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(yīng)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(xué)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(guò)加聚或縮聚反應(yīng)，生成高聚物（稱為合成樹(shù)脂），再加入添加劑（如強(qiáng)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(lái)越多地取代金屬，成為現(xiàn)代社會(huì)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(qiáng)或保護(hù)土體的作用。,土工合成材料的定義： 應(yīng)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(yīng)用始于20世紀(jì)50年代 20世紀(jì)60年代，有紡織物就已在護(hù)岸防沖工程中應(yīng)用 60年代末，無(wú)紡織物出現(xiàn)大大拓寬了合成材料在土木工程中應(yīng)用 現(xiàn)在仍然保持良好的勢(shì)頭，新的特殊產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),土工合成材料在我國(guó)情況,應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代 土工織物從1976年用于護(hù)岸、防汛搶險(xiǎn)及提防等工程 1995年

3、，“中國(guó)土工合成材料工程協(xié)會(huì)”成立 2002年，我國(guó)土工合成材料應(yīng)用工作者獲得國(guó)際土工合成材料學(xué)會(huì)（IGS）頒發(fā)的專門獎(jiǎng)項(xiàng) 1998年，我國(guó)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(lǐng)導(dǎo)高度重視，這促進(jìn)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(jī)玻璃,常見(jiàn)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(yīng)用

4、技術(shù)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(fù)合材料等類型。 土工織物又稱土工布，是應(yīng)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(rùn)土墊、聚苯乙烯泡沫塑料（）等。 土工復(fù)合材料是由上述各種材料復(fù)合而成，如復(fù)合土工膜、復(fù)合土工織物、經(jīng)編復(fù)合土工布、復(fù)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(fù)合材料,土工特種材料,有紡,無(wú)紡 （長(zhǎng)絲和短絲）,針刺黏結(jié) 熱黏結(jié) 膠劑黏結(jié),吹塑擠出、壓延、上涂料制造的膜 PE、HDPE、PVC等膜料 純膜、復(fù)合土

5、工膜,復(fù)合土工織物 復(fù)合土工膜 復(fù)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(rùn)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(yīng)用,土工格室,短纖針刺土工織物,分有孔型和無(wú)孔型。和土形成組合構(gòu)件，有很高的承載能力和很強(qiáng)抗沖能力。有抗拉強(qiáng)度延伸率、焊縫拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)。 主要用于地基處理、護(hù)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(qiáng)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(diǎn)。 應(yīng)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(hù)、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(yīng)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(yīng)用很廣的加筋材料。,土工網(wǎng)強(qiáng)度模量比土工格柵低，但對(duì)于受力和變形要求不高的情況，如坡面防護(hù)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(yīng)用于各類工程和市政建設(shè)中，大有代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼管、水泥預(yù)應(yīng)力管的傾向。 a：鋼絲圈外包土工織物的復(fù)合排水管 土

7、工排水帶（板）沿長(zhǎng)度方向排水，外包織物可作為濾層阻止土粒進(jìn)入堵塞通道。復(fù)合排水帶在地基加固中應(yīng)用很廣泛。 b：內(nèi)芯為土工網(wǎng)的復(fù)合排水管,泡沫塑料容重輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)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(jié)構(gòu)。,土工泡沫板（EPS）,四、土工合成材料的主要特性指標(biāo),物理性指標(biāo): 相對(duì)密度、厚度、單位面積質(zhì)量等。 力學(xué)性指標(biāo)： 抗拉強(qiáng)度、延伸率、撕裂強(qiáng)度、握持強(qiáng)度、 膨脹強(qiáng)度等。 水力特性指標(biāo)：滲透性、淤堵性指標(biāo)、水通量和抗?jié)B指標(biāo)。 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(qiáng)度折減系數(shù)，長(zhǎng)期疲勞強(qiáng)度特

8、性指標(biāo)。 老化特性： 紫外線老化強(qiáng)度折減系數(shù)，抗化學(xué)腐蝕指 標(biāo)，凍融和干濕影響指標(biāo)等。,五、土工合成材料的主要功能,防滲 反濾與排水 加筋 防護(hù) 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(qiáng)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(chǎng)等工程。 土工膜應(yīng)用的技術(shù)在于： 合適的材料合理的防滲層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確嚴(yán)格的施工 土工膜的三個(gè)主要類型： 土工膜 加筋和加糙土工膜 復(fù)合土工膜,土工膜防滲層結(jié)構(gòu),土工膜 保護(hù)層 ：保護(hù)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(hù)面層和墊層）,素土、砂礫石，預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土板 ，干砌石等,單層土工膜（單層復(fù)合土工膜）,多層土工膜（多層復(fù)合土工膜）,防滲較好,防滲結(jié)構(gòu),單層防滲結(jié)構(gòu),復(fù)合土工膜,是一種以土工膜為主體，同時(shí)在其一側(cè)或兩側(cè)粘有無(wú)紡織物、有紡織物或加筋材料等土工材料等的復(fù)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(fù)合膜既具有布的特點(diǎn)又具有膜的特點(diǎn)，抗脹破、撕裂、刺破能力大大加強(qiáng)。 設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮膜的變形率和布的強(qiáng)度。 復(fù)合膜生產(chǎn)寬度有限，大幅使用時(shí)，搭接縫的防滲與強(qiáng)度特性不容忽視。,土工膜在防滲工程中的新應(yīng)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(chǎng)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(yīng)用,2、反濾與排水,反濾：防止土工建筑物在排水過(guò)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(shí)被要求，加強(qiáng)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(shù)被大量使用。,土工合成材料排水,目的：加速土體排水固結(jié)，改善土的性能 導(dǎo)走土體中滲透水，降低滲透壓力 降低土體中浸潤(rùn)線增加土體穩(wěn)定性 材料：無(wú)紡織物、塑料排水管、塑料排水帶、 土工網(wǎng)、毛細(xì)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(jié)構(gòu)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(hù)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(yīng)用,由聚氯乙烯透水芯帶外套以無(wú)紡織物濾布制成。 它排水性能良好、質(zhì)量輕、施工方便、對(duì)土的擾動(dòng)小、造價(jià)低廉、工效高。 它一出現(xiàn)便迅速被推廣使用，現(xiàn)我國(guó)排水帶年用量達(dá)到近億延米（趙維炳，2006）。 應(yīng)用：提高軟地基的承載力與穩(wěn)定性 減少建筑基礎(chǔ)的沉降,可測(cè)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(shù)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(qiáng)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(qiáng)，而限制土體的變形（加固）。 加筋土工程：目前加筋土已大量應(yīng)用于建筑擋墻、陡坡、軟基加固、淺基礎(chǔ)地基、橋臺(tái)、道路防裂等。 應(yīng)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(fù)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(jī)械、氣壓或 水壓等方法均勻且隨機(jī)地?fù)饺氲搅畈牧现校纬杉咏钔痢?與其他土工材料一層一層地鋪設(shè)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(biāo)主要有： 纖度（細(xì)度

13、）、強(qiáng)度、模量、纖維配合比。 纖維土的作用機(jī)理：“彎曲機(jī)理”、“交織機(jī)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(chǔ)。 設(shè)計(jì)基本資料：筋材特性指標(biāo)、外載荷、地基土特性指標(biāo)、回填土特性、 結(jié)構(gòu)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(hù)和護(hù)坡工程,防護(hù)工程：為了消除或減輕自然現(xiàn)象、環(huán)境作用或人類 活動(dòng)等因素帶來(lái)的危害而采用的工程措施。 如：護(hù)坡（護(hù)岸、護(hù)底）工程。 土工材料與護(hù)坡工程： 土工材料的出現(xiàn)為護(hù)坡工程提供了一種理想材料，產(chǎn)生了 許多新的護(hù)坡形式（生態(tài)護(hù)坡）。 土工織物的優(yōu)點(diǎn)有材質(zhì)輕、易于儲(chǔ)運(yùn)、反濾功能等。

14、 常用土工材料護(hù)坡結(jié)構(gòu)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(hù)坡,土工網(wǎng)墊,其他新型護(hù)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(wú)需疏浚機(jī)具和剛性材料,5、土工包裹系統(tǒng),土工材料除了常說(shuō)的防滲、反濾、排水、加筋、防護(hù)、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(lái)。這類系統(tǒng)都可稱為“土工包裹系統(tǒng)”。 在荷蘭、法國(guó)、美國(guó)等國(guó)，土工袋、土工長(zhǎng)管和土工包工程已廣泛應(yīng)用于水下穩(wěn)定平臺(tái)、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(shè)計(jì)原理,加筋土擋墻結(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)要點(diǎn),1、加筋擋墻設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,A、確定加筋擋墻的結(jié)構(gòu)類型 B、確定加筋擋墻斷面形式與尺寸和基本構(gòu)造 C、加筋土擋墻設(shè)計(jì)采用極限平衡法，其設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)包括：擋墻外部穩(wěn)定性驗(yàn)算、擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算以及確定墻后排水設(shè)施和墻頂防水措施。,2、擋墻外部穩(wěn)定性驗(yàn)算 將加筋體