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(biāo)12.4 土工合成材料的主要功能12.5 設(shè)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(yīng)用于巖土工程領(lǐng)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(fù)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(biāo)二、力學(xué)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(guān)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行測定。8.摩擦系數(shù) 該指標(biāo)是核算加筋土體穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)，反應(yīng)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(jìn)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)表示。一般產(chǎn)品的POA=4%-8%，最大可達(dá)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(biāo)。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(shè)計指標(biāo)。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(dǎo)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(yīng)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(xué)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(yīng)用一、反濾作用 將土工合成材料鋪放在上游面塊石護(hù)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(jìn)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(xì)砂和土粒進(jìn)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(shè)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(shè)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(fù)合土工合成材料可以防止液體的滲漏、氣體的揮發(fā)、保護(hù)環(huán)境或建筑物的安全。五、防護(hù)作用 土工合成材料對土體或水面可以起防護(hù)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(dāng)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(yīng)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(xué)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(dāng)?shù)鼗赡墚a(chǎn)生沖切破壞時，鋪設(shè)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(shè)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(yīng)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(fù)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(yīng)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(jìn)土體的固結(jié)，它在公路。水閘和房屋地基中應(yīng)用廣泛。六、土工模袋 用于岸坡和堤坡的護(hù)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(yīng)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(hù)的換填工程。12.5 設(shè)計計算 設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同工程應(yīng)用的對象，綜合考慮對土工合成材料作用的要求進(jìn)行選料。12.5.1 作為濾層時的設(shè)計一般在反濾層設(shè)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?fù)凉ず铣刹牧希鴮ν凉ず铣刹牧献鳛闉V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(hù)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(shè)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(shè)計 由分層鋪設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計計算方法：1. 地基加固設(shè)計時，地基極限承載力ps+c的公式如下：2.路堤加固 鋪設(shè)方式有兩種：一種是鋪設(shè)在路基底與填土間；另一種是在堤身內(nèi)填土間鋪設(shè)，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(yīng)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(yīng)驗算滑弧穿過土工合成材料的穩(wěn)定性外，還應(yīng)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(rèn)為是穩(wěn)定的。12.5.3 加筋土邊坡設(shè)計設(shè)計步驟如下：(1)先按未加筋土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，求最小安全系數(shù)Fsu，與設(shè)計要求的Fsr比較，小于時應(yīng)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(yīng)為設(shè)計所需的筋材總加筋力。加筋層數(shù)應(yīng)合理確定。 以上設(shè)計的原理是認(rèn)為土坡所需的加筋力應(yīng)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(yīng)符合有關(guān)的要求。一、加固機理加固機理為：1.擴散應(yīng)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(shè)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(dāng)二重注漿管鉆進(jìn)到土層的預(yù)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(shè)土工合成材料時應(yīng)注意均勻和平整；在斜坡上施工時應(yīng)保持一定的松緊度；在護(hù)岸工程上鋪設(shè)時，上坡段土工合成材料應(yīng)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(yīng)力。如果用塊石保護(hù)土工合成材料，施工時應(yīng)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(shè)過程中，應(yīng)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(yīng)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(dāng)土工合成材料受到損壞時。應(yīng)子立即修