9地基处理-土工合成材料

第八章 土工合成材料,合成材料的种类加固功能加固设计,第一节 合成材料的种类,合成材料的种类 土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的各种产品的统称。国外将土上合成材料细分为八类,土工合成材料的术语、定义和应用范围,土工合成材料的术语、定义和应用范围,第一节 合成材料的种类,合成材料的种类我国GB5029098土工合成材料应用技术规范将土工合成材料分为以下四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料，它们又各分为数种。,第一节 合成材料的种类,一、土工织物,第一节 合成材料的种类,(一) 织造型土工织物(woven geotextile)织造型土工织物有三种基本的制造型式：平纹、斜纹和缎纹。,第一节 合成材料的种类,(二)非织造型土工织物(non-woven geotextile)又称无纺土工织物。根据粘合方式的不同，非织造型土工织物分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。热粘合非织造型土工织物的制造，是将纤维在传送带上成网，让其通过两个反向转动的热辊之间热压，纤维网受到一定温度后，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。该法主要用于生产薄型土工织物，厚度一般为0.51.0mm。,第一节 合成材料的种类,(二)非织造型土工织物(non-woven geotextile)化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维网中，待粘合剂固化，纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3mm。常用的粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的产品。这类产品在工程中的应用较少。,第一节 合成材料的种类,(二)非织造型土工织物(non-woven geotextile)机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广的是针刺法。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让网内的纤维互相缠结，从而织网得以加固。产品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。,第一节 合成材料的种类,(三)针织土工织物(knit geotextile)针织土工织物:传统织造工艺，通过经编机或大圆机制成。编织形式有平针和斜针。,第一节 合成材料的种类,(四)复合土工织物(composite geotextile)复合土工织物: 由机织、非机织或织物加筋线相互结合制成的土工织物。 它可以由两种或两层同类而性能不同的织物进行复合，也可以由两种以上的织物相复合，目的在于改善织物的整体性能，以适应工程需要。,第一节 合成材料的种类,二、土工膜土工膜是透水极弱的土工合成材料。在水利工程中主要用于防渗。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。制造土工膜的聚合物有热塑塑料(如聚氯乙烯)、结晶热塑塑料(如高密度聚乙烯)、热塑弹性体(如氯化聚乙烯)和橡胶(如氯丁橡胶)等。,第一节 合成材料的种类,工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.254mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.252mm。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。,土工膜及搭接,第一节 合成材料的种类,三、土工复合材料土工复合材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。这类制品将各组合料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故其品种繁多，是当前和今后一段时期发展的大方向。,第一节 合成材料的种类,三、土工复合材料(一) 复合土工膜(二) 塑料排水带(三)软式排水管,第一节 合成材料的种类,(一) 复合土工膜复合土工膜是将土工膜和土工织物（包括织造和非织造型）复合在一起的产品。应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200600g/m2。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；另外也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。土工织物对土工膜起加筋和保护作用，防穿刺、撕裂、拉伸、鼓破等现象。,第一节 合成材料的种类,(二) 塑料排水带塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物（滤膜）而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、和乳头式等。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，而滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。,第一节 合成材料的种类,塑料排水带断面示意图（a）城垛式；（b）口琴式 （c）乳头式,第一节 合成材料的种类,(二) 塑料排水带塑料排水带的施工是利用插带机将其埋设在土层中的预定位置。塑料带前端与锚靴相连，用插带机导杆顶住锚靴，插入土层中，达到预定深度后拔出导杆，但排水带仍留在预定位置，在高出地面一定高度(0.5m左右)剪断排水带。排水带插入软基后，为排除土中的多余水量提供了捷径，多余水可水平向通过带的滤膜进入芯板沟槽，再向上由地表的透水料垫层排走。排水带在公路、码头、水闸等软基加固工程中应用广泛，以加速软土固结。,第一节 合成材料的种类,塑料排水带的施工,第一节 合成材料的种类,(三)软式排水管又称为渗水软管，由高强钢丝圈作为支撑体，和具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的。高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理，外包一层PVC材料，使其与空气及水隔绝，避免氧化生锈。包裹材料有三层，内层为透水层，由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱，特殊材料为纬纱制成；中层为非织造土工织物过滤层；外层为与内层材料相同的覆盖层。,第一节 合成材料的种类,(三)软式排水管软式排水管构造示意图,第一节 合成材料的种类,四、土工特种材料(一) 土工格栅(二) 土工网(三）土工格室其余还有充填混凝土后用于护坡的土工模袋、充填水泥、泥土用于护岸和堆筑堤防的土工管和土工包等。,第一节 合成材料的种类,(一) 土工格栅土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材。加热拉伸让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸(孔近矩形)和双向拉伸(孔近方形)两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。,第一节 合成材料的种类,(一) 土工格栅,（a）“坦萨”SS2；（b）“奈特龙”CE121 （c）“坦萨”SR2 ；（ d）“坦萨”GM1,第一节 合成材料的种类,(一) 土工格栅双向土工格栅是以聚丙烯、高密度聚乙烯为原料，经特别的挤压，双向拉伸而制成。可减少所需的结构性填土，均匀荷载分布，具有较高的双向拉伸模量和抗拉强度，较高的抗机械破坏能力，耐久能力。主要适用于软土地基处理和加筋土结构。,第一节 合成材料的种类,(二) 土工网土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高，以英国NETLON系列为例，其抗拉强度仅为28kN/m，延伸率一般达到20以上。这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。,第一节 合成材料的种类,(二) 土工网,第一节 合成材料的种类,(三）土工格室土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。,第一节 合成材料的种类,(三）土工格室,第二节 加固功能,加固功能具有加固功能的土工合成材料种类很多。反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护功能以及加筋和加固功能,第二节 加固功能,反滤功能在有渗流时，将一定规格的土工织物铺设在被保护土层上，容许水流通过的同时，阻止土粒移动，防止土体流失和管涌。,反滤作用应用情况示意图,第二节 加固功能,排水功能土工织物用作排水时兼起反滤作用，同时，不致因土体固结变形而失效。(1)堤坝工程中降低浸润线位置，以减小渗流力；(2)挡墙背面排水，以消减水压力，提高墙体稳定性；(3)土坡排水，减小孔隙压力，防止土坡失稳；隧道和廊道排水，以减轻渗水压力；(4)软土地基排水，以加速土固结，提高地基承载力等等。,第二节 加固功能,隔离功能隔离是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料，使它们不互相混杂。(1) 堤坝粘土心墙和斜墙上下游的过滤层。(2) 堤坝排水体与坝体的隔离层。(3)岸坡防护层下的垫层以及地基上填筑粗粒料时的界面隔离层等。,第二节 加固功能,防渗功能防渗是防止流体渗透流失的作用。(1) 堤坝的防渗斜墙或心墙。(2)透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙。(3)混凝土坝、圬工坝及碾压混凝土坝的防渗体。(4) 渠道的衬砌防渗。(5) 涵闸、海漫与护岸的防渗。(6) 隧道和堤坝内埋管的防渗。(7) 施工围堰的防渗。,第二节 加固功能,防护功能在被保护士面上覆一层有良好反滤性能的土工织物，压上一定盖重，即能有效地保护岸坡不受水流和波浪等的破坏。(1)江河湖海岸坡防护。(2)水库岸坡防护。(3)水道护底和水下防护。(4)渠道和水池护坡。(5)水闸护底。(6)岸坡防冲植被。,第二节 加固功能,加筋和加固功能复合地基中，土工织物主要处于受拉状态下，土工织物在产生拉伸应力的同时，对土体产生了一个类似侧向约束的压力作用，使得复合土体具有较高的抗剪强度和变形模量。当地基承受较大的荷载而发生变形时，土工织物与土体界面上的摩擦阻力将增大并增强对土体的侧向变形限制；高模量的土工织物在受拉后将产生一垂直向上的分力起支承荷载的作用；从而减小地基的竖向变形，增大了地基承载力和地基的稳定性。,第三节 土工织物的加固设计,反滤层的设计原则土工织物复合垫层的设计方法堤坝加筋的稳定分析土工织物加筋堤坝的承载力分析法,第三节 土工织物的加固设计,反滤层的设计原则目前，较为普遍的设计原则为三种按传统反滤层标准按等效薄膜概念，由太沙基滤层设计理论推导得出的土工织物孔径尺寸要求美国陆军工兵师团标准,第三节 土工织物的加固设计,按传统反滤层标准，使用土工织物滤层应满足以下三个要求：,第三节 土工织物的加固设计,按等效薄膜概念，由太沙基滤层设计理论推导得出的土工织物孔径尺寸要求,Oe为土工织物的等效孔径，指对土工织物起控制作用的孔径，编织型取O90。,第三节 土工织物的加固设计,美国陆军工兵师团标准,上述范围内尽可能取EOS大值，对D85b0.074mm的土不宜采用土工织物作滤层。EOS为土工织物的等效孔径，相当于O98或O95。,第三节 土工织物的加固设计,土工织物复合垫层的设计方法土工织物复合垫层的工作机理和作用至今未完全揭示，尚无公认的成熟理论和设计方法。书中方法供参考行业标准法,第三节 土工织物的加固设计,行业标准法在软土层面上与砂垫层之间的土工织物，既可分隔软土与砂垫层以防混合，又可将荷载应力扩散并均匀分布到地基中去，从而减少所产生的剪应力。下图表示土工织物承受拉力而产生的支承和减小侧向挤出的效果。,第三节 土工织物的加固设计,等号后边第一项为原地基土的极限承载力；第二项是在荷载作用下，由于地基沉降使土工织物发生变形而承受拉力的效果；第三项是土工织物阻止隆起面而产生平衡镇压的作用。,第三节 土工织物的加固设计,堤坝加筋的稳定分析基于极限平衡理论的圆弧滑动法先找出未加筋状态下的临界滑弧面和Kmin，然后考虑加筋因素。荷兰法瑞典法,荷兰法,假定土工织物在与滑弧相切处形成一个与滑弧相适应的扭曲，此时土工织物中的抗拉力与滑弧相切。,u、Cu为地基土的不排水剪强度；Li 为某土条的滑弧长度；i 为某土条与滑动面的倾斜角；Qi 为某土条的重量；S为土工织物中的拉力；取极限抗拉的20%；K为安全系数，取1.1-1.5。,瑞典法,假定土工织物中的拉力总是保持在原来的铺设方向。于是增加两个附加抗倾覆力矩S*a和S*btanu。,保守,第三节 土工织物的加固设计,建议,第三节 土工织物的加固设计,建议,稳定性验算：滑弧穿过土工织物部分、土工织物范围外。,第三节 土工织物的加固设计,土工织