第9章-土工合成材料-清華版土木工程材料

（第九章

土工合成材料）主講人：×××安徽工業(yè)大學本科生課程清華大學出版社

TSINGHUAUNIVERSITYPRESSCivilEngineeringMaterials教學目標掌握：土工合成材料在工程中的應用。熟悉：介紹了土工合成材料的種類和技術性能。了解：土工合成材料的在國內外發(fā)展歷程，教學重點土工合成材料的種類和主要技術性能。土工合成材料在工程中的應用。本章主要教學內容與要求第九章

土工合成材料土工合成材料概述合成材料種類土工合成材料的性能土工合成材料的工程應用第九章

土工合成材料9.1土工合成材料概述土工合成材料是一種新型的巖土工程材料。它以人工合成或天然聚合物，如塑料、化纖、合成橡膠等為原料，制成各種類型的工程材料，置于土體內部、表面或各層土體之間，以發(fā)揮加強或保護士體的作用。土工合成材料可分為土工織物、土工膜、土工復合材料、土工特種材料等類型，目前已廣泛應用于水利、水電、公路、鐵路、建筑、海港、采礦、軍工等各個工程領域。土工合成材料土工膜土工織物土工復合材料土工特種材料織造非織造機織針織

針刺熱粘結化學粘結聚乙烯（PE）土工膜聚氯乙烯（PVC）土工膜氯化聚乙烯（CPE）土工膜復合土工膜復合土工織物復合排水材料：排水帶、排水管、排水防水材料土工格柵、土工帶、土工格室、土工網(wǎng)、土工模袋、土工網(wǎng)墊、土工織物膨潤土墊（GCL）、聚苯乙烯板塊（EPS）等9.2合成材料的種類1．土工織物定義：土工織物是用于巖土工程和土木工程的機織、針織或非織造的可滲透的聚合物材料。分類：紡織、無紡特點：紡織的土工織物強度和剛度較高，排水性差；無紡的過濾、排水性能較好，斷裂延伸率較高，但強度相對較低。

圖1紡織土工織物

圖2無紡土工織物2．土工膜定義：土工膜是由聚合物或瀝青制成的一種相對不透水的薄膜。主要由聚氯乙烯（PVC）、氯橫化聚乙烯（CSPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（VLDPE）制成。特點：滲透性低用途：常用作流體或蒸氣的阻攔層3．土工格柵定義：土工格柵是由有規(guī)則的網(wǎng)狀抗拉條帶形成的用于加筋的土工合成材料。分類：玻璃纖維類聚酯纖維類特點：質量輕且有一定柔性用途：加筋材料，加固土體圖3

土工格柵示意圖4．特種土工材料（1）土工膜袋定義：是由雙層聚合化纖織物制成的連續(xù)（或單獨）袋狀材料。分類：機制膜袋簡易膜袋用途：護坡或其它地基處理工程。（2）土工網(wǎng)定義：由平行肋條經(jīng)以不同角度與其上相同肋條粘結成為一體的土工合成材料。用途：軟基加固墊層、坡面防護、植草以及用作制造組合土工材料的基材。（3）土工網(wǎng)墊和土工格室定義：土工網(wǎng)墊和土工格室是都是由聚合物構成三維結構聚合物。用途：防沖蝕和保土工程。（4）聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）

定義：是近年來發(fā)展起來的超輕型土工合成材料。特點：質輕、耐熱、抗壓性能好、吸水率低、自立性好。用途：路基填料5．土工復合材料定義：將土工織物、土工膜、土工格柵和某些特種土工合成材料中的兩種或兩種以上組合起來。（1）復合土工膜定義：土工膜和土工織物按一定要求制成用途：防滲和加筋（2）土工復合排水材料定義：以不同形狀的土工合成材料芯材組成的排水材料。用途：軟基排水固結處理、路基縱橫排水、隧道排水等。圖4土工復合材料9.3土工合成材料的性能1.物理性能主要包括單位面積質量、厚度、幅度和當量孔徑等。（1）單位面積質量定義：單位面積的土工合成材料在標準大氣條件下的質量。意義：是反映材料用量、生產(chǎn)均勻性以及質量穩(wěn)定性的重要物理指標。測試方法：稱量法

（2）厚度定義：土工合成材料在承受規(guī)定的壓力下正反兩面之間的距離。意義：它反映了材料的力學性能和水力性能。測試方法：千分尺直接測量。（3）幅度定義：是指整幅土工合成材料經(jīng)調濕，除去張力后，與長度方向垂直的整幅寬度。意義：它反映了材料的有效使用面積。測試方法：鋼尺直接測量。（4）當量孔徑定義：是指土工格柵、土工網(wǎng)等大孔徑的土工合成材料的網(wǎng)孔尺寸通過換算折合成與其面積相當?shù)膱A形孔的孔徑。意義：它是檢驗材料尺寸規(guī)格的主要物理指標。測試方法：用游標卡尺測量。公式：

De=

式中：De—當量孔徑（mm）；

A—網(wǎng)孔面積（）。

2.力學性能主要包括拉伸性能、撕破強力、頂破強力、刺破強力、穿透強力和摩擦性能等。（1）拉伸性能定義：是指材料抵抗拉伸斷裂的能力。意義：它是評價土工合成材料使用性能及工程設計計算的最基本技術指標。測試方法：寬條拉伸試驗、接頭/接縫寬條拉伸試驗和條帶拉伸試驗。（2）撕破強力定義：是指材料受荷載作用直至撕裂破壞時的極限破壞應力。

意義：反映了土工合成材料抵抗擴大破損裂口的能力，是評價土工織物和土工膜破損的擴大程度難易的重要力學指標。測試方法：梯形法圖5撕破強度梯形試樣示意圖（3）頂破強力定義：是指材料受頂壓荷載直至破裂時的最大頂壓力。意義：反映了土工合成材料抵抗各種法向靜態(tài)應力的能力，是評價土工合成材料力學性能的重要指標。測試方法：CBR頂破試驗

圖6頂破試驗示意圖

（4）刺破強力定義：是指材料受頂刺荷載直至破裂時的最大頂刺壓力。意義：反映了土工合成材料抵抗小面積集中荷載的能力，是評價土工合成材料強度的力學指標。測試方法：刺破強力試驗

1-試樣；2-環(huán)形夾具；3-Φ8mm平頭頂桿圖7刺破試驗示意圖（5）穿透性能定義：是指土工合成材料抵抗片狀或針狀不規(guī)則物體穿透的能力。意義：反映了土工合成材料抵杭沖擊和穿透的能力，是評價土工織物抵抗銳利物體穿刺破壞的力學指標。測試方法：落錐穿透試驗圖8落錐穿刺試驗（6）摩擦性能定義：是指土工合成材料表面具有一定的摩擦能力。意義：評價土工合成材料工程結構穩(wěn)定性的重要指標測試方法：直剪摩擦試驗（評價土工合成材料的摩擦特性）；拉拔摩擦試驗（用于計算土工合成材料與現(xiàn)場土石材料的摩擦剪切強度）。3.水利性能主要包括垂直滲透性能、防滲性能和有效孔徑等。（1）垂直滲透性能定義：采用遲滯滲透系數(shù)和透水率表征，垂直滲透系數(shù)指在單位水力梯度下垂直于土工織物平面流動水的流速。意義：用于土工合成材料的反濾設計，以確定其滲透性能。測試方法：采用恒水頭法測定（2）防滲性能定義：是指土工膜及其復合材料抵抗水流滲入的能力。意義：是重要的水利性能指標，對材料的使用壽命和工程質量有重要影響。測試方法：采用耐靜水壓試驗測定（3）有效孔徑定義：能有效通過土工織物的近似最大顆粒直徑。意義：是評價材料阻止土顆粒通過能力的重要水力學指標，測試方法：干篩法

3.耐久性能是指土工合成材料抵抗自然因素長期作用而其技術性能不發(fā)生大幅度衰退的能力，主要包括抗氧化性、抗酸堿性能和抗紫外線性能等。（1）抗氧化性能定義：是指土工合成材料抵抗與氧氣氧化的性能。意義：是反映土工合成材料耐久性能的最重要指標之一。測試方法：抗氧化性試驗（適用于除土工膜外的以聚丙烯和聚乙烯為原料的各類土工合成材料）（2）抗酸堿性能定義：是指土工合成材料抵抗酸、堿溶液侵蝕的能力。測試方法：采用無機酸（堿）浸泡試驗測定（3）抗紫外線性能定義：是指土工合成材料抵抗自然光照等老化因素而其性能不發(fā)生大幅度衰退的能力。測試方法：主要采用弧燈法、熒光紫外燈法進行測定。9.4土木合成材料的應用

依據(jù)在工程中的不同功用，土工合成材料的選用原則及技術要求也不相同：1）加筋作用定義：是指土工合成材料可以有效地分布土體的應力，增加土體的模量，傳遞拉應力，限制土體側向位移增加土體和其他材料之間的摩擦阻力，以提高土體及有關構筑物的穩(wěn)定性的能力。選用要求：用于加筋宜選用強度高、變形小、糙度大的土工格柵；所選用的土工合成材料用具有足夠的抗拉強度，對于土工織物，還應具有較高的刺破強度、頂破強度和握持強度。2）隔離作用3）排水作用針刺無紡土工織物或復合型土工織物都有這種功能。4）反濾作用有紡織物和無紡織物都有這種功能。如土壩下游堆石棱體上游側的反濾層即可用土工織物取代。5）防護作用利用土工合成材料保護堤防、水壩或海塘的邊坡，以免遭到因風浪等襲擊所導致的破壞。6）防滲作用主要是利用土工薄膜阻裁流過土體的滲透水流。7）減載作用這是指利用泡沫塑料取代常規(guī)的回填土，以減輕下部結構或土體所承受的荷載。土木工程合成材料在公路工程中的應用：1）路基加筋當路基穩(wěn)定性不足、需要構筑陡坡以減少占地，以及對路堤邊坡進行修復加固、道路加寬、增強重力式擋土墻的穩(wěn)定性時，可采用土工合成材料進行加筋。應通過現(xiàn)場調查、地質勘查、室內外試驗，獲得相關基礎資料，根據(jù)場地的地質與環(huán)境條件、填料特性、材料的耐久性、工程造價等因素，經(jīng)技術經(jīng)濟比選，確定路基加筋方案。2）路基防排水過濾宜采用無紡土工織物，排水可選用排水板（帶）、透水軟管、透水硬管、長絲熱粘排水體或其他土工合成材料，防滲可選用土工膜、復合土工膜、土工織物膨潤土墊（GCL）及復合防水材料等。土木工程合成材料在公路工程中的應用：3）路基防護土工合成材料坡面防護可采用三維土工網(wǎng)、平面土工網(wǎng)、土工格柵、土工格室、植生袋。沿河和庫海岸路基沖刷防護可采用土工織物軟體沉排、土工膜袋等。土工格柵噴射混凝土坡面防護可用于低等級公路邊坡防護。4）路基不均勻沉降防治路基填挖交界處、高填方路堤與陡坡路堤、軟土地基路堤、軟土地基不同處理方式交界處、改擴建公路新老路基結合處，以及路基與橋臺構造物結合處等路段，可采用土工合成材料防治路基不均勻沉降。土木工程合成材料在公路工程中的應用：5）

防沙固沙土工合成材料可用于沙漠地區(qū)公路路基整體穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定與防護、線外固沙。當使用風積沙填筑的路堤高度大于1m時，可采用將土工合成材料鋪設于沙基內或沙質路床頂部的措施，提高路基整體穩(wěn)定性。對使用風積沙填筑路堤的路段，存在風蝕、水蝕時，可采用土工合成材料穩(wěn)定路基、防護邊坡。當公路周邊缺少常規(guī)線外固沙材料時，可將土工合成材料用于線外固沙工程。本章知識歸納（I）1.土工合成材料是應用于巖土工程中合成材料的統(tǒng)稱，主要有土工織物、土工格柵、土工薄膜、土工帶等20多種類型。2.由拉伸試驗所得到的土工織物的應力-應變關系通常是非線性的，因此其拉伸模量往往也是指在某一應力（或應變）范圍內的模量值。3.水力學特性是指能借以措述土工織物阻止土料顆粒隨滲水流失的能力，以及土工織物透水能力的有關指標，包括孔隙率、開孔面積率、孔徑和滲透特性等。4.土工織物的耐久性包括很多方面，主要是指對紫外線輻射、溫度的變化、化學侵蝕、干濕變化、凍融變化和機械磨損等外界因素的抗御能力。這些性能與聚合物的類型及添加劑的性質有關。本章知識歸納（II）5.土工薄膜的主要作用就是防滲，包括防止水流、水汽、