非织造土工布防汛袋在防汛抢险中的稳定性研究

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1、http:/ 非织造土工布防汛袋在防汛抢险中的稳定性研究 非织造土工布防汛袋在防汛抢险中的稳定性研究 周根强 1 河海大学材料科学与工程系，江苏南京（210098） E-mail： 摘 要摘 要：对非织造土工布的现状以及应用和前景进行了简单的介绍，针对在防汛期间的应用，对针刺土工布袋装土后在稳定性、耐久性等各方面进行可行性研究。证明了针刺土工布防汛袋可行性。 关键词关键词：非织造土工布 现状和应用 水压力 稳定系数 耐久性 0 引言0 引言 随着科学技术的不断进步,纺织技术也在不断的发展和深入。 纺织工业的产品结构在变化, 并且由大比例的服用型逐渐向装饰型和产业型转化。近年来,在国家有关领导部

2、门的重视及 高瞻远瞩的发展规划下,我国的纺织工业已经向产业化大步的迈进,尤其是被誉为第五大建筑 材料的新型土工合成材料土工布在水利、 土工建筑等上万个建筑工程中已经被应用。 国内外 大量应用土工布的实例证实并已经被公认:土工布对国家经济建设起着巨大的作用,是一种很 有发展前途的纺织品。土工布按照其加工和生产的方法不同,可以划分为机织土工布、编织 土工布、非织造土工布。其中非织造土工布是一种非织造产品,它不经过纺和织而是利用短 纤维或长丝加工成为纤维网,然后再经过机械、 热粘合或化学粘合固结而制造成的布状材料。 随着纺织技术的发展和各种土木水利工程的实际需要,非织造土工布已与其他类型土工布结 合

3、制成各种复合土工布。且非织造土工材料的产品日益增加,其应用领域不断扩宽。此处我 们就非织造土工布的现状、应用、防汛抢险工程中的应用、前景等进行简单的理论和实验的 研究。 1 1 非织造土工布的现状非织造土工布的现状 非织造土工布主要采用干法成网针刺固结工艺和纺丝成网针刺或热轧工艺生产,近 年随着复合土工布的发展也开始采用射流喷网法。 近 20 年来,土工布在各种土建、水利、交通等工程中应用日渐广泛,其中非织造土工布由 于性能优异、 加工简单、 成本较低等特点,已成为当今世界土工布发展的主要方向,占有 2/3 10 左右的市场份额。 中国土工布的开发和应用起步于 70 年代,80 年代初在铁路上

4、试验了美国杜 邦公司提供的几千平方米非织造土工布,之后全国开始生产和试验土工布,在铁路、水利、港 口、林农及围垦等 40 余项工程中应用都取得了较好效果。到 1986 年全国铁路用土工布达 4 万,水利工程用量达 500 万。进入 90 年代其用量获得更快的发展,至 1991 年总用量突破 1 亿,1993 年用量约 4600 万,到 1994 年累积用量约 5 亿。 1995 年全国遭受百年不遇的 水灾,其用量估计会超过 1 亿,预计到 2000 年需求量会达到 2 亿。也有人预测到 2065 年 世界土工布的用量可能达到覆盖地球表面的一半以上,这种预测看上去是一个天文数字,但它 确实说明土

5、工布的应用前景十分广阔。我国地域宽广，是一个具有巨大发展潜力的国家,各 种工程的修复和巨大而广泛的新的工程建设都面临着大量土工布的应用需求,土工布,尤其非 织造土工布在我国的发展是必然的,大量应用也是势在必行的。102 2 非织造土工布的工程特性和应非织造土工布的工程特性和应用用 土工布的用途多种多样,在土木工程中的功能可以概括为加强、防护、排水、过滤和隔离1http:/ 五种,以及由此引伸出来的防渗、控制侵蚀、容装成形等作用，用作反滤的土工布一般是非 织造土工布，是水利工程中应用最广泛的土工合成材料10。 非织造土工布最基本的功能和优点是具有非常优越的渗滤性能。通常情况下，其有效孔 径O95

6、为 0.08mm左右，并且根据需要在很大范围内可调节，此性能使其与各种粒径的土壤粒 子都能良好的匹配； 从非织造土工布的透水性能看， 其垂直渗透系数一般为 10-110-2cm2/s，表明其在各种情况下均有十分优异的渗透性能。11 非织造土工布的强伸性能不是很大，在要求抗拉强度高、受力较大的场合，不适宜采用 非织造土工布， 而选用非织造土工布如要求抗拉强度较高时选择长丝纺粘布有利， 另外非织 造土工布延伸率较大， 某些情况下延伸率大有利于工程施工， 但很多情况是要求非织造土工 布延伸率不要过大，国际规定针刺非织造土工布延伸率为 25100，长丝纺粘土工布延 伸率为 4080。11 从非织造土工

7、布原料结构分析， 性能差异很大， 丙纶土工布由于其纤维具有疏导水功能， 因而渗透性更好，同时还具有耐酸碱性能好的特点；丙纶产品的耐日光抗老化性差，故其在 存放运输中应注意避光， 在裸露外表与风吹日晒的场合也应避免使用丙纶非织造土工布； 涤 纶非织造土工布抗老化性能较好， 但在水下或深土层情况下涤纶、 丙纶土工布均有良好的抗 老化性能，一般寿命为 50200a。11 3 针刺土工布在防汛抢险中的工程应用研究 3 针刺土工布在防汛抢险中的工程应用研究 堤防安全渡汛采取的主要措施为防护和抢险， 防护即避免堤防发生险情,它与堤防的标准 和筑堤质量密相关,护岸的质量也十分重要，一旦出现险情,要迅速采取有

8、效措施加以消除， 以往常用的抢险材料为土、 砂石料、梢料、草袋和麻袋等。目前,已由编织的防汛袋取代了 以往的草袋和麻袋， 但是考虑到使用寿命以及长远利益， 考虑用针刺土工布制成的布袋用于 防汛，从装土后堆放的稳定性、耐久性进行可行性研究，从土工防汛袋的工程使用性能研究 需要结合实际工程或者模拟实际工程进行研究实验， 用土工防汛袋装土围筑子提， 研究子提 的工程特性。 根据张家港水利局应用防汛袋可行性研究的工程特点，在原有堤岸上建立子堤，从装土 后堆放的稳定性、耐久性进行可行性研，子堤的计算模型和数据如下 3.1 计算模型 3.1 计算模型 截面尺寸如图 1： 1.5m1m3m图 1 截面尺寸

9、2http:/ 3.23.2 堆放方法 堆放方法 根据要求，第一层长边方向垂直河岸，沿宽度方向可以堆放两个，取 1.5 米宽度可以并 行堆放 4 排一共 8 个，第二层平行河岸方向，第三层垂直第一层，具体如图 2、3、4 所示。 1.5m1.5m第一层第二层1.5m2.25m3m1.5m第三层图 2 第一层平面图 图 3 第二层平面图 图 4 第三层平面图 3.33.3 土体自重 土体自重 为计算简便，所有的土体的密度取为 1.6103kg/m3 3,根据张家港水利局的已有实验数据，针刺土工布防汛袋装土后的体积为 0.036m3则第一层的自重为: G1=80.0361.6103=4.608KN

10、 则第二层的自重为: G2=160.0361.6103=6.912KN 则第二层的自重为: G3=160.0361.6103=9.216KN 3.4 3.4 水压力计算 水压力计算 根据水力学计算水压，取水深为 0.5 米进行计算，如图 4 所示 1.5m1m 0.5m3m图 4 水深简图 由于水深只有 0.5 米。所以第一层袋体没有水压力，第二层有一半入水，第三层入水，分层 计算水压力，水压力简图如图 6 示 3http:/ gh 0.5m L图 6 水压计算简图 第一层：0 第二层：第二层约有 20 厘米左右入水，如图 7 所示 0.2mghL图 7 第二层水压计算简图 (Sin=4/5)

11、 第二层水压力P2=1/2gh2L2b25=0.938 KN ，作用点为 0.22/3=0.133m（水面以下） 其水平作用力为P2Sin=0.9384/5=0.75 KN 第三层:第三层全部入水，如图 8 所示 0.3mghL图 8 第三层水压计算简图 水压力P3=1/2g(h2 +h3)L3b3=3.15 KN，作用点为 0.52/3=0.33m（水面以下） 其水平作用力为P3Sin=3.154/5=2.52 KN 整体水压力为：P=1/2ghLb=2.344 KN 其水平作用力为PSin=2.3444/5=1.875 KN 3.5 剪切应力计算 3.5 剪切应力计算 对于第一层袋体，自重

12、之和为：G1=4.608 KN 一层和二层的接触面积为S1=0.550.950.68=2.508 所以一层的法向压力为：G1/ S1=4.608/3.762=1.837kPa 4http:/ 对于第二层袋体，一二两层的自重之和为：G2=4.608+6.912=11.52 KN 二层和三层的接触面积为S2=0.550.950.612=3.762 所以二层的法向压力为：G2/ S2=11.52/3.762=3.062 kPa 对于第三层袋体，一二三层的自重之和为：G3=4.608+6.912+9.216=20.736 KN 三层和提顶的接触面积为S3=0.550.950.616=5.018 所以三

13、层的法向压力为：G3/ S3=20.736/5.018=4.132 kPa 针刺土工布的摩擦特性用摩擦剪切强度 表示， =Pf* 6 f*是摩擦系数，根据已有的数据，摩擦系数一般在 0.30.52,本文所有的摩擦系数取为0.35，P是法向压力。 一二层间的摩擦剪切强度为：1=P1f*1=1.7380.35=0.643 kPa 二三层间的摩擦剪切强度为：2=P2f*2=3.0620.35=1.072 kPa 三层和提顶的摩擦剪切强度为：3=P3f*3=4.1320.35=1.446 kPa 水压力产生的剪应力为：=p/s ，p 为水压力，s 为接触面积 第二层水压力产生的剪应力为2=P2/S2=

14、0.75/3.762=0.2 kPa 第三层水压力产生的剪应力为3=P3/S3=2.52/5.018=0.502 kPa 考虑渗透水压力以及风浪等因素，水压力产生的剪切应力乘以扩大系数 1.5， 2=P2/S2=0.75/3.7621.5=0.3 kPa 3=P3/S3=2.52/5.0181.5=0.75 kPa 3.6 安全系数 3.6 安全系数 3.6.1 分层考虑 3.6.1 分层考虑 设安全系数为 K,建立等式可以求出 K，分层计算， 对第二层：K22=2，K2=2/2=1.072/0.3=3.5 对第三层：K32=3，K3=3/3=1.446/0.75=1.93 安全系数最低要求为

15、 1.3 7，所以在水压力作用下，土袋的层间稳定性满足要求， 3.6.2 整体考虑 3.6.2 整体考虑 整体水压力产生的剪切应力为=P/S=1.875/5.108= 0.374 kPa, 考虑渗透水压力以及风浪 等因素， 水压力产生的剪切应力乘以扩大系数 1.5,则=0.3741.5=0.561kPa,整体摩擦剪 切强度为3=1.446 kPa，设安全系数为K, K=3/=1.446 /0.561=2.6 1.3 所以整体稳定性也满足要求 4 实验支持和研究 4 实验支持和研究 4.1 研究内容 4.1 研究内容 4.1.1 耐久性研究 4.1.1 耐久性研究 土工布防汛袋的老化性能指标直接反映材料本身的使用寿命,同时也相应地反映工程有 效运行年限.土工合成材料通常采用高聚合物制成,而高聚合物的老化主要表现为热氧老化5http:/ 和光氧老化.热氧老化表现为在高温条件下高聚合物产生裂解或双链,而在常温或水下则要 慢得多;光氧老化是在太阳紫外线辐射和氧的参与下,一系列复杂反应所造成力学性能的降 低,从而使合成材料丧失使用价值. 耐久性能指标主要有耐磨、