用。
    水土流失控制材料的现在进展是用长钉(长达3米)加固松软土坡。
    将来可能的发展是用高强土工合成材料网格(高强土工织物或土工格栅)防止雪崩。问题的关键是估计网格和锚固材料的受力、位置和布置,以及在非常气候环境下的超载感应。
    土工合成材料在水利工程方面的应用
    1.渠道衬砌
    美国垦务局从20世纪50年代开始试验用土工膜进行渠道防渗衬砌。他们取得了较大的进展,几乎在所有的渠道上都采用土工膜衬砌。许多国家也采用该方法。然而,土工膜总是由土(在人口稀少的地区)或混凝土(在城镇地区)覆盖,用沟槽或夹条将土工膜和渠道非淹没区连接、锚固。
    现在的进展是在有流体通过的同时进行衬砌,在试验段上迅速铺设土工膜、土工织物和早强混凝土。该混凝土能很快获得初始强度而稳定,然后结硬。该法特别适用于水流无法改道或有害液体流过的渠道。
    将来的发展是能在无覆盖的条件下使用较强的土工膜。美国垦务局在20个不同的试验段对较厚的、有组织结构的土工膜进行了试验。然而,该试验需历时10年以上,对这种方法的优点、造价估计将是最为关注的。
    2.土工织物管用于防止水土流失
    土工织物管是用高强纤维制成,是在为海岸和内地水土流失提供防护方面发展的一项技术。现在已经有采用直径达3米的有纺或编织的土工织物管,在长度上没有限制,只是充填和处理上的困难需要考虑。充填方法是通过泵将水砂混合体压人土工织物管。由于内壁阻力,一般每10米设置一个进口。常常采用一个小直径的土工织物管,在大土工织物管的上游侧将其锚固。一般情况下,需要用土覆盖,以防紫外线照射或人为破坏。
    现在的进展是正在寻求一种能暴露20天左右的高强纤维。这可能需要一种组合纤维,它应能随现场的不利环境,因为在现场有粗角砾和贝壳类的填料。
    将来的发展是开发一种内壁阻力较小的管材,使水砂混合体能被输送的更远。但仅仅降低内壁阻力是不够的,因其可能阻碍纤维的排水,使水砂混合体中的水无法通过土工织物排出。因而,理想的内壁是低摩擦、多孔隙。这需要织物工程师和厂家进行发明。考虑到排水,纤维的孔隙率也是关键的一面,它也是将来发展的一个课题。
    3.弃置土的土工织物容器
    土工织物容器相当于长度有限的土工管(比如,长度小于15米),用来包裹、运输或存贮河道、港口和三角洲的沉积物。将高强土工织物铺在底部抛放的驳船上,充填弃置土后,用土工织物将弃置土包裹并缝织土工织物。运达抛放地点后,将驳船底部打开,整个土工织物容器和充填弃置土一起沉入水底。这种方法很快被河道和港口当局接收。
    可以想象,最新的进展是将这些充满弃置土的土工织物容器堆积起来,在其上游一侧发展另外的存贮区域。甚至可以想象把堆积后的容器集中封闭起来,尤其是对有害的弃置土。封闭物可以采用土工织物排。实质上,在地面正是这样处理的,在水下也完全可以这样做。
    这项技术的将来发展是建立一个水下结构或水下活动场所。然而,上部结构需要进一步研究。
    4.水产养殖区域衬砌
    土工膜作为池塘的衬砌,以便养殖贝类及其它水产品,已经司空见惯,现在正在不断地发展。
    现在的进展是用于这种目的的土工膜有一坚固的保护面,以防止使用和维修过程中的损坏。因而,土工膜应选择较厚的(比如,厚于2.5毫米)编织的土工膜。
    这项技术将来的发展是开发土工膜新品种,添加剂可以包括营养、防污染和防氧化等目的。
    土工合成材料在环境土工中的应用
    1.弃置场的衬砌系统
    美国环保局于1982年规定的采用土工膜作为弃置场的衬砌系统得到了普遍的响应。自此,开发了3种方式的衬砌:
    *双衬砌层,具有渗漏监测功能
    *组合衬砌(土工膜及其下部的粘土层)
    *土工合成材料及粘土衬砌(GCL)
    这些封闭系统对保护地下环境非常有效。
    目前,在美国,100%的有害的和24%的城市垃圾弃置场要求双层衬砌系统;
    在世界上,58%的有害的和14%的城市垃圾弃置场要求双层衬砌系统。
    尽管这种衬砌系统提供了长期的封闭(高密度聚乙烯土工膜半生命期为数百年),但不是永久性的。渗漏循环的概念是在填土技术方面的新进展。渗漏出的物质被重新导入弃置物,以加速弃置物的降解,提高气体的产生量。已开过这方面的会议一次。在美国至少有30个,在世界上有更多的弃置场,采用该技术。目的是在更短的时间内降解弃置物。另一种方法是需氧降解,这需要在循环过程中加入空气。这样,降解的速度会加快,但没有气体产生。
    将来的发展是渗漏物循环的同时,进行开采处理。渗漏物可以通过土工合成材料排水系统(比如预制竖直排水)注入。这种概念目的是创建永久性的弃置场。将整个弃置场划分为几个单元,逐个单元顺序充填。通过渗漏体循环(需氧或厌氧)降解,原来的弃置物就可以在一定的时间内被开采,制作肥料、覆盖物等有益用料。这种方法允许衬砌系统被监测、修理,甚至更换。从而,如果弃置物的来量不变,可以创建一个永久性的弃置场。这一概念常有吸引力的,在土地奇缺的地区正在得到研究。
    2.弃置场封盖系统
    弃置场封盖系统通常采用组合防渗体(即土工膜和GCL或压实粘土衬砌),其上是排水系统,其下是气体收集系统。
    最近的进展(在许多大型的弃置场已经采用)是收集气体并转化为能源。这种能源一部分被用做现场设施的动力,其余转售给地方动力部门。气体的收集可以通过封盖系统下的收集系统或深井收集系统实现。
    关于大型弃置场的最终封盖系统的用途,有以下方面值得探讨:
    *长跑和自行车训练基地*运动会场所
    *高尔夫球场*仓库区和轻工业区
    *艺术品观赏区。
    3.弃置场的垂直防渗
    由于弃置场的范围和性质的未知性,环保的策略往往是用垂直防渗体将弃置物包围起来。尽管大多数垂直防渗体是由回填土组成,在其上游一侧增设土工膜可以作为附加的环保措施。即在沟槽的上游一侧铺设土工膜后,再回填透水性较低的土料(土和膨润土或土和粉煤灰)以形成组合防渗体。有许多方法铺设土工膜,可以板材或卷材的方式进行铺设。
    最新的进展是在土工膜上开设出口,收集渗漏体并予以处理。可以预先确定渗漏体的滞留时间,以便得到充分地处理。
    将来的进展是设置双层垂直防渗墙系统,以便附有渗漏检测的功能。可以将土工网或、砂用于渗漏监测系统。后一种方法类似于维也纳的双墙系统。
    4.弃置场的底部衬砌
    弃置场和顶部和侧面系统建成后,另一个棘手的问题是弃置场的底部衬砌。这确实是一个需要解决但又很难解决的问题,因为可能产生侧向和向下的污染。如果垂直墙不能达不透水层,污染的深度是非常大的。目前还没有有效的方法来进行已建弃置场的底部衬砌。
    现在的进展是在弃置场下进行灌浆,但需钻透未知的弃置场,因此会带来负面效应。另一种方法是从侧面斜向灌浆。这两种方法产生的底部衬砌的连续性是令人怀疑的。
    将来的发展是在弃置场的侧面开挖一长墙,再将弃置场底部水平挖空,以便水平地铺设连续的土工膜层。这个建议已提交美国矿务局。该项技术是在弃置场的底部水平地铺设组合土工膜或GCL衬砌,并允许上部弃置物塌落或用土工织物管支撑。这样,底部衬砌、垂直墙和顶盖系统将完全包裹弃置场,是最理想的结果,也说明土工膜和GCL在特殊的弃置场能起到安全的环境保护作用。
    
    参考文献
    1 Robert M.Koerner(2000)."Emerging and Future Development of Selected Geosynthetic Appllcalions."J.Geoteoh.And Geoenvir.Eagrg,ASCE,126(4),293—306.
    2李海芳,对现有几种加筋土挡墙设计方法的评述及模型试验研究,华北水利水电学院北京研究生部硕士论文,1988。
    
    

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