第12章土工合成材料

第12章土工合成材料12.1、概述土工合成材料（土工聚合物）（Geosythetics）是二十世紀(jì)六十年代末興起的一種化學(xué)纖維品用于巖土工程領(lǐng)域的新型建筑材料，是各種聚合物制成的土工產(chǎn)品的總稱。它的用途極為廣泛，可用于排水、隔離、反濾和加筋等工程方面。早在二十世紀(jì)三十年代，土工聚合物已經(jīng)開始應(yīng)用于土建工程。1957年，美國首先將其應(yīng)用于護岸工程；1970年，法國開創(chuàng)了土石壩工程中使用土工聚合物的先例，并促使土工聚合物快速發(fā)展起來。最近三十多年土工聚合物發(fā)展速度加快，尤其以北美、西歐和日本為最快。1977年，在法國巴黎舉行的第一次國際土工織物會議上，J.P.Giroud把它命名為“土工織物”（Geotextile），并于1986年在維也納召開的第三屆國際土工織物會議上將其稱為“巖土工程的一場革命”。1983年，國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會成立了土工織物技術(shù)委員會，并已經(jīng)召開了多次國際土工織物會議。

12.1、概述我國在二十世紀(jì)70年代末開始使用土工聚合物。到八十年代中期，土工聚合物在我國水利、鐵路、公路、軍工、港口、建筑、礦冶和電力等領(lǐng)域逐漸推廣，并成立了全國范圍內(nèi)的土工合成材料技術(shù)協(xié)作網(wǎng)暨中國水力發(fā)電工程學(xué)會土工合成材料專業(yè)委員會，從1986年開始，每隔三年召開一次全國土工合成材料學(xué)術(shù)會議。土工聚合物在工程界的廣泛應(yīng)用雖然已有四十年的時間，但至今國內(nèi)外對其的技術(shù)名稱也未得到統(tǒng)一。有的稱土工聚合物、土工合成材料（Geosythetics）、土工織物（Geotextile）等；另對特定的產(chǎn)品，還有專用名稱，如土工網(wǎng)（Geoweb）、土工格柵（Geogrid）和土工墊（Geomat）等。由于這些土工制品的原材料都是由聚酰胺纖維（尼龍）、聚酯纖維（滌綸）、聚丙烯腈（腈綸）和聚丙烯纖維（丙綸）等高分子聚合物經(jīng)加工而合成的，所以采用“土工合成材料”作為其技術(shù)總稱。土工聚合物(土工合成材料)圖道路工程中使用土工聚合物施工示意圖

1－挖除表土和平整場地；2－鋪開土工聚合物卷材；3－在土工聚合物上卸砂石料；4－鋪設(shè)和平整筑路材料；5－壓實路基土工聚合物12.2、土工聚合物的類型（p195）（土工合成材料的分類）土工聚合物包括各種土工纖維（土工織物）、土工膜、土工格柵、土工墊以及各種組合型的復(fù)合聚合材料，其產(chǎn)品根據(jù)加工制造的不同，可以分為以下幾種類型：

（一）有紡型土工織物（WovenGeotoxtile）這種土工織物是由相互正交的纖維織成，與通常的棉毛織品相似，其特點是孔徑均勻、沿經(jīng)緯線方向強度大，拉斷的延伸率較低。

（二）無紡型土工織物（NonwovenGeotextile）該種土工織物中纖維（連續(xù)長絲）的排列是無規(guī)則的，與通常的毛毯相似。它一般多由連續(xù)生產(chǎn)線生產(chǎn)，制造時先將聚合物原料經(jīng)過熔融擠壓、噴絲、直接平鋪成網(wǎng)，然后使網(wǎng)絲聯(lián)結(jié)制成土工織物。聯(lián)結(jié)的方法有熱壓、針刺和化學(xué)粘結(jié)等不同的處理方法。前二種方法制成的產(chǎn)品又分別稱無紡熱粘型和無紡針刺型土工織物。12.2、土工聚合物的類型（p195（三）編織型土工織物（KnittedGeotextile）這種土工織物由單股或多股線帶編織而成，與通常編制的毛衣相似。

（四）組合型土工織物（CompositeGeotextile）由前三類組合而成的土工織物。（五）土工膜（Geomembranes）在各種塑料、橡膠或土工纖維上噴涂防水材料而制成的各種不透水膜。

（六）土工墊（Geomat）由粗硬的纖維絲粘接而成。

（七）土工格柵（Geogrid）由聚乙烯或聚丙烯板通過單向或雙向拉伸擴孔制成（圖6-22），孔格尺寸為l0mm～lOOmm的圓形、橢圓形、方形或長方形。

（八）土工網(wǎng)（Geonet）由擠出的lmm～5mm塑料股線制成。

（九）土工塑料排水板為一種復(fù)合型土工聚合物，由芯板和透水濾布兩部分組成。濾布包裹在芯板外面，在其間形成縱向排水溝槽。（十）土工復(fù)合材料由兩種或兩種以上土工產(chǎn)品組成的復(fù)合材料，如土工塑料排水帶。12.2、土工聚合物的類型（土工合成材料的分類）圖雙軸格柵的加工程序12.3、土工聚合物的性能和優(yōu)缺點（特性指標(biāo)）（198）（一）土工聚合物的性能（198）土工聚合物產(chǎn)品的性能指標(biāo)主要包括以下幾個方面：

1．產(chǎn)品形態(tài)材質(zhì)及制造方法、寬度、每卷的直徑及重量。

2．物理性質(zhì)單位面積質(zhì)量、厚度、開孔尺寸及均勻性。

3．力學(xué)性質(zhì)抗拉強度、斷裂時延伸率、撕裂強度、穿透強度、頂破強度、疲勞強度、蠕變性及聚合物與土體間的摩擦系數(shù)等。

4．水理性質(zhì)垂直向和水平向的透水性。

5．耐久性抗老化能力、抗化學(xué)、生物侵蝕性、抗磨性、抗溫度、凍融及干濕變化性。第一節(jié)土工聚合物三、土工聚合物的性能和優(yōu)缺點（特性指標(biāo)）（一）土工聚合物的性能土工聚合物產(chǎn)品因制造方法和用途不一，選用時寬度和重量的變形甚大。其寬度為1m～18m；質(zhì)量從0.1kg/～1.0kg/或更大；開孔尺寸（等效孔徑）也不相同，無紡型土工織物為0.05mm～0.5mm，編織型0.1mm～1.0mm，土工墊為5mm～10mm，土工格柵及土工網(wǎng)為5mm～l00mm。導(dǎo)水性也有差異，大部分編織與熱粘型無紡?fù)凉ぞ酆衔锖苄?，而土工塑料排水帶?0-4m2/s～10-1m2/s?？估瓘姸龋捍蟛糠殖Ｓ玫臒o紡型土工織物為10kN/m～30kN/m（高強度的為30kN/m～100kN/m）；最常用的編織型土工織物為20kN/m～50kN/m（高強度的為50kN/m～100kN/m）；土工格柵30kN/m～200kN/m（高強度的為200kN/m～400kN/m）。不同類型的土工織物的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變關(guān)系變化差異很大。土工聚合物的性能與其使用范圍密切相關(guān)。（二）土工聚合物的優(yōu)缺點綜合以上各種因素，可以得知土工聚合物的優(yōu)點是：質(zhì)地柔軟、重量輕、整體連續(xù)性好、施工方便、抗拉強度高、耐腐蝕和抗微生物侵蝕性好、無紡型的當(dāng)量直徑小和反濾性能好。其缺點是：同其原材料一樣，未經(jīng)特殊處理，則土工聚合物抗紫外線能力低，但如果在其上覆蓋粘性土或砂石等物，其強度的降低是不大的。另外，聚合物中以聚脂纖維和聚丙烯腈纖維耐紫外線輻射能力和耐自然老化性能為最好。由聚乙烯、聚丙烯原材料制成的土工聚合物，在受保護的條件下，其老化時間可達50年（聚酰胺為10年～20年），甚至可達更長年限（如100年）12.4、土工聚合物的作用（主要功能）土工聚合物在工程上的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在四個方面：排水作用、隔離作用、反濾作用和加固補強作用。（一）排水作用某些具有一定厚度的土工聚合物具有良好的三維透水特性。利用這種特性，它除了可作透水反濾外，還可使水經(jīng)過土工纖維的平面迅速沿水平方向排走，而且不會堵塞，構(gòu)成水平的排水層。它還可以與其它材料（如粗粒料、排水管、塑料排水板等）共同構(gòu)成排水系統(tǒng)（圖6－23）或深層排水井。此外，還有專門用于排水的土工聚合材料。土工聚合物的排水效果，取決于其在相應(yīng)的受力條件下導(dǎo)水度（導(dǎo)水度等于水平向滲透系數(shù)與其厚度的乘積）的大小，及其所需的排水量和所接觸的土層的土質(zhì)條件。（一）排水作用

圖土工聚合物用于排水的典型實例(p179的圖6-4)

1－土工聚合物；2－塑料排水帶；3－塑料管；4－排水涵管12.4、土工聚合物的作用(p201)（主要功能）（二）隔離作用土工聚合物可以設(shè)置在兩種不同的土質(zhì)或材料、或者土與其它材料之間，將它們相互隔離開來，可以避免不同材料的混雜而產(chǎn)生不良效果，并且依靠其優(yōu)質(zhì)的特性以適應(yīng)受力、變形和各種環(huán)境變化的影響面不破損。這祥，將土工聚合物用于受力結(jié)構(gòu)體系中，必將有助于保證結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和設(shè)計功能。在鐵路工程（圖6－24）中使用土工聚合物，可以保持軌道的穩(wěn)定，減少養(yǎng)路費用；將其用于道路工程中，可防止路堤翻漿冒泥；用于材料的儲存和堆放，可以避免材料的損失和劣化，而且對于廢料還有助于防止污染等。（二）隔離作用圖土工聚合物用于鐵路工程(p180的圖6-5)作為隔離作用的土工聚合物，其滲透性應(yīng)大于所隔離土的滲透性并不被其堵塞。在承受動荷載作用時，土工聚合物還應(yīng)具備足夠的耐磨性。當(dāng)被隔離的材料或土層間無水流作用時，也可以使用不透水的土工膜作隔離材料。12.4、土工聚合物的作用（三）反濾作用

在有滲流的情況下，利用一定規(guī)格的土工聚合物鋪設(shè)在被保護的土上，可以起到與一般砂礫反濾層同樣的作用，即容許水流暢通而同時又阻止土粒移動，從而防止發(fā)生流土、管涌和堵塞（圖6－25）。多數(shù)土工聚合物在單向滲流的情況下，在緊貼土工聚合物的土體中，發(fā)生細(xì)顆粒逐漸向濾層移動，自然形成一個反濾帶和骨架網(wǎng)，阻止土粒的繼續(xù)流失，最后即土工聚合物與相鄰接觸部分土層共同形成了一完整的反濾系統(tǒng)（圖6－25、圖6－26）。將土工聚合物鋪放在上游面塊石護坡下面，起反濾和隔離作用，也可將其置于下游排水體周圍起反濾作用，或者鋪放在均勻土壩的壩體內(nèi)，起豎向排水作用，這樣可以有效地降低均質(zhì)壩壩體浸潤線，提高下游坡壩的穩(wěn)定性。具有這種排水作用的土工聚合物，在其平面方向需要有較大的滲透系數(shù)。（三）反濾作用圖6－25土工聚合物用于護坡工程(p201的圖12-3)圖6－26土工聚合物用于土壩工程(p202的圖12-4)12.4、土工聚合物的作用（主要功能）（四）加固補強作用

利用土工聚合物的高強度和韌性等力學(xué)性質(zhì)，可以分散荷載，增大土體的剛度模量以改善土體；或作為加筋材料構(gòu)成加筋土以及各種復(fù)合土工結(jié)構(gòu)。

1．土工聚合物用于加固補強地基當(dāng)?shù)鼗赡墚a(chǎn)生沖切剪切破壞時，鋪設(shè)的土工聚合物將阻止地基中剪切破壞面的產(chǎn)生，從而使地基的承載力提高。當(dāng)很軟的地基可能產(chǎn)生很大的變形時，鋪設(shè)的土工聚合物可以阻止軟土的側(cè)向擠出，從而減少側(cè)向變形，增大地基的穩(wěn)定性。在沼澤地、泥炭土和軟粘土上建造臨時道路，是土工聚合物最重要的用途之一。

2．土工聚合物用作加筋材料土工聚合物用作土體加筋時，其作用與其它筋材的加筋土相似，通過土與加筋之間的摩擦力使之成為一個整體，提供錨固力保證支擋建筑物的穩(wěn)定。但土工聚合物是相對柔性的加筋材料。土工聚合物用于加筋，一般要求有一定的剛度。土工格柵能很好地與土相結(jié)合，是一種良好的加筋材料，與金屬筋材相比，土工聚合物不會因腐蝕而失效，在橋臺、擋墻、護岸、碼頭支擋建筑物中均得到了成功地應(yīng)用（圖6－27）。需要注意的是，在實際工程中應(yīng)用的土工聚合物，不論作用的主次，總是以上幾種作用的綜合，隔離作用不一定伴隨過濾作用，但過濾作用經(jīng)常伴隨隔離作用。因而，在設(shè)計選料時，應(yīng)根據(jù)不同工程應(yīng)用對象綜合考慮對土工聚合物作用的要求。土工聚合物的工程應(yīng)用12.5、土工聚合物的設(shè)計計算（p206）(加筋土墊層設(shè)計)我們僅介紹土工聚合物作為加筋材料時的設(shè)計。（一）土工聚合物作為墊層時的地基承載力在軟土地基的表面上，鋪設(shè)具有一定剛度和抗拉力的土工聚合物，再在其上面填筑粗顆粒土（砂土或礫石），此時作用荷載的正下方產(chǎn)生沉降，其周邊地基產(chǎn)生側(cè)向變形和部分隆起。由于土工聚合物與地基土之間的抗剪阻力能夠相對地約束地基的位移；而作用在土工聚合物上的拉力，也能起到支承荷載的作用。此時，地基的極限承載力

為：（一）土工聚合物作為墊層時的地基承載力

（12-4）（p207）式中p——土工聚合物的抗拉強度（kN／m）；

θ——基礎(chǔ)邊緣土工聚合物的傾斜角，一般為10°～17°；

τ——假想圓的半徑，一般取3m，或為軟土層厚度的一半，但不能大于5m；

α、β——基礎(chǔ)的形狀系數(shù)，一般取α=1.0，β=0.5；

、

——與內(nèi)摩擦角有關(guān)的承載力系數(shù)，一般

=5.3，

=1.4；

c——土的粘聚力（kPa）。

可以看出，公式（6－17）中的第一項是原天然地基的極限承載力；第二項是在荷載作用下，由于地基的沉降使土工聚合物發(fā)生變形而承受拉力的效果；第三項是土工聚合物阻止土體隆起而產(chǎn)生的平衡鎮(zhèn)壓的效果（是以假設(shè)近似半徑為r的圓求得）。圖6－28中的q是塑性流動地基的反力。實際上，第二項和第三項均為由于鋪設(shè)土工聚合物而提高的地基承載力。（一）土工聚合物作為墊層時的地基承載力圖12-14土工聚合物加固地基的承載力計算假設(shè)簡圖（二）土工聚合物加固路堤時的穩(wěn)定性設(shè)計(p208的加固路堤)土工聚合物用作增加填土穩(wěn)定性時，其鋪墊方式有兩種：一種是鋪設(shè)在路基底與填土之間；另一種是在堤身內(nèi)填土層間鋪設(shè)。分析時常采用瑞典法和荷蘭法兩種計算方法。首先按照常規(guī)方法找出最危險滑弧的圓參數(shù)，以及相應(yīng)最小安全系數(shù)

。然后再加入有土工聚合物這一因素。12.5、土工聚合物的設(shè)計計算（p206）(加筋土墊層設(shè)計)（二）土工聚合物加固路堤時的穩(wěn)定性設(shè)計(p209的加固路堤)

1．瑞典法計算模型瑞典法計算模型是假定土工聚合物的拉應(yīng)力總是保持在原來鋪設(shè)的方向。由于土工聚合物產(chǎn)生的拉力S。就增加了兩個穩(wěn)定的力矩（圖12－15）。如以0為力矩中心，則當(dāng)仍按原來最危險圓弧滑動時，要撕裂土工聚合物，就要克服它的總擾拉強度S，以及在填土內(nèi)沿垂直方向開裂而產(chǎn)生的抗力

（

為填土的內(nèi)摩擦角），前者的力臂為a，后者的力臂為b，則：1．瑞典法計算模型圖12-15土工聚合物加固軟土地基上路堤的穩(wěn)定分析（瑞典法p208）1．瑞典法計算模型根據(jù)土力學(xué)中土坡穩(wěn)定性分析方法之一的瑞典圓弧法可知，未鋪設(shè)土工聚合物前的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

（12-5)增加土工聚合物后的安全系數(shù)

（12-6）故增加的安全系數(shù)為

（12-7）1．瑞典法計算模型當(dāng)已知土工聚合物的抗控強度S時，便可以求得

值。相反，當(dāng)已知要求增加的

值時，就可以求得所需土工聚合物的強度S，以便選用現(xiàn)成廠商生產(chǎn)的土工聚合物產(chǎn)品。另外，還需驗算土工聚合物范圍以外的路堤有無整體滑動的可能。只有當(dāng)以上兩種驗算均滿足穩(wěn)定要求時，才可以認(rèn)為路堤是穩(wěn)定的。2．荷蘭法計算模

荷蘭法計算模型是假定土工聚合物在和圓弧切割處形成一個與滑弧相適應(yīng)的扭曲，此時，土工聚合物的抗拉強度S每米寬可以認(rèn)為是直接切于滑弧的（圖12－16）。繞滑動圓心的力矩臂長即等于滑弧半徑R，此時的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

（12-8）（p209）式中——填土的粘聚力（kPa）；

——某一分條滑弧的長度（m）；

——某一分條滑弧的重力（kN）；

——某分條與滑動面的傾斜角

；

——土的內(nèi)摩擦角

。（二）土工聚合物加固路堤時的穩(wěn)定性設(shè)計圖12-16土工聚合物加固軟土地基上路堤的穩(wěn)定分析（荷蘭法）2．荷蘭法計算模2．荷蘭法計算模所以，鋪設(shè)土工聚合物后增加的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

（12-9）由上式即可確定所需要的

值，同樣也可推求出土工聚合物的抗拉強度S值，再用它來選擇土工聚合物產(chǎn)品的型號和規(guī)格。國內(nèi)外的工程實踐證明，除非土工聚合物具有在小應(yīng)變條件下可承受很大的拉應(yīng)力的性能，否則它還不能使路堤安全系數(shù)有很大的增長。用土工聚合物作加筋應(yīng)具有較高的拉伸強度和抗拉模量，較低的徐變性以及相當(dāng)?shù)谋砻娲植诙取?jù)報道，低模量的土工聚合物僅限于較低的堤壩（如2m～5m高）使用。國外軟土地基上加筋堤的高度大多數(shù)不高于10m，一般均在l5m以下。12.6、土工聚合物的施工(p211)(加筋土墊層)

（一）土工聚合物的施工方法

1．鋪設(shè)土工聚合物時應(yīng)注意均勻和平整；在護岸工程坡面上施工時，上坡段土工聚合物應(yīng)搭接在下坡段土工聚合物之上；在斜坡上施工應(yīng)保持一定的松緊度。用于反濾層時，要求保證土工聚合物的連續(xù)性，不出現(xiàn)扭曲、褶皺和重疊現(xiàn)象。

2．不要在土工聚合物的局部地方施加過重的局部應(yīng)力。不能拋擲塊石來保護土工聚合物，只能輕鋪塊石，最好在土工聚合物上先鋪一層保護砂層。

3．土工聚合物的端部應(yīng)先鋪填，中問后填，端部錨固必須精心施工。

4．第一層鋪墊層厚度應(yīng)在0.5m以下，但不能讓推土機的刮土板損壞已鋪填的土工聚合物，如遇任何情況下土工聚合物損壞，應(yīng)立即預(yù)以修補。

5．在土工聚合物的存放和施工過程中，應(yīng)盡量避免長時間的暴曬，促使材料劣化。

（二）土工聚合物的連接方法

土工聚合物是按照一定規(guī)格的面積和長度在工廠進行定型生產(chǎn)的商品成品，因此，這些材料運輸?shù)浆F(xiàn)場后必須進行連接，可采用搭接、縫合、膠結(jié)或U型釘釘接等方法連接起來（圖12－16）。1．搭接法搭接長度一般在0.3m～1.0m之間。堅固和水平的路基一般取小值；軟弱的和不平的地面則需要取大值。在搭接處應(yīng)盡量避免受力，以防土工聚合物移動。此法施工簡便，但用料較多。

2．縫合法用移動式縫合機將尼龍或滌綸線面對面縫合，縫合處的強度一般可達纖維強度的80％，縫合法施工費時，但可節(jié)省材料。

3．膠結(jié)法采用合適的膠粘劑將二塊土工聚合物膠結(jié)在一起，最少的搭接長度為100mm，膠結(jié)時間為2個小時。其接縫處的強度與土工織物的原強度相同。

4．U型釘釘接法用U型釘連接時，其強度低于縫合法和膠結(jié)法。（二）土工聚合物的連接方法圖12－31土工聚合物間的連接方法

（a）搭接；（b）縫合；（c）用U型釘住12.7、工程實例

某油罐加筋墊層工程（一）工程概況某油罐工程位于長江岸邊的河漫灘軟土地基上，采用浮頂式油罐，油罐容積2萬

，其內(nèi)徑為40.5m，高15.8m。罐體、罐內(nèi)充水、基礎(chǔ)以及場地填土等荷載共計288kN/。

（二）場地巖土工程簡況建筑場地主要地基土分布自上而下分別為：（1）表層土:厚0.3m～0.5m；（2）粘土層:厚1.3m～2.3m；（3）淤泥質(zhì)粘土層：厚度為12m～18m，其不排水抗剪強度為12kPa～47kPa。（三）地基處理設(shè)計與施工

根據(jù)油罐的運行和生