土工合成材料在路基工程中的应用

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9章 土工合成材料在路基工程中的应用,第9章 土工合成材料在,路基工程中的应用,Part,土工合成材料介绍,土工合成材料是岩土工程领域中的一种新型建筑材料，是由聚合物形成的纤维制品的总称。人工聚合物在世界上的出现，虽然已经有了100年左右的历史，但应用于土建工程则是20世纪30年代末才开始的。首先是将塑料薄膜作为防渗材料应用于水利工程；到20世纪50年代末，土工合成材料开始应用于海岸护坡工程；直到20世纪70年代，由于无纺织物的推广，土工合成材料才以很快的速度发展起来，从而在岩土工程学科中形成一个重要的分支。到1984年，全世界10万余项不同类型的工程中已铺设3亿多平方米的土工合成材料。,在20世纪60年代中期到70年代末，有纺织物开始在我国应用于河道、涵闸及防治路基翻浆冒泥等工程。20世纪80年代初，无纺织物开始在铁路工程上试用，20世纪80年代中期，土工合成材料才在我国的水利、铁路、公路、军工、港口、建筑、矿冶和电力等领域逐渐推广。,911 土工合成材料的种类,土工合成材料是土木工程应用的合成材料的总称。作为一种新型的土木工程材料，它是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。关于土工合成材料的分类，至今尚无统一准则。土工合成材料应用技术规范 (GB 50290一1 998)称土工合成材料为土工织物、土工膜、土工特种材料、土工复合材料的总称。土工织物包括织造和非织造(无纺)两类；土工特种材料包括土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土工模袋、土工网垫、土工织物膨润土垫(GCL)、聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)等；土工复合材料包括复合土工膜、复合土工织物、复合防排水材料(排水带、排水管、排水防水材料等)。,1土工织物(geoteXtile),土工织物为透水性土工合成材料。土工织物的制造过程是首先把聚合物原料加工成丝、短纤维、纱或条带，然后再制成平面结构的土工织物。按制造方法分为织造土工织物和非织造(无纺)土工织物。织造土工织物由纤维纱或长丝按一定方向排列机织而成；非织造土工织物由短纤维或长丝按随机或定向排列制成的絮垫，经机械结合、热粘或化粘而成。,土工织物突出的优点是重量轻，整体连续性好(可做成较大面积的整体)，施工方便，抗拉强度较高，耐腐蚀和抗微生物侵蚀性好。缺点是未经特殊处理，抗紫外线能力低，如暴露在外，受紫外线直接照射容易老化，如不直接暴露，老化及耐久性能仍较高。土工织物的性能与其聚合物原料、土工织物的种类及工制造方法密切相关。,2、土工膜,土工膜是由聚合物或沥青制成的一种相对不透水薄膜。含沥青土工膜目前主要为复合型的(含编织型或无纺型的土工织物)，沥青作为浸润粘结剂。聚合物土工膜根据不同的主材料分为塑性土工膜、弹性土工膜和组合型土工膜。,土工膜有很好的不透水性，且弹性和适应变形能力很强，能承受不同的施工条件和工作应力，具有良好的耐老化能力(处于水下和土中的土工膜的耐久性尤突出)。因此，土工膜具有突出的防渗和防水性能。,3、土工特种材料,土工格栅,土工格栅是由有规则的网状抗拉条带形成的用于加筋的土工合成材料，其开孔可容周围土、石或其他土工材料穿入。图9-1为典型的土工格栅示意图。,由于土石料在土工格栅网格内互锁力增高，它们之间的摩擦系数显著增大可达(0.81)，土工格栅埋入土中的抗拔力由于格栅与土体间的摩擦咬合力较强；而显著增大，因此土工格栅是一种很好的加筋材料，国内外工程中大量采用土工格栅加筋路基。同时土工格栅是一种质量轻，具有一定柔性的塑料平面网材，易于现场裁剪和连接，也可重叠搭接，施工简便，不需要特殊的施工机械和专业技术人员。,(2)土工模袋,土工模袋是一种双层化纤织物制成的连续(或单独)袋状材料，其中充填混凝土或水泥砂浆，凝结后形成板状防护体系，常用于护坡或其他地基处理工程。,(3)土工带,土工带是经挤压拉伸或再加筋制成的条带抗拉材料。,土工网(geonet),由平行肋条经以不I司角度与其上相同肋条黏结为一体的用于平面排液、排气的土工合成材料。用于软基加固垫层、坡面防护、植草以及用作制造组合土工材料的基材，如图9-2所示。,土工网垫和土工格室,土工网垫和土工格室都是用合成材料特制的三维结构。土工网垫以热塑性树脂为原料制成，其底部为基础层，上覆起泡膨松网包，包内填沃土和草籽，供植物生长。图9-3是底面为双向拉伸平面网，表面为非拉伸挤出网，经点焊形成表面呈凹凸泡状的多层塑料土工网垫。土工格室由土工织物、土工格栅或土工膜、条带聚合物构成的蜂窝状或网格状三维结构，常用做防冲蚀和保土工程，刚度大、侧限能力高的土工格室多用于地基加筋垫层、路基基床或道床，如图9-4所示。,土工织物膨润土垫,土工织物或土工膜间包有膨润土或其他低透水性材料，以针刺、缝接或化学剂粘接而成的一种防水材料。,(7)聚苯乙烯泡沫塑料,聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)是近年来发展起来的超轻型土工合成材料。是在聚苯乙烯中添加发泡剂膨胀经模塑或挤压制成的轻型板块。EPs具有质量轻(为填土质量的1/501/10，重度为0.20.4kNm,3,)、耐热、抗压性能好、吸水率低、自立性好等优点。,4土工复合材料,土工织物、土工膜或某些特种土工合成材料，以其两种或两种以上的材料互相j组合起来，成为土工复合材料。土工复合材料可将不同构成材料的性质结合起来，更好地满足具体工程的需要，起到多种功能的作用。如复合土工膜，将土工膜和土工织物按要求制成土工膜土工织物组合物。土工膜主要用来防渗，土工织物起加,筋、排水和增加土工膜与土,面之间的摩擦力的作用。又,如土工复台排水材料，它是,以无纺土工织物和土工网、,土工膜或不同形状的合成材,料芯材组成的排水材料，用,于软基排水固结处理、路基,纵向横向排水、支挡建筑物,的墙后排水等，如塑料排水,板就是一种土工复合排水材,料，如图95所示,912土工合成材料的性能指标,土工合成材料的性能指标应包括下列内容，并应按工程设计需要确定试验项目。试验时，可参照公路土工合成材料试验规程(JTJ/T060-1998)进行。,(1)物理性能：单位面积质量、厚度(及其与法向压力的关系)、材料相对密度、孔径等。,(2)力学性能：条带拉伸、握持拉伸、撕裂、顶破、CBR顶破、刺破、直剪摩擦、拉拔摩擦、蠕变等。,(3)水力学性能：垂直渗透系数、平面渗透系数、淤堵、防水性等。,(4)耐久性能：抗紫外线能力、化学稳定性和生物稳定性等。,9.1.3 土工合成材料在路基工程中的应用范围,土工合成材料具有加筋、防护、防渗、过滤和排水等多种功能。日前，软基加固处理、加筋土工程、路堤边坡的植被防护、路基排水、铁路基床加固与处理是路基工程应用土工合成材料的主要场合。,在软土地基加固方面，广泛采用塑料排水带或袋装砂井加速软基的排水固结；采用土工织物或土工网、土工格栅、土工格室补强地基，提高路基的整体稳定性。国外还有采用聚苯乙烯泡沫塑料构筑软土路堤，能减轻路堤自重，减少沉沉降提高稳定性。,在加筋土工程方面，采用土工格栅或土工拉筋带建造加筋土挡土墙；采用土工格栅或土工网，提高土质较差的路堤堤身或边坡的稳定性；也可用来加固陡路堤边坡或改善桥头、填挖交界处、新老路基结合部位，处治桥头跳车和路基不均匀沉降。,在路基防护方面，主要采用土工网或土工网垫结合种草；或采用土工格栅结合喷射水泥浆、混凝土，进行路基边坡坡面防护；或采用石笼、沉枕、土工模袋等做冲刷防护；或采用土工网、土工网垫结合植草种树。在风砂地区进行路基边坡防护，还有用覆盖砂石固定浮沙，建立防沙网、沙障阻止沙丘移动；在盐渍土地区，采用复合土工膜隔断毛细水，防止路堤盐渍化。,在路基排水方面，采用土工织物作为反滤层，用于护坡、护墙、挡土墙背面的反滤排水，用于渗沟、暗沟的沟壁反滤排水和浸水路堤的粗、细颗粒填料间的隔离反滤；采用土工膜或复合土工膜，用于路基顶面或底面的防渗及横向排水；采用塑料渗水管和软式透水管，用于引排挡土墙背后及边坡或滑坡体内的地下水。,在铁路基床加固与处理方面，主要采用土工膜、土工织物、土工格室等材料,封闭和加固基床表层，处理基床翻浆冒泥、下沉外挤，加固软弱基床；在高寒地,区采用聚苯乙烯泡沫塑料板防治基床冻害；采用无纺土工织物及排水管引排地下,水等,9.2土工合成材料在路基工程中的具体应用,9.2.1 路堤加筋,当路堤的稳定性不足时可采用土上合成材料加筋，以提高路堤的稳定性。,土工合成材料加筋的路堤，当原地基的承载力不足时，应采取适当的措施进行处理，以确保路堤的整体稳定。土工合成材料加筋的路堤，其路堤填方的压实度必须达到规范的压实标准，并宜选择易于压实、能与土工合成材料产生良好摩擦的土料。,1、材料选择与参数,用于路堤加筋的土工合成材料可采用土工格栅、土工织物、土工网。当土工合成材料单纯用于加筋目的时，宜选择强度高、变形小、糙度大的土工格栅。当仅仅是为防止边坡浅层溜坍，对材料强度要求较低时，采用土工网亦可达到加固的目的。,路堤加筋所选用的土工合成材料，应具有足够的抗拉强度。土工合成材料的容许抗拉强度T,ga,下式确定,土工合成材料的抗拉强度(kNn1)；,一考虑施工损伤、材料老化、材料蠕变等因素的安全系数；,考虑施工损伤的分项安全系数，一般取值1 01 3；,一考虑材料蠕变的分项安全系数，宜根据试验确定，若元试验资荆,可取2 04 0；,考虑化学、生物损伤的分项安全系数，可取1 01 5。,对土工织物，还应具有较高的刺破强度、顶破强度和握持强度等，这些强度,除需能满足规范规定的相应验算公式外，还应满足表9-1的要求,土工合成材料与土接触的界面摩擦系数s，应参照规范规定的剪切试验方,法，由试验确定。对路基等级条件较低时，可由一式确定,2结构设计与形式,土工合成材料加筋路堤的结,构形式，可根据工程具体情况，,遵循技术可行、经济合理、施工,方便的原则，选用图96所示的,形式。受地形、地物限制需加陡,路堤边坡时，宜选用图9-6(a),的外边回折的加筋结构形式；其,他一般情况，宜选用图96(b)、,(c)两种形式。,土工合成材料加筋路堤的设,计包括土工合成材料的铺设层,数、铺设方式、铺设范围及坡面,防护等内容。铺设层数和长度应,按圆弧滑动法和楔体滑动法通过,稳定性计算确定，包括地基与堤身的整体稳定性、堤身稳定性、平面滑动稳定性,(当堤下地基是浅层软弱土层或相对于路堤荷载浅层地基土强度较低时需要验算。,加筋路堤平面滑动表现为堤与地基沿下卧硬土层顶面滑动和地基侧向挤出滑动)。,筋材的锚固长度除应满足抗拔稳定性计算要求外，亦不得小于2 5m。土工合成,材料加筋的路堤，其边坡必须进行适当的防护，边坡的防护设计应按有关规范进,行。,土工合成材料不宜直接设置于原地基表面上，宣在原地表设置50cm砂,垫层或其他透水性较好的均质土料后，再铺设土工合成材料。多层加筋土工合成,材料应以一定间距分层铺设，各层间距不宜小于一层填土的最小厚度，同时不宜,大于0 6l 0m；施工时，由于边坡附近1 01 5m范围内土体压实较困难，因,此加筋材料的最小铺设宽度不应小于2 02 5m,922软土地基加固,土工合成材料加固软土地基主要有地基的加筋补强和加速排水固结两种。地,基加筋朴强应选用强度较高、延伸率较小的机织土工织物或土工格栅；加速地基,排水固结应选用塑料排水带或袋装砂井。,采用土工合成材料加固软土地基，应根据地基情况、路堤高度及稳定、沉,降、工期等要求，宜按以下条件确定加固措施：当路堤高度大于设计临界高度,102，且沉降不受控制时，可采用土工合成材料加筋补强地基；当路堤高,度大于设|十l临界高度1 52 9倍，且沉降受控制时，可单独采用排水固结法或,采用排水固结法与土工合成材料加筋补强综合加固,1软土地基的加筋补强,用于软土地基加固的加筋材料应选用强度高、延伸率小和不易老化的土工织,物或土工格栅，一般要求抗拉强度不小于35kNm。土工合成材料设计容许强度,还宜根据其与土变形相