第五章2 土工材料.ppt

1、土工材料,一、土工材料种类 二、土工材料性能 三、土工材料的应用,土工材料,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,主要有：聚酰胺纤维（PA，如尼龙、锦纶）、聚酯纤维（涤纶）、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等等。,土工材料,土工材料,土工材料的应用,一、反 滤 二、排 水 三、隔 离 四、防 护 五、防 渗 六、加 筋 七、其 它,土工材料,反滤,土工材料,反滤,土工材料,排水,土工材料,隔离,土工材料,防护,土工材料,防渗,土工材料的应用,其它,土工材料,土工材料,土工合成材料 Geosynthetics,土工织物 Geotextile,土工膜 Geomembran

2、e,土工复合材料 Geocomposite,特种土工材料,土工合成材料,土工材料,土工织物Geotextile,土工织物一般具有透水性,按照制造工艺土工织物可以分为,土工材料,织造型土工织物(woven geotextile),织造型土工织物又称有纺土工织物，是最早的土工织物产品。它的制造分两道工序：先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再借织机制成平面结构的布状产品。,有纺布,土工材料,单丝： 直径约为单丝0.5mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分子定向，以提高丝的强度。 多丝： 由若干根单丝组成的、在制造高强土工织物时常采用多丝。多丝也有用

3、切割成的短丝(一般长100mm)搓拧而成的。 裂膜丝： 裂膜丝(fabrillated yarn)是将一根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在起。由裂膜丝织成的织物较为密实，柔软而渗透性小。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度可达12mm。,有纺布,土工材料,无纺布,无纺布（non-woven geotextile) 又称非纺造型土工织物。根据粘合方式的不同，无纺布分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。 热粘合法：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用土工织物，厚度一般为0.51.0mm。 化学粘

4、合法：是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维网中，待粘告别固化，纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3mm。 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，还有用水刺法的。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。,土工材料,土工膜是一种基本不透水的材料。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。,土工膜(Geomembrane),工厂制造土工膜的人法主要有挤出、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

5、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。,土工复合材料(Geocomposite),复合土工膜(composite geomembrane),塑料排水带(prefabricafed strip drain),软式排水管,其它土工复合材料,土工复合材料,土工材料,塑料排水带是出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

6、烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、口琴式和乳头式等如图1-6。芯板起骨架作用、截面形成的纵向沟槽供通水之用，滤膜多为涤纶无纺织物 。,塑料排水带,土工材料,软式排水管又称为渗水软管，是由高强钢丝圈作为支撑体，以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹树料内部分构成。,软式排水管,土工材料,土工材料,土工材料,土工材料,特殊土工材料,土工模袋(fabriform),土工网(geonet),土工格栅(geogrid),土工格室(geocell),土工管(geotex tube),土工包(geocontainer),土工材料,土工格栅(geogrid),土工材料,土工格室,土工材料,土工

7、材料的性能,物理性能指标单位面积质量 厚度 孔隙率,力学性能指标 抗拉强度与延伸率 握持强度 撕裂强度 胀破强度,水力性能指标 等效孔径 垂直渗透系数和透水率 水平渗透系数和导水率,土工材料与土相互作用性能指标 土土工材料之间摩擦系数 土土工材料之间渗透系数,耐久性指标 耐磨、抗紫外线、抗生物、抗化学等,土工材料,单位面积质量，系1平方米土工织物的质量，称为土工织物的基本质量，单位为g/m2。它是土工织物的一个重要指标。对于 任何一种系列产品来说，土工织物的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增大而提高。因此，在选用产品时单位 面积质量是必须考虑的技术和经济指标。,单位面积质量,土工

8、材料,指土工织物在2kPa法向压力下，其顶面与底而之间的距离，单位为mm。土工织物厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa 压力表示土工织物在自然状态无压条件下的厚度。,厚度,土工材料,孔隙率,孔隙率定义为土工织物所含孔隙体积与总体积之比，以百分数()表示。该指标不直接测定，由单位面积质量、密度和厚度计算得到。,土工材料,抗拉强度也称为条带法抗拉强度，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工织物在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，单位为kNm。 对应抗拉强度的应变为土工织物的延伸率，用百分数()表示。,握持强度表示土工织物抵抗外来集中荷载的能力，试验时仅13试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土

9、工织物对集中荷载的扩散范围越大、则捏持强度越高，单位为N。,撕裂强度表示沿土工织物某一裂口将裂口逐步扩大过程中的最大拉力，单位为N。,土工材料,这4个强度的试验都表示土工织物抵抗外部冲击荷载的能力，其共向特点是试样为圆形，用环形夹具将试样夹住；其差别 是试样尺、加荷方式不同。,胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度,土工材料,以土工织物为筛布，用某一平均粒径的玻璃珠或石英砂进行振筛，取通过土工织物的过筛率(通过织物的颗粒质量与颗粒总投放量之比)为5(留筛率为95)所对应的粒径为织物的等效孔径O95表示该土工织物的最大有效孔径，单位为mm。用同样的步骤，则相应得到O85，O50和O15

10、的孔径值。,等效孔径（表观孔径）,土工材料,垂直渗透系数为水力梯度等于1时，水流垂直通过土工织物的渗透速率，单位为cm/s。透水率为水位差等于1时的渗透速率，单位为1/s。,水平渗透系数为水力梯度等于1时水流沿土工织物平面的渗透速率，单位为cm/s。导水率为沿土工织物单位宽度内的输水能力，单位为cm2/s。,渗透系数,土工材料,土工材料,反滤作用,当土中水流过土上织物时，水可以顺畅穿过、而土粒却被阻留的现象称为反滤(过滤)。反滤不同于排水，后者的水流是沿织 物表面进行的，而不是穿越织物。当土中水从细粒土流向粗粒土，或水流从土内向外流出的出逸处，需要设置反滤措施，否则土粒 将受水流作用而被带出土

11、体外，发展下去可能导致土体破坏。土工织物可以代替水利工程中传统采用的砂砾等天然反滤材料作为反滤层(或称滤层)。,土工材料,反滤作用,(1)堤坝粘土斜墙和粘土心墙的反滤层； (2)堤坝内部和下游排水体滤层； (3)渠道、堤防、海岸等乱石、砌石或者混凝土板下面的滤层； (4)水闸分缝处、 下游护坦； (5)挡土墙、岸墙等背面排水系统中的滤层； (6)排水暗管或排水暗沟外面的包裹体； (7)减压井或测压管的外裹体。,土工材料,(1)被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走。即需要有“保土性”，以使防止管涌破坏。 (2)水流必须能顺畅通过织物平面，即需要有“透水性”，以防止积水产生过高的渗透压力。

12、 (3)织物孔径不能被水流挟好的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反滤作用失效。,反滤设计基本要求,土工材料,既然要求织物保土，则织物的孔径与土的粒径之间就必须符合一定的关系。孔径过大，土粒会穿过孔洞而流失；过小又妨碍透水和容易被堵塞。 借鉴传统的粒状土反滤层的保土要求，并依据众多的试验研究表明，为了保土，织物的某等效孔径Oe和被保护土的特征粒径d85之间应该符合以下关系：,(一)保土性准则,土工材料,(1)被保护土级配良好，水力梯度低和预计不致发淤堵(中粗砂等)时,(二)透水性准则,(2)如果排水失效会导致土体结构破坏，且修理费用高，或水力梯度高，流态复杂等情况,Kg和Ks分别为土工织物和

13、被保护土的渗透系数,日前对于土工织物透水件的要求，是以织物和被保护土的渗透系数的相对关系来表示。,土工材料,为防止土工织物在长期工作中被淤堵，应该用选定的织物和被保护的现场土料作较长期试验来检验。这样做费时费事，因此对于土工织物防堵性提出了以下要求：,(三)防堵性准则,(1)被保护土级配良好，水力梯度低，流态稳定，修理费用 小及不发生淤堵时:,d15为被保护土的特征粒径，即土中小于该粒径的土质量占总土质量的15，mm。,土工材料,梯度比是美国陆军为了用较短时间判断土工织物滤层的工作状态而建议的一个指标，由淤堵试验装置测定，如图23。图中的6代表待测定的土工织物，它被安放在作为支承体的透水铜丝布

14、7上。织物上面是由现场取来的并按要求压实的土。在织物上面25mm和75mm处的试验简两侧壁上，各安装有测压水管，试验筒顶不断供水，使水流通过土体、织物，由图中的调节管8排出。量测通过上面 75mm土层后测压管的水位差，计算出相应的梯度is；同样量测通过下面25mm土层和土工织物的测压管水位差，计算出相应的梯度isg。后一梯度对前一梯度的比值，即GRisgis，称为梯度比。,梯度比,土工材料,水利工程中需要将士中水排走的情况很多，例如堤坝工程少降低浸润线位置，以减小渗流力；挡墙背面排水，以消减水压力， 提高墙体稳定性，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；软土地基

15、排水，以加速土固结， 提高地基承载力等等。,排水作用,土工材料,1所需的基本资料 与反滤设计中要求的类似，应提供土体的物理力学特性，如土的分类、土的颗粒分析曲线、土的渗透系数等；有关地质、水文资料；来水量(或根据条件估算)；土与水的化学成分等。 另外，应提供待选土工织物的厚度、等效孔径O95，水平渗透系数Kh、垂直渗透系数Kv等。 2以反滤准则检验待选土工织物 用于排水的无纺土工织物首先应符合反滤准则，故待选材料 应先按反滤的三项准则逐一加以检验，如不合格，应更换其他合格材料。,排水设计,一般排水设计,土工材料,3排水能力校核 土工织物排水是依靠其平面渗透性，按照理论应该以其水平渗透系数Kh来

16、表示。但是，由于织物理在土内要受到一定的压力，其厚度要变薄，垂直渗透性和水平移透性都将减小，为了回避可变的厚度，根据达西定理，推导出反应织物渗透性的另外两个指标：,排水设计,透水率,q表示单位宽度的来水量；h为土工织物上下两侧的水位差值；A为通过水流的面积；i为水流通过织物时的水力梯度。,导水率,一般排水设计,土工材料,一般排水设计,土工材料,土工材料,土工材料,土工材料,土工材料,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。例如将碎石和细粒土隔离、软土和填土之间隔离等等。隔离可以为工程带来许多预期的良好效应。,土工材料,(1)通过隔离层，引起应力扩散

17、作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。 (2)隔离提供排水面，加速地基土固结，使承载力提高。 (3)隔离层起整体性作用可使要求的地基粗粒料支持层的厚度减少。节约建筑材料。 (4)地基中有部分软弱区域、或有小范围洞穴，铺隔离层有架桥作用。以掩盖和减弱洞穴区或软弱区的影响。 (5)在地下水位较高的地基中，隔离层可以切断毛细水上升，防止盐碱化，或减弱冻胀。 (6)道路基床中，隔离是防治翻浆冒泥的有效措施。 (7)隔离层还起一定的保温作用。,隔离的作用,土工材料,隔离层的受力状,右图(a)为在粗粒土上覆盖细粒土，并有荷载作用；(b)与(a)相反，为在细粒土上填筑租粒土；(c)则既有粗、细粒土的相邻

18、，又有渗流运动；(d)则是在两种个间界面处有孔穴存在。在这几种情况中，明显看出，在标有号 码“1”处，隔离材料在粗粒土的孔隙部位或两种材料界面的孔穴部位将受到来自受压软土的挤顶作用。为此、要求隔离材料必须有足够的抗顶破能力；在标有号码“2”处隔离树料则将受到由粗土粉棱角施加的穿刺力，故隔离材料还应有抵抗刺破的能力。,土工材料,设计及验算的内容应根据隔离层预计的工作条件来确定。,隔离工程设计要点,(一)非持力层情况 隔离层不要求承受施工应力以外的较大荷载，不需要按受力部件来考虑，则按“反滤”和“排水”要求来选择隔离材料即可。,土工材料,如图2-7所示情况，受上覆荷载作用，隔离材料有抵抗顶破和刺破

19、的要求，则除满足反滤和排水准则，还需要对其进行力学分析。力学分析与Mullen胀破试验及CBR顶破试验紧密相连。,(二)持力层情况,土工材料,Mullen胀破试验是为了模拟土工织物铺在凹凸不平的层面上受到挤压，评价其强度而设计的。所用仪器如右图。环形夹具中间为一可扩散的薄膜(加筋的人造橡胶)。试验时将士工织物试样覆盖在薄膜上，用环形夹具将其夹紧，然后开动机器加液压，使薄膜连同土工织物同时鼓胀，直到织物被胀裂，将胀破压力扣除使薄膜扩张至胀裂状态所需的压力称胀破强度或顶破强度。,Mullen胀破试验,土工材料,CBR顶破试验是为模拟粗粒石料对土工织物的顶压作用，评价其强度而设计的。试验所用CBR试

20、验仪如右图。试验方法是将土工织物试样紧夹在固图(a)的环形夹具中，然后用图(b)中直径为50mm的CBR仪的圆柱顶压杆在织物平面垂直向以一定速率顶向织物，直至试样被顶破，顶破过程中的最大顶压力称为顶破强度或者刺破强度。,CBR顶破试验,土工材料,针对下图的情况研究在两个相邻大颗粒下铺有土工织物时，孔隙空间AB处的土工织物受到基土的反力作用的情况。受力条件与Mullen试验相似，假设大颗粒的平均粒径为d50、颗粒与土工织物的平均接触面直径为dc，则根据接触面周边(假设图中BC段变形后呈半球形)单位长度上的拉力和Mullen试验达到顶破强度PM时周边单位长度上的拉力相等的条件。并考虑一定的安全系数

21、Fs(至少为3)，可以得到要求的顶破强度为PM：,顶破强度分析,dm为胀破仪的直径，qu地基土的极限承载力,土工材料,CD段的顶刺情况与CBR试验的相似。同样，按两种情况接触面周边径向拉力相等，且考虑一定的安全系数FS(至少为3)可得到CBR刺破强度FCBR：,dCBR为试验圆柱顶杆直径；Fp为接触点处颗粒所受向下压力和向上反力之差,刺破强度分析,土工材料,防渗是防止流体渗透流失的作用，也包括防止气体的挥发扩散。,防渗,日常生活中要求防渗的事例很多，水利工程中要修建大量的挡水蓄水、引水和输水等建筑物，更有防渗、防漏的要求。,土工材料,(1)堤坝的防渗斜墙成心墙 (2)透水地基上堤坝的水平防渗铺

22、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、海漫与护坦的防渗 (6)隧道和堤坝内埋管的防渗 (7)施工围堰的防渗,防渗应用,土工材料,防渗应用,继续,土工材料,闸、坝下游的消力池底板，称为护坦。它是被用来保护水跃范围内的河床免受冲刷。一般用混凝土或桨砌石做成，护坦的高程和尺寸取决于护坦水跃旋滚的水力特性。,紧接护坦或消力池后面的消能防冲措施，称为海漫。其作用是进一步消杀水流的剩余动能，保护河床免受水流的危害性冲刷。,海漫与护坦,返回,土工材料,防渗结构,防护层 上垫层 土工膜 下垫层 支持层,土工材料,与外界接触的最外层、是为了防御外界水流成波浪冲击、风化浸蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设置。该层由透水的堆石、砌石或预制混凝土板构成，要求有一定厚度。,防护层,土工材料,上垫层是防护层和下卧土工膜之间的过渡层，由于防护层多是大块粗糙材料，如果直接置于土工膜上，很容易破坏土工膜，如 果防护层的块体有移动，更会伤害膜材，因此、上垫层必须做好。上垫层可以采用透水性良好的砂砾料，厚度应不小于10cm，根据具体情况，有时也可采用无砂混凝土或沥青砂浆等；如果防渗材料采用的是复合土工膜，则膜两侧的非织造土上织物可以起保护膜的作用，不必另设垫层。,