第12章土工合成材料課件

1、第12章土工合成材料課件主要內(nèi)容12.1 概述12.2 土工合成材料的分類12.3 土工合成材料的特性指標12.4 土工合成材料的主要功能12.5 設計計算12.6 施工技術(shù)12.1 概述 土工合成材料是各種由聚合物制成的土工產(chǎn)品的總稱，是由煤、石油、天然氣等原材料制成的高分子聚合物通過紡絲和后處理制成纖維，再加工而成應用于巖土工程領域的建筑材料。 常見的這類纖維有：聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、聚氯乙烯纖維等等。12.2 土工合成材料的分類土工合成材料分14種產(chǎn)品:1)織造（有紡）土工織物2)非織造（無紡）土工織物3）土工膜4）土工格柵5）土工帶6）土工格室 7）土工網(wǎng)8）土

2、工模袋9）土工網(wǎng)墊10）土工塑料排水帶11）土工織物膨潤土墊12）聚苯乙烯板塊13）玻纖網(wǎng)14）土工復合材料 一、物理特性1.相對密度 指原材料的相對密度（未參入其他原料）。2.單位面積質(zhì)量 指1m2土工織物的質(zhì)量，由稱量法確定。常用土工織物的單位面積為100-1200g/m2。3.厚度 指壓力2KPa時其底面到頂面的垂直距離，由厚度測定儀測定。12.3 土工合成材料的特性指標二、力學特性1.壓縮性 土工織物厚度隨法向壓力變化的性質(zhì)為該材料的壓縮性。厚度與滲透性有關，故也可求得不同法向壓力下的滲透系數(shù)。2.抗拉強度 指試樣受拉伸至斷裂時單位寬度所受的力。常用的無紡型土工織物的抗拉強度為10-3

3、0KN/m，高強度的為30-100KN/m；最常用的編織型土工織物為20-50KN/m，高強度的為50-100KN/m；一般的土工格柵為30-200KN/m，高強度的為200-400KN/m。3.撕裂強度 反應了土工合成材料的抗撕裂的能力，最常用的測試方法為梯形法。4.握持拉伸強度 這也是一種抗拉強度，它反應土工合成材料分散集中的能力。試驗方法與條帶拉伸試驗類似。5.頂破強度 反應了土工合成材料抵抗垂直于其平面的法向壓力的能力。測定頂破強度方法：a.液壓頂破試驗；b.圓球頂破試驗；c.CBR頂破試驗。6.刺破強度 反應土工合成材料抵抗帶有棱角的塊石或樹桿刺破的能力，測試方法與圓球頂破試驗相似。

4、7.穿透強度 反應具有尖角的石塊或銳利物掉落在土工合成材料上時，土工合成材料抵御掉落物穿透作用的能力。采用落錘穿透試驗進行測定。8.摩擦系數(shù) 該指標是核算加筋土體穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)，反應了土工合成材料與土接觸界面上的摩擦強度?？刹捎弥苯蛹羟心Σ猎囼灮蚩拱文Σ猎囼炦M行測定。三、水理性特性1.孔隙率（n) 指土工織物中的孔隙體積與織物的總體積之比，以百分數(shù)表示。其大小影響土工織物的滲透性和壓縮性。2.開孔面積率（POA） 指土工織物平面的總開孔面積與織物總面積的比值，以百分數(shù)表示。一般產(chǎn)品的POA=4%-8%，最大可達30%以上。POA的大小影響織物的透水性和淤堵性。3.等效孔徑（EOS） 土工織物

5、有不同大小的開孔，孔徑尺寸用符號“O”表示。 EOS是用土工織物作濾層時選料的重要指標。4.垂直滲透系數(shù)（kv) 指垂直于織物平面方向上的滲透系數(shù)，用cm/s表示。它是土工織物用作反慮或排水層時的重要設計指標。5.水平滲透系數(shù) 土工合成材料用作排水材料時，水在聚合物內(nèi)部沿平面方向流動，在土工合成材料內(nèi)部孔隙中輸導水流的性能可用土工合成材料平面的水平滲透系數(shù)或?qū)剩橥凉ず铣刹牧掀矫鏉B透系數(shù)與聚合物厚度的乘積）來表示。四、耐久性和環(huán)境影響 耐久性和環(huán)境影響是反映材料在長期應用和不同環(huán)境條件中工作的性狀變化。1.抗老化 指高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受內(nèi)外因素的影響，使其性能逐漸變壞

6、的現(xiàn)象，老化是不可逆的化學變化。2.徐變性 指材料在長期恒載下持續(xù)伸長的現(xiàn)象。12.4.1土工合成材料的工程應用一、反濾作用 將土工合成材料鋪放在上游面塊石護坡下面，可起反濾作用和隔離作用（如下圖）；12.4 土工合成材料的主要功能 同樣也可鋪放在下游排水體周圍起反濾作用，以防止管涌。 也可鋪放在均勻土壩的壩體內(nèi)，起豎向排水作用，這樣可有效地降低均質(zhì)壩的壩體浸潤線，提高下游壩體的穩(wěn)定性，滲透水沿土工合成材料進入水平排水體，最后排至壩體外。二、排水作用 具有一定厚度的土工織物具有良好的三維透水性，利用這一特性除了可作透水反濾層外，還可使水經(jīng)過土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，構(gòu)成水平排水層。

7、 圖（a）為土工合成材料與其他排水材料共同構(gòu)成排水系統(tǒng)，加速填筑土體的排水固結(jié)過程。 圖（b）為擋土墻在填土之前，將土工合成材料置于擋土墻后再填土，這樣既可將水排出，又不會把土顆粒帶走。 圖（c）為降低均質(zhì)壩壩體內(nèi)浸潤線，可在壩體內(nèi)用土工合成材料做排水體。 圖（d）為土工合成材料用于建造無集水管的排水盲溝。 圖（e）為防止細砂和土粒進入排水管道而引起堵塞，將土工合成材料包裹管道，然后埋于地下。三、隔離作用 一般修筑道路時，路基、路床材料和一般材料都混合在一起，這雖然局部現(xiàn)象，但使原設計的強度、排水、過濾的功能減弱。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，可將土工合成材料設置在兩種不同特性的材料間，不使其混雜，

8、但又能保持統(tǒng)一的作用。四、防滲作用 土工膜和復合土工合成材料可以防止液體的滲漏、氣體的揮發(fā)、保護環(huán)境或建筑物的安全。五、防護作用 土工合成材料對土體或水面可以起防護作用，如防止河岸或海岸被沖刷、防止土體的凍害、防止路面反射裂縫、防止水面蒸發(fā)或空氣中的灰塵污染水面。六、加筋作用 當土工合成材料用作土體加筋時，其基本作用是給土體提供抗拉強度。其應用范圍有：加固土坡、堤壩、地基及擋土墻。1.加固土坡和堤壩a.可使邊坡變陡，節(jié)省占地面積；b.防止滑動圓弧通過路堤和地基土；c.防止路堤下因發(fā)生承載力不足而破壞；d.跨越可能的沉陷區(qū)等。2.用于加固地基 由于土工合成材料有較高的強度和韌性等力學性能，且能緊

9、貼于地表面，使其上部施加的荷載能均勻分布在地層中。當?shù)鼗赡墚a(chǎn)生沖切破壞時，鋪設的土工合成材料將阻止破壞面的出現(xiàn)，從而提高地基承載力。3.用于加筋土擋墻 在擋土結(jié)構(gòu)的土體中，每隔一定垂直距離鋪設加固作用的土工合成材料時，該土工合成材料可對路基起到加筋作用。12.4.1土工合成材料的工程應用一、非織造型土工織物（無紡織物） 最主要用途作為排水反濾層，以代替天然粒狀濾層的作用。在這種情況下，無紡織物有時還可以起一定隔離作用。二、織造型土工織物（有紡織物） 最主要的是做成各種土工合成材料產(chǎn)品或土工合成材料系統(tǒng)，如編織袋，防汛袋，土工模袋等。同時，它也可直接用作隔離層或作為加筋材料。三、土工膜或復合土

10、工膜 它主要用在防滲、防漏或需要密封的部位，因此在水利 工程和環(huán)保工程中應用廣泛。四、土工加筋帶或土工格柵 這種材料用于土的加筋和加固。五、排水帶和排水軟管 排水帶用于土體的排水，或促進土體的固結(jié)，它在公路。水閘和房屋地基中應用廣泛。六、土工模袋 用于岸坡和堤坡的護坡，它代替了混凝土的澆筑模板。故稱模袋。七、聚苯乙烯板塊 應用于軟土地基中地基承載力不足，沉降量過大、地基不均勻沉降等填筑工程以及地下管道保護的換填工程。12.5 設計計算 設計時，應根據(jù)不同工程應用的對象，綜合考慮對土工合成材料作用的要求進行選料。12.5.1 作為濾層時的設計一般在反濾層設計時，既要求有足夠的透水性；又要求能有效

11、地防止土顆粒被帶走。通常采用無紡和有紡土工合成材料，而對土工合成材料作為濾層，同樣必須滿足這兩種基本要求。 實際上對土工合成材料作為反濾層的效果，受到材料的特性、保護土的性質(zhì)和地下水條件的相互作用的影響。對級配不良的土料，因其本身不能成為粒料，所以“排水和擋土”得依靠土工合成材料。 土工合成材料作為濾層設計時的兩個主要因素是土工合成材料的有效孔徑和滲透性能。目前廣泛采用的濾料要求為：12.5.2 加筋土墊層設計 由分層鋪設的土工合成材料與地基土構(gòu)成加筋土墊層，參見圖12-15。一、加固機理加固機理為：1.擴散應力增大了擴散角，有利于上部荷載擴散，降低底面壓力。2.調(diào)整不均勻沉降 加大了地基的整

12、體剛度，均化傳遞到下臥土層上的壓力，有利于調(diào)整不均勻沉降。3.增大地基穩(wěn)定性由于加筋土的約束，整體上限制了地基土的剪切、側(cè)向擠出和隆起。二、加筋土墊層設計包括：穩(wěn)定性驗算、確定加筋構(gòu)造、驗算加筋土墊層地基的承載力和沉降。 以下介紹國外對加筋土墊層在地基加固和路堤加固方面的設計計算方法：1. 地基加固設計時，地基極限承載力ps+c的公式如下：2.路堤加固 鋪設方式有兩種：一種是鋪設在路基底與填土間；另一種是在堤身內(nèi)填土間鋪設，有瑞典法和荷蘭法兩種計算方法 。首先按常規(guī)方法找出最危險圓弧滑動參數(shù)以及相應的最小安全系數(shù)Kmin。然后再加入有土工合成材料這一因素。則：荷蘭法計算，穩(wěn)定安全系數(shù)為： 值得

13、注意的是：除了應驗算滑弧穿過土工合成材料的穩(wěn)定性外，還應驗算在土工合成材料范圍以外路堤有無整體滑動的可能，對以上兩種計算均滿足時才可認為是穩(wěn)定的。12.5.3 加筋土邊坡設計設計步驟如下：(1)先按未加筋土邊坡進行穩(wěn)定性分析，求最小安全系數(shù)Fsu，與設計要求的Fsr比較，小于時應采取加筋處理。(2)再圖中畫出FsuFsr 的滑弧，得到加筋臨界范圍。 (圖12-17)(3)總拉力Ts (單寬)計算公式：(4) Ts 中的最大值Tsmax應為設計所需的筋材總加筋力。加筋層數(shù)應合理確定。 以上設計的原理是認為土坡所需的加筋力應根據(jù)每個可能的滑動圓弧逐一計算，獲得Tsmax，該拉力并非所產(chǎn)生于最危險滑

14、動圓弧。(5)筋材的強度驗算和抗拔穩(wěn)定性驗算應符合有關的要求。一、加固機理加固機理為：1.擴散應力增大了擴散角，有利于上部荷載擴散，降低底面壓力。2.調(diào)整不均勻沉降 加大了地基的整體剛度，均化傳遞到下臥土層上的壓力，有利于調(diào)整不均勻沉降。3.增大地基穩(wěn)定性由于加筋土的約束，整體上限制了地基土的剪切、側(cè)向擠出和隆起。二、加筋土墊層設計包括：穩(wěn)定性驗算、確定加筋構(gòu)造、驗算加筋土墊層地基的承載力和沉降。2.二重法 使用雙通道的二重注漿管。當二重注漿管鉆進到土層的預定深度后，通過在管底部側(cè)面的一個同軸雙重噴嘴，同時噴射出高壓漿液和空氣兩種介質(zhì)的噴射流沖擊破壞土體。在高壓漿液和它外圈環(huán)繞氣流的共同作用下

15、，最后在土中形成較大的固結(jié)體。固結(jié)體的范圍明顯增加(圖113)。這種方法日本稱為JSG工法。12.6 施 工 技 術(shù)一、施工方法要點(1)鋪設土工合成材料時應注意均勻和平整；在斜坡上施工時應保持一定的松緊度；在護岸工程上鋪設時，上坡段土工合成材料應搭接在下坡段土工合成材料之上。(2)對土工合成材料的局部地方，不要加過重的局部應力。如果用塊石保護土工合成材料，施工時應將塊石輕輕鋪放。不得在高處拋擲。(3)土工合成材料用于反濾層作用時，要求保證連續(xù)性，不使出現(xiàn)扭曲、折皺和重疊。(4)在存放和鋪設過程中，應盡量避免長時間的曝曬而使材料劣化。(5)土工合成材料的端部要先鋪填，中間后填。端部錨固必須精心施工。(6)第一層鋪墊厚度應在05m以下，但不要使推土機的刮土板損壞所鋪填的土工合成材料。當土工合成材料受到損壞時。應子立即修