第十二章土工合成材料ppt课件.ppt

第12章 土工合成材料,主要内容,12.1 概述 12.2 土工合成材料的分类 12.3 土工合成材料的特性指标 12.4 土工合成材料的主要功能 12.5 设计计算 12.6 施工技术,12.1 概述 土工合成材料是各种由聚合物制成的土工产品的总称，是由煤、石油、天然气等原材料制成的高分子聚合物通过纺丝和后处理制成纤维，再加工而成应用于岩土工程领域的建筑材料。 常见的这类纤维有：聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维等等。,12.2 土工合成材料的分类,土工合成材料分14种产品: 1)织造（有纺）土工织物 2)非织造（无纺）土工织物,3）土工膜 4）土工格栅 5）土工带 6）土工格室,7）土工网 8）土工模袋 9）土工网垫 10）土工塑料排水带 11）土工织物膨润土垫 12）聚苯乙烯板块 13）玻纤网 14）土工复合材料,一、物理特性 1.相对密度 指原材料的相对密度（未参入其他原料）。 2.单位面积质量 指1m2土工织物的质量，由称量法确定。常用土工织物的单位面积为100-1200g/m2。 3.厚度 指压力2KPa时其底面到顶面的垂直距离，由厚度测定仪测定。,12.3 土工合成材料的特性指标,二、力学特性 1.压缩性 土工织物厚度随法向压力变化的性质为该材料的压缩性。厚度与渗透性有关，故也可求得不同法向压力下的渗透系数。 2.抗拉强度 指试样受拉伸至断裂时单位宽度所受的力。常用的无纺型土工织物的抗拉强度为10-30KN/m，高强度的为30-100KN/m；最常用的编织型土工织物为20-50KN/m，高强度的为50-100KN/m；一般的土工格栅为30-200KN/m，高强度的为200-400KN/m。,3.撕裂强度 反应了土工合成材料的抗撕裂的能力，最常用的测试方法为梯形法。 4.握持拉伸强度 这也是一种抗拉强度，它反应土工合成材料分散集中的能力。试验方法与条带拉伸试验类似。 5.顶破强度 反应了土工合成材料抵抗垂直于其平面的法向压力的能力。测定顶破强度方法：a.液压顶破试验；b.圆球顶破试验；c.CBR顶破试验。,6.刺破强度 反应土工合成材料抵抗带有棱角的块石或树杆刺破的能力，测试方法与圆球顶破试验相似。 7.穿透强度 反应具有尖角的石块或锐利物掉落在土工合成材料上时，土工合成材料抵御掉落物穿透作用的能力。采用落锤穿透试验进行测定。 8.摩擦系数 该指标是核算加筋土体稳定性的重要数据，反应了土工合成材料与土接触界面上的摩擦强度。可采用直接剪切摩擦试验或抗拔摩擦试验进行测定。,三、水理性特性 1.孔隙率（n) 指土工织物中的孔隙体积与织物的总体积之比，以百分数表示。其大小影响土工织物的渗透性和压缩性。 2.开孔面积率（POA） 指土工织物平面的总开孔面积与织物总面积的比值，以百分数表示。一般产品的POA=4%-8%，最大可达30%以上。POA的大小影响织物的透水性和淤堵性。 3.等效孔径（EOS） 土工织物有不同大小的开孔，孔径尺寸用符号“O”表示。 EOS是用土工织物作滤层时选料的重要指标。,4.垂直渗透系数（kv) 指垂直于织物平面方向上的渗透系数，用cm/s表示。它是土工织物用作反虑或排水层时的重要设计指标。 5.水平渗透系数 土工合成材料用作排水材料时，水在聚合物内部沿平面方向流动，在土工合成材料内部孔隙中输导水流的性能可用土工合成材料平面的水平渗透系数或导水率（为土工合成材料平面渗透系数与聚合物厚度的乘积）来表示。,四、耐久性和环境影响 耐久性和环境影响是反映材料在长期应用和不同环境条件中工作的性状变化。 1.抗老化 指高分子材料在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的影响，使其性能逐渐变坏的现象，老化是不可逆的化学变化。 2.徐变性 指材料在长期恒载下持续伸长的现象。,12.4.1土工合成材料的工程应用 一、反滤作用 将土工合成材料铺放在上游面块石护坡下面，可起反滤作用和隔离作用（如下图）；,12.4 土工合成材料的主要功能,同样也可铺放在下游排水体周围起反滤作用，以防止管涌。,也可铺放在均匀土坝的坝体内，起竖向排水作用，这样可有效地降低均质坝的坝体浸润线，提高下游坝体的稳定性，渗透水沿土工合成材料进入水平排水体，最后排至坝体外。,二、排水作用 具有一定厚度的土工织物具有良好的三维透水性，利用这一特性除了可作透水反滤层外，还可使水经过土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，构成水平排水层。 图（a）为土工合成材料与其他排水材料共同构成排水系统，加速填筑土体的排水固结过程。 图（b）为挡土墙在填土之前，将土工合成材料置于挡土墙后再填土，这样既可将水排出，又不会把土颗粒带走。 图（c）为降低均质坝坝体内浸润线，可在坝体内用土工合成材料做排水体。 图（d）为土工合成材料用于建造无集水管的排水盲沟。 图（e）为防止细砂和土粒进入排水管道而引起堵塞，将土工合成材料包裹管道，然后埋于地下。,三、隔离作用 一般修筑道路时，路基、路床材料和一般材料都混合在一起，这虽然局部现象，但使原设计的强度、排水、过滤的功能减弱。为了防止这种现象的发生，可将土工合成材料设置在两种不同特性的材料间，不使其混杂，但又能保持统一的作用。,四、防渗作用 土工膜和复合土工合成材料可以防止液体的渗漏、气体的挥发、保护环境或建筑物的安全。,五、防护作用 土工合成材料对土体或水面可以起防护作用，如防止河岸或海岸被冲刷、防止土体的冻害、防止路面反射裂缝、防止水面蒸发或空气中的灰尘污染水面。,六、加筋作用 当土工合成材料用作土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强度。其应用范围有：加固土坡、堤坝、地基及挡土墙。 1.加固土坡和堤坝 a.可使边坡变陡，节省占地面积； b.防止滑动圆弧通过路堤和地基土； c.防止路堤下因发生承载力不足而破坏； d.跨越可能的沉陷区等。,2.用于加固地基 由于土工合成材料有较高的强度和韧性等力学性能，且能紧贴于地表面，使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。当地基可能产生冲切破坏时，铺设的土工合成材料将阻止破坏面的出现，从而提高地基承载力。 3.用于加筋土挡墙 在挡土结构的土体中，每隔一定垂直距离铺设加固作用的土工合成材料时，该土工合成材料可对路基起到加筋作用。,12.4.1土工合成材料的工程应用 一、非织造型土工织物（无纺织物） 最主要用途作为排水反滤层，以代替天然粒状滤层的作用。在这种情况下，无纺织物有时还可以起一定隔离作用。 二、织造型土工织物（有纺织物） 最主要的是做成各种土工合成材料产品或土工合成材料系统，如编织袋，防汛袋，土工模袋等。同时，它也可直接用作隔离层或作为加筋材料。 三、土工膜或复合土工膜 它主要用在防渗、防漏或需要密封的部位，因此在水利,工程和环保工程中应用广泛。 四、土工加筋带或土工格栅 这种材料用于土的加筋和加固。 五、排水带和排水软管 排水带用于土体的排水，或促进土体的固结，它在公路。水闸和房屋地基中应用广泛。 六、土工模袋 用于岸坡和堤坡的护坡，它代替了混凝土的浇筑模板。故称模袋。 七、聚苯乙烯板块 应用于软土地基中地基承载力不足，沉降量过大、地基不均匀沉降等填筑工程以及地下管道保护的换填工程。,12.5 设计计算 设计时，应根据不同工程应用的对象，综合考虑对土工合成材料作用的要求进行选料。 12.5.1 作为滤层时的设计 一般在反滤层设计时，既要求有足够的透水性；又要求能有效地防止土颗粒被带走。 通常采用无纺和有纺土工合成材料，而对土工合成材料作为滤层，同样必须满足这两种基本要求。 实际上对土工合成材料作为反滤层的效果，受到材料的特性、保护土的性质和地下水条件的相互作用的影响。对级配不良的土料，因其本身不能成为粒料，所以“排水和挡土”得依靠土工合成材料。,土工合成材料作为滤层设计时的两个主要因素是土工合成材料的有效孔径和渗透性能。目前广泛采用的滤料要求为：,12.5.2 加筋土垫层设计 由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋土垫层，参见图12-15。,一、加固机理 加固机理为： 1.扩散应力 增大了扩散角，有利于上部荷载扩散，降低底面压力。 2.调整不均匀沉降 加大了地基的整体刚度，均化传递到下卧土层上的压力，有利于调整不均匀沉降。 3.增大地基稳定性 由于加筋土的约束，整体上限制了地基土的剪切、侧向挤出和隆起。 二、加筋土垫层设计 包括：稳定性验算、确定加筋构造、验算加筋土垫层地基的承载力和沉降。,以下介绍国外对加筋土垫层在地基加固和路堤加固方面的设计计算方法： 1. 地基加固 设计时，地基极限承载力ps+c的公式如下：,2.路堤加固 铺设方式有两种：一种是铺设在路基底与填土间；另一种是在堤身内填土间铺设，有瑞典法和荷兰法两种计算方法 。,首先按常规方法找出最危险圆弧滑动参数以及相应的最小安全系数Kmin。然后再加入有土工合成材料这一因素。 则：,荷兰法计算，稳定安全系数为：,值得注意的是：除了应验算滑弧穿过土工合成材料的稳定性外，还应验算在土工合成材料范围以外路堤有无整体滑动的可能，对以上两种计算均满足时才可认为是稳定的。,12.5.3 加筋土边坡设计 设计步骤如下： (1)先按未加筋土边坡进行稳定性分析，求最小安全系数Fsu，与设计要求的Fsr比较，小于时应采取加筋处理。 (2)再图中画出FsuFsr 的滑弧，得到加筋临界范围。 (图12-17) (3)总拉力Ts (单宽)计算公式：,(4) Ts 中的最大值Tsmax应为设计所需的筋材总加筋力。加筋层数应合理确定。 以上设计的原理是认为土坡所需的加筋力应根据每个可能的滑动圆弧逐一计算，获得Tsmax，该拉力并非所产生于最危险滑动圆弧。 (5)筋材的强度验算和抗拔稳定性验算应符合有关的要求。,一、加固机理 加固机理为： 1.扩散应力 增大了扩散角，有利于上部荷载扩散，降低底面压力。 2.调整不均匀沉降 加大了地基的整体刚度，均化传递到下卧土层上的压力，有利于调整不均匀沉降。 3.增大地基稳定性 由于加筋土的约束，整体上限制了地基土的剪切、侧向挤出和隆起。 二、加筋土垫层设计 包括：稳定性验算、确定加筋构造、验算加筋土垫层地基的承载力和沉降。,2.二重法 使用双通道的二重注浆管。当二重注浆管钻进到土层的预定深度后，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射出高压浆液和空气两种介质的喷射流冲击破坏土体。在高压浆液和它外圈环绕气流的共同作用下，最后在土中形成较大的固结体。固结体的范围明显增加(图113)。这种方法日本称为JSG工法。,12.6 施 工 技 术,一、施工方法要点 (1)铺设土工合成材料时应注意均匀和平整；在斜坡上施工时应保持一定的松紧度；在护岸工程上铺设时，上坡段土工合成材料应搭接在下坡段土工合成材料之上。 (2)对土工合成材料的局部地方，不要加过重的局部应力。如果用块石保护土工合成材料，施工时应将块石轻轻铺放。不得在高处抛掷。 (3)土工合成材料用于反滤层作用时，要求保证连续性，不使出现扭曲、折皱和重叠。 (4)在存放和铺设过程中，应尽量避免长时间的曝晒而使材料劣化。,(5)土工合成材料的端部要先铺填，中间后填。端部锚固必须精心施工。 (6)第一层铺垫厚度应在05m以下，但不要使推土机的刮土板损坏所铺填的土工合成材料。当土工合成材料受到损坏时。应子立即修补。 (7)当土工合成材料用作软土地基上的堤坝和路堤的加筋加固时，基底必须加以清理，基底面要求平整，尤其是水面以下的基底面，要先抛一层砂，将凹凸不平的基底面予以平整，再由潜水员下水检查其平整度。如果铺在凹凸不平基底面上的土工合成材料呈“波浪形”，当荷载作用时引起沉降，此时土工合成材料不易张拉，也就难以发挥其抗拉强度。 二、接缝连接方法 土工合成材料是按一定规格的面积和长度在工厂进行定型生产，因此这些材料运到现场后必须进行连接。连接时可采用搭接、缝合、胶结或U形钉钉住等方法。,结束！,