土工聚合物详解

第7章土工聚合物
7.1土工织物
土工聚合物是土工合成纤维制品的总称。

它包括：土工织物、土工纤维、建筑纤维、土工格栅等，按其制造方法可大致分为：
纺织型织物；
无纺型纤维制品、编织品、组合型纤维制品、土工网、土工垫、土工格栅；
土工薄膜和复合组合材料。

其中土工织物又称土工纤维是土工聚合物中应用较广的一种。

土工聚合物的特点：质地柔软、重量轻、整体连接性好、抗拉强度高，耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性。

无纺型的土工聚合物当量直径小，是一种极好的反滤材料。

主要用于堤坝、路基、挡土墙、水工构筑物、海岸、河岸等工程，近年来，常用于大型油罐等地基的加固工中，土工聚合物的主要用途见下表。

下面以土工织物为主，介绍土工聚合物的应用和作用原理。

7.1.1 土工织物加固的作用原理
（1）反滤作用
容许水流畅通，同时阻止土粒的移动，从而防止土体的流失和管涌。

（2）排水作用
某些内部具有排水通道（如盲沟、塑料排水板）的土工纤维具有良好的三维透水性，使水能沿土工织物内部的排水通道迅速排出。

（3）隔离作用
利用土工织物的高抗拉、抗撕裂性，良好的韧性、整体性和耐酸碱性，耐生物侵蚀性，将渗透性大于土工织物的两种材料相互隔开，以发挥各自的作用。

无水流作用时，还可采用不透水薄膜隔离。

（4）加固作用
主要体现在水平加筋上。

7.1.2 土工织物的加固设计
土工织物的加固设计理论，至今仍处于探索阶段，还没有完善的设计方法和标准，因此，必须依靠以往的实践经验进行分析判断，通过精心施工，再辅以理论分析，保证加固工程的顺利实施并取得预期的效果。

1． 反滤层的设计原则
目前较为普遍使用的土工织物反滤层设计标准主要有以下三种：
（1） 按符合一定标准和级配的砂砾构成的传统反滤层的标准，使土工织物滤层
满足以下三个要求：
防止管涌 b f D D 85155<
保证透水性 b f D D 15155<
保证均匀性 b f D D 505025< （对级配不良的滤层）
或 b f D D 50507< （对于级配均匀的滤层）
f ——表示滤层土；b ——表示被保护土；
D 15 f ——颗粒粒径分布曲线上百分数P 为15%时的颗粒粒径，mm ； D 85b ——颗粒粒径分布曲线上P 为85%时的颗粒粒径，mm 。

（2） 根据“等效薄膜”概念，由Terzagi 古典设计理论推导的土工织物的孔径
尺寸的要求。

对于非粘性土：
防止管涌 b e D O 851<
渗流畅通 b e D O 151>
保证均匀 b e D O 503.2<（非编织型）；b e D O 504.1>（编织型） 对于粘性土： mm O e 08.0<
e O 为土工织物的等效粒径，指对土工织物起控制作用的孔径，对编织型土工织物滤层（孔眼比较均匀），一般取90O
（3） 美国陆军工程师兵团标准（1977）
防止管涌 b D E O S 85≤ （适用于D <0.074mm 颗粒含量<50%） 防止堵塞 mm EOS 149.0≥
EOS 为土工织物的等效粒径，相当于98O 或95O
2． 土工织物复合垫层的设计方法
（1） Nishigata-Yamaoka 法
假设土工织物复合地基在极限荷载作用下发生沉降、侧移和隆起，其应力条件如图5-1所示，则土工织物加筋复合地基的极限承载力：
q h p q v v c u u N s B Q P N q B Q N c p m a x 1/s i n )22(/2γδ+++++=
将图7-1所示应力条件简化为图7-2所示应力条件，上述极限承载力公式可简化为：
R T N T cN p q
c u βθ++=sin 2
其中第一项为地基的极限承载力；第二项为地基在荷载下沉降使土工织物产生的拉力效应；第三项为土工聚合物阻止隆起而产生的平衡镇压作用效应。

图7-1 土工织物复合土层应力条件
（2） Binquet-Lee 承载力计算法
Binquet 和Lee 通过模型试验，发现水平复合地基的破坏，不仅与水平加筋体的数量、埋置长度和性能有关，而且同最浅层加筋体到基底埋深有关。

不同加筋体埋深与加筋体数量的复合地基破坏模式如图7-3所示。

当H/B >2/3 时，且加筋层的刚度足够大使剪切区不能穿越，地基将发生图7-3 (a)破坏，地基承载力可按下式计算：
q r
u N D N B p '+'=γγ2/ 当H/B <2/3 时，要求设计荷载下加筋体满足：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛≤sf f sy Y D T T F R T , 式中 T D ——加筋体在受的拉力设计值；
R Y ——加筋体极限抗拉强度；
sy F ——加筋体抗拉安全系数，取1.5；
f T ——加筋体极限抗拔强度；
sf F ——加筋体抗拔安全系数，取1.5。

其中： ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=11
),(00q q q H B z I B B z J N N z T D y R y f t N R ⋅=ω
()
()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=D z x L q q q B B z M N f z T R f 00002)(γω
图7-2 土工织物加筋复合土层计算简图
3． 土工织物加固堤坝的稳定性分析方法
通常加固设计时，先按常规极限平衡方法找出未加筋状态下临界滑动圆弧面和相应的最小安全系数，然后再加入土工织物的加筋因素。

荷兰法：假定土工织物在与滑弧相切处形成一个与滑弧相适应的扭曲，此时土工织物中产生的抗拉力与滑弧相切，土工强物所产生的附加力矩的力臂长为R ，则稳定安全系数为：
()∑∑++=i i i i i i u Q S
Q l c K θϕθsin tan cos
瑞典法：假定土工织物中的拉力总是保持在原来铺设的方向，由于土工织物拉力的存在，就产生了两个附加抗倾覆力矩a S ⋅和u b S ϕtan ⋅，其安全系数为：
()()∑∑+++=
i i u i i i i u R Q b a S R Q l c K θϕϕθs i n t a n t a n c o s
7.1.3 施工要点 着重考虑铺设土工合成材料的特殊要求，保证按设计断面及质量要求施工，注意土工合成材料的有效性与施工方法是否得当，保证土工合成材料的整体性，注意土工聚合物的连接。

常用的连接方法有：
1． 搭接法
搭接长度一般在30~90cm ，在坚固和水平的路基一般为30cm ；在软的和不平的地面则需90cm 。

在搭接处尽量避免受力。

2． 缝接法
可采用尼龙线或涤纶线缝接，方法分为双面缝和折叠缝，一般多用前者。

缝接的强度可达到纤维强度的80%，基本上能满足要求，如果采用折叠缝，应用双道线缝合，可取得更高的强度。

3． 钉接法
用U 型钉连接时，基强度低于缝合法和胶结法。

4． 胶接法
采用合适的胶粘剂将两块土工织物胶结在一起，最少的搭接长度为10cm ，其缝接处的强度与土工织物的原强度相同。

7.2 加筋土
加筋结构是一种在土中加入加筋材料而形成的一种复合土体结构，加筋材料可以提高土体的强度，增加土体的稳定性。

凡在土中加入加筋材料而使整个土工系统的力学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技术，形成的结构称之为加筋土结构。

在我国，加筋结构的应用实际上有悠久的历史，在水工建筑物中，当地基软弱，不能保证堤身稳定时，常在地基上铺设树木枝条以加固地基；在河滩险工地段，常在堤身逐层压入枝条以加固之；在道路工程中也常用加筋结构，如在黄土地区修筑的土桥，实际上是一种在填筑过程中铺入姜石、草绳、筋条等的加筋路堤，这种土桥可历时数来百年而不坍，据实测，土桥的高度有达
61.5ｍ的。

在国外，加筋结构的应用也有类似的记载，然而作为近代建筑技术加以研究和推广，则是近几十年来的事。

上世纪60年代，法国人Henri.Vidal提出了加筋土的概念，1965年按照Henri.Vidal的设计理论在法国Prageres成功修建了第一座加筋土公路挡土墙，于是这一具有许多独特优点的加筋结构立即引起了各国的重视，加筋结构的研究和工程试验普遍而迅速地发展起来。

加筋结构在工程中的应用主要有以下几个方面：
（1）加筋土挡墙
加筋土挡墙一般由基础、面板、拉筋带（或土工格栅）、土体填料、帽石等主要部分组成。

（2）加筋土边坡
加筋土边坡一般由土工格栅（或拉筋带）和土体填料组成，根据工程的需要，坡面可设面板，也可不设面板。

（3）加筋土地基
加筋土地基主要由土工格栅和土工填料组成。

加筋结构技术研究在我国是上世纪70年代中期才开始的，第一批试验工程于1978～1979年在云南宣威田坝和富源后所煤矿区建成了三座试验性加筋结构挡土墙，1980年在该矿区建成了一座长57ｍ、高8.3ｍ的加筋土挡墙，同年在山西晋城－陵川公路上也建成了一座长81.75ｍ，最高达12ｍ的路肩式加筋土挡土墙。

此后，加筋结构在我国得到越来越广泛的研究和应用。

加筋结构具有如下独特的优点：施工简便；造价低；稳定性好；节约占地，造型美观。

这些优点使加筋结构在建筑物基础、堤坝、路基、桥台、护岸等复杂条件下工作的结构中，尤其是公路建设中的应用日益广泛。