【文章內(nèi)容簡介】 料抗拉強度的損失或延伸率的變化等。　三、部分現(xiàn)場觀測成果　　以下是一些實際工程中土工合成材料經(jīng)長期工作后的檢測結(jié)果?！—?1)1958年，美國佛羅里達州海岸護坡首先用PVC織造型土工織物作墊層，27年后取樣試驗，其性能仍十分良好?！—?2)1965年，中國水利水電科學(xué)研究院在北京東北旺農(nóng)場用PVC土工膜(～)鋪在渠道上作防滲試驗，埋在土下30～40cm，運行20年后仍保持良好防滲性?！—?3)1970年，法國法拉克羅斯土壩用滌綸(聚酯)非織造土工織物作護坡墊層，運行6年后取樣測定，抗拉強度僅減小8％。法國許多工程采用這種織物，運行12年后，絕大部分強度損失不到30％?！　?4)1981年，葛洲壩水力發(fā)電工程二江泄水閘基礎(chǔ)按長江委長科院的研究成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、滌綸織造土工織物的組合體作為基巖排水孔的過濾體。運行15年后抽樣檢測，～，其經(jīng)向強度僅下降4％～％，％～％?！　?5)西德漢諾威大學(xué)的試驗表明，在有防護條件下，運行15年，滌綸織物強度損失不到5％，丙綸織物強度損失不到10％。而且老化速度隨時間明顯減緩?！—¤b于土工合成材料在工程應(yīng)用中具有一定的抗老化能力，故有些國家的某些文件中對其使用年限作了較為寬限的規(guī)定，如前蘇聯(lián)BCH0774《土石壩應(yīng)用聚乙烯防滲結(jié)構(gòu)須知》中規(guī)定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超過50年的建筑物。奧地利林茨公司發(fā)表的“聚丙烯土工合成材料的長期性狀”一文中的結(jié)論寫道：“對聚丙烯的15年以上的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗表明，它們的化學(xué)和生物穩(wěn)定性高；織物的最大損壞是在施工中；鋪設(shè)以后沒有大變化；……可預(yù)期超過100年的穩(wěn)定性”。　綜上所述，根據(jù)經(jīng)驗和合理推論，一般認為土工合成材料的使用壽命至少在30年以上。事實上，英國NETLON公司對其產(chǎn)品的設(shè)計年限是120年。第四節(jié) 土工合成材料的性能和測試方法一、土工合成材料性能指標(biāo)的分類土工合成材料被廣泛應(yīng)用于水利和巖土工程的各個領(lǐng)域。不同的工程對材料有不同的功能要求，并因此而選擇不同類型和不同品種的土工合成材料。為使土工合成材料在施工期和運用期能正常工作，必須有合理的設(shè)計方法和使用規(guī)范，統(tǒng)一的設(shè)計指標(biāo)，并通過實驗驗證。土工合成材料的指標(biāo)一般可分為物理性能指標(biāo)、力學(xué)性能指標(biāo)、水力性能指標(biāo)、土工合成材料與土相互作用指標(biāo)及耐久性指標(biāo)等。下面逐一加以簡單介紹。　(一) 物理性能指標(biāo)單位面積質(zhì)量，系1平方米土工織物的質(zhì)量，稱為土工織物的基本質(zhì)量，單位為g/m2。它是土工織物的一個重要指標(biāo)。對于任何一種系列產(chǎn)品來說，土工織物的單價與單位面積質(zhì)量大致成正比，其力學(xué)強度隨質(zhì)量增大而提高。因此，在選用產(chǎn)品時單位面積質(zhì)量是必須考慮的技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)?！—　—≈竿凉た椢镌?kPa法向壓力下，其頂面與底面之間的距離，單位為mm。土工織物厚度隨所作用的法向壓力而變，規(guī)定2kPa壓力表示土工織物在自然狀態(tài)無壓條件下的厚度。由圖112可見不同類型土工織物的壓縮量差別很大，其中針刺非織造土工織物的壓縮量最大。因此，當(dāng)考慮非織造土工織物水力特性時，必須注意到上覆壓力變化使水力特性變化的特點?！—?．孔隙率定義為非織造土工織物所含孔隙體積與總體積之比，以百分數(shù)(％)表示。該指標(biāo)不直接測定，由單位面積質(zhì)量、密度和厚度計算得到?？砂聪率接嬎鉵p=1（M/ρδ） （11） 圖112不同類型土工織物壓縮量 式中：np為孔隙率，％；M為單位面積質(zhì)量，g/m2；ρ為原材料密度，g/m3；δ為厚度，m。　　土工織物常用原材料的密度為：，～，～，～，～。　　孔隙率與厚度有關(guān)，所以孔隙率也隨壓力增大而變小?！　∮袝r織造和非織造土工織物的孔徑和滲透系數(shù)很接近，但不能認為兩者水力性能相似。非織物土工織物的孔隙率遠大于織造土工織物，因此其具有更好的反濾和排水性能。(二) 力學(xué)性能指標(biāo)針對土工織物在設(shè)計和施工中所受荷載性質(zhì)不同，其力學(xué)強度指標(biāo)分為下列幾種：抗拉強度、握持強度、撕裂強度、脹破強度、 CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度等。在前3項試驗中，試樣為單向受力，其縱向和橫向強度需分別測定；而后4項試驗中，試樣為圓形，承受軸對稱荷載，縱橫雙向同時受力。在上述眾多力學(xué)指標(biāo)中，最基本的是抗拉強度。　抗拉強度也稱為條帶法抗拉強度，為單向拉伸?？v向和橫向抗拉強度表示土工織物在縱向和橫向單位寬度范圍能承受的外部拉力，單位為kN/m。對應(yīng)抗拉強度的應(yīng)變?yōu)橥凉た椢锏难由炻?，用百分?shù)(％)表示?？估瓘姸仁橇W(xué)性能中的重要指標(biāo)。在各種功能的應(yīng)用中對抗拉強度都有一定的要求。當(dāng)用于加筋和隔離功能時，抗拉強度是主要的設(shè)計指標(biāo)，而在排水和反濾功能的工程中，抗拉強度雖不是主要指標(biāo)，但由于鋪設(shè)過程中會受到扯拉、頂壓、撕破等各種施工荷載，運用過程中也可能因建筑物變形而受拉，所以對強度也有一定要求。　握持強度表示土工織物抵抗外來集中荷載的能力，試驗時僅1/3試樣寬度被夾持，進行快速拉伸。土工織物對集中荷載的擴散范圍越大，則握持強度越高，單位為N。　撕裂強度表示沿土工織物某一裂口將裂口逐步擴大過程中的最大拉力，單位為N。　、 CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度　這四個強度的試驗都表示土工織物抵抗外部沖擊荷載的能力，其共同特點是試樣為圓形，用環(huán)形夾具將試樣夾住；其差別是試樣尺寸、加荷方式不同，各試驗示意圖見圖113。不同頂桿尺寸模擬不同頂壓物，如塊石、樹枝等。脹破強度單位為kPa，其他3項強度單位為N。此外，落錐強度也屬此類，其試樣尺寸與CBR相同，試驗時一個重1kg的圓錐自50cm高處自由落下，測定試樣被刺破的孔洞尺寸，單位為mm，該試驗重復(fù)性較差。　除抗拉強度外，其他各力學(xué)強度指標(biāo)直接用于設(shè)計的情況還不多見，它們主要是做為參考指標(biāo)，根據(jù)工程實際情況，便于對產(chǎn)品進行比較和選擇?！—。ㄈ┧π阅苤笜?biāo)　　水力性能指標(biāo)主要為等效孔徑和滲透系數(shù)，是土工織物兩個很重要的特性指標(biāo)。由于土工織物是與土共同工作的，對織物的基本要求是既能保土又能排水，這就要求土工織物的孔徑很小(能擋住土)而排水又很通暢，兩者看來是有矛盾的，而土的多變 圖113 頂破類試驗示意圖（a）脹破試驗；（b）頂破試驗（c）圓球頂破試驗；（d）刺破試驗 性更增大了問題的復(fù)雜性。某一土工織物對這種土是合適的，而對另一種土未必也是合適的。目前常用保土準(zhǔn)則和透水準(zhǔn)則來選擇土工織物的等效孔徑和滲透系數(shù)，即將土工織物的等效孔徑和土的特征粒徑建立關(guān)系式，同時將織物的滲透系數(shù)與土的滲透系數(shù)建立關(guān)系式，以求達到既保土又排水的目的。保土準(zhǔn)則和透水準(zhǔn)則由實驗得到。由于實驗時控制的條件不同，得到的準(zhǔn)則也有差異?？砂淳唧w情況選擇準(zhǔn)則，有條件進行模擬實驗則更好。鑒于目前仍以保土和透水作用做為選擇土工織物反濾層的準(zhǔn)則，因此等效孔徑和滲透系數(shù)兩個水力特性指標(biāo)是反濾和排水功能中的重要指標(biāo)。(表現(xiàn)孔徑)以土工織物為篩布，用某一平均粒徑的玻璃珠或石英砂進行振篩，取通過土工織物的過篩率(通過織物的顆粒質(zhì)量與顆粒總投放量之比)為5％(留篩率為95％)所對應(yīng)的粒徑為織物的等效孔徑O95，表示該土工織物的最大有效孔徑，單位為mm。用同樣的步驟，則相應(yīng)得到O8 O50和Ol5的孔徑值。土工織物的孔徑分布曲線形狀與土的顆粒分布曲線相似，見圖l14?！—　　〈怪睗B透系數(shù)為水力梯度等于l時，水流垂直通過土工織物的滲透速率，單位為cm/s。透水率為水位差等于1時的滲透速率，單位為1/s 圖114 孔徑分布曲線 水平滲透系數(shù)為水力梯度等于1時水流沿土工織物平面的滲透速率，單位為cm/s。導(dǎo)水率為沿土工織物單位寬度內(nèi)的輸水能力，單位為cm2/s。(四) 土工織物與土相互作用性能指標(biāo)　—織物界面摩擦系數(shù)　　埋在土中的土工織物，通過土—織物界面摩擦力將外荷傳遞至土工織物，使土工織物承受拉力，形成加筋土。工程實例有加筋土擋墻、堤基加筋墊層等。按試驗方法可分為直剪摩擦系數(shù)和拉拔摩擦系數(shù)?！　?織物滲透特性　土—織物聯(lián)合應(yīng)用時，如何使土工織物能長期保持良好的保土及排水性能，不發(fā)生淤堵，目前還沒有滿意的理論準(zhǔn)則。為判斷織物是否會發(fā)生淤堵，可進行長期淤堵試驗或梯度比試驗，前者試驗歷時達500～1000h，后者需測試24h或更長。兩種試驗都還存在一些問題，有待積累經(jīng)驗逐步改進?！　?五) 耐久性能指標(biāo)　耐久性能指標(biāo)主要有耐磨、抗紫外線、抗生物、抗化學(xué)、抗大氣環(huán)境等多種指標(biāo)。大多沒有可遵循的規(guī)范、規(guī)程。一般按工程要求進行專門研究或參考已有工程經(jīng)驗來選取?！—?六) 有關(guān)土工合成材料功能、設(shè)計指標(biāo)種類及其品種的考慮在表13中列出了土工合成材料用作不同功能時，其常用的設(shè)計指標(biāo)種類和通常選用的材料品種。二、測試方法　　(一) 試驗操作和資料整理時應(yīng)泣意和遵守的事項　　每項試驗一般剪取6～10個試樣，應(yīng)從卷材長度和寬度方向上隨機剪取樣品，距卷材邊緣不小于100mm。同一項試驗的各試樣應(yīng)避免它們位于卷材同一縱向或橫向位置上。　表13 不同功能常用土工合成材料品種和設(shè)計指標(biāo)種類 功能 土工合成材料性能指標(biāo) 常用主要土工合成材料品種 單位面積質(zhì)量 厚度 抗拉強度 延伸率 孔徑 滲透系數(shù) 隔離 　▲ ○ ▲ ▲ △ △ 織造土工織物，土工網(wǎng)復(fù)合土工織物 排水 ▲ ▲ △ △ ▲ ▲ 　非織造土工織物，復(fù)合非織造土工織物 加筋 ▲ ○ ▲ ▲ △ △ 　織造土工織物，土工格柵、土工帶、復(fù)合土工織物 反濾 ▲ ▲ △ △ ▲ ▲ 　非織造土工織物，復(fù)合非織造土工織物 防護（模袋） ▲ △ ▲ △ ▲ ▲ 　土工模袋 防滲 ▲ ▲ ○ ▲ 　 ▲ 　土工膜、復(fù)合土工膜 注 1.▲.為主要指標(biāo)； △為次要指標(biāo)； ○為不重要指標(biāo)。 。 大多數(shù)織造或非織造土工織物在測試時對試驗室無溫濕控制要求，只要記錄試驗時溫度和濕度即可。而一些對溫度較敏感的土工合成材料，如土工格柵、土工網(wǎng)等，試驗前應(yīng)對試樣進行調(diào)濕，即將試樣在溫度為20土2℃和濕度為65土5％環(huán)境中靜置24h以上，然后在該環(huán)境下試驗。　在力學(xué)指標(biāo)試驗中離不開夾具，單向拉伸用扁夾具，圓形試樣用環(huán)形夾具。都要求夾具能均勻可靠地夾住試樣，應(yīng)能防止試樣在鉗口內(nèi)打滑，且不會被夾壞。當(dāng)有打滑或夾壞現(xiàn)象時應(yīng)采取下列措施：①鉗口內(nèi)加襯墊；②鉗口內(nèi)試樣用涂料加強；③改進鉗口面。在試驗過程中應(yīng)隨時觀察夾具邊緣試樣是否有打滑或局部損壞現(xiàn)象。任何打滑、夾壞或局部損壞現(xiàn)象均將大大降低測試結(jié)果。(1)按式(12)計算全部測試值的算術(shù)平均值。 （12） 式中：n為試驗次數(shù)；Xi為第i塊試樣的測試值；為n塊試樣測試值的算術(shù)平均值。 　計算時應(yīng)將全部測試值進行平均，除操作不當(dāng)?shù)脑囼灲Y(jié)果可剔除，并增補試樣測定外，其他所有試驗結(jié)果均不得剔除?！—?2)按式(13)計算變異系數(shù)Cυ。 (13) 式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；為算術(shù)平均值。按式(14)計算標(biāo)準(zhǔn)差σ （14） 式中符號意義見式(12)。Cυ反映樣品的均勻程度。當(dāng)樣品很不均勻，測試值變化范圍較大，Cυ就大，平均值的代表性就差。增加試樣數(shù)量，平均值更具代表性，同時Cυ下降?！—?3)按式(15)計算所需要的試樣塊數(shù)nN。nN= (15) 式中：Cυ為變異系數(shù)，％；nN為由Cυ值確定的試樣塊數(shù)。　上式表明了試樣個數(shù)與Cυ 的關(guān)系。土工織物均勻性越差，要求試樣的數(shù)量就越多。非織造土工織物均勻性比織造土工織物差些，因此前者的試驗通常取10塊試樣，而后者可取6塊。對于同一等級的兩個產(chǎn)品，由Cυ值可比較兩者的均勻性?！　?二) 幾項主要試驗測定方法的一些問題　關(guān)于土工合成材料各項指標(biāo)的測定方法可參閱有關(guān)的規(guī)程規(guī)范，這里只對幾項測定技術(shù)比較復(fù)雜的項目作些說明。(干篩法)中的幾個問題(1)振篩用的顆粒材料，按標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑分級如下：～，～，～。(2)需測定孔徑分布曲線時，應(yīng)取得不少于3～4級連續(xù)分級顆粒的過篩率，并要求試驗點均勻分布。若僅測定等效孔徑O95，則有兩組的篩余率在95％左右即可。　(3)孔徑試驗有干篩法、濕篩法、顯微鏡直讀法、水銀壓入法等，不管哪個方法都存在一些問題。最近國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)及我國國標(biāo)(GB)都規(guī)定孔徑試驗采用濕篩法。但實際應(yīng)用中國內(nèi)和國外都普遍采用干篩法?！—?4)孔徑曲線的縱標(biāo)為篩余率。由于篩余量包括了留在織物上面和嵌在織物內(nèi)的顆粒，因此是不容易直接測準(zhǔn)的，而過篩量可以準(zhǔn)確測定，所以通常測定過篩量，計算篩余率。　(1)目前國內(nèi)試驗室大多采用窄條試樣，即試樣寬50mm、長100mm。國際上大多采用寬條試樣，試樣寬200mm、長100mm。這兩種試樣的試驗方法相同，但寬條試樣試驗要具備一對實際有效寬度為210mm的夾具，試驗荷載相應(yīng)增大，操作技術(shù)也復(fù)雜一些。目前國際上只認定寬條法試驗成果，為此國內(nèi)有關(guān)部門還需不斷改進設(shè)備、提高操作技術(shù)，逐步過渡到寬條法?！—?2)拉伸過程中應(yīng)記錄拉力 伸長量曲線。目前設(shè)計往往要求提供某一應(yīng)變時的抗拉強度，有時要求提供初始模量，兩者都由拉力 伸長量曲線上獲得。(3)握持試驗和撕裂試驗的方法與條帶拉伸試驗方法相似，僅夾持方法不同。握持和撕裂試樣如圖115所示，圖中陰影線部分為夾持部分。由圖可知，握持試驗夾持面積(長寬)為50mm25mm，撕裂試驗夾持寬度為84mm。兩試驗拉伸速率為100mm/min。拉伸過程中最大拉力即為握持強度或撕裂強