土工合成材料讲解

二、土工合成材料的种类、功能及特性
2.1 土工合成材料的聚合物（原材料）
名称
特性
聚乙烯（PE） 良好柔软性、延展性、透明性、耐寒性、加工性
聚丙烯（PP） 耐热性、化学稳定性、电绝缘性好，耐光性、韧性差
聚氯乙烯（PVC）较高强度，耐磨、阻燃，热稳定性差，易老化
聚酯（PET） 热塑性塑料中强韧性最好，透光率好，耐酸不耐碱，
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
保护层 （护面层和垫层）：保护土工膜不破坏，一般有
素土、砂砾石，预制或现浇混凝土板 ，干砌石等
支持层：使土工膜受力和变形均匀
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。
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
⑴可测深的排水带：“数字式”、“铜丝式” ⑵整体式排水带。 ⑶排水加固工程的发展。


塑料排水带
①土工膜 ②加筋和加糙土工膜 ③复合土工膜
土工膜的工程性质
1、耐水压性 2、拉伸强度和应力应变关系 3、摩擦特性 4、防渗性 5、耐久性 6、温度影响
土工膜防渗层结构(show pattern images if possible)
单层土工膜（单层复合土工膜）
土工膜
多层土工膜（多层复合土工膜）
防渗较好
a：钢丝圈外包土工织物的复合排水管 a
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
b
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）
技术新发展
四、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、軟基加固、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。
联接形式：
铰接、缆索、土工织物及其他填缝材料
土工石笼

(Images??)

又称土工格宾。采用土工格栅等，内装卵石等形成的柱体或块体。 体积大、重量大、稳定性好。常用于深水激流、风口浪尖的工程。 由于常承受较大土推力，故计算它的稳定性很重要。 土工石笼应用场合：石笼护坡和挡土墙，石笼丁坝、顺坝、锁坝， 土工格栅碎石桩等。
土工合成材料
一、绪论

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：
3000年前巴比伦人用土中加筋技术修建过庙塔 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
土工合成材料的主要特性指标
⑴物理性指标。 厚度、等效孔径等。 ⑵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。 ⑶水力特性指标。渗透性、淤堵性指标、水通量和抗渗指标。 ⑷界面特性。 ⑸流变特性。 ⑹老化特性。 土与土工合成材料的摩擦系数及相互作用
的界面特性。
蠕变强度折减系数，长期疲劳强度特性指标。 紫外线老化强度折减系数，抗化学腐蚀指标，


反滤设计中的若干概念
等效孔径： 土工织物的一个特有概念。在织物的孔径分布曲线中，对应95%的那个孔径。 可用干筛法和湿筛法等确定。
保土性和透水性：
保土性：保证土中起骨架作用的较大颗粒不流失。保土准则可用式子表示 Oe≤ndw。 透水性：透水准则表明反滤织物透水性与土的渗透性的关系。
软体排
是防水流冲刷的保护结构中最常用、最有效的构件之一。 可分为单片排、双片排、护底排等。 (Images??) 主要由两部分组成： 土工织物（一般为有纺织物）垫及其上重量。

联锁块沉排
优势：
1、可在工厂生产，方便运输与吊装 2、尺寸可做很大，适应性强 3、任意单元可任意弯曲，沉放后紧贴土面 4、使用时间长
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

三、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。

织物的长期透水性（防淤堵准则）：
找到“最恰当”的设计，使后期透水性不致显著降低。 要求在保证滤层稳定的情况下尽量选择孔径较大的材料。

透水率和导水率
*一般认为无纺针刺土工织物是最适用于反滤层的防淤材料。
影响织物反滤设计的主要因素
1、土工织物的种类和特性
2、被保护土的性质和状态 （内部稳定土和内部不稳定土，粘性土和沙性土） 3、水流的特性（动态流和静态流，单向流和双向流）
可用于防渗等。
聚乙烯土工膜 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。
经编土工格栅
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。
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。
土工格室
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。
短纤针刺土工织物
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
流行观点（围绕在摩阻力上）： 1、筋材在土体内增加了一个阻止侧向变形的摩擦力 2、加筋作用使土体黏聚力增大。 新观点： 1、张力膜理论 2、应力场和位移场改变 3、间接影响带理论 4、深基础效应


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
■有包裹式和条带式两种。
(Images??)
■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）。
加筋土陡坡 软地基加筋与加固
(Images??)
五、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
4、土工织物铺设的施工质量和土层接触面情况
5、其他外部情况（如反滤层下游排水材料情况）
土工合成材料排水
目的：⑴加速土体排水固结，改善土的性能
⑵导走土体中渗透水，降低渗透压力 ⑶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
永久性防侵蚀的三维网垫
沥青铺材： (Images??) 较好柔软性和耐久性
Borosion促淤网： (Images??)
重量轻、无需疏浚机具和刚性材料
六、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、Sill structures、 施工围堰、疏浚材料的包裹、清洁或污染材料的处理。
土工模袋
(Images??)
土工模袋填充材料常用水泥沙浆和混凝土。 优点：整体性好、抗冲能力好、施工方便、可水下施工。 使用条件：地基平整坚实、护坡排水功能良好。
土工格栅(Images??) 植物护坡(Images??) 土工网垫(Images??)
其 他 新 型 护 坡
尼龙加筋网垫(Images??) ：
溶于氨水
聚酰胺（PA） 合成纤维中强度最高，耐磨不易燃，耐碱不耐酸
聚苯乙烯（PS） 耐化学腐蚀、耐水性和电绝缘性好，不耐热易老化 氯丁橡胶（CR） 耐油、耐酸碱，高抗拉强度和气密性，贮存稳定性差
土工合成材料制作流程
加热 干法
1. 原材料
再处理
粘稠纺丝液
湿法
凝固成纤维
合成纤维 加热 挤压、压延、上涂料 2. 原材料 粘稠纺丝液 条形、带形、板形等材料 *炭黑作为一种光稳定剂加入土工合成材料显著提高其耐候
冻融和干湿影响指标等。
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
二、防渗
●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：
①合适的材料②合理的防渗层结构设计③正确严格的施工
●土工膜的三个主要类型：

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。
土工复合材料
土工特种材料
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
部分土工合成材料图片性能及应用
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。
性（十倍）。用量以2%~5%为宜。
土工合成材工织物 （土工布）
最常用
无纺
（长丝和短丝）
土 工 合 成 材 料
土工膜
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

加筋材料性能
1、筋材的抗拉强度和应力应变关系（延伸率） 2、筋材的抗拉刚度（蠕变和应力松弛） 3、筋材的粗糙度及与土体的咬合性能 （抗磨性） 4、筋材的抗温度、老化性能及耐久性 筋材的破坏形式：断裂、拔出、过大拉伸变形
关于加筋机理的研究

绝大部分是针对筋材与土的交界面上两种材料的相 互作用展开的。