土工合成材料应用设计

“土工合成材料应用设计“概述土工合成材料是岩土工程领域中的一种新型建筑材料，是用于土工技术和土木工程、以聚合物为原料的具渗透性的材料的总称。土工合成材料是将由煤、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。常见的这类纤维有聚酰胺纤维（“，如尼龙、绵纶）、聚酯纤维（如涤纶）、聚丙烯纤维（，如腈纶）、聚乙烯纤维（，如维纶）以及聚氯乙烯纤维（，如氯纶）等。国际上土工合成材料的使用约始于,0）、工程上要求不透水的土工膜（17171）和各种组合产品（1A75B,21）等。由于国际上的名词未得到统一，我国学术和工程界专家考虑这类产品均由合成材料制成，且应用于岩土工程范围，故近年来采用了统一的技术名词“土工合成材料”。在年代中期到，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，“年代初，无纺织物开始在铁路工程上试用；“年代中期，土工聚合物才谖夜乃贰贰劭凇笠焙偷缌攘煊逐渐推广。在全国范围内，成立了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，方兴未艾，发展极为迅速。CC第十二篇土基工程设计“土工合成材料产品类型土工合成材料分类随着新材料和新技术的发展，还将有所变化。从现状和分类趋向发展，暂将土工合成材料分为四大类即土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料。特种土工合成材料包括土工垫、土工网、土工格栅、土工格室、土工模袋和土工泡沫塑料等等。复合型土工合成材料则是由上述有关材料复合而成。各种类型的土工合成材料，如土工垫、土工网、土工格栅、土工格室、土工模袋以及各种规格的土工织物、土工膜等，在国内均能生产，并已在一些工程中应用，但目前在工程实际中使用最多的还是土工织物和土工膜。土工合成材料由合成纤维制成。合成纤维是以煤、石油、天然气和石灰石等作起始原料，经过化学加工而成聚合物（高分子化合物），再经过机械加工制成纤维、条带、网格和薄膜等。纤维又分短丝、连续长丝（直径一般为1/01,。是土工织物用作反滤或排水层时的重要设计指标。（2）水平渗透系数土工聚合物用作排水材料时，水在聚合物内部沿平面方向流动，在土工聚合物内部孔隙中输导水流的性能可用土工聚合物平面的水平渗透系数或导水率（为土工聚合物平面渗透系数与聚合物厚度的乘积）来表示。通过改变加8“第十二篇土基工程设计载和水力梯度可测出承受不同压力及水力条件下土工聚合物平面的导流特性。设计中常改用导水率指标来表示“（“）式中导水率（）；沿水流方向的试样长度（）；试样宽度（）。通常土工织物的水平渗透系数为,“/0,“；无纺型土工织物的水平渗透系数为,“/0,“；土工膜的水平渗透系数为“,“/“,“。大部分编织与热粘型无纺土工织物导水性甚小；针刺无纺型土工织物“/“0簧瞎/“；土工塑料排水带“/“12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。（“）抗老化是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。主要表现在外观变化发粘、变硬、变脆等；“物理化学变化相对密度、导热性、熔点、耐热性和耐塞性等；力学性能的变化抗拉强度、剪切强度、弯曲强度、伸长率以及弹性等；电性能变化绝缘电阻、介电常数等。产生老化的外界因素可分为物理、化学和生物因素，主要有太阳光、氧、臭氧、热、水分、工业有害气体、机械应力和高能辐射的影响以及微生物的破坏等，而其中最重要的是太阳光中紫外线辐射的影响。试验表明，埋在土中的土工聚合物，其老化速度比曝晒在大气下的老化速度慢得多。高分子聚合材料中，聚丙烯、聚酰胺老化最快；聚乙烯、聚氯乙烯次之；聚酯、聚丙烯腈最慢。浅色材料较深色的老化快，薄的较厚的快。（）徐变性指材料在长期恒载下持续伸长的现象。高分子聚合物一般都有明显的徐变性。工程中的土工合成材料皆置于土内，受到侧限压力，徐变量要比无侧限时小得多。徐变性的大小影响着材料的强度取值。2土工合成材料的作用土工合成材料用于岩土工程中所起的作用，可以概括为反滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护等作用。“2反滤作用3岩土工程新技术实用全书在土工建筑物中，为了防止流土（流砂）、管涌破坏，常需设置砂石料所组合的反滤层。而土工合成材料完全可以取代这种常规的砂石料反滤层，起到防止渗透破坏的反滤作用。编织的、机织的和无纺的土工织物都可以起到这种反滤作用。如土石坝粘土心墙或粘土斜墙的反滤层、块石护坡下面的反滤层以及土坡下游堆石棱体上游侧的反滤层等等，均可用土工织物取代，如图“所示。图“反滤作用应用（）土石坝粘土心墙的滤层；（“）堤坝和泊岸块石混凝土护坡的滤层；（）土石坝下游堆石棱体上游侧的滤层“排水作用某些具有一定厚度的土工合成材料有着良好的三维透水特性，利用这种特性，除图“排水作用应用（）土坝内部垂直和水平排水；（“）土工织物包裹排水盲沟作用；（）软基处理的垂直和水平排水了可以透水反滤外，还可使水经过土工织物的平面迅速地沿水平向排泄，且不会堵塞，构成水平排水层。此外，它还可与其他排水材料（如粗粒料、排水管、塑粒排水带等）一起构成排水系统或深层排水井，如图“所示。隔离作用图“隔离作用应用（）隔离不同的筑坝材料；（“）铁路路基与软弱地基，或道床与路基间的隔离层“第十二篇土基工程设计土工合成材料设置在两种不同的土（材料）之间，或者设置在土与其他材料之间予以隔开，以免相互混杂失去各种材料和结构的完整性，或发生土粒流失现象。见图“。加筋作用由于土工合成材料具有较高的抗拉强度，又具有较好的柔性，容许一定的变形而不破坏，当以适当的方式铺设在土中时，可以约束土的拉伸应变，减少土的变形，从而增加土的模量，改善土的受力状况，增加土的稳定性。如图“所示。图“加筋作用应用（）软基加筋加固；（“）路堤加筋；（）加筋土挡墙防渗作用土工膜和复合型土工合成材料，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。例如土坝或水闸地基的垂直防渗墙，渠道防渗，水闸上游护坦及护坡防渗等等，如图“所示。图“防渗作用应用（）土坝的垂直防渗墙；（“）渠道防渗；（）水闸上游护坦及护坡防渗防护作用土工合成材料对土体或水面，可以起防护作用。例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等等，如图“所示。必须指出，在工程实际中运用土工合成材料往往是几种作用的综合，其中有的是主要的，有的是次要的。例如对松砂或软土的基上的铁路路基，则隔离作用是主要的，而反滤和加筋作用是次要的；而软土地基上的公路路基，则如筋作用是主要的，隔离和反滤作用是次要的。“岩土工程新技术实用全书图“防护作用应用（）防止河岸或海岸冲刷；（“）防止路面反射裂缝；（）防止水面蒸发设计方法和施工要点由于土工合成材料在岩土工程中的应用，主要是反滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护等，目前大多处于探索和开发阶段，尚无公认可靠的计算理论和设计方法，也缺少可遵循的技术规范和标准，故此处只能简单介绍设计的原则，以及反滤和地基加固应用方面的设计要点。设计的一般原则（）设计程序运用土工合成材料的工程，其设计程序和其他土建工程的设计程序一样，应包括确定工程范围和目标；“勘察查明场地的工程地质和水文地质条件；初步拟定“个设计方案进行比选；建立分析模型计算方法和确定设计参数；进行分析计算；根据经济和技术可行性，比选并确定最佳方案；作出详细的设计；确定施工检测手段。（“）进行工程设计计算时，应考虑的问题要考虑到与应用结构型式有关的危险因素，及其对结构破坏的影响。如用于永久性建筑物，一旦土工合成材料被破坏，将会严重损害建筑物的安全，因而应特别仔细和慎重周密地考虑。对于大多数的临时工程，即使发生破坏也可很快修复，并且不会影响整个建筑物的安全使用的，则可大胆地应用土工合成材料，但也应认真对待。“分析不利条件的影响。例如，对超软土地基、重大荷载条件、较大水头、正反两向渗流和紊流等的水力条件，以及土工合成材料用作排水时遇到级配不连续的土等等，应进行认真地分析。考虑土工合成材料对整个工程设计和施工的影响。例如，对水下铺设土工合成材料拟采取何种施工方法和措施等。“第十二篇土基工程设计“土工织物的反滤设计（）土工织物反滤作用机理图反滤机理示意图排水体；土工织物；“天然”反滤层；原土体如图所示，在图的左侧为堆石排水体，中间是铺设的土工织物，右侧为被保护的土体，渗流方向自右向左。在单向渗流的情况下，初期紧贴土工织物的土本中发生细颗粒向滤层移动，其中一部分极细颗粒通过土工织物被带走，剩下较粗的颗粒。同时，这一较粗的颗粒层又有阻止后面的极细颗粒继续被带走的性能，而且越往后极细颗粒被带走的可能性就越小。这样，土工织物就与其紧贴的部分土体形成了一道由粗颗粒到细颗粒的“天然”反滤层，能有效地起到反滤作用，确保被保护的土体不致发生管涌。因此，铺设土工织物能起反滤层的作用，并不是土工织物成了友滤层，而是由于有了士工织物的“媒介”作用，使被保护的土体内形成了“天然”反滤层。（）反滤设计准则为了使土工织物起到反滤作用，则要对土工织物提出一定的设计要求，确定设计准则。设计时，除了要求符合反滤条件的准则外，还应同时考虑到隔离、平面排水和加筋加固作用的要求，以便保证其反滤层的稳定、连续和正常工作，从而达到预期的效果。所选用的土工织物应满足两个基本要求）防止发生管涌。被保护士体中的颗粒（极细小的颗粒除外）不得从土工织物中的孔隙中流失。因此，土工织物的孔径不能太大。）保证水流通畅。防止被保护土体的细颗粒停留在土工织物内发生淤堵。因此，土工织物的孔径又不能太小。可见，这两个基本要求是互相矛盾的。设计者的任务，就是要根据被保护土体的特性，选用一种合适孔径的土工织物。针对上述两个基本要求，国内外已提出了不少设计准则。这些准则考虑的因素就是土工织物的孔径、水力坡降、被保护土体的粒径、渗透系数等之间的关系。因为现在土工织物尚处于发展阶段，所以还没有一个公认的、统一的准则，可供设计使用。即使按照同一准则，由于所采用的指标不完全相同（因试验方法尚不统一），所得的结果也会有较大差异。兹介绍一些常用的反滤设计准则，供设计时参考。按常规砂石料反滤层设计准则所导出的准则关于常规砂石料反滤层的设计准则，年首次由太沙基（,/0123）和潘克（4567）提出，即应满足以下两条准则为防止管涌8“988（）岩土工程新技术实用全书为保证透水“（“）式中“反滤料的特征粒径，相应于粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量为“时的粒径（）；“、“被保护土料的特征粒径，分别相应于粒径分布曲线上为“、“时的粒径（）。从式（）和式（“）可以看出，准则的表达方式是通过反滤料与被保护土料两者的粒径大小来体现的。而实际的物理意义，应该是反滤料孔隙大小与被保护土料粒径大小的关系。利用常规砂石料反滤准则以导出土工织物反滤作准则时，只要将式（）和（“）改写为孔径与粒径的关系，然后认为土工织物的孔径相当于反滤料孔隙即可。将式（）和式（“）中的“改换成以孔隙直径表达的形式，亦即“（）式中“为反滤料孔隙的平均直径。于是，得“,“（）“（）对于土工织物来讲，就可用其有效孔径取代以上两式中的“，故得到土工织物的反滤设计准则为,“（）“（/）这种准则已在工程实际中被采用，只是对土工织物的有效孔径的取值还未统一，如选用“，/或“/。但由于土工织物孔隙大小一般比较均匀，故这三个数值相差不多。式（）和式（/）所表示的准则，若用粒径分布曲线表示，就更明显，如图所示，可见是介于“之间。以上准则只适用于无粘性土。对于粘性土，在常规砂石料反滤层设计时，其准则为“,/0（）将式（）代入上式，则得“,/0/因此，土工织物用于粘性土反滤时，要求,/0/（）1第十二篇土基工程设计美国陆军工程师的准则美国陆军工程师团水道试验站是最早研究土工织物用于反滤的单位之一。“年就制定了指导性准则，“年、“年又作过几次修改。陆军工程师团准则（“）图反滤准则示意图土工织物孔隙分布曲线；土料拉径分布曲线为防止管涌,（）为保证透水/01“22（1）此处土工织物的有效孔径“用“。同时还规定对于粘粒含量大于/的土料，则“/022；对于/0/122的土料，不宜采用土工织物作滤层。这种准则非常简单，物理概念明确，在我国工程实际中已被广泛使用。但由于假定滤层材料与被保护的无粘性土都是均质的，没有考虑到被保护土层可能形成“天然”反滤层，因此使用陆军工程师团准则也是偏于安全和保守的。“荷兰的准则荷兰德尔夫特（,345）水力试验室，“年提出的防止无粘性土管涌的准则为对有纺型织物“/“/（）对无纺型织物“/“0“/（）以上介绍的反滤设扦准则，只适用于静荷载条件下的单向水流。至于静荷载条件下的正反双向水流以及动荷载条件碌姆绰松杓疲褂卸嘀址绰松杓谱荚颍刹慰有关专著，此处不再一一列举。（）结论根据近年来我国应用土工织物的试验，大致有以下一些结论工程实践和试验结果表明，运用土工织物作为反滤层很少发生管涌的情况，只有在少数工程中发生过淤堵现象。因此，设计土工织物孔径时，为了不发生淤堵现象，在满足不发生管涌的前提下。应尽可能选择较大的孔径。被保护土料的粒径级配对选用土工织物孔径有很大的影响。级配过于均匀“岩土工程新技术实用全书（不均匀系数“）或过于不均匀（“）的无粘性或少粘性土，尤其是粒径均匀的粉砂，在渗流作用下，容易产生管涌，故选用土工织物孔径时要严格一些。对于被保护土料级配不连续（缺乏中间粒径）的情况，有时细颗粒起控制作用，而有时粗颗粒起控制作用，要视具体情况而异。当被保护土体比较松散，或者承受较大的水头或受动荷载，或者渗流处于紊流状态时，都易发生管涌。“土工织物的孔径一般比较均匀，有纺型土工织物的孔径不均匀系数“接近于，无纺型土工织物也不超过，因此许多准则中没有对孔径均匀性作专门规定，而在常规砂石料反滤层设计中，有对反滤料粒径均匀性的要求。在选用土工织物孔径时，设计者可按某一准则选取某种土工织物。但对重要工程，还要对选用的土工织物结合实际保护土料进行反滤试验予以检验。根据工程实践经验，如果按上述办法难以选用合适的土工织物时，可在土工织物与被保护土之间增铺一层砂料，即可改善反滤效果。运用土工织物加固堤坝软基时的稳定设计（）土工织物加固堤坝软基的作用机理在软土地基上修建堤坝或路堤加固设计时，主要考虑的问题是堤坝的一部分沿土工织物滑动的稳定性；边坡连同地基的滑动稳定性；防止土工织物过量的变形。图“加筋堤坝的三种破坏形式（）部分堤体沿土工织物滑动；（）边坡滑动；（）过量拉伸变形拉伸裂缝；“土工织物；破坏面如图，“（）所示，土堤的某一部分堤体在另一部分堤体的侧向土压力作“第十二篇土基工程设计用下，就必然使部分堤所在地基承受剪应力，因此要求土体与土工织物之间必须有足够大的摩阻力。有些堤坝工程中，往往将土工织物直接铺设在软土地基表面，那样由于土工织物与软土接触界面上摩阻力极小，不足以抵抗堤坝体产生的剪应力，就容易滑动。为此，要求土工织物铺设在砂垫层之间，形成土工织物与砂垫层复合加固地基。这种复合加固对改善软土地基的变形和提高地基稳定性有着明显的作用。如图“（）所示，若堤坝的边坡较陡，地基土质软弱，则有可能土坡连同一部分地基绕某一滑弧滑动。铺设了土工织物，由于土工织物抗拉力产生的稳定力矩，从而提高了地基的稳定性。所谓过量变形是指图“（“）所示的情况，即堤坝中心轴线处发生很大的垂直变形（沉降），中心轴线两侧的垂直变形较小，在堤脚附近的地面还有隆起现象。铺设土工织物后，由于它对地基侧向有约束作用，减少了侧向变形，从而相应地减少了垂直变形（沉降）。图“位移场（）铺设土工织物；（）不铺土工织物根据试验研究，在基底铺设了土工织物，则地基中位移场就偏移，位移减少（见图“）；地基中剪应变较大（超过）的区域也相应缩小（见图“），特别是在浅层，土工织物作用相当明显，从而难以形成贯通的滑动面，这样也就提高了地基稳定性。同时，铺设土工织物后，减少了地基侧向变形，使堤中心轴线处沉降大为减小，而两侧沉降却略有增加，沉降呈“盆底形”；而不铺设土工织物的堤坝，沉降呈“锅底形”，在堤脚附近还有明显的隆起。见图“。图“剪应变（）的区域“岩土工程新技术实用全书根据铺设土工织物（在淤泥和淤泥质土地基上，应采取土工织物与砂垫层复合加固软基）后，能使地基中难以形成贯通的滑动面，同时改善了堤基的沉降量，这也就是土工织物加固软基的作用原理。（）土工织物加固堤坝软基的稳定分析图“堤坝的沉降“铺设土工织物；不铺土工织物土工织物用作增加堤坝、路堤填土稳定性时，其铺设方式有两种一种是铺设在堤坝或路堤基底与填土间；另一种是在堤身内填土层间铺设。地基的稳定分析时，常假定为圆弧滑动，方法又有多种。铺设土工织物后，因土工织物承受了拉力，增加了一个稳定力矩，从而使安全系数增大。荷兰法的计算模型是假定在滑动处土工织物发生与滑弧相适应的扭曲，认为土工织物的拉力方向与滑弧相切（图“），计算式为（“,“）/（“0）式中某一分条与滑动面的倾斜度（）；土工织物的抗拉强度（1234）；某一分条土重（1234）；、“不排水剪的粘聚力（156）和内摩擦角（7）；分条底部的弧长（4）。瑞典法计算模型是假定土工织物的拉应力总是保持原来铺设方向（图“8），由于土工织物拉力的存在，就产生两个稳定力矩，即和,“。计算式为（“,“）（,“）/（“）式中滑弧半径（4）、力臂（4）；“堤坝填土的内摩擦角（）；“89“第十二篇土基工程设计图“荷兰法其他符号意义同前。根据这样的稳定验算，在基底铺设土工织物后，其稳定安全系数一般能提高“。亦即不铺设土工织物，若算得稳定安全系数“，则铺设土工织物后，“。从现有的稳定分析计算结果，还看不出对提高稳定性有明显效果。因此，对铺设土工织物后地基的稳定验算方法还有进一步探讨的必要。根据运用有限元法和以有效应力表示的圆弧滑动稳定分析计算堤坝的稳定性和变形，计算结果与实测资料比较接近，但有限元法计算参数不易确定，其计算结果也只能作为参考。图“瑞典法施工要点（）接缝的连接土工织物是按一定规格的幅宽和长度在工厂进行定型生产的。因此，这些材料运到现场后，两块织物之间还应进行连接。连接的方式，一般有如下几种搭接法将相邻两块织物重叠一部分，一般重叠宽度为,，如图“/（）所示。轻型建筑物可取小值。织物的压重增大或倾斜度增大时，搭接长度也要相应增大。水下的不规则铺设时，还要大一些。在搭接处应尽量避免受力，以免织物移动。若织物上铺有一层砂土，最好不采用搭接法，因砂土极易挤入两层织物之间而将织物抬起。“,“岩土工程新技术实用全书图“接缝连接方式（）搭接；（“）缝接（对面缝）；（）缝接（折叠缝）；（）钉接缝合法用移动式缝合机将尼龙或涤纶线面对面缝合或折叠缝合