第六章土工合成材料4.18幻燈片.ppt

1、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應用的合成材料的總稱。合成材料又稱人造材料，是人為地把不同物質(zhì)經(jīng)化學方法或聚合作用加工而成的材料，其特質(zhì)與原料不同，如塑料、玻璃、鋼鐵等。 現(xiàn)在世界上最主要的三大合成材料分別是合成塑料、合成纖維、合成橡膠總稱三大合成材料。它們是以石油、天然氣、煤和農(nóng)副產(chǎn)品為主要原料，先制成單體，通過加聚或縮聚反應，生成高聚物（稱為合成樹脂），再加入添加劑（如強固劑、填充劑、增塑劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、色料等）而成。它們是用人工方法，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、纖維素、天然

2、橡膠和蛋白質(zhì)等。三大合成材料則是人工合成的高聚物。高聚物正在越來越多地取代金屬，成為現(xiàn)代社會使用的重要材料。 土工合成材料作為一種土木工程材料，置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間，發(fā)揮加強或保護土體的作用。,土工合成材料的定義： 應用于土木工程的合成材料產(chǎn)品的總稱 發(fā)展及現(xiàn)狀： 合成纖維在土木工程中的正式應用始于20世紀50年代 20世紀60年代，有紡織物就已在護岸防沖工程中應用 60年代末，無紡織物出現(xiàn)大大拓寬了合成材料在土木工程中應用 現(xiàn)在仍然保持良好的勢頭，新的特殊產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),土工合成材料在我國情況,應用始于20世紀60年代 土工織物從1976年用于護岸、防汛搶險及提防等工程 1995年

3、，“中國土工合成材料工程協(xié)會”成立 2002年，我國土工合成材料應用工作者獲得國際土工合成材料學會（IGS）頒發(fā)的專門獎項 1998年，我國暴發(fā)特大洪水，土工合成材料在抗洪中起到很好作用。中央領導高度重視，這促進了土工合成材料的正規(guī)化和普及化,二、土工合成材料的種類、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(電木),聚四氟乙烯 /塑 料 王,聚甲基丙烯酸甲酯 有機玻璃,常見的纖維,滌綸:,也叫的確良,是一種聚脂纖維,也叫尼龍,是一種聚酰胺纖維,也叫人造羊毛,是一種聚丙烯腈,錦綸:,腈綸:,橡 膠 產(chǎn) 品,三、土工合成材料的分類,土工合成材料應用

4、技術規(guī)范將土工合成材料分為：土工織物、土工膜、土工格柵、土工特種材料和土工復合材料等類型。 土工織物又稱土工布，是應用于土木工程中的紡織品，是土工合成材料的一種。 土工特種材料包括土工膜袋、土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊、土工格室、土工織物膨潤土墊、聚苯乙烯泡沫塑料（）等。 土工復合材料是由上述各種材料復合而成，如復合土工膜、復合土工織物、經(jīng)編復合土工布、復合防排水材料（排水帶、排水管）等。,土工合成材料分類,土工合成材料,土工織物（土工布）,土工膜,土工復合材料,土工特種材料,有紡,無紡 （長絲和短絲）,針刺黏結 熱黏結 膠劑黏結,吹塑擠出、壓延、上涂料制造的膜 PE、HDPE、PVC等膜料 純膜、復合土

5、工膜,復合土工織物 復合土工膜 復合防、排水材料,土工格柵、經(jīng)編格柵、土工帶、土工網(wǎng)、土工格室、土工包等,土工合成材料膨潤土襯墊（GCL） 、三維植被網(wǎng)墊、 聚苯乙烯板塊、發(fā)泡土工材料等,最常用,如：經(jīng)編土工織物,部分土工合成材料圖片性能及應用,土工格室,短纖針刺土工織物,分有孔型和無孔型。和土形成組合構件，有很高的承載能力和很強抗沖能力。有抗拉強度延伸率、焊縫拉伸強度等指標。 主要用于地基處理、護坡和擋墻的加固，尤其在重型車輛的道路中，可防止或減輕車轍的發(fā)生。,土工織物具有重量輕、整體性好、易加工、抗拉強度高、耐腐蝕和侵蝕、孔隙直徑小、滲透性好、質(zhì)地柔軟等優(yōu)點。 應用十分廣泛，除了防滲外，幾

6、乎可以在所有功能中發(fā)揮作用，如反濾、排水、隔離、防護、加筋、包裹等。,聚乙烯土工膜,經(jīng)編土工格柵,土工膜具有很好不透水（氣）性，彈性和變形能力好，能承受不同的施工條件和工作應力，抗老化能力也較好。有不加筋、加筋和組合之分。還可分為塑料類、合成橡膠類、混合類等 可用于防滲等。,土工網(wǎng),土工格柵主要用于土體的加筋，是工程中應用很廣的加筋材料。,土工網(wǎng)強度模量比土工格柵低，但對于受力和變形要求不高的情況，如坡面防護等，也可用于加筋材料。,a,b,土工管材可分為給水管、排水管、廢水管等類型。廣泛應用于各類工程和市政建設中，大有代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼管、水泥預應力管的傾向。 a：鋼絲圈外包土工織物的復合排水管 土

7、工排水帶（板）沿長度方向排水，外包織物可作為濾層阻止土粒進入堵塞通道。復合排水帶在地基加固中應用很廣泛。 b：內(nèi)芯為土工網(wǎng)的復合排水管,泡沫塑料容重輕、比強度高、導熱系數(shù)低、防滲性好、耐老化，具有良好的二次加工性能。 廣泛用于消音、隔熱、保溫、防凍、防震和輕型結構。,土工泡沫板（EPS）,四、土工合成材料的主要特性指標,物理性指標: 相對密度、厚度、單位面積質(zhì)量等。 力學性指標： 抗拉強度、延伸率、撕裂強度、握持強度、 膨脹強度等。 水力特性指標：滲透性、淤堵性指標、水通量和抗?jié)B指標。 界面特性： 土與土工合成材料的摩擦系數(shù)及相互作用 的界面特性。 流變特性： 蠕變強度折減系數(shù)，長期疲勞強度特

8、性指標。 老化特性： 紫外線老化強度折減系數(shù)，抗化學腐蝕指 標，凍融和干濕影響指標等。,五、土工合成材料的主要功能,防滲 反濾與排水 加筋 防護 隔離 包裹,1、防滲,土工膜：由聚合材料和橡膠等制成的膜片或者以土工布為基布 外涂一層或者多層異丁橡膠形成的膜片，為一種具有一定強度 的不透水材料。 土工膜是一種很好的防滲防漏材料。廣泛用于大壩、堤防、水閘、地下工程、圍堰、垃圾填埋場等工程。 土工膜應用的技術在于： 合適的材料合理的防滲層結構設計正確嚴格的施工 土工膜的三個主要類型： 土工膜 加筋和加糙土工膜 復合土工膜,土工膜防滲層結構,土工膜 保護層 ：保護土工膜不破壞，一般有 支持層：使土工膜

9、受力和變形均勻,（護面層和墊層）,素土、砂礫石，預制或現(xiàn)澆混凝土板 ，干砌石等,單層土工膜（單層復合土工膜）,多層土工膜（多層復合土工膜）,防滲較好,防滲結構,單層防滲結構,復合土工膜,是一種以土工膜為主體，同時在其一側或兩側粘有無紡織物、有紡織物或加筋材料等土工材料等的復合土工材料。其功能較多，發(fā)展?jié)摿^大。 由于布加筋的作用，使復合膜既具有布的特點又具有膜的特點，抗脹破、撕裂、刺破能力大大加強。 設計時優(yōu)先考慮膜的變形率和布的強度。 復合膜生產(chǎn)寬度有限，大幅使用時，搭接縫的防滲與強度特性不容忽視。,土工膜在防滲工程中的新應用,充氣薄膜壩 堤壩的垂直防滲膜或地下連續(xù)墻 封閉膨脹土坡表面，隔離

10、水源，消除膨脹危害 用于垃圾填埋場的防滲防漏 （三層的組合土工膜防滲體系） 在輸水、輸油、輸液渠道（管道）的應用,2、反濾與排水,反濾：防止土工建筑物在排水過程中土顆粒的大量流失。 排水：排出多余水，保持土體穩(wěn)定性。 反濾與排水常常同時被要求，加強土層抗?jié)B透破壞能力 采用土工織物用作反濾排水的技術被大量使用。,土工合成材料排水,目的：加速土體排水固結，改善土的性能 導走土體中滲透水，降低滲透壓力 降低土體中浸潤線增加土體穩(wěn)定性 材料：無紡織物、塑料排水管、塑料排水帶、 土工網(wǎng)、毛細排水帶、軟式排水管、 速排龍等,地下排水管和地面侵蝕控制,在道路、堤壩、隧道及軟基等工程中，常需地下排水，用地下埋

11、管方式排水很普遍。 在控制地面侵蝕的結構中，壓重（混凝土塊等）之下往往墊有土工織物，而兩者之間還有砂墊層。砂墊層作用在于保護土工織物不被壓重破壞和消除土工織物中孔隙水，以免水壓力破壞壓重。,塑料排水帶（PSDs）在軟地基中應用,由聚氯乙烯透水芯帶外套以無紡織物濾布制成。 它排水性能良好、質(zhì)量輕、施工方便、對土的擾動小、造價低廉、工效高。 它一出現(xiàn)便迅速被推廣使用，現(xiàn)我國排水帶年用量達到近億延米（趙維炳，2006）。 應用：提高軟地基的承載力與穩(wěn)定性 減少建筑基礎的沉降,可測深的排水帶：“數(shù)字式”、“銅絲式” 整體式排水帶。 排水加固工程的發(fā)展。,塑料排水帶 技術新發(fā)展,3、土的加筋與加固,加筋

12、土：在土體中加入具有一定抗拉強度的材料（加筋），憑借這些材料與土的摩阻力，使土的模量增大，整體性增強，而限制土體的變形（加固）。 加筋土工程：目前加筋土已大量應用于建筑擋墻、陡坡、軟基加固、淺基礎地基、橋臺、道路防裂等。 應用到的土工材料有土工袋、土工管、土工包、土工格柵、土工網(wǎng)、土工格室、土工復合加筋帶等。,綠化加筋擋墻,纖維加筋土, 纖維加筋土是將連續(xù)的纖維絲或短纖維絲采用機械、氣壓或 水壓等方法均勻且隨機地摻入到粒狀材料中，形成加筋土。 與其他土工材料一層一層地鋪設不同，纖維加筋土是真正的 三維加筋，呈現(xiàn)各向異性。 加筋纖維的原料多用聚酯（滌綸）。 描述纖維特性的指標主要有： 纖度（細度

13、）、強度、模量、纖維配合比。 纖維土的作用機理：“彎曲機理”、“交織機理”,加筋土擋墻,加筋土陡坡,有包裹式和條帶式兩種。 由五部分組成：擋墻土體、土體中筋材、面板、帽石、地基和基礎。 設計基本資料：筋材特性指標、外載荷、地基土特性指標、回填土特性、 結構安全系數(shù)（內(nèi)部穩(wěn)定及外部穩(wěn)定）。,軟地基加筋與加固,4、防護和護坡工程,防護工程：為了消除或減輕自然現(xiàn)象、環(huán)境作用或人類 活動等因素帶來的危害而采用的工程措施。 如：護坡（護岸、護底）工程。 土工材料與護坡工程： 土工材料的出現(xiàn)為護坡工程提供了一種理想材料，產(chǎn)生了 許多新的護坡形式（生態(tài)護坡）。 土工織物的優(yōu)點有材質(zhì)輕、易于儲運、反濾功能等。

14、 常用土工材料護坡結構物有：軟體排、連鎖排、土工包裹 系統(tǒng)、土工石籠、土工三維植被網(wǎng)等。,土工格柵,植物護坡,土工網(wǎng)墊,其他新型護坡,尼龍加筋網(wǎng)墊： 永久性防侵蝕的三維網(wǎng)墊 瀝青鋪材： 較好柔軟性和耐久性 Borosion促淤網(wǎng)： 重量輕、無需疏浚機具和剛性材料,5、土工包裹系統(tǒng),土工材料除了常說的防滲、反濾、排水、加筋、防護、隔 離外，還有一種新的功能：將土工包裹材料和固體廢棄物組合起來。這類系統(tǒng)都可稱為“土工包裹系統(tǒng)”。 在荷蘭、法國、美國等國，土工袋、土工長管和土工包工程已廣泛應用于水下穩(wěn)定平臺、放浪堤、施工圍堰、疏浚材料的包裹、清潔或污染材料的處理。,5-2 加筋擋墻及其設計原理,加筋土擋墻結構,一、概述,1、加筋擋墻按材料及其布置方式 （1）筋帶式加筋擋墻（2）滿鋪包裹式擋墻,2、加筋擋墻按受力分為 （1）剛性筋式 用抗拉模量高，延伸率低的土工格柵或加筋土工帶等作為筋材 （2）柔性筋式 以制造土工織物等中等拉伸模量材料作為筋材,二、加筋擋墻設計要點,1、加筋擋墻設計的主要內(nèi)容,A、確定加筋擋墻的結構類型 B、確定加筋擋墻斷面形式與尺寸和基本構造 C、加筋土擋墻設計采用極限平衡法，其設計計算應包括：擋墻外部穩(wěn)定性驗算、擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性驗算以及確定墻后排水設施和墻頂防水措施。,2、擋墻外部穩(wěn)定性驗算 將加筋體