第六章土工合成材料4.18

第六章土工合成材料,2016年4月20日,6.1概述,一、什么是土工合成材料？土工合成材料是土木工程应用的合成材料的总称。合成材料又称人造材料，是人为地把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成的材料，其特质与原料不同，如塑料、玻璃、钢铁等。现在世界上最主要的三大合成材料分别是合成塑料、合成纤维、合成橡胶总称三大合成材料。它们是以石油、天然气、煤和农副产品为主要原料，先制成单体，通过加聚或缩聚反应，生成高聚物（称为合成树脂），再加入添加剂（如强固剂、填充剂、增塑剂、发泡剂、稳定剂、色料等）而成。它们是用人工方法，由低分子化合物合成的高分子化合物，又叫高聚物，天然高聚物有淀粉、纤维素、天然橡胶和蛋白质等。三大合成材料则是人工合成的高聚物。高聚物正在越来越多地取代金属，成为现代社会使用的重要材料。土工合成材料作为一种土木工程材料，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。,土工合成材料的定义：应用于土木工程的合成材料产品的总称发展及现状：合成纤维在土木工程中的正式应用始于20世纪50年代20世纪60年代，有纺织物就已在护岸防冲工程中应用60年代末，无纺织物出现大大拓宽了合成材料在土木工程中应用现在仍然保持良好的势头，新的特殊产品不断涌现,土工合成材料在我国情况,应用始于20世纪60年代土工织物从1976年用于护岸、防汛抢险及提防等工程1995年，“中国土工合成材料工程协会”成立2002年，我国土工合成材料应用工作者获得国际土工合成材料学会（IGS）颁发的专门奖项1998年，我国暴发特大洪水，土工合成材料在抗洪中起到很好作用。中央领导高度重视，这促进了土工合成材料的正规化和普及化,二、土工合成材料的种类、功能及特性,土工合成材料的聚合物（原材料）,聚氯乙烯,聚乙烯,聚丙烯：,聚苯乙烯,酚醛塑料(电木),聚四氟乙烯/塑料王,聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃,常见的纤维,涤纶:,也叫的确良,是一种聚脂纤维,也叫尼龙,是一种聚酰胺纤维,也叫人造羊毛,是一种聚丙烯腈,锦纶:,腈纶:,橡胶产品,三、土工合成材料的分类,土工合成材料应用技术规范将土工合成材料分为：土工织物、土工膜、土工格栅、土工特种材料和土工复合材料等类型。土工织物又称土工布，是应用于土木工程中的纺织品，是土工合成材料的一种。土工特种材料包括土工膜袋、土工网、土工网垫、土工格室、土工织物膨润土垫、聚苯乙烯泡沫塑料（）等。土工复合材料是由上述各种材料复合而成，如复合土工膜、复合土工织物、经编复合土工布、复合防排水材料（排水带、排水管）等。,土工合成材料分类,土工合成材料,土工织物（土工布）,土工膜,土工复合材料,土工特种材料,有纺,无纺（长丝和短丝）,针刺黏结热黏结胶剂黏结,吹塑挤出、压延、上涂料制造的膜PE、HDPE、PVC等膜料纯膜、复合土工膜,复合土工织物复合土工膜复合防、排水材料,土工格栅、经编格栅、土工带、土工网、土工格室、土工包等,土工合成材料膨润土衬垫（GCL）、三维植被网垫、聚苯乙烯板块、发泡土工材料等,最常用,如：经编土工织物,部分土工合成材料图片性能及应用,土工格室,短纤针刺土工织物,分有孔型和无孔型。和土形成组合构件，有很高的承载能力和很强抗冲能力。有抗拉强度延伸率、焊缝拉伸强度等指标。主要用于地基处理、护坡和挡墙的加固，尤其在重型车辆的道路中，可防止或减轻车辙的发生。,土工织物具有重量轻、整体性好、易加工、抗拉强度高、耐腐蚀和侵蚀、孔隙直径小、渗透性好、质地柔软等优点。应用十分广泛，除了防渗外，几乎可以在所有功能中发挥作用，如反滤、排水、隔离、防护、加筋、包裹等。,聚乙烯土工膜,经编土工格栅,土工膜具有很好不透水（气）性，弹性和变形能力好，能承受不同的施工条件和工作应力，抗老化能力也较好。有不加筋、加筋和组合之分。还可分为塑料类、合成橡胶类、混合类等可用于防渗等。,土工网,土工格栅主要用于土体的加筋，是工程中应用很广的加筋材料。,土工网强度模量比土工格栅低，但对于受力和变形要求不高的情况，如坡面防护等，也可用于加筋材料。,a,b,土工管材可分为给水管、排水管、废水管等类型。广泛应用于各类工程和市政建设中，大有代替传统的钢管、水泥预应力管的倾向。a：钢丝圈外包土工织物的复合排水管土工排水带（板）沿长度方向排水，外包织物可作为滤层阻止土粒进入堵塞通道。复合排水带在地基加固中应用很广泛。b：内芯为土工网的复合排水管,泡沫塑料容重轻、比强度高、导热系数低、防渗性好、耐老化，具有良好的二次加工性能。广泛用于消音、隔热、保温、防冻、防震和轻型结构。,土工泡沫板（EPS）,四、土工合成材料的主要特性指标,物理性指标:相对密度、厚度、单位面积质量等。力学性指标：抗拉强度、延伸率、撕裂强度、握持强度、膨胀强度等。水力特性指标：渗透性、淤堵性指标、水通量和抗渗指标。界面特性：土与土工合成材料的摩擦系数及相互作用的界面特性。流变特性：蠕变强度折减系数，长期疲劳强度特性指标。老化特性：紫外线老化强度折减系数，抗化学腐蚀指标，冻融和干湿影响指标等。,五、土工合成材料的主要功能,防渗反滤与排水加筋防护隔离包裹,1、防渗,土工膜：由聚合材料和橡胶等制成的膜片或者以土工布为基布外涂一层或者多层异丁橡胶形成的膜片，为一种具有一定强度的不透水材料。土工膜是一种很好的防渗防漏材料。广泛用于大坝、堤防、水闸、地下工程、围堰、垃圾填埋场等工程。土工膜应用的技术在于：合适的材料合理的防渗层结构设计正确严格的施工土工膜的三个主要类型：土工膜加筋和加糙土工膜复合土工膜,土工膜防渗层结构,土工膜保护层：保护土工膜不破坏，一般有支持层：使土工膜受力和变形均匀,（护面层和垫层）,素土、砂砾石，预制或现浇混凝土板，干砌石等,单层土工膜（单层复合土工膜）,多层土工膜（多层复合土工膜）,防渗较好,防渗结构,单层防渗结构,复合土工膜,是一种以土工膜为主体，同时在其一侧或两侧粘有无纺织物、有纺织物或加筋材料等土工材料等的复合土工材料。其功能较多，发展潜力较大。由于布加筋的作用，使复合膜既具有布的特点又具有膜的特点，抗胀破、撕裂、刺破能力大大加强。设计时优先考虑膜的变形率和布的强度。复合膜生产宽度有限，大幅使用时，搭接缝的防渗与强度特性不容忽视。,土工膜在防渗工程中的新应用,充气薄膜坝堤坝的垂直防渗膜或地下连续墙封闭膨胀土坡表面，隔离水源，消除膨胀危害用于垃圾填埋场的防渗防漏（三层的组合土工膜防渗体系）在输水、输油、输液渠道（管道）的应用,2、反滤与排水,反滤：防止土工建筑物在排水过程中土颗粒的大量流失。排水：排出多余水，保持土体稳定性。反滤与排水常常同时被要求，加强土层抗渗透破坏能力采用土工织物用作反滤排水的技术被大量使用。,土工合成材料排水,目的：加速土体排水固结，改善土的性能导走土体中渗透水，降低渗透压力降低土体中浸润线增加土体稳定性材料：无纺织物、塑料排水管、塑料排水带、土工网、毛细排水带、软式排水管、速排龙等,地下排水管和地面侵蚀控制,在道路、堤坝、隧道及軟基等工程中，常需地下排水，用地下埋管方式排水很普遍。在控制地面侵蚀的结构中，压重（混凝土块等）之下往往垫有土工织物，而两者之间还有砂垫层。砂垫层作用在于保护土工织物不被压重破坏和消除土工织物中孔隙水，以免水压力破坏压重。,塑料排水带（PSDs）在软地基中应用,由聚氯乙烯透水芯带外套以无纺织物滤布制成。它排水性能良好、质量轻、施工方便、对土的扰动小、造价低廉、工效高。它一出现便迅速被推广使用，现我国排水带年用量达到近亿延米（赵维炳，2006）。应用：提高软地基的承载力与稳定性减少建筑基础的沉降,可测深的排水带：“数字式”、“铜丝式”整体式排水带。排水加固工程的发展。,塑料排水带技术新发展,3、土的加筋与加固,加筋土：在土体中加入具有一定抗拉强度的材料（加筋），凭借这些材料与土的摩阻力，使土的模量增大，整体性增强，而限制土体的变形（加固）。加筋土工程：目前加筋土已大量应用于建筑挡墙、陡坡、软基加固、浅基础地基、桥台、道路防裂等。应用到的土工材料有土工袋、土工管、土工包、土工格栅、土工网、土工格室、土工复合加筋带等。,绿化加筋挡墙,纤维加筋土,纤维加筋土是将连续的纤维丝或短纤维丝采用机械、气压或水压等方法均匀且随机地掺入到粒状材料中，形成加筋土。与其他土工材料一层一层地铺设不同，纤维加筋土是真正的三维加筋，呈现各向异性。加筋纤维的原料多用聚酯（涤纶）。描述纤维特性的指标主要有：纤度（细度）、强度、模量、纤维配合比。纤维土的作用机理：“弯曲机理”、“交织机理”,加筋土挡墙,加筋土陡坡,有包裹式和条带式两种。由五部分组成：挡墙土体、土体中筋材、面板、帽石、地基和基础。设计基本资料：筋材特性指标、外载荷、地基土特性指标、回填土特性、结构安全系数（内部稳定及外部稳定）。,软地基加筋与加固,4、防护和护坡工程,防护工程：为了消除或减轻自然现象、环境作用或人类活动等因素带来的危害而采用的工程措施。如：护坡（护岸、护底）工程。土工材料与护坡工程：土工材料的出现为护坡工程提供了一种理想材料，产生了许多新的护坡形式（生态护坡）。土工织物的优点有材质轻、易于储运、反滤功能等。常用土工材料护坡结构物有：软体排、连锁排、土工包裹系统、土工石笼、土工三维植被网等。,土工格栅,植物护坡,土工网垫,其他新型护坡,尼龙加筋网垫：永久性防侵蚀的三维网垫沥青铺材：较好柔软性和耐久性Borosion促淤网：重量轻、无需疏浚机具和刚性材料,5、土工包裹系统,土工材料除了常说的防渗、反滤、排水、加筋、防护、隔离外，还有一种新的功能：将土工包裹材料和固体废弃物组合起来。这类系统都可称为“土工包裹系统”。在荷兰、法国、美国等国，土工袋、土工长管和土工包工程已广泛应用于水下稳定平台、放浪堤、施工围堰、疏浚材料的包裹、清洁或污染材料的处理。,5-2加筋挡墙及其设计原理,加筋土挡墙结构,一、概述,1、加筋挡墙按材料及其布置方式（1）筋带式加筋挡墙（2）满铺包裹式挡墙,2、加筋挡墙按受力分为（1）刚性筋式用抗拉模量高，延伸率低的土工格栅或加筋土工带等作为筋材（2）柔性筋式以制造土工织物等中等拉伸模量材料作为筋材,二、加筋挡墙设计要点,1、加筋挡墙设计的主要内容,A、确定加筋挡墙的结构类型B、确定加筋挡墙断面形式与尺寸和基本构造C、加筋土挡墙设计采用极限平衡法，其设计计算应包括：挡墙外部稳定性验算、挡墙内部稳定性验算以及确定墙后排水设施和墙顶防水措施。,2、挡墙外部稳定性验算将加筋体同面板及