土工合成材料及其应用 课件

11.1 类型和特点
5 土工膜－土工格栅型复合材料： 由于某些土工膜和土工格栅可用同种原料生产，如高 密度聚乙烯，它们可以粘合在一起形成一个不透水的屏障 ，且其强度和摩擦力都有所提高。 6 土工织物－土工格栅型复合材料： 这些低模量、低强度和高延伸率的土工织物（通常是 无纺织物）可通过用土工格栅做成复合材料而使其弱点得 到克服，共同发挥隔离、反滤和加筋作用。
允许特性 试验特性 Fs = 允许特性 = 要求特性 折减系数
⑵ 设计理论：结合土工合成材料特点予以修正， 设计理论 折减系数素须综合考虑材料的蠕变、施工破坏、化学破 坏和生物破坏等的影响。
11.3 土工合成材料应用设计
3 加固路堤（软基）中的稳定性设计 加筋可提高路堤的填土高度，能有效约束侧向位移 和侧向挤出量，增加地基抗滑稳定性，加快路堤填土速 度，减小地基最终沉降量，对土体应力具有协调作用， 可有效减小地基的不均匀沉降。 3.1 土堤和加筋土地基可能产生的破坏形式有： 土堤和加筋土地基可能产生的破坏形式有
11.2 工程应用
⑸ 防护作用：保护坡面、坝面在自然及人为因素 防护作用 下的冲刷、侵蚀； ⑹ 封闭作用：防止水分、气体的逸出；如沟渠的 封闭作用 防渗等处理。 2 应用中问题：理论研究滞后于工程，且缺乏长期 的实践检验。 ⑴ 长期特性：延伸性大、有明显的蠕变和应力松 长期特性 弛现象，因而其性能易随时间、环境因素而变化； ⑵ 界面相互作用：土工合成材料与周围土体之间 界面相互作用 的相互作用机理、力的传递过程等较为复杂，缺乏足够 的验证方法。
11.3 土工合成材料应用设计
4.2 加筋地基承载力计算 筋材拉力对地基承载力的贡献包括：⑴ 拉力向上 分力的张力膜作用； ⑵ 拉力水平分力的反作用力所起 的侧限作用。
ϕ 2 sin 45° + ） （ cos 45° + ） （ NTa 2 + Δf = [ 2 2 tan （45° + ϕ ） Fs b + 2 z n tan θ
11.1 类型和特点
3 力学特性： ⑴ 抗拉强度及刚度：注意随受力情况而变化，本 抗拉强度及刚度 身为柔性材料； ⑵ 渗透性：按照垂直和水平方向予以区分考虑， 渗透性 体现对土体的防渗、或者渗流特性的问题； ⑶ 剪切摩擦机理：土工合成材料与周围土体之间 剪切摩擦机理 通过剪切摩擦进行力的传递作用，相互之间的摩擦能力 大小与土的颗粒大小、形状、密实度、级配和土工合成 材料的种类、孔径以及厚度等因素有关； ⑷ 其它因素：蠕变、撕裂、顶破强度、穿透强度 其它因素 、握持抗拉强度等； ⑸ 抗老化能力：日晒、温度、环境腐蚀等因素。 抗老化能力
11.3 土工合成材料应用设计
2 基本设计理念： 属于“功能设计”的范畴，即根据土工合成材料应用 的主要功能和设计理论确定土工合成材料要求的性能指 标，根据材料试验结果和不同的折减系数得到土工合成 材料的允许特性指标。 ⑴ 安全系数Fs：土工结构物的用途，重要性等级 （永久、临时），破坏后可能产生的相应后果；
11.1 类型和特点 11.1.2 主要特点
1 主要特性：质地柔软而重量轻、整体连续性好、 抗拉强度高、耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好、反滤性( 土工织物)和防渗性(土工膜)好，施工简便。 2 物理特性： ⑴ 厚度：随种类、功能的不同而变化； 厚度 ⑵ 单位面积重量：多按照每平米的质量来予以考 单位面积重量 虑； ⑶ 开孔尺寸：即等效直径。 开孔尺寸
11.1 类型和特点
单向塑料格栅 双向塑料格栅 经编土工格栅
11.1 类型和特点
4 土工网：土工网是由连续的聚合物肋条以一定角度 的连续网孔平行挤出而成。较大的孔径使其形成了象网一 样的结构，同时能承受一定的法向压力不显著减小孔径。 其设计功能主要应用在排水领域，即需要输导各种液体的 地方。在土中需和外包无纺织物反滤层构成土工复合材料 使用，也起到加筋作用。
11 土工合成材料及其应用
11.0 前言
土工合成材料是具有自身独特的优点，在岩土工程 中得到了广泛的应用，但也存在蠕变、老化等问题。 本章内容：土工合成材料的类型和特点、在岩土工 本章内容 程中的应用、设计和施工重点。 重点阐明：土工合成材料作为反滤、排水、隔离、 重点阐明： 加筋、防护和封闭等作用的基本原理，以及相应的设计 方法。
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11.2 工程应用 号称“岩土工程”领域材料的革命。
1 具体功能： 从50年代开始逐步的投入使用，由 于加工技术和产品种类的发展，其在工程中的应用日益 推广： ⑴ 过滤作用：允许孔隙水排出，但限制土颗粒， 过滤作用 如塑料排水板代替排水袋装砂井； ⑵ 排水作用：水分的水平向排出，如地下或坝内 排水作用 排水等； ⑶ 隔离作用：作为一种柔性的分隔体，如铁路路 隔离作用 基中的“两布一膜”施工； ⑷ 加筋作用：改变土体内应力、应变分布，提高 加筋作用 土体强度和稳定性，主要为土工格栅；
+Δf
加筋土（砂）垫层地基承载力设计公式为： pk－ f ak ≤ΔfR —垫层下软土地基承载力特征值，kPa；
11.3 土工合成材料应用设计
4.3 设计实例
[例] 黄石市某泄洪闸的闸室底宽b为5.0m，基底压力设计值 =280kPa，埋深d=3.37m，地基淤泥质土的容重γ =18.4kN/m3， 地基承载力特征值fak=100kPa，粘聚力c=40kPa，内摩擦角 =16°。 初步设计拟在闸室及前面二节和后面一节箱涵的下方采用外径50 厘米，长14米的微孔桩93根处理地基。施工图设计阶段改为土工 格栅加筋土垫层，试设计？ 解：设计用三层土工格栅构成加筋土地 基。第一层到基底面距离z1=0.6m， 第3层到基底面距离zn=1.6m， 间距△H =(zn－z1)/(3-1) = 0.5m。 试验测得砂垫层中砂的内摩擦 角 ϕ s=34°。
11.1 类型和特点
⑸ 土工网：由塑料线粘结和编制而成，具有一定 土工网 的柔性和张拉性能； ⑹ 土工塑料排水带：由挤压或压制并具有一定的 土工塑料排水带 孔隙可以排水； 2 土工织物（Geotextiles）：土工织物是采用编织 技术生产的透水性土工合成材料，成布状，故俗称土工 布。主要特点是重量轻、整体连续性好、施工简便、抗 拉强度高、耐腐蚀。 土工织物又分为有纺土工织物（woven geotextiles）和 无纺土工织物（nonwoven geotextiles），前者由单丝或多 股丝织成，或由薄膜切成的扁丝编织而成；后者由短纤 维或喷丝长纤维随机铺成絮垫，再经机械缠合（针刺） 或热粘，或化学粘合而成。
11.3 土工合成材料应用设计
（ ∑ cl =
（ ∑ cl
i i
Fs
+ W i cos α i tan ϕ i） T +
∑W
∑W
i
i
sin α i
Fs =
i i
+ W i cos α i tan ϕ i） R + ∑ Ti Yi sin α i R
圆弧滑动分析法
11.3 土工合成材料应用设计
⑵ 验算滑弧穿越土工材料之外，尚应验算在材料 外边有无路堤整体滑动的可能； ⑶ 处于滑弧以外（稳定土体侧）的筋材应具有足 够的锚固长度，即校核筋材在允许抗拉强度的拉力作 用下抗拔出的稳定性； ⑷ 安全系数Fs要求不小于1.3； ⑸ 由荷兰和国内的试验及工程实践：土工加筋只 有在具有一定的刚度、即在小应变下即可承受较大拉 力时才可以提高路堤的安全系数。
11.3 土工合成材料应用设计
① 提高地基承载力和稳定性； ② 降低了堤底的不均匀沉降，从而防止堤顶拉伸 裂纹的产生； ③ 对地基的侧向约束作用，减少了侧向变形和垂 直变形。 3.3 稳定性分析 ⑴ 堤坡滑动：采用修正的圆弧滑动条分法。这个 堤坡滑动 方法的要点是先试算出没有加筋材料时最危险圆弧的位 置，并假定加筋后滑弧的位置不变。筋材拉力的方向和 筋材的拉伸模量有关，对柔性筋材可假设拉力的方向与 滑弧相切（公式1），对刚性性筋材假设拉力的方向沿 水平方向（公式2）。
11.1 类型和特点 11.1.1 基本类型
1 土工合成材料概况（Geosynthetics)： 是指应用 于岩土工程和土木工程中各类合成材料的总称，主要材 料为聚丙烯、聚乙烯、聚酯等，可进行如下分类： ⑴ 土工织物：有纺型、无纺型、编织型、组合型 土工织物 土工纤维； ⑵ 土工膜：在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂 土工膜 防水材料而制成的各种不透水膜； ⑶ 土工垫：由粗硬的纤维压制粘结而成，并具有 土工垫 一定的厚度； ⑷ 土工格栅：分为单向、双向两个大类； 土工格栅
11.1 类型和特点
7 土工格式（geocell）和土工网格（geoweb）： 呈菱形或蜂窝网格状结构的土工合成材料，铺设厚度 为50~200mm,中间空格尺寸大约80~400mm。格中填土、砂、 碎石或混凝土，起侵蚀控制作用，亦可用于加筋地基、加 筋土挡土墙。
11.1 类型和特点
8 土工条带（geostrips）： 该产品用高强度的合成材料或玻璃纤维作抗拉筋材， 外面裹以塑料套，一般在套的表面具有防滑花纹，增大与 土的摩擦力。土工条带多用于加筋土挡墙。
Du 2
ϕ
Fs ——地基承载力安全系数， —最低一层筋材的深度，m。 Zn
Fs
。
考虑因埋深修正而提高的承载力和垫层压力扩散提 高的承载力，则加筋地基增加的地基承载力设计值：
11.3 土工合成材料应用设计
ΔfR = ηdγ（d+ zn－0.5）+ pk 2z n tanθ
kPa。
b + 2z n tanθ ηd —基础埋深的地基承载力修正系数； p——基础底面处的平均压力值， k
11.3 土工合成材料应用设计
⑴ 土堤的堤坡部分沿着筋材表面水平滑动(a)； ⑵ 基土挤出破坏(b)； ⑶ 堤和地基整体滑动破坏（c） ； ⑷ 地基产生过大的沉降 (d)； 针对上述具体情况相应计算分析： 3.2 基本原则 ⑴ 铺垫方式：铺于路基底部与填土之间或在堤身 铺垫方式 内部铺设； ⑵ 稳定分析：多假定为圆弧滑动，土工合成材料 稳定分析 起到加筋补强作用而承受拉力，产生了抗滑动力矩。 ⑶ 作用机理：抗滑力矩和对堤内受力的改变。
11.3 土工合成材料应用设计
参考堤 破坏堤高：4.2 米
3×9 kN/m+1 × 19kN/m 加筋 破坏堤高：4.6米 提高到1.1倍
1 × 200kN/m
加筋
破坏堤高：6.7 米 提高到1.6倍
11.3 土工合成材料应用设计
4 加筋地基设计 基础下方的土在沉降的同时向两侧扩张，地基土破 坏时，基础两侧的地表隆起，因此在基础下方存在着一 个拉伸变形区域，如果将土工合成材料布置在这个区域 ，将产生拉力，提高地基的承载力；同时模型试验揭示 地基极限承载力随筋材长度和深度增加至一定值后，极 限承载力增加缓慢。 4.1 加筋提高地基承载力原因： 加筋提高地基承载力原因 ⑴ 隔离堤身和软基，堤底下凸、堤顶受挤压防裂 ，增加滑弧长度（且处于堤身滑弧的抗剪强度大）； ⑵ 下凸增加堤基埋深； ⑶ 扩散应力，使压缩应力分布均匀； ⑷ 约束软弱土的侧向变形。
11.3 土工合成材料应用设计
1 考虑因素： 应从确保工程质量、安全、经济、 长期使用性能等因素进行综合考虑： ⑴ 破坏后果：土工结构物的用途，重要性等级（ 破坏后果 永久、临时），破坏后可能产生的相应后果； ⑵ 不利工况：软弱地基、渗流，冲刷等影响； 不利工况 ⑶ 经济工期因素：对造价以及工期相应的影响； 经济工期因素 ⑷ 施工因素：材料供应、施工经验、施工难易度 施工因素 、检验检测标准等（因存在不成熟的因素）；
11.1 类型和特点
隔 离、 加 筋
图1 有纺织物
图2 无纺织物
11.1 类型和特点
3 土工格栅（geogrids）：土工格栅是一种以高密度聚 乙烯或聚丙烯塑料（包括玻璃纤维）为原料加工形成的开 口的、类似格栅状的产品，具有较大的网孔。塑料土工格 栅可以在一个方向或两个方向上进行拉伸取向以提高力学 性能。 另一种更灵活的、织物状的土工格栅采用的是聚酯纤 维，这导致了在编织机上制造聚脂格栅的发展，产品称为 经编（knitted）格栅。在这种工艺中，众多的纤维在一起 形成了纵向和横向肋条，上面涂有一些保护材料，如PVC， 乳胶或沥青。