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1、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、加筋、防护和封闭等作用的基本原理。,11 土工合成材料及其应用,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： 土工织物：有纺型、无纺型、编织型、组合型土工纤维； 土工膜：在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜； 土工垫
2、：由粗硬的纤维压制粘结而成，并具有一定的厚度； 土工格栅：分为单向、双向两个大类；,11.1 类型和特点, 土工网：由塑料线粘结和编制而成，具有一定的柔性和张拉性能； 土工塑料排水带：由挤压或压制并具有一定的孔隙可以排水； 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
3、机铺成絮垫，再经机械缠合（针刺）或热粘，或化学粘合而成。,11.1 类型和特点,11.1 类型和特点,有纺织物 无纺织物,隔离、 加筋,11.1 类型和特点,有纺织物,11.1 类型和特点,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
4、向和横向肋条，上面涂有一些保护材料，如PVC，乳胶或沥青。,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,自1982年英国netlon公司的拉伸塑料土工格栅生产以来，加筋土技术得到长足发展。目前国内有上百家生产企业。,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。,11.1 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
5、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。,11.1 类型和特点,11.1 类型和特点,7 土工格室（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50200mm,中间空格尺寸大约80400mm。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（ge
6、ostrips）： 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。,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： 厚度：随种类、功能的不同而变化； 单位面积重量：多按照每平米的质量来予以考虑； 开孔尺寸：即等效直径。,11.1 类型和特点,3 力学特性： 抗拉强度及刚度：注意随受力情况而变化，本身为柔性材料； 渗透性：按照垂直和水平方向予以区分考虑，体现对土体的防渗、或者渗流特
7、性的问题； 剪切摩擦机理：土工合成材料与周围土体之间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； 其它因素：蠕变、撕裂、顶破强度、穿透强度、握持抗拉强度等； 抗老化能力：日晒、温度、环境腐蚀等因素。,11.1 类型和特点,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： 过滤作用：允许孔隙水排出，但限制土颗粒，如塑料排水板代替排水袋装砂井； 排水作用：水分的水平向排出，如地下或坝内排水等； 隔离作用：作为一种柔性的分隔体
8、，如铁路路基中的“两布一膜”施工； 加筋作用：改变土体内应力、应变分布，提高土体强度和稳定性，主要为土工格栅；,11.2 工程应用, 防护作用：保护坡面、坝面在自然及人为因素下的冲刷、侵蚀； 封闭作用：防止水分、气体的逸出；如沟渠的防渗等处理。 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。 长期特性：延伸性大、有明显的蠕变和应力松弛现象，因而其性能易随时间、环境因素而变化； 界面相互作用：土工合成材料与周围土体之间的相互作用机理、力的传递过程等较为复杂，缺乏足够的验证方法。,11.2 工程应用,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： 破坏后
9、果：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； 不利工况：软弱地基、渗流，冲刷等影响； 经济工期因素：对造价以及工期相应的影响； 施工因素：材料供应、施工经验、施工难易度、检验检测标准等（因存在不成熟的因素）；,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。 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； 设计理论：结合土工合成材料特点予以修正，折减系数素须综合考
10、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：,11.3 土工合成材料应用设计, 土堤的堤坡部分沿着筋材表面水平滑动(a)； 基土挤出破坏(b)； 堤和地基整体滑动破坏（c） ； 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 铺垫方式：铺于路基底部与填土之间或在堤身内部铺设
11、； 稳定分析：多假定为圆弧滑动，土工合成材料起到加筋补强作用而承受拉力，产生了抗滑动力矩。 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, 提高地基承载力和稳定性； 降低了堤底的不均匀沉降，从而防止堤顶拉伸裂纹的产生； 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 堤坡滑动：采用修正的圆弧滑动条分法。这个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）。,11.3 土工合成材料应用设计
12、,11.3 土工合成材料应用设计,圆弧滑动分析法, 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； 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； 安全系数Fs要求不小于1.3； 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,11.3 土工合成材料应用设计,参考堤 破坏堤高：4.2 米 39 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
13、高到1.6倍,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： 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）； 下凸增加堤基埋深； 扩散应力，使压缩应力分布均匀； 约束软弱土的侧向变形。,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： 拉力向上分力的张力膜
14、作用； 拉力水平分力的反作用力所起的侧限作用。,11.3 土工合成材料应用设计,地基承载力安全系数， 。 最低一层筋材的深度，m。,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,加筋土（砂）垫层地基承载力设计公式为： pk fR 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 =18.4kN/m3，地基承载力特征值fak=100kPa，粘聚力c=40kPa，内摩擦角
15、 =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 =(znz1)/(3-1) = 0.5m。 试验测得砂垫层中砂的内摩擦 角 s=34。,11.3 土工合成材料应用设计,求加筋提高的承载力 fR = fak = 280 kPa -100 kPa =180kPa 将fR=180kPa和查得的d =1.1，=25)得 f =fRd（d+ zn0.5）- =180 kPa1.118
16、.4(3.37+1.6-0.5) kPa 280 kPa =180 kPa90.47 kPa68.36 kPa = 25.17kPa 从上面计算中可见因埋深修正增加的承载力达90.47kPa，因压力扩散增加的承载力达68.36kPa，而要求筋材提供的承载力增量f仅为25.17kPa。,5 土工合成材料滤层设计 5.1 反滤作用机理： 土工合成材料允许水分及极细小颗粒的通过，周围的粗颗粒阻止后面的颗粒移动，从而两者共同形成了一道由粗到细的滤层，其效果与下述因素有关： 土工材料的特性：孔径、分布、织物厚度等； 土体特性：粒径、级配、孔隙率等； 反虑层周围的应力和应变状态； 土体内动、静水压力问题。 5.2 反滤设计原则 应满足防止管涌和保证自由渗流两方面的要求。存在三种基本的方法：,11.3 土工合成材料应用设计, 按照常规砂石料垫层推导的原则 按照太沙基和皮克推导：应满足防止管涌和保证自由渗流两
