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土工合成材料和技术在我国的发展与现状

王正宏

(北京工业大学)

        太沙基讲座(1984)和朗肯讲座(1991)主讲人、美国麻省理工学院J.K.Mitchell在最近的“岩土工程的新前沿-挑战与机遇”报告中指出:“20世纪50年代初,满足的仅是土木工程二级学科的岩土工程,……侧重于土力学及基础工程方面,……从那时起,岩土工程范围不断扩大,……岩土工程的分支学科也越来越多”。他列出了以往50年间大体按年代顺序排列的岩土工程主要的研究新领域及进展,其中在八九十年代就包括了“环境岩土工程、土工合成材料、土体加筋、……”。特别提及“土方工程、多种土工合成材料和复合材料,已几乎成为常规技术”。说明岩土工程已发展成为拥有许多分支学科与技术的大学科,土工合成材料就是其中的重要分支之一。
        以下针对该分支的发展和在我国的拓展及现状作一简单回顾。
1. 土工合成材料及其发展简史
        土工合成材料(geosynthetics)是以高分子聚合物为基础原材料制成的用于岩土工程的各类产品的统称,也指这些产品的工程应用技术。产品包括透水的土工织物、基本不透水的土工膜、土工复合材料和土工特种材料等四大类,品种有数百种之多。土工合成材料随化学工业聚合物的发展和工程拓展而兴起,其应用技术则依赖于岩土力学基本原理。该学科的创始人之一的Dr. Giroud,J.P.曾誉其为“可能是岩土工程历史上的一次重要革命”。
        土工合成材料开始应用的确切年代已难以考证。但从部分早期有里程碑意义的工程事例可窥其梗概。大约从上世纪30年代,聚氯乙烯(PVC)土工膜已被用于游泳池防渗;美国垦务局1953年开始用聚乙烯(PE)膜于渠道防渗;前苏联也较早地在渠系上铺设低密度聚乙烯(LDPE)膜;1992年意大利为修理1964年建成的高174m的Alpe Gera混凝土坝的渗漏,在坝面上游铺设了厚度为2.2mm的PVC膜。1958年美国佛罗里达州在海岸块石护坡下展铺土工织物作反滤护垫,迄今被认为是近代土工织物应用的发端。特别值得一提的,是荷兰1952-1953年遭遇特大风暴,造成重大生命财产损失,灾后启动著名的三角洲工程,据统计动用了早期的土工织物达1000万m2,大大推动了土工织物的发展。继后的1968年,荷兰又开发研制成双层土工织物缝制成的、用于护岸的混凝土模袋(fabriform)。
        1968年法国Rhone Poulenc公司首创无纺土工织物,可替代传统的砂砾料用作反滤层,使土工织物的应用领域广为拓展;20世纪80年代初英国Mercer发明了以聚合物制成的、至今仍为土加筋的最佳材料的土工格栅(geogrid)。70年代末,在早期瑞典Kjellman倡议的排水纸板(cardboard wicks)的基础上开发的塑料排水带(prefabricated strip drain),无需砂料,可替代砂井广泛用于加速软基排水固结。此外,以有纺织物制成的大直径(3~5m)、大长度(数十米至百米)的土工管袋(geotube),可以容纳疏浚泥沙、淤泥等物,脱水固结,形成的连续大体积条带土管袋,既可以作为岸边的防冲障墙,也可以建成河工丁坝、顺坝,乃至围垦造地,或兴建人工岛。20世纪80年代后期,荷兰、德国、法国、美国和日本相继以高强有纺土工织物或预制,或在开底船上制成大体积土工包(geocontainer,有的单个体积达到二、三千m3)容纳废弃物、疏浚土料等。封闭后,靠GPS定位系统运到指定水域开启船底投放,修成水下稳定平台、防波堤等,或控制海底侵蚀和建潜坝结构(Sill structure)等。为改善生态、保护环境,以热粘性树脂为原材料制成的各种三维土工网垫相继问世,可用于坡面植草,甚至光秃岩坡也能披上绿衣。当今环保问题受到高度重视,不仅防渗材料的土工膜及应用技术有了很大的改进,也促成了另一种防渗材料GCL(土工合成材料膨润土垫)的研制成功,广泛结合土工膜构成垃圾填埋场的防渗系统。近来逐渐推广至水工防渗,用于渠道、水池和人工湖景区等。
        土工合成材料有人称其为木材、水泥和钢筋之外的第四种主要建筑材料。它们的应用满足了解决岩土工程主要涉及的土体稳定、变形和渗流三大方面问题的需要。归纳起来,它们具有以下一些工程中经常要求处理的功能:(1)反滤功能;(2)排水功能;(3)隔离功能(例如铁道土地基与轨下道渣间铺放土工织物,即可避免道渣碎石压入地基或地基细土粒被吸入道渣,延长路基使用年限);(4)加筋功能(广泛被用于兴建陡坡,加固软地基和建造加筋土挡墙等);(5)防渗功能;(6)防护功能(例如江河湖海的防浪防冲,道路的防裂,岸坡及挡墙的防冻胀);(7)包容功能(利用该材料制成大容积包,管袋和小包、箱笼等,容纳散粒料筑造堤坝,围垦造地等)。
        一种土工合成材料常常具备多种功能,设计时固然应满足其主要功能,也需要兼顾其副作用。土工合成材料与土构成了复合土体,分析研究其应力-应变性状,主要以土力学、水力学和工程地质等原理为基础,结合考虑聚合物特性及其与土的相互作用。目前许多设计方法已取得共识,但由于复合体中材料共同工作的机理尚未被全部认识,部分验算模式犹待改进。
        为了技术交换与相互学习借鉴,国际土工合成材料学会(IGS)于1983年正式成立。其下尚有亚洲、欧洲、北美、南美等地区性学会。从1977年在巴黎召开第1届国际学术讨论会开始,继后基本上每四年举行一次国际讨论会,2006年9月在日本横滨举行了第8次会议。
2. 我国土工合成材料技术的进程与现状
        20世纪70年代末,党的十一届三中全会确定了划时代的“改革开放”政策,改变了我国长期与国外隔绝的局面,为对外科技交流开辟了畅通道路。经过了20余年,在生产单位、科研教学机构和产品制造厂家的共同努力下,特别是1984年底跨行业的“土工织物科技情报协作网”的成立,土工合成材料技术从开始与国际接轨,至今已建立起有相当规模的行业队伍,使科研、生产和应用都达到了一定水平。发展进程和现状可简介如下:
        1) 发展进程
        该技术在我国的进展可归纳为四个阶段。
        (1)自发应用时期
        早在20世纪60年代,山东打渔张灌区、河南人民胜利渠即采用塑料薄膜作渠道防渗,后推广用于蓄水池、水库等防漏;1965年辽宁桓仁水电站用沥青聚氯乙烯膜为混凝土支墩坝上游面止裂防漏;1976年江苏长江岸边的嘶马以扁丝土工织物结合混凝土块压重,制成软体沉排防治江岸冲塌;同一时期江都西闸,也以类似软体排解决了地面防冲问题。这一时期的特点,是个别工程应用该材料,既无一定规格的产品,也无定型的设计方法,纯属按既往岩土工程经验,群众性自发应用。
        (2)技术引进时期
        改革开放为国内外技术交流创造了机遇。20世纪80年代初,铁道科学研究院首先接受了美国杜邦公司赠送的20000m2的纺粘无纺土工织物,试用于治理铁道长期存在的翻浆冒泥病害,成功率达90%以上,该算是我国采用正规土工合成材料的开端。在进口产品启发下,由我国纺织院校的倡导,开始了迄今用途最广的针刺无纺织物的试生产。虽然当时已有美、奥、法等国的厂商常驻我国,但进口货价昂贵,加之外汇困难,大大促进了国产品的发展壮大。
        20世纪80年代初由日本引进了塑料排水带。天津一航局科研所、华东水利学院和天津航务局合作仿制了国产排水带。首先在塘沽新港东突堤应用达48万m2的面积,替代了袋装砂井。后来又发展了真空预压法。至1988年采用量超过1000万m。
        同一时期引进了土工模袋,首用于江苏泰州船闸引航道,由无锡毛纺织染厂将其国产化。1988年浙江海宁钱塘江口强涌潮区的水流流速为8.3m/s的情况下也用其作海塘护岸。后来该产品发展了铰链式模袋,可容许一定移动而适应地基变形。
        1983年又引进了加筋技术和加筋材土工格栅。到90年代中期,自行研究出国产化产品。
        80年代初还引进了低压排水、输水塑料管材,有地面软管和地埋式硬管,在我国北方水源紧缺地区得到迅速推广。
        在此期间,受国外技术和产品的启发,材料的制造、测试和应用研究以及设计均有较大的进展。研制成包括材料物理性、力学性、水力学性和耐久性诸方面的测试设备和规程,尽管规格相当不统一。在产品方面,除了少数特殊材料,大多已满足国内需要,研究成针刺无纺织物的加工工序和规格优选、PP编织物的防老化、防静电和防滑移,研制成材料的粘接剂等。研究了织物的孔径测定、反滤准则、路基翻浆冒泥机理与防治、织物切断土中毛细作用的探讨、道路的防裂、土工膜治理膨胀土、离心机试验研究和以有限元方法分析土体加筋等。在技术教育方面,多所重点高校开始培养土工合成材料硕士、博士研究生,开设该技术课程。从1984年底,出版不定期内部刊物“土工合成材料科技通讯”,迄今已发行182期。1986年在天津召开首届“全国土工合成材料学术会议”,有多位国外专家列席。以后的每四年一次举行全国会议,迄今已召开过6次。
        (3)组织建立时期
        1984年底,在时任河北省水利厅副厅长、水利专家刘宗耀同志的倡导和岩土界著名教授黄文熙、卢肇钧等的支持下,成立了“土工织物技术情报网”。继后,水利学会和水力发电学会下建立了相应的三级学组和二级专业委员会。由于土工合成材料技术有跨行业性质,故经过多年申请,终于经民政部批准,于1995年正式成立全国性的“中国土工合成材料工程协会”,由水利部领导。
        另外,早在1986年,我国即有三位代表参加了由国际土工合成材料学会IGS主办的、在维也纳召开的第三届国际土工合成材料学术会议。通过申请,IGS于1990年正式接纳我国为该组织的第6个国家会员国,建立了国际学会中国委员会(CCIGS),负责国际沟通和技术交流。
        在这一时期,土工合成材料的新产品开发和应用领域继续扩大,如引进土工管袋,用于环保作围堤;以土工袋取代草包用于防汛抢险;以土工膜作浅层(例如小于15m)垂直防渗幕代替混凝土防渗墙;以土工织物及玻纤网防止道路开裂;用EPS治理冻胀;借土工格室在沙漠地区筑路固砂,铺软式排水管改善软基,以及推广土工植被网改善环境与生态等,都取得有效成果。
        (4)步入标准化时期
        1998年是个不平凡的年份,当年广大军民战胜了历史上的特大洪水。时任总理的朱镕基同志在视察抗洪斗争中,目睹该材料在防汛抢险中发挥了显著作用,故在讯后多次书面指示中,要求在修复水毁堤坝工程中优先考虑该材料与技术,制定相应标准和将产品价格压低下来。由水利部率先编制了土工合成材料应用技术规范,结束了我国无标准的状态。继后,国家标准和铁路、公路、水运的行业技术标准随之发布;产品标准和材料测试标准紧随其后。1998年年底,土工合成材料及技术步入规范化时期。
        2) 现状概述
        迄今涉及该领域的基本情况如下:
        (1)组织:已建立全国统一的“中国土工合成材料工程协会”和“国际土工合成材料学会(IGS)中国委员会(CCIGS)”;尚有约8省市分别成立了省市协会;上海、浙江、四川、西北和东北诸地区均有分会。协会有约700余成员,国际学会有个人会员约100人。
        (2)生产厂家
        有300家以上。除个别产品外,已自足有余,还有少量出口。英、美、意、马来西亚等在我国有代理厂商。
        (3)技术标准
        已发布的有国标《土工合成材料应用技术规范(GB50290-98)》;水利水电、铁道、公路、水运等设计、施工标准约8种;产品标准约20种;测试标准约3种。
        (4)技术教育
        约从上世纪80年代中期,国内主要工科院校相继开设了土工合成材料选修课,已出版土木工程研究生系列教材《土工合成材料》(机械工业出版社,2005)。历年培养的博士、硕士研究生估计在200位以上。
        (5)学术活动
        从1986年在天津召开全国第一届土工合成材料学术会议以来,至2004年(西安)已举行过六届全国会议。两届年会之间尚有多次专题讨论会,每届年会均出版了会议论文集。
        由IGS主办的国际会议从1977年(巴黎)已举行过八届(横滨,2006)。我国从第三届(维也纳,1986)首派代表参加,横滨会议的中国代表有20余人,提交论文38篇。IGS已批准我国于2008年在上海主办第4届亚洲地区学术会议。
        (6)完建工程
        二十多年来,包括国家和有关部的示范工程,水利、电力、铁道、交通、建筑、机场等行业完成的土工合成材料工程已在3万项以上,因篇幅所限,仅将有代表性的部分项目说明如下:三峡二期围堰和福建水口水电站围堰以土工膜防渗;江苏新沂河堤基土工膜垂直防渗墙;多处垃圾掩埋场用土工膜和GCL防渗;青藏铁路用土工格栅加筋高含冰量冻土地区的路堤;达成铁路以土工格室结合混凝土夯扩桩整治轨下基床;上海长江口深水航道以土工织物等进行地基处理和建筑堤身;天津塘沽港以塑料排水带处理港区软基;天津港、昆明滇池利用土工管袋作围堰纳淤;南水北调拟以土工合成材料治理沿线的膨胀土问题等。
3. 展望与问题
        1) 发展前景
        (1)土工合成材料原材料来自煤、石油、天然气等副产品,料源丰富,工厂制造,善加利用可大大取代开挖土石方、砍伐树木等破坏生态之举,符合环保和可持续发展的建设大方向。
        (2)材料一定程度上可按人的意志生产,具众多功能,而且质量轻,运输方便,施工简便,耐久性好,价格低廉,是良好的建筑材料,有广阔发展前景。当今“十一五”计划工程、西部大开发、南水北调和社会主义新农村建设中都大有用武之地。
        2) 存在问题
        (1)全国虽已有统一的行业协会,毕竟是纯群众团体,权力有限,应适当授权使发挥必要作用,方能克尽指导与协调功能。
        (2)生产厂家过多,大小和技术力量相差较大,质量不一,普遍存在不合理低价竞争,产品质量难以提高,急需规范营销秩序,质量上档次,研发新产品,生产厂走向规模化。
        (3)完善技术、测试和产品规范。
        (4)加强科研和技术教育,特别是提高设计人员的水平。
        (5)力争开辟学术园地,创办技术学报。
参考文献
[1] 土工合成材料工程应用手册.第二版.北京:中国建筑工业出版社,2000
[2] 王正宏,王育人.中国土工合成材料二十年.地基处理,2005