（道路与铁道工程专业论文）土工合成材料在公路防排水中的应用研究.pdf

摘要 土工合成材料被广泛应用于公路的防排水设施中。土工合成材料的有效利用 不仅能够满足多种工程的需要，而且有利于有效利用材料资源，提高工程质量和 降低成本以达到更好的经济效果。随着我国土工合成材料的应用日益广泛，土工 合成材料的研究也日益深入，土工合成材料在公路防排水设计中已经起到了举足 轻重的作用。 近年来，将土工合成材料应用于公路防排水设施的数量越来越多，大量新产 品也在不断出现，而现有的规范标准已在很多方面满足不了新型防排水土工合成 材料的应用要求，因此土工合成材料的防排水性能和应用研究是一个不断前进的 过程。 论文在对目前国内外土工合成材料的产品、性能、指标等广泛调研的基础上， 总结了土工合成材料在公路防排水设施中的应用研究情况，并发现一些有待解决 的新问题。不断出现的新型复合土工防排水材料的选材方法、性能要求、应用场 合、应用型式、施工方法与其排水能力指标的确定目前还没有统一的标准。目前 厂家对各种类型的产品分别提供了计算通水量的计算公式，但这些公式缺乏通用 性，在实际应用中不方便。 论文分析总结了土工合成材料在公路过滤、排水、防渗方面的应用研究，增 加完善了防排水土工合成材料种类、应用场合、应用方式、排水土工合成材料排 水能力的计算方法，并初步提出了防排水土工合成材料施工方法和注意事项，为 规范的修订提供了参考资料。 关键词：公路；土工合成材料；过滤；排水；防渗；防排水 a b s t r a c t g e 。s 蛳e t i c sa l ew i d e l yu s e di nh i g h w a yw a t e r p r o 。f i n g 觚d 蛐a g ef a c i l i t i e s e 腩c t i v eu s e 。fg e o s y n t h e t i c sc a n n o t 。n l ym e e tt h en e e d s 。fa 谢啊。f p r a ! i e c t s ，b u t a l s 。c o n m l c i v et ot h ee f f e c t i v eu s e 。fm a t e r i a lr e s o u r c e s , 蛳v e 州e m q u 甜i 哆a i l d r e d u c ec o s t si i lo r d e rt oa c h i e v eb e t t e re c o n o m i c r e s u l t s w i t ht h ea p p l i c a t i o no f g e o s ) ，1 1 _ t 1 1 e t i c si nc h i n ai n c r e a s i n g l y w i d e r a n g eo fg e o s y n 出e t i cm 积癌鲥sa r e i n c r e a s i n g l yi n - d e p t h , g e o s y n t h e t i c si n p l a y e dap i v o t a lr o l e h i g h w a yw a t e r p r o o f i n ga n dd r a i n a g ed e s i g nh a s l i i 陀c e n t y e a r s ，g e o s y n t h e t i cm a t e r i a l su s e di n h i g h w a yw a t 唧啪f m ga i l d d r a i l l a g ef a c i l i t i e sa p p e a r st ob em o r ea n dm o r en u m b e ro f n e wp r o d u c t sa r e 鲫e r g i n a n d e x i s t i n gs t a n d a r d sh a v eb e e nm a n y a s p e c t so ft h es p e c i f i c a t i o nc a nn o tm e e tt h en e w w a 钯i p r o 。f i n ga i l dd r a i n a g e 。fg e o s ：y n t h e t i c s d r a i n a g er e q u i r e m e n t s n e r e 如r e ， p r e v e n t i o no fg e o s y n t h e t i c s w a t e r p r o o f i n g i sa n o n g o i n gp r o c e s sf o r w a r d a n dd r a i n a g ep r o p e r t i e sa n da p p l i e dr e s e 诎 a r t i c l e smt h e c u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l g e o s y 劬e t i c sp r o d u c t s ， p e n o n i l a l l c e 砌i c a t o r s ，b a s e do ne x t e n s i v er e s e a r c h ，t h ep a p e rs e d u pm ed e f e n s e 甜g e o s m e t i 鼯i nh i g h w a yw a t e r p r o o f i n ga n dd r a i n a g e f a c i l i t i e si nt h ea p p l i e d r e s e a r c ha n d 幻u n ds o m en e wp r o b l e m st o b e s o l v e d e m e r g i n gn e wc o m p o s i t e g e 0 锄l e 唧。血ga n dd r a i n a g em a t e r i a lo ft h es e l e c t i o nm 弛0 d s ，跚白n n 粼e r e q m r e m e n t s ，a p p i i c a t i o i l s ，a p p l i c a t i o nt y p e , c o n s t r u c t i o nm e t h o da n di t s d r a i n a 髓 c a p a c l 够o fm d i c a t o r st od e t e r m i n et h ec u r r e n tn ou 1 1 i f 0 1 1 n s 切n d a r d m a n u 最l c t u i e r s c u 玳n t l yo f i e ra l lt y p e so fp r o d u c t sa r ec a l c u l a t e dt h r o u g ht h ef o 珊u l a o fw a t e r b u tm e l a c ko fu n i v e r s a lf o r m u l a s ，i sn o tc o n v e n i e n ti np r a c t i c a l a p p l i c a t i o i l s r 聊删y z e sa n ds u m m a r i z e st h ef i l t r a t i o n i n go f g e o s y n t h e t i c si nr o a d s ，捌n a g e s e e p a g ea r e a s0 fa p p l i e dr e s e a r c h ，t oi n c r e a s ep r e v e n t i o na n di m p r o v e dw a t e 印啪缸g 觚dd m i l l a g eg e o s y n t h e t i ct y p e s ，a p p l i c a t i o n s ，a n dd i f f e r e n tw a y s ，蝴力a g e c a p a c i 锣o f g e o s y n t l l e t i c sd r a i n a g em e t h o d ，a n d p r o p o s e daw a t e r p r o o f i n ga n d 蛳m g e 黜觚c t i o n m e m o d so fg e o s y n t h e t i c sa n dp r e c a u t i o n sf o rt h e r e v i s i o no ft h er e 缅e n c es t a l l d 砌 鼍_ w o r d & m 曲w a y ；g e o s 蛳i c s ；f i l t r a t i 。n ；矧n a g e ；s e 印a g e ；w a t e r p r o o f i n g a n dd i a m a g e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 柱岛日期：沙屈年o j 目b - - - t 了 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复 制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 日期：沙。年移月 t - k 冬 z 日 指导教师签名：翻i 么 日期：矽卜年月上日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名： 日期：砂。年6 月 扛垒 日 指导教师签名： 日期：沙p 年 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 路基路面的强度与稳定性和水密切相关。在多条国内已建成的高速公路的路 基路面病害调查中，发现水是造成病害的主要原因之一。因此做好路基防排水工 作，对减少公路病害发生，意义重大。 影响路基路面的水主要包括地面水和地下水。地面水包括大气降水以及海、 河、湖、水渠及水库水。地面水对路基产生冲刷和渗透，冲刷可能导致路基整体 稳定性损害，形成水毁现象。渗入路基土体的水分使土体过湿而降低路基强度。 地下水包括上层滞水、潜水及层问水等，它们对路基的危害程度，因条件不同而 异。轻者能使路基湿软，降低路基强度；重者会引起冻胀、翻浆冒泥或边坡滑塌， 甚至整个路基沿倾斜基底滑动。 路基防排水的任务就是将路基范围内的土基湿度降低到一定的限度以内，保 持路基常年处于干燥状态，确保路基及路面具有足够的强度和稳定性。路基设计 时必须考虑将影响路基稳定的地面水排除和拦截路基用地范围以外，并防止地面 水漫流、滞积或下渗。对于影响路基稳定性的地下水，则应予以隔断、疏干和降 低，并引导至路基范围以外的适当地点。路基防排水的目的为了提高路基和边坡 的稳定性，提高路堤基地的承载力，使路面免遭地下水影响。在地下水危及路基 稳定性或者严重影响路基、路面强度情况下，应根据具体情况采取措施拦截、旁 引排出地下水，降低地下水位或疏干坡体内地下水。 土工合成材料出现之前，路基路面的防排水工程主要采用天然圬工材料，这 些材料用于防排水工程施工周期长，效果不好，造价比较高，一些工程中涉及的 特殊场合防排水方面的问题无法解决。土工合成材料是继木材、钢筋和水泥的第 四种建筑材料，它可以发挥过滤、排水、隔离、加筋、防护、防渗和包容等功能， 从而解决了岩土工程中涉及的特殊场合防排水方面的系列问题，而且施工相对简 单，效果很好，更经济。 土工合成材料与传统的防排水材料相比，具有许多优越性。主要有：由于 是工业生产，土工合成材料就能最大限度地满足工程的要求；土工合成材料的 性能稳定，质量有保障，这是天然材料很难达到的；用量少，质轻，运输方便 等，使得工程造价比传统方法节省。在国内外许多工程实践中通过利用土工织物 代替传统砂石材料都取得良好的经济效益；施工方便，劳动强度低，工效高， 施工质量有保证。 随着我国经济的飞速发展，高等级公路的建设规模不断扩大，质量标准和技 2第一章绪论 术要求不断提高。其中，道路的防排水设计有效与否是对公路的使用性能和使用 寿命影响很大的一个因素。 复合排水材料对公路、铁路、水利工程的土体及地表面渗水、排水等工程起 着重要作用。随着我国高等级公路工程建设标准的逐步完善，对公路的使用寿命 的提高，路基排水工程作为提高公路耐久性、减少公路早期破损的一项重要的工 程措施受到业内人士的重视。在公路的防排水系统中，土工合成材料占有很重要 的位置。 土工合成材料应用于岩土工程是近二十年来发展起来的一门新技术。土工合 成材料的主要功能可以分为：过滤、排水、防渗、隔离、加筋、防护等六个方面。 国内外对土工合成材料在反滤、防渗( 防水) 和排水方面开展了许多研究，也取 得了许多成果。但土工防排水材料在公路防排水设施中的应用技术还存在许多需 要改进和完善的问题。如果土工合成材料的性能达不到设计要求，将会使积滞在 公路界内的水难以排出，加速产生许多路基路面及边坡等的病害，因而严重影响 公路的使用功能，并有可能造成大规模路面水毁，中断交通。因此，充分研究土 工合成材料的防排水性能有着非常重要的意义口儿捌。 1 2 土工合成材料的种类及作用 1 2 1 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。 早期曾将土工合成材料分成土工织物( g e o t e x t i l e ) 和土工膜( g e o m e m b r a n e ) 两类，分别代表透水和不透水合成材料。之后，由于在工程中透水材料和不透水 材料的联合应用不断增多，复合材料、特种材料产品大量涌现，使两大类分法难 以互含，因此，国际土工织物学会提出土工织物及相关产品的分类体系。1 9 8 3 年 j e g i r o u n d 和r g c a r o l l 提出把土工织物分成四类，相关产品分为六类，见表1 1 。 近些年比较一致的看法是把所有土工用的合成材料统称为土工合成材料 ( g e o s y n t h e t i c s ) 。国际土工合成材料协会也以此命名。g e o s y n t h e t i c sw r o r l d ( 土工 合成材料世界) 介绍有关产品和技术讨论时把土工合成材料细分为五类，即土工 织物( 机织和无纺或非织造) 、土工膜、土工格栅( g e o g r i d s ) 、土工网( g e o n e t s ) 、 土工排水材( g e o e o m p o s i t ed r a i n ) 、土工复合材。这一分类体系显然是以土工合成 材料的制造工艺和外观为背景脚。 第一章绪论 3 我国于1 9 9 8 年由水利部会同有关部门共同制订了土工合成材料应用技术规 范( g b 5 0 2 9 0 9 8 ) ，经有关部门会审，批准为强制性国家标准。该规范将土工合 成材料分为四大类，即土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料。其中 土工织物、土工膜和土工复合材料可以起到防排水作用。该规范的分类见图1 1 。 表1 1 土工织物及相关产品 t a b l e1 1 g e o t e x t i l ef a b r i c sa n dr e l a t e dp r o d u c t s 项目分类原材料 单丝( m o n of i l a m e n t ) 、多丝( m u l t i 针织物( k n i t t e df a b r i c ) f i l a m e n t ) 、各种细股丝 土工织物 机织物( w o v e nf a b r i c ) 单丝、多丝、成股丝、条膜( s t r i pf i l m ) 无纺织物( n o n w o v e nf a b r i c ) 纤维( f i b e r ) 复合纤维( c o m p o s i t ef a b r i c ) 各种原材料的组合 条带编织物( w e bw e b b i n g ) 带状薄膜( s t r i p ) ( 土工) 垫( m a t s )刚性大网眼粗纤维( c o a r s er a t h e rr i g i d ) ( 土工) 网( n e t s )挤压出的塑料纤维、丝股为1 5 m m 相关产品 ( 土工) 格栅( g r i d sp b l y m e r g r i d s )聚乙烯、聚丙烯的有孔眼的薄膜状物质 泡沫塑料( f o r m e dp l a s t i c ) 有皱起波纹的多孔眼塑料 复合材料国的材料组合 r 织造 机织( 含编织) r ，土工织物 。针织 f 针刺 l 非织造( 无纺) 热黏结 il 化学黏结 l 土工膜 土工合成材料，复合土工膜 土工复合材料 复合土工织物 il 复合防排水材料：排水带、排水管、排水防水材料等 r 土工格栅、土工带、土工格室、土工网、 土工特种材料 工膜袋、土工网垫、土工织物膨润土垫( g c l ) 、 【聚苯乙烯板块( e p s ) 等 图1 1 土工合成材料分类图 f i g u r e1 1g e o s y n t h e t i c sc l a s s i f i c a t i o nm a p 4 第一章绪论 根据功能与制造工艺的不同，土工合成材料分为四大类：土工织物、土工膜、 土工复合材料、土工特种材料。 公路工程土工合成材料系列产品技术规范按分类土工格栅、土工网、有纺土 工织物、土工模袋、土工格室、土i n 筋带、土工膜、防水材料、排水材料、轻 型硬质泡沫材料、无纺土工布、保温隔热材料、复合材料等做了规定。 1 2 2 土工合成材料的作用 土工合成材料在工程中可以起到多方面的作用，概括起来有以下六种口埔1 。 排水作用 有些土工合成材料如织物是多孔隙透水介质，埋在土中可以汇集水分，并将 水排出土体。他们不仅可以沿垂直其平面的方向排水，也可以沿其平面方向排水， 即具有水平排水功能。土工合成材料本身形成排水通道，把土中的水分缓慢排出 土体。有的针刺型无纺织物或复合型土工材料具有这种功能，例如在地基加固工 程中，用无纺织物包裹的瓦楞形塑料板( 一般称塑料排水板) 插入地基内，可以 代替砂井促使孔隙水沿着塑料板排出，加速地基的固结；在公路路基上铺放厚的 无纺织物垫层，可起固结排水作用，防止翻浆，减少孔隙水压力。在挡土墙、隧 道衬砌或其他建筑物中，均可用土工合成材料做为排水设施。现已广泛应用于土 坝、路基、挡土墙和软土地基的排水固结。 过滤作用 可以代替砂、砾石等粒料做滤层，比粒料滤层施工简便，容易保证质量，而 且造价低。有纺织物和无纺织物都能起滤层作用，途中的水分可以通过织物排出， 同时织物可以阻止土颗粒流失，以免造成管涌现象。在过滤层要求不是很高的情 况下，一般选用无纺织物作为过滤层。例如土工织物可用于土石坝的护坡垫层， 排水工程中碎石排水暗沟或排水管的滤层。 隔离作用 在岩土工程中，不同的粒料层之间经常发生相互混杂现象，使各层失去应有 的性能，将土工合成材料铺设在不同粒料层之间，可以起隔离作用，如在软土地 基上铺设碎石粒料基层时，在层间铺设土工织物，可以有效地防止层间土料相互 贯入和控制不均匀沉降。土工合成材料的隔离作用在公路、铁路软土路基处理中 有很好的效果。 加筋作用 土工合成材料有较高的抗拉强度，埋在土中可承受一部分拉应力，增加土体 的模量。有纺织物、带状织物土工格栅及土工网等都具有这种功能。特别是土工 格珊，具有较高的抗拉强度和张拉模量，同时由于土颗粒嵌入格栅孔口之内，产 第一章绪论 5 生较大的摩阻力，是比较理想的加筋材料，把加筋材料用于挡土墙可以承担部 分土压力，并可作为墙面结构。用于个中建筑物的软土地基工程，可以增强地基 的承载能力。 防护作用 土工合成材料可以扩散比较集中的应力，也可以将应力由一种物体传递到另 一物体，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，起到防护作用。对土壤可以起 保护作用。例如厚的无纺织物或复合材料可以起保温作用，防止土壤产生冰冻； 在公路工程中可以减轻车辆的集中荷载对土基的影响，也可以防止路面反射裂缝 的发展。主要应用于河道整治、护岸、护底工程以及海岸防潮、道路坡面防护等 工程方面。 防渗作用 将土工合成材料表面涂一层树脂或橡胶等防水材料，或将土工合成材料与塑 料薄膜复合在一起形成不透水的防水材料即土工膜。土工膜以薄型无纺土工布与 薄膜复合的形式较多，按工程需要可制成一布一膜、两布一膜或三布一膜等。所 选用的无纺布与薄膜厚度也可按需要而定，也可选用较厚的无纺布与薄膜复合。 其中，薄膜起防水、防渗作用，而无纺布则起到导水作用，一举两得。 1 2 3 土工合成材料的应用方式和技术要求2 删卿 土工合成材料及以土工合成材料为基材制造的( 防) 排水体的类别越来越多， 并且更加便于公路防排水设施的应用，在公路防排水工程中也已开始得到逐步推 广应用。生产制造工业根据以上不同的用途，推出了不少复合排水材料，如“速排 笼”、整体式渗沟等。土工合成材料往往在工程中不是起到单一的作用，而是同时 起到几个作用。从应用的方式上看，土工合成材料的应用途径可归类于以下三个 方面： 透水与反滤：这是一种综合应用，充分利用透水土工织物( 无纺布和有纺 布) 的透水性能和反滤性能。 隔离与防渗：应用上主要发挥土工织物和土工膜的隔离和防渗功能。 集水与排水：使用土工合成材料和软式排水管组合，汇集与排出降落、流 向路基路面范围内的水。 总体上，土工合成复合排水材料在公路排水设施中的应用可用图1 2 表示， 不同应用场合技术要求与产品类别可定性地列于表1 2 。 此外，土工织物还可以用作浇筑混凝土的模胎，土工膜可以作为混凝土建筑 物的止水防渗材料等。有些土工合成材料用在某一项工程中，常常同时发挥几种 功能。例如把土工织物铺在公路碎石基层的下面，既可把碎石与路基隔开，又可 6 第一章绪论 以起到排水滤层和加筋作用。 图1 2 公路工程设施中土工防排水材料应用方式 f i g u r e1 2h i g h w a ye n g i n e e r i n gg e o t e c h n i c a lw a t e r p r o o f i n ga n dd r a i n a g e f a c i l i t i e s ，m a t e r i a l sa p p l i c a t i o na p p r o a c h 表1 2 排水设施分类与技术要求 t a b l e1 - 2c l a s s i f i c a t i o na n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rd r a i n a g ef a c i l i t i e s 对材料的水力 排水设施使用土工合成材料类别 性能要求 透水土工织物、防渗土工膜、软式透水管、复合 渗沟、渗井排水体( 集透水、防渗、排水于一体) 、整体式渗 反滤、透水、排水、防 渗 地下排水 沟 透水土工织物、软式透水管、复合排水体( 塑料 盲沟 反滤、透水、排水 盲沟等) 坡面汇排水土工膜、软式透水管、复合排水体( 塑料盲沟等)透水、反滤、排水 隔离层不透水土工材料，复合土工膜( 含透水土工织物)防渗、渗水 透水土工织物、软式透水管、复合排水体( 塑料集水、透水、反滤、排 支挡结构集排水 盲沟等) 水 中央分隔带及路面边缘透水土工织物、防渗土工膜、软式透水管、复合 透水、反滤、防渗、排 排水排水体( 塑料盲沟等)水 第一章绪论 7 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 目前欧美等发达国家将路基防排水作为一个系统来研究，其研究内容比较广 泛，但主要可以归纳为两个方面：公路防排水合理结构形式与布局；公路防 排水材料、结构及其配套工艺技术。其中，材料的开发应用是关键问题。 随着材料工业的发展，出现了像土工合成材料、弹簧波纹管。阻水灌浆材料 等新型放排水材料，导致了公路防排水设计思想的革命。美国、法国和澳大利亚 等国家比较注重新型放排水材料的研究，开发了适用于不同排水条件的新型土工 合成材料复合土工排水体，并对其排水效果、设计方法作了大量研究。 在澳大利亚，n y l e x ( 美国制耐纶商标名) 最先倡导复合土工排水体在地下 排水中的应用，并且现在已经形成了完整的土工复合排水体家族。他们都由高密 度聚乙烯内核外包复合土工滤膜组成，具有非常好的过滤性和排水性，能满足大 多数场合地下排水的要求。按其性能不同大致可以分为四类：条状排水体 ( s t r i p d r a i n ) 。此类排水体提供了较大的集、排水接触面，能够比常规排水系统 更快速、更有效地排水；容易弯曲、连接，施工时开挖的沟较窄，旅工费用较低。 高强条状排水体( s t r i p d r a i n x s ) ( s ) 。它是经过提高强度处理的条状排水体， 其最小抗压强度为3 0 0 k p a ，适用于有较大荷载的场地，如覆盖层较薄，轴载较大 的公路等。不透水内核排水体( c o r d r a r 。它是高效、经济的竖直排水系统， 采用不透水内核的特殊设计，减小了构造物后的水压力，有助于构造物的防水。 大型场地专用排水体( p l a z a d e c k d r a i n ) 。具有较好的通水能力和防腐性能， 可承受4 5 0 k p a 的水压力，容易切割和安装。 在法国，m u l t 卜- f l o w 排水系统正被应用。它由一堆波纹状聚乙烯管堆叠 而成，外面包裹聚丙烯土工布，是另一种形式的复合土工排水体，高强度的聚乙 烯材料和提高强度的波纹设计使它具有较高的抗压强度和通水能力，波纹缝间的 针孔增加了它的表面开孔率，使它具有较好的集水性。与法国常用的普通排水系 统相比，m u u 卜f l o w 具有以下优点：可用于不能应用排水系统的粘土和淤 泥条件；比普通常用的排水管强度高；施工方便，对土基扰动较小，回填材 料少；需要的机具较轻、便宜；造价是普通排水系统的一半；便于多种形式 的设计和施工，如网络形、人字形，以及其他形式；具有比较完善的系列。 在美国，复合土工排水体在公路排水中也得到了广泛应用。根据t e n a x 公司的 报告，将复合土工排水体应用于公路排水具有以下优点：可迅速排走路面下的 自由水；有效分离填方路基与自由土基；加强了基层，抑制了路基的弱化； 提供了有效的毛细隔断，减少了冻胀和翻浆的危害。 8 第一章绪论 综上所述，复合土工排水体在公路防排水中的应用研究在国外已受到了广泛 关注，并取得了显著效果h m l 。 1 3 2 国内研究现状 我国现有公路损坏中水毁现象尤其严重，主要原因之一是公路排水设施设置 不当，施工质量难以保证，以及传统排水材料难以满足公路排水设施的要求等。 公路排水结构与设施在“七五国家科技攻关中已进行过研究，取得了一定 的成果，并完成了公路排水设计规范。但是规范在材料的选择和应用仍偏重于 传统的排水结构。 针对公路防排水材料问题，国内许多家单位开展了研究。早在八十年代就开 始研究适合我国使用的复合土工排水体，并在九十年代初研制出可供实际工程应 用的产品。目前市场上比较成熟的产品有南京河海土工合成材料有限责任公司与 南京水科院、河海大学等科研机构合作开发的塑料盲沟。该产品时由塑料芯体外 包裹滤膜组成。塑料芯体是以热可塑性合成树脂为主要原料，加过改性，在热熔 状态下，通过喷嘴挤压出细的塑料丝条，再通过成形装置将挤出的塑料丝在结点 上熔接，形成三维立体网状结构。现有多孔矩形、中孔矩形、多孔圆形、中空圆 形四种结构形式。包裹在芯体外的尼龙丝网、无纺土工布等。 我国土工合成材料行业自诞生日起就是一个多学科、跨部门的行业。土工合 成材料行业在2 0 0 0 年左右得到了大力的发展。土工合成材料在1 9 9 8 年抗洪抢险中 发挥了很大的作用。朱镕基总理极为重视，多次批示责成有关部门大力推广应用 土工合成材料( 土工布)以及保证水利建设工程质量。国家经济贸易委员会为了 更好地贯彻落实朱镕基总理的批示精神，确保土工合成材料质量达到国家标准， 同时充分利用现有企业的生产能力，防止重复建设，会同国家纺织工业局、轻工 业局、建材工业局、石化工业局等，先后分两批优选公布了3 9 家产品生产企业和 1 3 家原料生产企业，作为土工合成材料重点生产企业。并要求国家重点建设工程 使用的土工合成材料必须以招标的方式在重点生产企业中采购。同期，国家制订 和颁布了许多土工合成材料产品的国家( 推荐) 标准和各行业工程应用技术规范。 特别是国家强制性标准g b 5 0 2 9 0 1 9 9 8 土工合成材料应用技术规范的颁布，大 大促进了我国土工合成材料行业的快速发展。 2 0 0 1 年度的西部交通建设科技项目“路用防排水材料的开发研究课题，重 点是研究土工合成材料在公路工程中的应用；2 0 0 3 年度开展的科技部项目“路基 排水新材料的开发与工程应用 课题，重点是开发帽状芯材土工复合排水材料以 及研究其在路几公尺中的应用。近年来，土工排水材料有了很大发展，出现了如 “速排笼 、“软式透水管 、“大孔径缠绕排水管”等，并且在工程上得到了较为 第一章绪论9 广泛的应用。 近年来，将土工合成材料应用于路基防排水越来越普遍，如采用土工复合防 排水材料进行暗沟、边沟的防排水、中央分隔带防排水等。2 0 0 1 年度的西部交通 建设科技项目“路用防排水材料的开发研究”课题也涉及到这方面的内容口邶3 。 1 4 有待解决的问题 土工防排水材料在公路防排水中的应用研究在国外已受到广泛关注，并取得 了显著效果，已经被广泛用于公路防排水系统，并对材料的生产、设计、应用和 施工形成了比较系统的规范标准。土工合成材料是继木材、钢筋和水泥的第四种 建筑材料，它的出现解决了岩土工程中涉及的特殊场合防排水方面的系列问题。 现在公路行业的土工合成材料设计标准主要还是参照其他行业的规范或标准 来制定的，其针对性和适用性均有待进一步改进。不断出现的新型复合土工防排 水材料的选材方法、性能要求、应用场合、应用型式、施工方法与其排水能力指 标的确定目前还没有统一的标准。目前厂家对各种类型的产品分别提供了计算通 水量的计算公式，但这些公式缺乏通用性，在实际应用中不方便。因此，开展土 工合成材料在公路防排水设施中的应用技术研究尤为重要。 1 5 本文主要研究内容、方法和目标 1 5 1 研究内容和方法 土工合成材料在防排水方面的应用，无论在设计方法上，还是在应用的范围 和形式上，仍显不够，需要拓展其应用，加强研究。 本文的研究内容包括： 调研目前国内外防排水土工合成材料产品的类别、详细性能指标、测试方 法和防排水能力的计算方法。 分析目前我国防排水土工合成材料产品的应用现状和存在的问题。 调研国内外土工合成材料防排水性能的试验测试方法和主要研究成果。 完善土工合成材料防排水应用型式、性能要求、防排水能力确定方法。 初步完善现有防排水相关要求，形成研究论文，提出规范条文。 通过对西部课题、论文的调研，对防排水材料的性能、设计计算方法和在实 际应用中的问题得到了解。本论文主要对：防排水材料应用型式、性能要求、防 排水能力确定方法；反滤层的选择，土工膜的焊接与膜和其它建筑物的连接方法； 动荷载作用下的土工织物过滤准则等进行试验和考察研究。 1 0 第一章绪论 1 5 2 研究目标 通过本论文的研究工作，拟达到的主要成果： 增加新的防排水材料及其相关的材料性能要求、应用场合、应用型式等。 完善防排水材料的应用型式、防排水能力的确定方法。 在充分调研和吸收相关研究成果的基础上，就土工合成材料在公路工程中 防排水应用的材料、应用方式、施工要求作出分析总结并提出规范条文。 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 1 1 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 2 1 概述 把土工合成材料置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过， 防止因土颗粒流失而造成的破坏；同时还允许土中的水或气体穿过土工合成材料 自由排出，避免因孔隙水压力升高而造成土体失稳。土木工程中可以使用土工合 成材料作滤层的情况很多： 土石坝黏土心墙或黏土斜墙的滤层； 土石坝或提防内的各种排水体的滤层； 储灰坝或尾矿坝的初期坝上游坝面的滤层： 堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡的滤层； 水闸下游护坦、海漫或护坡下部的滤层； 挡土墙、桥台等背面排水系统中的滤层； 排水暗管周边或碎石排水暗沟周边的滤层； 水井、减压井或测压井的滤层； 公路或机场的基层、铁路道渣和人工堆石与地基之间的土工合成材料隔离 层，公路路基地下排水渗沟，拦截地下水、地表水的设施。 反滤材料应用在水流有可能使土体产生变形的地方，例如在水流从土层表面 逸出的部位，或在土体中排水体的周围，常设置反滤材料。传统的反滤材料是透 水的砂石料，现在则可采用土工织物来代替，或者两者结合使用。对任何过滤材 料工程上都有两方面的要求，一方面要求能挡土；另一方面要求保持水流的畅通。 用作反滤的土工织物一般是非织造型( 无纺) 土工织物，有时也可以用织造 型( 有纺) 土工织物嘲1 。 2 1 1 过滤土工合成材料的发展现状 土工合成材料中用于过滤的材料主要是土工织物。复合过滤材料是由芯材外 包无纺布滤膜而成，此外滤膜还起透水和隔土的作用，滤膜具有良好的渗透性， 水极易渗透过滤膜进入排水通道，滤膜的隔土性可防止土颗粒渗透滤膜进入排水 板，从而避免了堵塞排水通道的可能。因此复合土工过滤材料起主要过滤作用的 还是外包的土工织物。传统的过滤材料是透水的砂石料，现在则可以用土工织物 来代替，或两者结合使用。 土工织物的应用，在我国起步较晚，但是发展很快。1 9 7 6 年在江苏省长江嘶 马护岸工程中首选使用由聚丙烯扁丝织成的编织布。进入8 0 年代，编织布的应用 日益增多，应用型式也增加很多。进入9 0 年代，在东北、华北和长江流域先后发 1 2 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 生了几次特大洪水，编织布在防汛抢险中曾发挥了极为突出的作用。非织造土工 织物的应用开始于8 0 年代初期。从1 9 8 1 年到1 9 8 5 年，铁道部门曾布置了几十个 试验路段，利用无纺织物防止基床的翻浆冒泥，成功率达到9 0 以上。针刺无纺织 物在水利工程中的应用发展更为迅速。随着应用范围的不断扩大，生产针刺织物 的工程也如雨后春笋般纷纷建立起来了。 2 1 2 过滤土工合成材料的应用场合和方式口1 土工合成材料可以用于道路暗沟和渗沟过滤层、挡土墙等回填土中排水系统 的滤层、路基的过滤层、中央分隔带过滤层等。 道路排水暗沟周边和排水渗沟周边的土工合成材料滤层主要是防止填料 的混杂和流失的。故在不同的填料之间包裹一层土工织物，使土中呈渗流状态的 流体流入过滤材料时，流体可以通过，而把起骨架作用的固体颗粒截留下来。 r 了 i l ，一一 l - 二二j ( a ) 暗沟过滤 1 - i 卜 一一 i l 一 。纩n 1 l 型- j ( b ) 渗沟过滤 或卵石 ( c ) 边沟过滤 图2 1暗沟、渗沟和边沟过滤作用图示 f i g u r e2 1u n d e r g r o u n dd m i n , w e ra n dd i t c h e sb er o l eo ff i l t r a t i o n 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 1 3 挡土墙等回填土中排水系统的滤层主要是防止墙后土粒淤堵泄水孔，造成 墙后水流无法排出。故在墙后用土工织物包裹一层碎石或卵石材料支持结构。 图2 2 挡墙后过滤作用图示 f i g u r e2 2a f t e rt h ef i l t r a t i o n i n gr o l eo fr e t a i n i n gw a l l 道路基层和中央分隔带的土工合成材料过滤层主要防止细颗粒土被水流 冲刷到粗颗粒土中，从而造成淤堵、管涌翻浆冒泥等情况。故在不同土层之间放 置一层过滤土工合成材料。 图2 3 道路基层过滤作用图示 f i g u r e2 3t h er o l eo f r o a db a s ef i l t r a t i o n 图2 4 中央分隔带过滤作用图示 f i g u r e2 4s h o w st h er o l eo f t h ec e n t r a lm e d i a no f t h ef i l t r a t i o n 1 4 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 2 2 过滤土工合成材料口钔 用于过滤的土工合成材料主要是土工织物，用作过滤的土工织物一般是非织 造型( 无纺) 土工织物，有时也可以用织造型( 有纺) 土工织物。 2 2 1 织造土工织物 织造土工织物又称有纺织物，由经线和纬线在纺织机上交织而成。它的孔径 均匀，用途很广，其主要缺点是强度的方向性很大，沿经线和纬线的强度高，与 经线和纬线斜交方向的强度低。就世界产量而言，这类产品约占土工织物的2 0 。 织造土工织物按加工和生产的方法分为机织土工织物和经编土工织物。 机织土工织物机的结构是由经、纬向的纱线编织而成。 经编土工织物是利用针织经编机加工制造的土工织物，一般是由经、纬向 各自平直排列。 2 2 2 非织造土工织物 非织造土工织物又称无纺织物，是把纤维做成定向的或随意的排列，然后做 成平面织物。目前应用较多的有针刺法土工织物和热粘型土工织物两种。 针刺土工织物是短纤维或长纤维经梳理成网或气流成网铺撒在运输带上， 通过具有数以千计的倒钩针的压板，一方面压紧压薄，一方面穿刺钩缠成为针刺 型土工织物。 热黏型土工织物是纤维经气流成网铺撒在运输带上，通过加热的滚筒，使 疏松的纤维层压缩，并使部分纤维熔化，在纤维搭接处形成热粘结合，便成为热 粘型土工织物。国外很多厂家采用纺粘法。这种方法不通过纤维加工的过程，只 有一条连续的生产线，将聚合物原料投入，经过熔融挤压，喷出连续不断的长丝， 直接平铺成网，然后再用粘合剂，热压或针刺等方法联结成布，无纺织物的最大 优点是强度没有方向性，当前产量约占土工织物的8 0 。 2 3 过滤的作用机理 过滤( f i l t r a t i o n ) 又称反滤或倒滤，是指在土中呈渗流状态的流体流入过 滤材料时，流体可以通过，而把起骨架作用的固体颗粒截留下来的现象。过滤材 料常应用在有水流可能使土体产生严重渗透变形的地方，如在水流从土层表面逸 出的部位或在土体中排水体的周围设置过滤材料。在没有排水体时，土中的缓慢 渗流一般不会引起内部的渗透变形，但设置排水体后，水流条件有很大的改变， 尤其是靠近渗流出口处水力坡降增大，因而有可能产生土体的管涌或流土等渗透 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 1 5 破坏现象，需加以防护啪1 。 目前工程使用上对过滤材料的要求是：可以允许被保护土层的部分细土粒通 过，但是组成骨架的土料不能被水流带走。只要骨架不受扰动，土层就能保持在 渗流作用下的稳定性。 土工合成材料中用于过滤的材料主要是土工织物。早期有把土工织物的过滤 作用等同于传统的天然粗粒材料( 砂、石料) 的过滤作用，( s c h o b e r ，1 9 7 9 ； g i r o u n d ，1 9 8 2 ) ，在挡土方面是利用土工织物具有足够小的孔径来阻挡被保护土中 骨架土料的通过。稍后一些的研究者提出土工织物过滤作用的另一机理，他们认 为土工织物本身并不起过滤中的挡土作用，而是在靠近土工织物处诱发被保护土 层形成一层天然滤层，该天然滤层起到过滤的作用，所以土工织物被认为只起到 一个催化剂的作用( h o a r e ，1 9 8 2 ；l a w s o n ，1 9 8 2 等) 。以下介绍土工织物过滤机理。 把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从 而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体穿过 织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。 把土工织物置于挟带有泥沙的流水之中，可以起拦截泥沙的作用。 2 3 1 无黏性土单向渗流 图2 5 天然滤层示意图 f i g u r e2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en a t u r a lf i l t r a t i o n i n gl a y e r 当渗流经过土层进入土工织物时，在渗透力的作用下有可能把紧靠土工织物 而粒径又较小的土粒带入土工织物，这种情况逐步地向远离土工织物的方向发展， 逐渐形成一定厚度的由较粗土粒形成的架空层，这一层的颗粒较粗，渗透系数较 大，但它不能阻挡细土粒的移动。在土工织物的过滤作用充分发挥时，在架空层 1 6 第二章土工合成材料在公路过滤设计中的应用 的上游一侧会形成一层天然滤层( 又称滤饼，有时把架空层作为天然滤层的一部 分) ，见图2 5 。天然滤层的特点是该层的细粒土的含量比架空层多一些，透水性 相对低一些，从而阻挡了相邻的天然土层的细粒土的移动，因此起到了挡土的作 用。表2 1 中给出了在一个土工织物的过滤试验中，当土工织物