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1、土工合成材料 隔离 Seprration,Outline,概述 土工织物的相关特性 隔离材料的破坏分析与设计方法 工程应用 施工注意事项,2,土工合成材料,隔离：概述,概述,4,隔离功能是指将特定土工合成材料铺设于两种不同的岩土工程材料之间，以避免二者相互掺杂。 土工织物是首选的隔离材料。 Separation: The geosynthetic acts to separate two layers of soil that have different particle size distributions. For example, geotextiles are used to pre
2、vent road base materials from penetrating into soft underlying subgrade soils, thus maintaining design thickness and roadway integrity. Separators also help to prevent fine-grained subgrade soils from being pumped into permeable granular road bases.,概 述,土工织物隔离技术可以发挥的主要作用和应用领域包括以下几个方面： 在铁路路基工程中，将土工织物
3、设置于道砟和细颗粒地基土之间；或在未铺砌道路或铺砌道路中，在粗颗粒基层与软土地基之间铺设土工织物。 在公路路基工程中，将土工织物置于碎石垫层与软土地基之间，或者置于排水碎石层与填土路基之间，以避免粗细两种土料的相互混杂。 在地下水位较高的区域，土工合成材料隔离技术是治理道路与铁路基床翻砂冒浆的有效措施。,5,土工合成材料：隔离,土工织物相关特性与测试方法,6,物理特性,单位面积质量（mass per unit area）定义为单位面积的材料在标准大气压下的质量。 单位面积质量是土工合程材料物理性质的主要指标之一，它反映了产品的原材料特性与原材料用量。 厚度（thickness）可定义为土工织物
4、在承受规定压力下正反两面之间的距离。在2kPa压力下测得的土工织物厚度称为标准厚度或常规厚度。 土工织物的厚度随着所施加压力的增大而减小，其大小对力学性能和水力学特性均有很大的影响。 刚度（stiffness或rigidity），或相对应的柔度（flexibility）是土工合成材料，特别是土工织物、土工膜、土工格栅等的一个指示性的物理指标，刚度大，表示材料不易弯曲变形。,7,力学特性,抗拉强度、延伸率与拉伸模量 土工织物的抗拉强度（tensile strength）是指试样承受均匀拉伸直至断裂时单位宽度的最大拉力，亦称拉伸强度。延伸率（elongation）是指试样受拉伸后的长度增量与相应受
5、拉段原始长度的比值。 通过宽条（200mm）拉伸试验，可以得到土工织物完整的拉伸曲线。从而计算分析材料的抗拉强度、延伸率与拉伸模量。,8,9,拉伸曲线,不同的拉伸模量,土工织物的抗拉强度和延伸率受原材料的种类、结构类型和制造工艺的影响，在室内试验测定时，还会受到试样宽度、各向异性和拉伸速率的影响。,力学特性,材料的握持强度（grab tensile strength）可定义为在试样宽度范围内，试样在局部被夹持条件下进行拉伸的过程中出现的最大拉力。可用来反映土工织物分散集中荷载的能力。 梯形撕裂强度（trapezoidal tear strength）是土工织物沿规定切缝物撕裂时，抵抗裂缝延伸至
6、整个试样过程中出现的最大撕裂力。用以模拟实际应用中材料裂缝后继续抵抗外力撕裂的情形。 圆球顶破强度（ball burst strength）是指土工织物试样被刚性圆球在垂直方向上顶破所需要的力。用以模拟土工织物在凹凸不平地基上抵抗上部圆砾压入的能力。,10,土工合成材料：隔离,隔离材料的破坏分析,隔离应用简介,隔离的典型工程应用是将土工织物铺设于下部经过碾压的路基与上部碎石基层或道砟之间，铺设土工织物后，在其上摊铺粒料层，并进行碾压。 作为隔离层的土工织物会承受刺破、顶破、拉伸、撕裂等不同应力极限状态或应力状态的组合。 在隔离设计中，应根据具体实际工程条件，验证分析不同应力状态下土工织物的力学
7、性能。,12,隔离设计：设计指标取值,材料参数指标极限值 通过室内试验测定的土工织物力学性能指标都是在理想条件下进行的，可以认为是该项力学性能指标的最大值(ultimate values)。 容许值 在采用土工织物进行实际工程应用设计时，必须考虑材料在运输、储存、施工期间以及工作条件下各种不利因素对其特性的影响，在设计中应使用材料的容许值（allowable values）。 需要对试验测定的特性指标，参照室内与现场条件的差异进行折减，即引入考虑各种影响因素的折减系数（Reduction Factor）。,13,隔离设计：设计指标取值,对于土工织物的隔离设计与应用，需要考虑施工损伤、材料蠕变和
8、生物与化学降解的影响，对其力学指标进行折减。对土工织物力学指标的总折减系数等于各种不利因素的分项折减系数的乘积RF，容许值为,14,Ta: 某力学性能指标容许值； Tu: 试验测定的性能指标最大值； RFIN: 考虑施工损伤而引入的折减系数； RFCR: 考虑材料蠕变的折减系数； RFCBD: 考虑材料生物与化学降解的折减系数。,土工合成材料力学性能指标的各项折减系数（Koerner,2005）,15,胀破分析,土工织物置于细颗粒土路基与碎石基层之间。假设碎石颗粒均匀，那么颗粒间会存在较大的空隙。路面上的车辆荷载先传递给碎石层，然后穿过土工织物传递给下面的路基，受到压应力的路基土层会将土工织物
9、挤入颗粒间的空隙中。,16,胀破分析,针对可能的胀破情形，Giroud（1984）提出了估算土工织物受力的公式,17,Tr实际工程中土工织物受到的应力，亦即要求土工织物具备的强度； 土工织物受到的挤入应力，可近似取轮胎压力； 碎石层中最大空隙直径，近似取0.33碎石颗粒平均粒径； 为土工织物挤入过程中的应变函数，实际条件下的取值与空隙形状、大小以及粒料对织物的握持情况（是否滑动）有关。,胀破设计计算,土工织物被土挤压进入颗粒土空隙的情形类似于Mullen胀破试验中土工织物的变形至破坏状态。,18,握持张拉分析,在土工织物隔离应用中，当碎石料层一侧受到较大荷载，一些碎石则会挤入下方土颗粒之间的空
10、隙。这时如果假设土工织物被碎石层和细粒土层握持而不发生相对滑动，则土工织物将会在平面内受到张拉应力。这种情况类似于握持试验中试样的受力与变形。,19,握持张拉分析,我们估算一下土工织物的最大应变,20,在假定条件下，土工织物的最大应变与料层的颗粒直径无关，其最大值为33%。但当土工织物受到张拉作用时，碎石与织物之间很可能发生滑动，尤其是延伸率较小的有纺土工织物。当二者之间发生了相对滑动，则土工织物的应变可以在较大范围内调整，实际应变量会比计算的最大应变值（33%）小很多。,握持张拉分析,如果碎石与织物之间不发生滑动，一方面碎石颗粒向下挤入引起土工织物受到张拉，另一方面下方路基土层的反作用力使织
11、物向大颗粒间空隙鼓胀，也造成织物承受张拉应力。在此情况下，作用在土工织物内的张拉力，亦即土工织物应具备的握持力，可下式估算（Giroud，1984）：,21,将上式计算值与握持试验的测试值比较（同样需要考虑折减系数），即可得到握持张拉情形下的安全系数。,刺破分析,针对土工织物在实际隔离工程中可能承受坚硬物体刺破的情形，Koerner（2005）提出计算作用在土工织物平面上的垂向集中荷载的经验公式：,22,Tr为实际工程中土工织物受到的垂直集中荷载，即要求土工织物具备的刺破强度； 碎石颗粒或其他尖硬物体的平均粒径； S1、S2、S3分别为考虑尖硬物体的凸起、尺寸和形状的修正系数。,工程应用,23
12、,在铁路上道砟与下道砟、下道砟与其下部细颗粒土之间 的土工织物隔离层,施工注意事项,合理严格的施工是工程成败的关键 清理场地：应清除基层表面的碎石及其他尖锐物。 基层平整与碾压：无论基层呈水平或一定坡度，表面应平整，无坑洼或隆起。在铁路路基和公路路基工程中，基层应按设计压实度进行碾压。 土工织物铺设：铺设的土工织物应平整无褶皱，宜采用人工方式拉紧，必要时可采用插钉固定于基层表面。 土工织物的拼接：用于隔离层的土工织物，可采用搭接或缝接的方式相连接，搭接宽度不应小30cm。 填料的摊铺与碾压：土工织物铺设后应及时摊铺填料覆盖，间隔时间不应超过48h。填料应分层摊铺并分层密实，压实度按设计要求控制。第一层填料应采用轻型推土机摊铺，采用人工夯实，禁止一切车辆直接在土工织物上行驶。,24,复习思考题,根据图2.1的土工织物条带拉伸试验结果，确定各土工织物试样的抗拉强度、延伸率和初始切线模量。结合各类土工织物的制造工艺、单位面积质量和厚度，试分析说明土工织物的力学特性与这些因素的关系。 请归纳分析在道路工程中土工织物隔离层的破坏模式和设计计算方法。 在土工织物隔离设计中，为什么需要将试验指标换算成容许值？都需要考虑哪些因素？如何换算？,25,qestions?,26,徐 超 c_ Tel:8621-65987079,
