（船舶与海洋工程专业论文）土工织物充填管状袋制作、堆积中的若干问题研究.pdf

，i j 。 氐广 上海交通大学博士学位论文 土工织物充填管状袋制作、堆积中的若干问题研究 摘要 由于砂石料等自然资源越来越难于获得，应用传统的海岸和河岸结构物进行建造 和维护变得非常昂贵，土工织物充填管状袋具有就地采用当地淤泥和设备进行施工建 设，可降低工作量、缩短施工周期、节省工程费用和减少环境污染等优点；同时，在 环境工程领域，相对于将疏浚材料、泻湖沉积物、工业废物和受污染物等土工材料简 单地暴露于空气中进行脱水，用土工织物包裹细质级材料所构成的脱水用土工织物管 状袋还可以节省成本，达到较快脱水和固结。 土工织物充填管状袋是利用土工织物制作成管状，向其内充填以疏浚材料或泥浆 等制成的土工特种材料。土工织物充填管状袋已在海岸防护、抗洪抢险、沼泽地修复、 冲刷防治、填海造陆和垃圾处理等海岸和环境工程领域得到了越来越广泛的应用。利 用土工织物充填管状袋还可以构筑堤防、丁坝和砂丘等结构物，土工织物充填管状袋 技术正在国内外各项工程中发挥着重要作用。 在土工织物充填管状袋的制作和堆积中，还存在着许多亟待解决的问题，如：在 其制作时，当充填物为泥浆时的力学性能、当充填物为高含水粘性土时的沉积和固结 性能；在其堆积时，土工织物充填管状袋的力学性能以及构筑的海岸结构物在浪、流 作用下的稳定性等。这些问题涉及土工织物的材料特性、充填物的力学特性、地基土 的本构模型和外界浪、流等。本论文在研究中主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 对土工织物充填管状袋在海岸工程和环境工程领域的应用进行了介绍，并对2 0 世纪5 0 年代以来国内外对其应用的工程项目及相关应用文献也作了阐述。综述 了国内外对土工织物充填管状袋在制作和堆积时的力学性能、固结性能和稳定性 的理论研究、试验研究和数值模拟方面的研究现状，并对这些解决力学性能、固 结性能和稳定性的已有方法和理论进行了分析比较。 ( 2 ) 通过分析计算椭圆积分方程，研究了充填泥浆的土工织物充填管状袋的力学性 摘要 能，求解得出其周向拉力和充填后的形状，绘制了周向拉力、形状与底部压力关 系的设计图谱，并针对这些设计图谱，进行了数据处理，回归了周向拉力、形状 与底部压力关系的公式。 ( 3 ) 对充填高含水粘性土的土工织物充填管状袋的沉积和大变形固结性能进行了理 论研究和数值模拟技术研究。在沉积过程中，建立了以土水混合物的孔隙率 为控制变量的一阶非线性双曲型波动方程，研究认为该过程是一个出现激波的过 程；在固结过程中，本文认为该过程属于自重固结，可利用g i b s o n 等人开创的 大变形固结理论进行分析。研究认为：可以分别应用有限体积法和有限差分法进 行沉积和大变形固结的数值模拟。 ( 4 ) 基于充填泥浆的土工织物充填管状袋的形状计算结果，进行了土工织物充填管状 袋堆积时的力学性能研究。土工织物充填管状袋堆积时的力学性能较为复杂，它 涉及土工织物的材料特性、充填砂土和地基土的本构关系，本文应用大型通用有 限元软件a b a q u s ，建立二维完整有限元装载模型，进行数值模拟。研究结果表 明：土工织物的最大周向拉力出现在充填阶段。 ( 5 ) 对土工织物充填管状袋作为离岸潜堤的堤心构筑的海岸结构物的稳定性和透射 性能进行理论分析。这一新型离岸潜堤与传统的离岸堤相比，不仅具有减小波浪 力的作用，还具有经济和美观的功能，可应用于海岸线的防护。本文按照海岸线 响应的要求研究了潜堤的布局，并通过基于试验结果的经验公式对其稳定性和透 射性能进行了估算。 ( 6 ) 利用前述的研究内容，结合国内外科研人员、g r i 及其组织的最新国际会议 g r i 1 8 的研究结果，分别对土工织物充填管状袋在海岸工程和环境工程领域的这 两个不同的工程领域设计的主要方面进行系统研究。 关键词：土工织物充填管状袋；制作；堆积；力学性能；沉积；大变形固结；稳定性； 设计 i 矿： - i 幺 ，1 l 、： 。譬j n 1 上海交通大学博士学位论文 r e s e a r c h e so nt h eg e o t e x t i l et h b e s d u r i n gt h es t a g eo f m a n u f a c t u r i n ga n ds t a c k i n g a b s t r a c t a sn a t u r er o c ki si n c r e a s i n g l ym o r ed i f f i c u l tt oo b t a i n ，t r a d i t i o n a lf b 姗so fc o a s t a la n d r j v e rs t m c t u r e sh a v eb e c o m ev e r ye x p e n s i v et ob u i l da n dm a i n t a i n g e o t e x t i l et u b e su s e t h el o c a ld r e d g e dm a t e r i a l sa n de q u i p m e n t st oc o n s t r u c ta n dh a v et h em a i na d v a n t a g e so f t h e r e d u c t i o n si nw o r kv o l u m e ，e x e c u t i o nt i m e ，c o s ta n de n v i r o n m e n t p o l l u t i o n a n di nt h e f i e l do fe n v i m n m e n te n g i n e e r i n g ，c o m p a r e dw i t hs i m p l yl e a v i n gt h es u a c eo fd r e d g e d m a t e r i a l s ，l a g o o ns e d i m e n t ， i n d u s t r i a lw a s t ea n dc o n t a m i n a t e dm a t e r i a l so p e nt ot h e a t m o s p h e r e t o d e w a t e r i n g ，g e o t e x t i l e sa r ef a b f i c a t e d i n t ot h et u b e st oc o n t a i nt h e g e o m a t e r i a l s ，w h i c hc a nr e d u c et h ec o s ta n dp r o v i d ef a s t e rd e w a t e r i n ga n dc o n s o l i d a t i o n g e o t e x t i l et u b e sa r ek i n d s0 fs p e c i a lg e o s y n t h e t j c s ，w h i c ha r em a d eo fw o v e no r n o n w o v e ng e o t e x t i l e sa n dp u m p e df u uw i t hd r e d g e dm a t e r i a l so rs l u h y g e o t e x t i l et u b e s h a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ec o a s t a la n de n v i r o n m e n te n g i n e e r i n gf i e l d so f c o a s t a lp r o t e c t i o n ，n o o df i g h t i n g ，w e t l a n dr e s t o r a t i o n ，e r o s i o nc o n t r o l ，s e ar e c l a m a t i o na n d f e f u s e d i s p o s a l t h e yc a na l s ob eu s e dt oc o n s t l l j c td i k e s ，g r o j n s ， d u n e sa 1 1 ds i m i l a r s t r u c t u r e s g e o t e x t i l et u b e sa r en o w p l a y i n gt h ei m p o n a n tr 0 1 eo nt h ew o r l d w i d ep r o j e c t s d u r i n gt h es t a g e so fm a n u f a c t u r i n ga n ds t a c k i n go fg e o t e x t i l et u b e s ，t h e r ea r em a n y p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d ，s u c ha s ： a tt h es t a g eo fm a n u f a c t u r i n g ，t h em e c h a n i c a l 1p r o p e r t i e sw h e nf i l l i n gs l u h ya n dt h es e d i m e n t a t i o na n dc o n s o l i d a t i o nb e h a v i o r sw h e n f i l l i n gh i g h - w a t e rc o h e s i v es o i l ；a tt h es t a g eo fs t a c k i n g ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g e o t e x t i l et u b e sa n dt h es t a b i l i t yo fc o a s t a ls t m c t u r e sc o n s t m c t e db yg e o t e x t i l et u b e sd u et o c u h e n ta n dw a v e t h ep r o b l e m si n v o l v et h em a t e r i a lp r o p e n i e so fg e o t e x t i l e ，m e c h a n i c a l p r o p e n i e so ff i l l i n gm a t e r i a l sa n dt h ec o n s t i t u t i v em o d e lo ff o u n d a t i o n s ，e n v i r o n m e n to f a b s t r a c i c u n e n ta n dw a v e t h i sd i s s e n a t i o nm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： ( 1 )d e s c r i b i n g t h ea p p l i c a t i o n so fg e o t e x t i l et u b e si nt h ec o a s t a la l l de n v i r o 砌e n t e n 舀n e e r i n gf i e l d s t h ew o r l d w i d ea p p l i c a t i o np r o j e c t sa n dr e l a t e d1 i t e r a t u r e ss i n c et h e 1 9 5 0 sa r ea l s oi l l u s t r a t e d r e v i e w i n gt h ew o r l d w i d et h e o r e t i c a l ，e x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a lr e s e a r c h e so nm e c h a n i c a lp r o p e n i e s ，c o n s o l i d a t i o np r o p e n i e sa n ds t a b i l i t y o fg e o t e x t i l et u b e sd u r i n gt h es t a g e so fm a n u f a c t u r i n ga n ds t a c k i n g t h ee x i s t i n g m e t h o d sa n dt h e o r i e sf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee q u a t i o n so fe u i p t i ci n t e g r a l s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e n i e s o ft h es l u r r y f i l l e dg e o t e x t i l et u b e sa r er e s e a i c h e d t 1 l ec i r c u m f e r e n t i a lt e n s i o na n d s h a p ea f t e rf i l l i n ga r es o l v e d t h e nt h e i rd e s i g nd i a 伊a m sb e t w e e np u m p i n gb o t t o m p r e s s u r ea r ep l o t t e da n d t h er e g r e s s i v ef b 皿u l a sa r ed e d u c e d ( 3 )c o n d u c t i n gt h et h e o r e t i c a lr e s e a i c h e sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n go fs e d i m e n t a t i o na n d f i n i t es t r a i nc o n s o l i d a t i o no fh i g h w a t e rc o h e s i v es o i l f i l l e dg e o t e x t i l et u b e s d u r i n g t h ep r o c e s so f s e d i m e n t a t i o n ， t h ef i r s t - o r d e rn o n l i n e a rh y p e r b o l i c e q u a t i o n i s e s t a b l i s h e d ，d e p e n d i n go nt h ep o r o s i t yo ft h es o i l - w a t e rm i x t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sp r o c e s si sl i k e l yt h ep r o p a g a t i o no fs h o c kw a v e s t h ep r o c e s so fc o n s o l i d a t i o n b e l o n g st o t h es e l f 二w e i g h tc o n s o l i d a t i o na n df i n i t es t r a i nc o n s o l i d a t i o nt h e o r i e s d e v e l 叩e db yg i b s o nc a nb ea p p l i e d t h ef i n i t ev o l u m em e t h o d s ( f v m ) a n df i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d s ( f d m ) c a nb eu s e dt oc o n d u c tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f s e d i m e n t a t i o na n df i n i t es t r a i nc o n s o l i d a t i o n ，r e s p e c t i v e l y ( 4 )b a s e do n t h ec a l c u l a t e ds h 叩eo fs l u h y - f j l l e d g e o t e x t i l et u b e s ，t h em e c h a n i c a l p r o p e n i e so fs t a c k e ds a n d - f i l l e dg e o t e x t i l et u b e sa r ei n v e s t i g a t e d t h em e c h a n i c a l b e h a v i o r so fs t a c k e dg e o t e x t i l et u b e sa r ev e r yc o n l p l e x ，b e c a u s et h e ya r ei n v o l v e di n t h ep r o p e n i e so ft h eg e o t e x t i l e ，c o n s t i t u t i v em o d e l so ff i l l i n gm a t e r i a la n df o u n d a t i o n u s i n gt h ec o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g m ma b a q u s ，t h i sd i s s e r t a t i o n e s t a b l i s h e st h ee n t i r e2 df i n i t ee l e m e n tl o a dm o d e lt od ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h er e s u l t so ff e as h o wt h a tt h el a r g e s tt e n s i l ef b r c eo c c u r st h ef i u i n gp r o c e s s ( 5 )d o i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fs t a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o no fg e o t e x t i l et u b e sa st h e c o r e so ft h eo f f s h o r el o w c r e s t e db r e a k w a t e r s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo 饪毫h o r e l v ， n 2 、。气 ? l t j 上海交通大学博士学位论文 b r e a k w a t e r s ，t h i sn e wt y p ec a nn o to n l yr e d u c et h ea c t i o no fw a v e s ，b u ta l s oi s e c o n o m i ca n da e s t h e t i c t l l l e yc a nu s e dt o p r o t e c tt h es h o r e l i n e t h el a y o u to ft h e b r e a k w a t e r sa c c o r d i n gt ot h es h o f e l i n er e s p o n s ei sr e s e a r c h e da n dt h es t a b i l i t ya n d t r a n s m i s s i o nb e h a v i o r so ft h eb r e a k w a t e r sa r ee s t i m a t e db yt h ee m p i r i c a lf o 咖u l a s ， w h i c ha r eb a s e d0 nt h em o d e lr e s u l t s ( 6 )u t i l i z i n gt h ea b o v er e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o m b i n i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so ft h e w o r l d w j d ef e s e a r c h e r s ，g r ia n dt h ec u r r e n tj n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eg r i 1 8 t h e s y s t e md e s i g no ft h em a i np r o b l e m so ft h et w od i 骶r e n te n g i n e e r i n gf i e l d si nt h e c o a s t a la n de n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g a r er e s e a r c h e d k e yw b r d s ： g e o t e x t i l e t u b e s ，m a n u f a c t u r i n g ， s t a c k i n g ， m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， s e d i m e n t a t i o n ，f i n i t es t r a i nc 0 n s o l i d a t i o n ，s t a b i l i t y ，d e s i g l l v 上海交通大学博士学位论文 s 。so 妒 4 d a | 口 6 缈 c z h 形 b 只 y s ， 部分符号说明 近似的形状研究中管状袋的周长 充填率 管状袋理论圆的面积 管状袋理论圆的直径 管状袋充填后的面积 近似的形状研究中管状袋的最大高度 近似的形状研究中管状袋的最大宽度 管状袋的面积与周长面积的比值 近似的形状研究中管状袋的近似周长 分析研究中管状袋的周长 管状袋的周向拉力 分析研究中管状袋的最大高度 分析研究中管状袋的最大宽度 p l a u t 等分析中管状袋的接触长度 分析研究中管状袋的顶部泵压 泥浆重度 土的饱和度 初始含水量 x 部分符号说明 最终含水量 土的比重 沉积速度 大变形固结系数 相关系数 相对密度 充填物的孔隙率 通量函数 水的速度 小变形固结系数 孔隙水压力 土的有效应力 有限元分析的刚度矩阵 有限元分析的载荷向量 应变增量 应力增量 弹性模量 泊松比 x 1 吁 g 圪 g 尺 咒 g 甜 仃 吲 协 讲 埘 f j r1 r f 上海交通大学博士学位论文 d n 5 0 h s 石块的标称直径 有义波高 本地波倾 波浪透射系数 来流浪高 透射浪高 土工织物的孔径 土颗粒大小 土工织物的渗透系数 土颗粒的渗透系数 结构的抗滑安全系数 结构的抗转动安全系数 脱水效率 反滤效率 以上仅为部分符号，若有差异，以该符号所在章节注释为准。 x i | k 皿 q 吒 缸 踞 踢 叩 阿 上海交通大学 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：季钍文交处 日期：办6 年f 月，日 上海交通大学 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名臻文始指导教师繇z 黏第 日期：夕多年月r 舌日 日期：元年f 刖6 日 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 土工织物充填管状袋( g e o t e x t i l et u b e s ) 是新兴起的新技术和新材料，其形式为 利用土工织物制作成管状袋，向其内充填以疏浚材料或泥浆等的一种土工特种材料。 作为一种土工特种材料，土工织物充填管状袋以其自身的优点在海岸防护、抗洪抢险、 沼泽地修复、冲刷防治、填海造陆和垃圾处理等领域中发挥了重要作用，利用土工织 物充填管状袋还可以构筑堤防、丁坝和砂丘等海岸结构物。海岸工程是海洋工程的重 要组成部分。 与传统的块石和预制混凝土构件等相比，土工织物充填管状袋具有降低工作量、 缩短施工周期、节省工程费用、就地采用当地淤泥、当地设备和降低工程维修费用等 优点；对于一些自然资源，如：砂石料极其短缺的地区，采用土工织物充填管状袋也 不失为一种经济、高效的好方法。同时，在环境工程领域，相对于将疏浚材料、泻湖 沉积物、工业废物和受污染物等土工材料简单地暴露于空气中进行脱水，用土工织物 包裹细质级材料所构成的脱水用土工织物管状袋还可以节省成本，达到较快脱水和固 结的目的。目前，土工织物充填管状袋技术正在国内外各项工程中起着积极的作用。 1 2 土工合成材料的发展 制作土工织物充填管状袋的主要材料是土工织物与其内充填物，而土工织物属于 土工合成材料。土工合成材料( g e o s v n t e t i c s ) 是土工织物、土工膜、土工复合材料 和土工特种材料的统称，由聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚丙烯和聚氯乙烯等高分子聚合 物制造而成。土工合成材料具有反滤、排水、隔离、防渗、防护和加筋等六大功能， 被称为是继钢材、水泥和木材之后的第四大新型建筑材料i l 】。 1 2 1 国外土工合成材料发展 在国外，土工合成材料的开发和应用已有几十年的历史。2 0 世纪2 0 年代至6 0 年代 第一章绪论 中期，主要是织造型土工织物和土工薄膜的广泛应用。2 0 世纪6 0 年代末期，开始应用 于欧洲的非织造型织物带来了新的发展，从2 0 世纪7 0 年代起非织造型织物从欧洲传到 了世界各地。到7 0 年代土工合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期【2 j 。 1 9 7 7 年4 月，在法国巴黎召开了“织物在岩土工程中应用的国际会议” ( i i l t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo nt h eu s eo ff a b r i c si ng e o t e c h n i c s ) ，后来人们把这次会议 看成是第一届国际土工织物会议【3 】，这次会议将应用于岩土工程的各种名称的合成纤 维( 如：土工纤维、渗透布、塑料纤维和土木工程纤维等) 统称为“土工织物”和“土 工膜”两个专用名称【4 】，急速地推动了土工合成材料市场的发展。1 9 8 2 年，在美国拉 斯维加斯召开了“第二届国际土工织物会议”，此后的会议每4 年召开一次。在1 9 8 3 年 还成立了“国际土工织物学会”( 后改名为“国际土工合成材料学会”，h l t e m a t i 彻a l g e o s v n t h e t i c ss o c i e t v ，简称i g s ) 【5 1 。 此后的土工合成材料的国际会议由该组织举办，通过这些国际会议的论文可以反 映出当今国际社会对土工合成材料技术的认识水平。目前，关于土工合成材料的国际 会议( i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c e0 ng e o s y n t h e t i c s ，简称i c g ) 已经召开了七次。第三次会 议于1 9 8 6 年在奥地利首都维也纳举行；第四次会议于1 9 9 0 年在荷兰中央政府所在地海 牙举行；第五次会议( p r o c e e d i n go f5 t hc o n f e r e n c eo ng e o t e x t i l e ，g e o m e m b r a n e s & r e l a t e dp r o d u c t s ) 于1 9 9 4 年在新加坡举行，在这次会议上正式将“土工织物、土工膜 及相关产品”等材料的名称定为“土工合成材料”；第六次会议( p r o c e e d i n g so fs i x t h i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo ng e o s v n t h e t i c s ) 【6 j 于1 9 9 8 年在美国亚特兰大举行；2 0 0 2 年9 月2 2 日至9 月2 7 日在法国东南部城市尼斯举行了第七次国际土工合成材料会议【7 | ，也 是在2 5 年后土工合成材料国际会议又一次在法国举行。 第八次土工合成材料国际会议将于2 0 0 6 年9 月1 8 日至2 2 日在日本横滨举行i 剐。 地区性的会议，如：欧洲会议和亚洲会议也是接连不断地举行。欧洲的土工合成 材料会议已召开了三次。第一届欧洲土工合成材料会议( p r o c e e d i n go ft h e1 s te u r o p e a n g e o s v n t h e t i c sc o n f e r e n c e ，简称e u r o g e o ) 于1 9 9 6 年在荷兰东南部城市马斯特里希特 举行；第二届欧洲土工合成材料会议( e u f o g e 0 2 ) 于2 0 0 0 年在意大利中北部城市波洛 尼亚举行【9 】；第三届欧洲土工合成材料会议( e u r o g e 0 3 ) 于2 0 0 4 年3 月1 日至4 日在德 国慕尼黑举行1 1 0 j 。 近2 0 几年来，国外学者l 幻e m e r 和w e l s h ( 1 9 8 0 ) 【1 l 】、j o h n ( 1 9 8 7 ) 、r o n i n 和 2 上海交通大学博士学位论文 r i g o ( 1 9 9 1 ) 【1 引、i i l g o l d ( 1 9 9 4 ) 【1 4 1 、v a ns a n t v o o n ( 1 9 9 4 【1 5 1 ，1 9 9 5 【1 6 】) 、k o e m e r ( 1 9 9 7 ) 1 7 1 、p i l a 溉e v k ( 2 0 0 0 ) 【1 8 】以及d e l m a s 等( 2 0 0 3 ) 【1 9 】等都出版了有关土工合成材料的 书籍，对世晁范围内土工合成材料方面的工程应用和科学研究发挥了重要作用。 土工合成材料正逐渐成为一门以岩土力学和工程力学为基础，与高分子聚合物及 纺织工业紧密相联系的应用于土木工程各个领域中的交叉学科。土工合成材料已在国 内外公路、铁路、机场和水利等各项工程建设中得到了越来越广泛的运用，取得了较 大的成功。 目前，国外土工合成材料技术已在以下4 个方面发展的比较完善：成立了一个国 际化的专业学会组织( i g s ) ，拥有一个商业组织( i n d u s t 血lf a b r i c sa s s o c i a t i o n 1 1 1 t e m a t i o n a l ，简称i f a c ) ，一个带领土工合成材料工业进入新领域的独立研究机构 ( g e o s y n t h e t i cr e s e a r c hi i l s t i t u t e ，简称g r i ) 和一个标准实体( g e o s y n t h e t i cm a t e r i a l s a s s o c i a t i o n ，简称g m a ) 。 1 2 2 国内土工合成材料发展 在我国，土工合成材料的发展主要分为：2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代末期的自主 应用阶段、8 0 年代初期至8 0 年代末期的技术引进阶段、9 0 年代初至现在的建设和发展 阶段【2 0 】。1 9 9 1 年由南京水利科学研究院编写的土工合成材料测试手册一书对统一 全国的测试方法，起到了显著作用【2 1 】。1 9 9 4 年，“土工合成材料工程应用手册编写委 员会”出版了土工合成材料工程应用手册一书，该书以设计的原则、方法和国内 的工程介绍为主，同时也对国外较新的科研成果和著名的工程作了介绍，在一定程度 上推动了土工合成材料在我国的应用【3 1 。1 9 9 8 年的特大洪水，对土工合成材料的应用 和研究引起了党中央和国务院的高度重视，许多工程技术和研究人员大量地投入到土 工合成材料的应用和研究工作中。国内学者包承纲( 1 9 9 9 年) f 1 】、陶同康( 1 9 9 9 年) 【2 2 】和黄晓明、朱湘( 2 0 0 1 年) 【2 3 】等出版了土工合成材料在堤防工程、堤坝渗流控制 和公路工程的应用及其原理方面的书籍。 随着土工合成材料在我国的普遍推广，有关的学术团体蓬勃地发展起来，举办了 大量的学术会议。1 9 8 4 年成立了全国性的“土工织物科技情报协作网”，1 9 8 6 年将其 改名为“土工合成材料技术协作网”。1 9 8 8 年在“中国水利学会岩土力学专业委员会 下成立了“土工合成材料专门委员会”，1 9 8 9 年在“中国水力发电工程学会”下成立 3 第一章绪论 了土工合成材料专业委员会 。1 9 8 9 年成立了国际土工织物学会中国委员会 【3 1 。 1 9 8 6 年在天津召开了“第一届全国土工织物学术讨论会”，1 9 8 9 年在沈阳召开了 “第二届全国土工合成材料学术讨论会”。1 9 9 2 年在江苏仪征召开了“第三届全国土 工合成材料学术讨论会”【3 1 。1 9 9 5 年，在1 9 8 6 年成立的“土工合成材料技术协作网” 的基础上，成立了“中国土工合成材料工程协会”。1 9 9 6 年在上海召开了“第四届全 国土工合成材料学术讨论会暨第一届国际土工合成材料展览会”，有力地推动了土工 合成材料工程技术的发展【2 4 1 。 1 2 3 土工织物 土工织物( g e o t e x t i l e ) 是以人工合成高分子聚合物为基础原材料生产的可用于岩 土工程的合成材料，如图1 1 所示。 图1 1 土工织物 f i g 1 1g e o t e x i i l e 土工织物是透水性土工合成材料，按制造方法的不同，分为织造土工织物和非织 造( 无纺) 土工织物。织造土工织物( w o v e ng e o t e x t i l e ) 是由纤维纱或长丝按一定方 向排列机织的土工织物；非织造土工织物( n o n w o v e ng e o t e x t i l e ) 是由短纤维或长丝 按随机或定向排列制成的薄絮垫，经机械结合、热粘或化粘而成的土工织物。图1 2 为土工织物的分类。 4 一 上海交通大学博士学位论文 土工织物 机织( 含编织) 皿，则仅仅 考虑内压，此时横截面的形状为一圆；如果只0 ，则需综合考虑内压和静压；如果 = o ，则仅仅考虑静压。给出了砂肠与地基相接触的长度的计算公式，该长度随着 底部压力的增加而减小。计算结果与s i l v e s t e r 【4 8 】的试验结果基本吻合。 l e s h c h i n s k v 等【4 9 j 研究了由数块土工织物缝在一起所形成的封闭的增压泥浆的土 工织物充填管状袋。文中提出了分析研究的方法来计算土工织物管状袋的几何形状和 周向、轴向的应力。研究认为：对于一定的周长己而言，土工织物充填管状袋的周向 拉力r 、袋高h 、泵压和土工织物充填管状袋的几何外形函数y 0 ) 之间存在着一 定的关系( 如图1 1 7 所示) 。 l r p o y 图1 1 7 土工织物充填管状袋横剖面示意图 f i g 1 1 7c r o s s s e c t i o n a lv i e wo fg e o t e x t j l ec u b e s 一17 第一章绪论 l e s h c h i n s k y 等研究分析出的非线性微分控制方程为： 矽”一( + 庠) 【1 + ( y ) z 弘：o ( 1 1 ) 点d 处的边界条件为： 南。0 ( 1 2 ) 土工织物充填管状袋周长l 的约束条件为： 三= 南ry ) 出+ 甜而 ( 1 - 3 ) 只+ j 0 一。 j o 、 如果参数仃，日，) 的其中之一被确定，就可以联解公式( 1 1 ) 、( 1 - 2 ) 、( 1 - 3 ) 得出 所需的解( 式中) ，为泥浆重度) 。考虑到计算过程的复杂性，l e s h c h i n s k y 等还开发了 商业软件g e o c o p s ( g e o s y n t h e t i cc o n f i n e dp r e s s u r i z e ds 1 u r r y ) 。 p l a u t 和s u h e m a n 【5 0 】应用无量纲的数学计算方法分析了泵压下的土工织物充填管 状袋的横截面形状和周向拉力。对于土工织物充填管状袋部分或全部浸没在外部液体 中、土工织物管状袋落在柔性基础上以及一侧受到水压力的作用等问题，均提出了相 应的解决方法。研究结果表明：在刚性基础的研究中，所需的解仅取决于土工织物充 填管状袋的底部或顶部的内部压力水头与其周长的比值；在部分或全部浸没在外部液 体的研究中，其结果取决于内部压力水头与其周长的比值、内部压力水头与外部压力 水头的比值以及内部液体的比重与外部液体比重的比值；在土工织物充填管状袋落在 柔性基础的研究中，其结果取决于基础的刚性系数与内部液体的比重的比值；在土工 织物充填管状袋被作为堤坝，一侧用于挡水时，其结果通过打靶法得之。 ( 2 ) 土工织物充填管状袋堆积时力学性能 p l a u t 和u s m a n 【5 1 】应用数学计算的方法研究了可变形地基上土工织物充填管状 袋堆的高度和应力。研究中土工织物被假定是忽略重量的、不可延伸的膜；忽略土工 织物充填管状袋之间、土工织物充填管状袋与地基之间的摩擦力。考虑了土工织物充 填管状袋的两种堆积形式：1 1 ( 如图1 1 8 所示) 和2 1 ( 前一数值指基础上土工织物 充填管状袋的数目，后一数值指其上一层的数目) 。对于2 1 这种形式，通过对其一 一18 上海交通大学博士学位论文 侧施加外加流体，两侧各加一刚性块体以阻挡土工织物充填管状袋的滑行来模拟堤 防。 图1 1 8 两个袋体堆积时的几何和坐标系统 f i g 1 1 8g e o m e t r ya n dc o o r d i n a t es y s t e m sf o r 咐os t a c k e dt u b e s 研究结果表明：对于1 1 这种形式，当上部的和地基上的管状袋的无量纲内部水 压头相等时，上部土工织物充填管状袋的充填材料的密度的增加将会导致超过水平面 基准的总高度的降低；对于2 1 这种形式，外部水位的增加，将会导致总高度的增加 和底部土工织物管状袋的拉力的减小，外部水位一定时，充填材料的密度的增加将会 增加拉力，减小总高度。 ( 3 ) 固结时的性能研究 l e s h c h i n s k v 等【4 9 】认为泥浆泵压后，随着泥浆的固结，土