15 土工合成材料【ppt】

15 土工合成材料,15、1 土工合成材料的发展概况（1）土工合成材料的发展历程 1）古代的原始土工材料 公元前2000公元前1000年，古巴比伦人曾把织物纤维掺在土中建造庙宇。在我国，远在新石器时代，我们的祖先就利用茅草作为土的加筋材料。 实际上，在独立于人类文明的自然界，许多鸟类和昆虫都本能地利用非土材料(草与树枝等)加固泥土巢穴；树木依靠庞大的根系吸收养料水分，同时也加固了赖以立足的地基。这些都是“以非土材料加固土体”原理在自然界体现。,2）现代的土工合成材料 a 、20世纪60年代末期开始应用于欧洲； b 、70年代从欧洲传到了世界各地，土工合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。 c 、20世纪70年代以后，在国外，织物的应用从马路、铁路路基工程逐步扩展到挡土墙、土坝等大型永久性工程。 d 、20世纪80年代开始，从国外引进的许多生产设备和技术资料推动了我国土工织物的生产与应用。 e 、80年代末,土工模袋首次引入工程应用。 f 、20世纪90年代以来，土工织物由于所具有的功能和特性以及在实际工程中的应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣。,（2）土工合成材料的发展特点,纵观近40年我国土工合成材料应用的历史，有以下几个特点： （1）起步虽晚，但发展很快，使用量大。 （2）使用的广泛性，应用的范围遍及土木建筑工程所有领域的各个角落，目前更扩展到环保这个新领域。 （3）材料产品的多样性，几乎所有品种都有了国内自己的产品，有些品种的质量达到国际同类产品的先进水平。 （4）应用技术的不断进步，规范和标准的发布与贯彻是应用技术渐趋成熟的一个标志。 （5）有关部门有力的推动和组织，为土工合成材料的应用发展提供了良好的条件，并形成了一个学习和交流的氛围。,15、2 土工合成材料概念、分类,（1） 土工合成材料的概念 土工合成材料是应用于岩土工程的、以人工合成的聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成的各种类型产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体作用的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。,（2）土工合成材料的分类 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。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。 土工合成材料分类尚无统一的准则，且随着新材料和新技术的发展不断有所变化，目前暂分成四大类：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。,下面将目前在工程中常见的土工材料作一简单介绍：（一）土工织物 土工织物是以聚合物为原料，把聚合物原料加工成丝、短纤维、纱或条带，然后再制成平面结构透水性的土工合成材料。按照制造方法不同可以分为有纺（又称织造）土工织物和无纺（又称非织造）土工织物。 有纺土工织物是最早的土工织物产品，无纺型土工织物亦称作“无纺布”。织物中纤维的排列是不规则的，与通常的毛毯相似。制造时是先将聚合物原料经过熔融挤压、喷丝、直接铺平成网，然后使网丝联结制成土工织物。联结的方法有热压、针刺和化学黏结等不同处理方法。,（二）土工膜 土工膜（如图15.1）是一种以高分子聚合物为原料，经挤出、压延或加涂料等工艺制成的一种防渗阻隔型材料。 制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。,大量工程实践表明，土工膜有很好的不透水性、很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力，具有良好的耐老化能力。,15.1 土工膜,（三）特种土木合成材料1、土工格栅土工格栅是一种应用较多的土工合成材料，常用作加筋土结构的筋材或复合材料的筋材等。土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、粘焊土工格栅、玻璃纤维土工格栅和经编土工格栅五大类。（1）塑料土工格栅1）单向拉伸塑料土工格栅 单向土工格栅是由高分子聚合物经挤出压成薄板再冲规则孔网,然后纵向拉伸而成，材料结构如图15.2所示。,15.2 单向拉伸塑料土工格栅,2）双向拉伸塑料土工格栅 双向土工格栅是用高分子聚合物通过挤压、成板、冲孔过程后再纵向、横向拉伸而成。该材料在纵向和横向上都具有很大的拉伸强度，且在土壤中同样也能提供一个更为有效力的承担和扩散的理想连锁系统，其材料结构如图15.3。3）多向拉伸塑料土工格栅 以聚丙烯为主要原料，经塑化挤出、冲孔、多向拉伸而成的平面网 状结构的塑料土工格栅，材料结构如图15.4所示。,15.3 双向拉伸塑料土工格栅,15.4 多向拉伸塑料土工格栅,（2）钢塑土工格栅 钢塑土工格栅（如图15.5）以高强钢丝，经特殊处理，与聚乙烯（PE），并添加其他助剂，通过挤出使之成为复合型高强抗拉条带，且表面有粗糙压纹，此为高强加筋土工带。由此单带，经纵、横按一定间距编制或夹合排列，采用特殊强化粘接的熔焊技术焊接其交接点而成型，则为加筋土工格栅。,15.5 钢塑土工格栅,钢塑土工格栅特点: 强度大、变形小； 蠕变小；耐腐蚀、寿命长；施工方便、快捷；周期短、成本低。,（3）粘焊土工格栅 粘焊土工格栅是用聚丙烯、聚酯（PET）等高分子聚合物高分子塑料经挤出拉伸成型条带使分子重新取向，具有很高的抗拉强度。 粘焊土工格栅产品表面经过处理，压有粗糙的花纹，以增强其粗糙度，同时纵横肋条形成的网孔对土体进行嵌锁，达到对土体很好的被动阻抗力。,（4）玻璃纤维土工格栅 玻璃纤维土工格栅（如图15.6）是以玻璃纤维为材质，采用一定的编织工艺制成的网状结构材料。 玻璃纤维土工格栅理化性能极具稳定，并具有强度大、模量高，很高的耐磨性和优异的对寒性，无长期蠕变，而且具有较好的热稳定性；（5）经编土工格栅 经编土工格栅（如图15.7）选取用聚酯（PET）纤维为原料。 经编土工格栅具有抗拉强度高，延伸力小，抗撕力强度大，纵横强度差异小，耐紫外线老化、耐磨损、耐腐蚀、质轻、与土或碎石嵌锁力强，对增强土体抗剪及补强提高土体的整体性与荷载力，具有显著作用。,15.6 玻璃纤维土工格栅,15.7 经编土工格栅,2 土工膜袋 土工膜袋是一种双层聚合化纤织物制成的连续（或单独）袋状材料，它可以代替模板用高压泵将混凝土或砂浆灌入膜袋中，最后形成板状或其他形状结构，用于护坡或其他地基处理工程。3 土工垫和土工格室 土工垫和土工格室均为合成材料特制的三维结构，如图15.8，15.9所示。前者多为长丝结合而成的三维透水聚合物网垫，后者由土工织物、土工格栅或土工膜、条带聚合物构成的蜂窝状或网格状三维结构，常用作防冲蚀和保土工程，刚度大的、侧限能力高的多用于地基加筋垫层或支挡结构中。,15.8 塑料三维土工网垫,15.9 塑料土工格室,5 复合型土工合成材料 土工织物、土工膜和某些特种土工合成材料，以其两种或两种以上的材料，采用不同方法复合成为复合型土工合成材料。如复合土工膜、复合排水板、土工垫块等。 土工复合材料可将不同材料的性质结合起来，更好地满足具体工程的需要。如土工织物-土工网型复合材料，隔离和反滤的作用始终是能满足的，并且这种复合材料的排水功能大大地提高了。,15.10 塑料土工网,4 塑料土工网 塑料土工网（如图15.10）是以高密度聚乙烯（HDPE）或其他高分子聚合物为主要原材料，加入一定的抗紫外线助剂等辅料，经挤出成型的平面网状结构制品。,15、3 土工合成材料的特性（1）产品形态1）产品的材质及制造方法 土工合成材料的原材料主要是高分子聚合物，由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。2）产品的宽度及长度 为了规范土工合成材料的发展，一些产品有相应的标准，在这些标准中对其尺寸也做了要求，不同产品的尺寸不同，在标准JT/T480-2002中，土工格栅的宽度不得小于标称值，单向格栅的标称值大于等于1m。双向格栅的标称值大于等于2m，土工格栅的长度要求每卷基本长度不得低于50m。,3）产品每卷的直径及质量 大多数土工合成材料的计量单位都是卷，但是对于每卷的直径没有明确的规定，因为这与很多因素有关，但为了节省运输成本，产品在收卷时尽可能收的紧一点，减小体积。每卷的质量通常有其单位面积质量、长度、宽度来决定。 土工合成材料主要特性:质地柔软而重量轻、整体连续性好、抗拉强度高、耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好、反滤性和防渗性好，施工简便。,（2）物理特性 1）厚度：土工织物0.10.5mm，最厚10rnrn； 土工膜0.250.7mm，最厚24mm；土工格栅的肋厚0.55mm。 2）单位面积重量： 土工织物和土工膜501200g/m2范围内。 3）开孔尺寸： 土工织物0. 051.0mm；土工垫510mm；土工网及土工格栅5100mm。,（3）力学特性 1）抗拉强度 无纺型土工织物1030kN/m；有纺型土工织物2050kN/m，高强度为50100kN/m；土工格栅30200kN/m 2）握持强度 表示土工织物抵抗外来集中荷载的能力，单位为N，试验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工织物对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高。 3）撕裂强度 反映了土工合成材料的抗撕裂能力，常用的纺织撕裂方式按撕裂试样形状分为梯形法、翼行法和舌行法，舌型法有分为单缝和双缝两种，目前多采用梯形法测量土工织物和土工膜的撕裂强度。 4）压缩性 土工织物是一种柔性材料，只能在其平面上承受压缩作用。土工织物的空隙分布的变化会随着压力增加而趋向稳定，直接反映土工织物反滤和排水性能的指标是抗压缩性。,5）蠕变性 材料的蠕变是指材料在受力大小不变的条件下，其变形随时间延长而增加的现象。土工合成材料的蠕变性质和许多因素有关，比如材料的性质、结构、温度、损伤、荷载水平及侧限条件有关。 6）胀破试验强度 胀破是指织物在一垂直织物平面的负荷作用下鼓起，扩张进而破裂的现象。 7）顶破强度 反映了土工织物和土工膜抵抗垂直于其平面的法向压力的能力，与刺破试验相比，顶破试验的压力作用面积相对较大。 8）刺破试验强度 刺破强度是反映土工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载(如有棱角的石子或树枝等)的能力，试验方法与圆球顶破试验相似。 9）脆性压裂强度 脆性是材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。,（4）水理性特性 1）孔隙率 是指土工织物中的孔隙体积与织物的总体积之比，以百分比表示。孔隙率的大小影响土工织物的渗透性和压缩性。 2）开孔面积率 是指土工织物平面的总开孔面积与织物总面积的比值，以百分比表示。一般产品的开孔面积率为4%-8%，最大可达30%以上。开孔面积率的大小影响织物的透水性和淤堵性。 3）等效孔径 土工织物的孔径是反映其渗滤性能的重要参数，土工织物孔径分布状况受到表面压力的影响，不同压力下测得的孔径不同，绘制的孔径曲线也不同，最后得到的等效孔径值也不同。,（4）渗透性 土工合成材料的渗透性是其重要的水力学特性之一。根据工程应用的需要，常需确定垂直于和平行于织物平面的渗透性。渗透性主要以渗透系数表示。土工织物的渗透系数约为810-4510-1cm/s，其中无纺型土工织物的渗透系数为410-3510-1cm/s ；土工膜的渗透系数为110-10110-11cm/s。 （5）垂直渗透系数 是指垂直于织物平面方向上的渗透系数（以cm/s表示）。测定方法类似于土工试验中土的渗透系数测定方法。垂直渗透系数是土工织物用做反虑或排水层时的重要设计指标。 （6）水平渗透系数 土工织物用做排水材料时，水在织物内部沿平面方向流动，在土工织物内部孔隙中输导水流的性能可用土工织物平面的水平渗透系数或导水率来表示。,15、4 土工合成材料的主要作用,1）反滤作用,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，如图15.11所示。,a）土石坝粘土心墙滤层 b）堤坝和泊岸块石混凝土护坡滤层 c）土石坝下游堆石棱体上游侧滤层 15.11 反滤作用应用,2）排水作用,土工合成材料有着良好三维透水特性，利用这种特性以透水反滤外，还可使水经过土工织物平面迅速地沿水平向排泄，且不会堵塞，如图15.12所示。,a）坡面防护 b）支挡结构壁墙后排水,c）软基路堤地基表面排水垫层 d）处治翻浆冒泥和季节性冻土的导流沟15.12 土工合成材料用于排水过滤实例,3）隔离作用 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，如图15.13所示。,a）隔离不同的筑坝材料 b）铁路路基与软弱地基，或道床与路基间的隔离层15.13 隔离作用应用,4）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15.14所示。,a）软基加筋加固 b）路堤加筋 c）加筋土挡墙 15.14 加筋作用应用,5）防渗作用 土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物安全。如土坝垂直防渗墙，渠道防渗，水闸上游护坦及护坡防渗等。 6）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，土工格网植草护坡，防止土体的冻害，防止路面反射裂缝等，如图15.15所示。,a）聚乙烯块材河岸护坡 b）土工隔室冲刷防护 c）土工格网植草护坡15.15 土工合成材料防护作用,15、5 土工合成材料设计要点,1）土工织物的反滤作用原理,1.排水体 2.土工织物 3.天然反滤层 4.原土体15.16 反滤机理示意图,当水流从被保护土自右向左流入堆石体时，部分细土粒将被水流挟带进入堆石体。在被保护土一侧土工织物表面附近，较粗土粒首先被截留，使透水性增大，如图15.16所示。 在土工织物的右侧形成一个从左往右颗粒逐渐变细的“天然反滤层”。,2）反滤设计准则 防止发生管涌。被保护土体中的颗粒不得从土工织物中的孔隙中流失。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。土工织物的孔径又不能太小。,为防止管涌:,为保证透水:,为保证均匀性:,（级配不良的滤层）,（级配均匀的滤层）,15、6 土工合成材料施工技术,1）施工方法要点 （1）应注意均匀平整。 （2）对土工合成材料的局部地方，不要加过重的局部应力。 （3）土工合成材料用于反滤层作用时，要求保证连续性，不使其出现扭曲、折皱和重叠。 （4）在存放和铺设过程中，应尽量避免长时问的曝晒而使材料老化。 （5）土工合成材料端部要先铺填，中间后填，端部锚网必须精心施工。 （6）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，应予立即修补。,2）接缝连接要点 （1）搭接法：搭接必须保持足够的长度，一般在0.31.0m之间。搭接处应尽量避免受力，以防土工合成材料移动，如图15.17a所示。 （2）缝合法：用移动式缝合机，将尼龙或涤纶线面对面缝合，缝合处的强度一般可达纤维强度的80，如图15.17b所示。 （3）胶结法：分为加热粘接法、胶粘剂粘接法和双面胶布粘接法。粘接时搭接宽度可取l0cm左右，接缝处的强度与土工织物原有强度相同。,a）搭接 b）缝接（对面缝）,c）缝接（折叠缝） d）u型钉接15.17 土工合成材料接缝连接方法,3）材料使用,土工合成材料在使用时应防止曝晒和被污染。当作为加筋土中的筋带使用时，应应具有较高的强度，受力后变形小，能与填料产生足够的摩擦力，抗腐蚀性和抗老化性好。,15、7 土工合成材料的工程应用 1 、加筋材料和加筋土应用 （1）加筋材料 加筋土中的加筋材料通常采用织造土工织物、土工带和土工格栅等，只有当对强度和变形要求不高时，才采用非织造土工织物。 （2）加筋材料工程应用 加筋土主要用于三个方面，形成三种类型的加筋土结构。 1）软土地基加固 2）堤坝边坡加筋 3）加筋土挡墙,2、排水材料及其功能应用 （1）排水材料 很多土工织物因为其孔隙率很大，渗透能力很强，常被用作排水材料，例如还有排水板、排水带、软式排水管、土工网等材料。 （2）排水材料工程应用 1)堤坝体内烟囱式排水及下游排水褥垫层； 2)堤坝防渗土工膜下的排水、排气垫层； 3)设于水力冲填坝中的孔压消散层； 4)土堤下游坡的排水层； 5)挡墙及岸墙后的排水层； 6)加速软基固结的排水带或排水板； 7)冻胀区用于截断毛细水上升，防止冻害；,3、隔离材料及应用 （1）隔离材料 用于隔离的土工合成材料应以它们在工程中的用途来确定。应用最多的是有纺和无纺土工