第12章-土工合成材料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,）是二十世纪六十年代末兴起的一种化学纤维品用于岩土工程领域的新型建筑材料，是,各种,聚合物,制成,的,土工产品,的总称。,它的用途极为广泛，可用于排水、隔离、反滤和加筋等工程方面。早在二十世纪三十年代，土工聚合物已经开始应用于土建工程。,1957,年，美国首先将其应用于护岸工程；,1970,年，法国开创了土石坝工程中使用土工聚合物的先例，并促使土工聚合物快速发展起来。,最近三十多年土工聚合物发展速度加快，尤其以北美、西欧和日本为最快。,1977,年，在法国巴黎举行的第一次国际土工织物会议上，,J.P.Giroud,把它命名为,“,土工织物,”,（,Geotextile,），并于,1986,年在维也纳召开的第三届国际土工织物会议上将其称为,“,岩土工程的一场革命,”,。,1983,年，国际土力学与基础工程学会成立了土工织物技术委员会，并已经召开了多次国际土工织物会议。,12.1,、概述,我国在二十世纪,70,年代,末,开始使用土工聚合物。到八十年代中期，土工聚合物在我国水利、铁路、公路、军工、港口、建筑、矿冶和电力等领域逐渐推广，并成立了全国范围内的土工合成材料技术协作网暨中国水力发电工程学会土工合成材料专业委员会，从,1986,年开始，每隔三年召开一次全国土工合成材料学术会议。,土工聚合物在工程界的广泛应用虽然已有四十年的时间，但至今国内外对其的技术名称也未得到统一。,有的称土工聚合物、土工合成材料（,Geosythetics,）、土工织物（,Geotextile,）等；,另对特定的产品，还有专用名称，如土工网（,Geoweb,）、土工格栅（,Geogrid,）和土工垫（,Geomat,）等。由于这些土工制品的原材料都是由聚酰胺纤维（尼龙）、聚酯纤维（涤纶）、聚丙烯腈（腈纶）和聚丙烯纤维（丙纶）等,高分子聚合物经,加工而合成的，,所以采用,“,土工,合成材料”,作为其技术总称。,土工聚合物,(,土工合成材料,),图道路工程中使用土工聚合物施工示意图,1,挖除表土和平整场地；,2,铺开土工聚合物卷材；,3,在土工聚合物上卸砂石料；,4,铺设和平整筑路材料；,5,压实路基,土工聚合物,12.2,、土工聚合物的类型 （,p195,）（土工合成材料的分类）,土工聚合物包括各种土工纤维（土工织物）、土工膜、土工格栅、土工垫以及各种组合型的复合聚合材料，其产品根据加工制造的不同，可以分为以下几种类型：,（一）有纺型土工织物（,Woven Geotoxtile,）,这种土工织物是由相互正交的纤维织成，与通常的棉毛织品相似，其特点是孔径均匀、沿经纬线方向强度大，拉断的延伸率较低。,（二）无纺型土工织物（,Nonwoven Geotextile,）,该种土工织物中纤维（连续长丝）的排列是无规则的，与通常的毛毯相似。它一般多由连续生产线生产，制造时先将聚合物原料经过熔融挤压、喷丝、直接平铺成网，然后使网丝联结制成土工织物。联结的方法有热压、针刺和化学粘结等不同的处理方法。前二种方法制成的产品又分别称无纺热粘型和无纺针刺型土工织物。,12.2,、土工聚合物的类型 （,p195,（三）编织型土工织物（,Knitted Geotextile,）,这种土工织物由单股或多股线带编织而成，与通常编制的毛衣相似。,（四）组合型土工织物（,Composite Geotextile,）,由前三类组合而成的土工织物。,（,五）土工膜 （,Geomembranes,）,在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜。,（六）土工垫（,Geomat,）,由粗硬的纤维丝粘接而成。,（七）土工格栅（,Geogrid,）,由聚乙烯或聚丙烯板通过单向或双向拉伸扩孔制成（图,6-22,），孔格尺寸为,l0mm,lOOmm,的圆形、椭圆形、方形或长方形。,（八）土工网（,Geonet,）,由挤出的,lmm,5mm,塑料股线制成。,（九）土工塑料排水板,为一种复合型土工聚合物，由芯板和透水滤布两部分组成。滤布包裹在芯板外面，在其间形成纵向排水沟槽。,（十）土工复合材料,由两种或两种以上土工产品组成的复合材料，如土工塑料排水带。,12.2,、土工聚合物的类型,（,土工合成材料的分类）,图双轴格栅的加工程序,12.3,、土工聚合物的性能和优缺点（特性指标） （,198,）,（一）土工聚合物的性能,（,198,）,土工聚合物产品的性能指标主要包括以下几个方面：,1,产品形态,材质及制造方法、宽度、每卷的直径及重量。,2,物理性质,单位面积质量、厚度、开孔尺寸及均匀性。,3,力学性质,抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、穿透强度、顶破强度、疲劳强度、蠕变性及聚合物与土体间的摩擦系数等。,4,水理性质,垂直向和水平向的透水性。,5,耐久性,抗老化能力、抗化学、生物侵蚀性、抗磨性、抗温度、冻融及干湿变化性。,第,一,节土工聚合物,三、土工聚合物的性能和优缺点（特性指标）,（一）土工聚合物的性能,土工聚合物产品因制造方法和用途不一，选用时宽度和重量的变形甚大。其宽度为,1m,18m,；质量从,0.1kg/,1.0kg/,或更大；开孔尺寸（等效孔径）也不相同，无纺型土工织物为,0.05mm,0.5mm,，编织型,0.1mm,1.0mm,，土工垫为,5mm,10mm,，土工格栅及土工网为,5mm,l00mm,。导水性也有差异，大部分编织与热粘型无纺土工聚合物很小，而土工塑料排水带为,10,-4,m,2,/s,10,-1,m,2,/s,。抗拉强度：大部分常用的无纺型土工织物为,10kN/m,30kN/m,（高强度的为,30kN/m,100kN/m,）；最常用的编织型土工织物为,20kN/m,50kN/m,（高强度的为,50kN/m,100kN/m,）；土工格栅,30kN/m,200kN/m,（高强度的为,200kN/m,400kN/m,）。不同类型的土工织物的拉应力和拉应变关系变化差异很大。,土工聚合物的性能与其使用范围密切相关。,（二）土工聚合物的优缺点,综合以上各种因素，,可以得知土工聚合物的,优点是：,质地柔软、重量轻、整体连续性好、施工方便、抗拉强度高、耐腐蚀和抗微生物侵蚀性好、无纺型的当量直径小和反滤性能好。,其缺点是：,同其原材料一样，未经特殊处理，则土工聚合物抗紫外线能力低，但如果在其上覆盖粘性土或砂石等物，其强度的降低是不大的。,另外，聚合物中以聚脂纤维和聚丙烯腈纤维耐紫外线辐射能力和耐自然老化性能为最好。由聚乙烯、聚丙烯原材料制成的土工聚合物，在受保护的条件下，其老化时间可达,50,年（聚酰胺为,10,年,20,年），甚至可达更长年限（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应用，主要表现在四个方面：,排水作用、隔离作用、反滤作用和加固补强作用。,（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维透水特性。利用这种特性，它除了可作透水反滤外，还可使水经过土工纤维的平面迅速沿水平方向排走，而且不会堵塞，构成水平的排水层。它还可以与其它材料（如粗粒料、排水管、塑料排水板等）共同构成排水系统（图,6,23,）或深层排水井。此外，还有专门用于排水的土工聚合材料。,土工聚合物的排水效果，取决于其在相应的受力条件下导水度（导水度等于水平向渗透系数与其厚度的乘积）的大小，及其所需的排水量和所接触的土层的土质条件。,（一）排水作用,图土工聚合物用于排水的典型实例,(p179,的图,6-4),1,土工聚合物；,2,塑料排水带；,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）隔离作用,土工聚合物可以设置在两种不同的土质或材料、或者土与其它材料之间，将它们相互隔离开来，可以避免不同材料的混杂而产生不良效果，并且依靠其优质的特性以适应受力、变形和各种环境变化的影响面不破损。这祥，将土工聚合物用于受力结构体系中，必将有助于保证结构的状态和设计功能。在铁路工程（图,6,24,）中使用土工聚合物，可以保持轨道的稳定，减少养路费用；将其用于道路工程中，可防止路堤翻浆冒泥；用于材料的储存和堆放，可以避免材料的损失和劣化，而且对于废料还有助于防止污染等。,（二）隔离作用,图土工聚合物用于铁路工程,(p180,的图,6-5),作为隔离作用的土工聚合物，其渗透性应大于所隔离土的渗透性并不被其堵塞。在承受动荷载作用时，土工聚合物还应具备足够的耐磨性。当被隔离的材料或土层间无水流作用时，也可以使用不透水的土工膜作隔离材料。,12.4,、土工聚合物的作用,（三）反滤作用,在有渗流的情况下，利用一定规格的土工聚合物铺设在被保护的土上，可以起到与一般砂砾反滤层同样的作用，即容许水流畅通而同时又阻止土粒移动，从而防止发生流土、管涌和堵塞（图,6,25,）。,多数土工聚合物在单向渗流的情况下，在紧贴土工聚合物的土体中，发生细颗粒逐渐向滤层移动，自然形成一个反滤带和骨架网，阻止土粒的继续流失，最后即土工聚合物与相邻接触部分土层共同形成了一完整的反滤系统（图,6,25,、图,6,26,）。将土工聚合物铺放在上游面块石护坡下面，起反滤和隔离作用，也可将其置于下游排水体周围起反滤作用，或者铺放在均匀土坝的坝体内，起竖向排水作用，这样可以有效地降低均质坝坝体浸润线，提高下游坡坝的稳定性。具有这种排水作用的土工聚合物，在其平面方向需要有较大的渗透系数。,（三）反滤作用,图,6,25,土工聚合物用于护坡工程,(p201,的图,12-3),图,6,26,土工聚合物用于土坝工程,(p202,的图,12-4),12.4,、土工聚合物的作用 （主要功能）,（,四）加固补强作用,利用土工聚合物的高强度和韧性等力学性质，可以分散荷载，增大土体的刚度模量以改善土体；或作为加筋材料构成加筋土以及各种复合土工结构。,1,土工聚合物用于加固补强地基,当地基可能产生冲切剪切破坏时，铺设的土工聚合物将阻止地基中剪切破坏面的产生，从而使地基的承载力提高。,当很软的地基可能产生很大的变形时，铺设的土工聚合物可以阻止软土的侧向挤出，从而减少侧向变形，增大地基的稳定性。在沼泽地、泥炭土和软粘土上建造临时道路，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,土工聚合物用作土体加筋时，其作用与其它筋材的加筋土相似，通过土与加筋之间的摩擦力使之成为一个整体，提供锚固力保证支挡建筑物的稳定。但土工聚合物是相对柔性的加筋材料。,土工聚合物用于加筋，一般要求有一定的刚度。土工格栅能很好地与土相结合，是一种良好的加筋材料，与金属筋材相比，土工聚合物不会因腐蚀而失效，在桥台、挡墙、护岸、码头支挡建筑物中均得到了成功地应用（图,6,27,）。,需要注意的是，在实际工程中应用的土工聚合物，不论作用的主次，总是以上几种作用的综合，隔离作用不一定伴随过滤作用，但过滤作用经常伴随隔离作用。因而，在设计选料时，应根据不同工程应用对象综合考虑对土工聚合物作用的要求。,土工聚合物的工程应用,12.5,、土工聚合物的设计计算（,p206,）,(,加筋土垫层设计,),我们仅介绍土工聚合物作为加筋材料时的设计。,（一）土工聚合物作为垫层时的地基承载力,在软土地基的表面上，铺设具有一定刚度和抗拉力的土工聚合物，再在其上面填筑粗颗粒土（砂土或砾石），此时作用荷载的正下方产生沉降，其周边地基产生侧向变形和部分隆起。由于土工聚合物与地基土之间的抗剪阻力能够相对地约束地基的位移；而作用在土工聚合物上的拉力，也能起到支承荷载的作用。此时，地基的极限承载力,为,：,（一）土工聚合物作为垫层时的地基承载力,（,12-4,）,（,p207,）,式中,p,土工聚合物的抗拉强度（,kN,m,）；,基础边缘土工聚合物的倾斜角，一般为,10,17,；,假想圆的半径，一般取,3m,，或为软土层厚度的一半，但不能大于,5m,；,、,基础的形状系数，一般取,=1.0,，,=0.5,；,、,与内摩擦角有关的承载力系数，一般,=5.3,，,=1.4,；,c,土的粘聚力（,kPa,）。,可以看出，公式（,6,17,）中的第一项是原天然地基的极限承载力；第二项是在荷载作用下，由于地基的沉降使土工聚合物发生变形而承受拉力的效果；第三项是土工聚合物阻止土体隆起而产生的平衡镇压的效果（是以假设近似半径为,r,的圆求得）。图,6,28,中的,q,是塑性流动地基的反力。,实际上，第二项和第三项均为由于铺设土工聚合物而提高的地基承载力。,（一）土工聚合物作为垫层时的地基承载力,图,12-14,土工聚合物加固地基的承载力计算假设简图,（二）土工聚合物加固路堤时的稳定性设计,(p208,的加固路堤,),土工聚合物用作增加填土稳定性时，其铺垫方式有两种：一种是铺设在路基底与填土之间；另一种是在堤身内填土层间铺设。分析时常采用瑞典法和荷兰法两种计算方法。首先按照常规方法找出最危险滑弧的圆参数，以及相应最小安全系数,。然后再加入有土工聚合物这一因素。,12.5,、土工聚合物的设计计算（,p206,）,(,加筋土垫层设计,),（二）土工聚合物加固路堤时的稳定性设计,(p209,的加固路堤,),1,瑞典法计算模型,瑞典法计算模型是假定土工聚合物的拉应力总是保持在原来铺设的方向。由于土工聚合物产生的拉力,S,。就增加了两个稳定的力矩（图,12,15,）。如以,0,为力矩中心，则当仍按原来最危险圆弧滑动时，要撕裂土工聚合物，就要克服它的总扰拉强度,S,，以及在填土内沿垂直方向开裂而产生的抗力,（,为填土的内摩擦角），前者的力臂为,a,，后者的力臂为,b,，则：,1,瑞典法计算模型,图,12-15,土工聚合物加固软土地基上路堤的稳定分析（瑞典法,p208,）,1,瑞典法计算模型,根据土力学中土坡稳定性分析方法之一的瑞典圆弧法可知，未铺设土工聚合物前的抗滑稳定最小安全系数,（,12-5),增加土工聚合物后的安全系数,（,12-6,）,故增加的安全系数为,（,12-7,）,1,瑞典法计算模型,当已知土工聚合物的抗控强度,S,时，便可以求得,值。相反，当已知要求增加的,值时，就可以求得所需土工聚合物的强度,S,，以便选用现成厂商生产的土工聚合物产品。,另外，还需验算土工聚合物范围以外的路堤有无整体滑动的可能。只有当以上两种验算均满足稳定要求时，才可以认为路堤是稳定的。,2,荷兰法计算模,荷兰法计算模型是假定土工聚合物在和圆弧切割处形成一个与滑弧相适应的扭曲，此时，土工聚合物的抗拉强度,S,每米宽可以认为是直接切于滑弧的（图,12,16,）。绕滑动圆心的力矩臂长即等于滑弧半径,R,，此时的抗滑稳定安全系数为,（,12-8,）,（,p209,）,式中,填土的粘聚力 （,kPa,）；,某一分条滑弧的长度（,m,）；,某一分条滑弧的重力（,kN,）；,某分条与滑动面的倾斜角,；,土的内摩擦角,。,（二）土工聚合物加固路堤时的稳定性设计,图,12-16,土工聚合物加固软土地基上路堤的稳定分析（荷兰法）,2,荷兰法计算模,2,荷兰法计算模,所以，铺设土工聚合物后增加的抗滑稳定安全系数为,（,12-9,）,由上式即可确定所需要的,值，同样也可推求出土工聚合物的抗拉强度,S,值，再用它来选择土工聚合物产品的型号和规格。,国内外的工程实践证明，除非土工聚合物具有在小应变条件下可承受很大的拉应力的性能，否则它还不能使路堤安全系数有很大的增长。用土工聚合物作加筋应具有较高的拉伸强度和抗拉模量，较低的徐变性以及相当的表面粗糙度。据报道，低模量的土工聚合物仅限于较低的堤坝（如,2m,5m,高）使用。国外软土地基上加筋堤的高度大多数不高于,10m,，一般均在,l5m,以下。,12.6,、土工聚合物的施工,(p211)(,加筋土垫层,),（,一,）土工聚合物的施工方法,1,铺设土工聚合物时应注意均匀和平整；在护岸工程坡面上施工时，上坡段土工聚合物应搭接在下坡段土工聚合物之上；在斜坡上施工应保持一定的松紧度。用于反滤层时，要求保证土工聚合物的连续性，不出现扭曲、褶皱和重叠现象。,2,不要在土工聚合物的局部地方施加过重的局部应力。不能抛掷块石来保护土工聚合物，只能轻铺块石，最好在土工聚合物上先铺一层保护砂层。,3,土工聚合物的端部应先铺填，中问后填，端部锚固必须精心施工。,4,第一层铺垫层厚度应在,0.5m,以下，但不能让推土机的刮土板损坏已铺填的土工聚合物，如遇任何情况下土工聚合物损坏，应立即预以修补。,5,在土工聚合物的存放和施工过程中，应尽量避免长时间的暴晒，促使材料劣化。,（,二,）土工聚合物的连接方法,土工聚合物是按照一定规格的面积和长度在工厂进行定型生产的商品成品，因此，这些材料运输到现场后必须进行连接，可采用搭接、缝合、胶结或,U,型钉钉接等方法连接起来（图,12,16,）。,1,搭接法,搭接长度一般在,0.3m,1.0m,之间。坚固和水平的路基一般取小值；软弱的和不平的地面则需要取大值。在搭接处应尽量避免受力，以防土工聚合物移动。此法施工简便，但用料较多。,2,缝合法,用移动式缝合机将尼龙或涤纶线面对面缝合，缝合处的强度一般可达纤维强度的,80,，缝合法施工费时，但可节省材料。,3,胶结法,采用合适的胶粘剂将二块土工聚合物胶结在一起，最少的搭接长度为,100mm,，胶结时间为,2,个小时。其接缝处的强度与土工织物的原强度相同。,4,U,型钉钉接法,用,U,型钉连接时，其强度低于缝合法和胶结法。,（,二,）土工聚合物的连接方法,图,12,31,土工聚合物间的连接方法（,a,）搭接；（,b,）缝合；（,c,）用,U,型钉住,12.7,、工程实例,某油罐加筋垫层工程,（一）工程概况,某油罐工程位于长江岸边的河漫滩软土地基上，采用浮顶式油罐，油罐容积,2,万,，其内径为,40.5m,，高,15.8m,。罐体、罐内充水、基础以及场地填土等荷载共计,288kN/,。,（二）场地岩土工程简况,建筑场地主要地基土分布自上而下分别为：,（,1,）表层土,:,厚,0.3m,0.5m,；,（,2,）粘土层,:,厚,1.3m,2.3m,；,（,3,）淤泥质粘土层：厚度为,12m,18m,，其不排水抗剪强度为,12kPa,47kPa,。,（三）地基处理设计与施工,根据油罐的运行和生产要求，其地基与基础在技术上要求满足以下三点：,（,1,）地基能承受,288kN/,的荷载；,（,2,）油罐整体倾斜小于等于,0,04,0,05,，周边沉降差小于,0,0022,，中心与边沿差小于,1/45,1/44,；,（,3,）油罐的最终沉降不超过预留高度。,由此可见，原地基必须进行处理。经分析研究决定，采用土工聚合物加筋垫层和天然地基排水固结充水的预压方案处理油罐下卧的软土地基，方案设计图可见图,6-32,和图,6-33,。,七、工程实例,图,6,32,土工聚合物垫层平面构造,图土工聚合物垫层地基剖面及测试件埋设布置,土工聚合物加筋垫层由二层碎石袋组成。碎石袋由土工编织袋装入碎石而形成，直径,0.3m,，土工编织布的径向抗拉强度为,32kN/m,，纬向抗拉强度为,25kN/m,，上层直径为,50.5m,，下层直径为,64.5m,，两层间距,1.9m,。每层碎石袋由三片互成,60,交错叠合的碎石袋组合而成，每条碎石袋以间距,0.6m,平行铺设。,12.7,、工程实例,（四）现场观测结果,从填土、施工基础以及多级充水（包括充油投产）过程中各阶段的沉降值,分析实测沉降结果可知，采用土工聚合物加筋垫层和排水固结联合处理油罐地基的方法是可行的，并取得了良好的效果。基础底面和环梁的沉降比较均匀，满足油罐基础的设计要求。基础周边沉降为,1.266m1.5m,（设计要求）；环梁基础倾斜为,1.9,5,；基础底板中心和周边的沉降差与油罐直径之比为,0.0040.015,；虑板最大和最小沉降差与油罐半径之比为,0.0110.025,。,同时，土工聚合物加筋垫层可以防止垫层的抗拉断裂，保证垫层的均匀性，约束地基土的侧向变形，改善地基的位移场，调整地基的不均匀沉降等。,根据基底压力实测分析，基底压力基本上是均匀的，并与荷载分布的大小一致。荷载通过基础在垫层中扩散，扩散后到达垫层底面的应力分布基本上也是均匀的。按垫层面实测的平均应力计算，扩散角约为,40,。可见，加筋垫层起到了扩散应力和使应力均匀分布的作用。,作业,P212,3/5/6,