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1、土工合成材料,排水作用 drainage,1,主要内容,排水作用的基本概念 土工合成材料的排水特性及其测试方法 排水设计的基本准则 排水作用的工程应用,2,3,排水作用（drainage）:土工合成材料的排水功能是指材料收集和输送流体（collect and transport fluids）的作用。具体到土体或土工构筑物，“排水”则指土工排水材料（geodrains）从土体内收集地下水渗流，并排出土体或土工构筑物外部的机制和过程。 Drain means to draw off (liquid) gradually.,排水作用的基本概念,排水作用的基本概念,在工程实践中，我们经常遇到由于地下
2、水的渗流引起土体的渗透变形，甚至出现工程事故的情形。 在土木、水利等领域进行工程建设和边坡灾害治理过程中，通过设置排水材料或排水系统，一方面，收集土体内的渗流，并通过排水材料顺利排出土体外，另一方面，在排水的过程中应能阻止土粒的流失，防止土体的渗透变形。,4,当土工织物与土体接触并发生渗流时，反滤与排水作用是不可分割的。反滤作用使土体中的水进入土工织物，土工织物需要将水及时地排出去，这就要求材料具有一定的导水能力。这一点有时与反滤的保土要求是矛盾的。,土工排水材料,5,6,GEONETS,7,Geonets can convey liquid and gas within their chan
3、nels.,土工排水材料,8,GEOMAT,CUSPATED SHEET,9,mini-drain,filter,Non woven layer,Distance entre mini- drains d= 0.25 , 0.50, 1 , 2 m,Specific drainage geocomposite,排水作用的应用,10,土石坝体的竖式排水（chimney drains）和水平排水廊道（drainage gallery。 堤坝上游坡面防护层或防渗层下的排水。 土体内部排水以消散超孔隙水压力。 软土地基堆载或真空预压处理中，用塑料排水带代替砂井作为竖向排水通道。 挡土墙墙背排水或挡墙基
4、底排水。 构筑物基础周边排水和地下构筑物或隧道周围排水。 作为寒冷地区防冻胀或干旱半干旱地区防止盐泽化措施，在道路或建筑物基础下设置毛细水阻断排水层。 还有运动场或跑道下基层排水，以及裸露岩土体表层排水等。,排水作用的应用,采用土工织物作为排水和反滤材料也是有条件的，并非任何一种土工织物都能用来作为排水和反滤材料。在国内外，由于不了解其中的技术要求或者使用不当而造成失效，甚至失败的事故时有发生。,11,土工排水材料的相关特性与测试,与土工合成材料排水作用相关的特性包括其透水性和导水性。渗透性是指土工织物允许渗流垂直织物平面透过的能力，导水性则指水流在平行于土工织物平面在其内部传输的能力。两者的
5、渗透规律均假定服从Darcy定律，与土体渗透性表达方式一样，可以用渗透系数来表示。 透水性测试 导水性测试 对于软土地基处理中常用的土工复合排水带，习惯上采用通水量来表示其导水能力，可定义为排水带的芯带与滤膜复合体在侧压力作用下沿排水带截面的纵向通水能力。 通水量测试,12,透水性测试,土工织物的透水能力可用渗透系数表示，定义为在单位水力梯度下垂直于土工织物平面的水的流速：,13,由于厚度在实际工程中随环境条件，特别是随压力的变化而变化，给实际工程设计计算带来不便。 为避免材料厚度对试验成果的影响，在土工合成材料的排水和反滤设计中，常用透水率表示其透水性。透水率可定义为垂直于土工织物平面的水流
6、在水位差等于 1 时的流速 ：,透水性测试,1.供水瓶 2.供水管阀 3.常水头装置 4.溢流管 5.测压管 6.排气管 7.加压多孔板 8.玻璃珠或瓷珠 9.加压杆 10.渗透仪 11.土工织物 12.承压多孔板 13.调节管 14.量筒,14,Permittivity Test,导水率测试,当土工织物起排水作用时，水在材料内部渗透，常采用沿材料平面的渗透系数或导水率来表征土工排水材料在其内部输排水流的性能。,15,水平渗透系数,导水率,导水率测试,1.供水阀门 2.上游容器 3.溢流管 4.测压管口 5.橡胶圈 6.织物试样 7.加压装置 8.乳胶套 9.测压管口 10.量筒 11.调节管
7、 12.下游容器,16,Transmissivity Test,通水量测试,塑料排水带，又称为预制竖向排水带（prefabricated vertical drain），是土工复合材料的一种，由无纺土工织物滤膜和带有各种通水孔道的芯板复合而成。塑料排水带主要用于软土地基的堆载预压法中的竖向排水体，纵向通水量是其主要性能指标之一。,17,通水量测试,测定仪满足：1）能够在试样样长范围内施加均匀压力，并保持恒定；2）可使试样在常水头下进行渗流；3）能够在试样两端良好密封，使联结处在压力作用下不漏水。,18,19,土工织物的透水率、导水率和排水板通水量都受荷载水平的影响,20,Normal comp
8、ressive stress (kPa),Variation of transmissivity with normal stress,21,FCR = creep (1.0 to 2.5) FIN = intrusion (1.0 to 2.5) FCC = chemical clogging (1.0 to 2.0) FBC = biological clogging (1.0 to 10),(For Drainage Composites, Koerner 1998),材料性能指标的容许值：以导水率为例,设计准则（design criteria）,22,注：土工合成材料的工程应用设计属于
9、功能设计，即根据材料在实际应用中所起的主要功能，来考察其对应指标是否满足实际需要。,土工合成材料排水的工程应用 Application of geosynthetics as drains,Highway Retaining wall Vertical Drains in soft soil foundation Landfill,23,24,Drainage beneath an embankment,25,Highway edge drain,26,Geocomposite Drain,Filter,Retaining structure,27,Drainage behind a reta
10、ining structure,28,Filter Application - Wall Drains,29,Vertical Consolidation Drains (wick drains),30,Typical core structures for wick drains,31,32,Fluid transferts in a landfill many applications for geosynthetics,Top cover,Leachate,33,Confinement of waste , using mineral / geosynthetic barriers,34
11、,Leachate drainage,35,GEONET LEAKAGE DETECTION LAYER,GEONET,36,Courtesy of G.N. RICHARDSON,37,Mercer Lecture06 J.P. Giroud,Application to the drainage of slopes,38,FS = 1 INSTABILITY,Mercer Lecture06 JP Giroud,土工合成材料排水的设计方法,填土下的排水 土石坝排水 挡墙背后排水 其他排水 道路排水盲沟 阻断毛细水迁移 垃圾填埋场排水,39,填土下的水平排水,软土地基可采用填土堆载预压加固，
12、或者软土地基上修筑道路路堤时，通常都采用一定厚度的碎石垫层进行水平排水。现在也可以选用较厚的无纺土工织物作为水平排水材料，以排除软土地基渗出的水量，加速软基的固结过程。在这种情况下，土工织物兼具反滤的作用。,40,填土下的水平排水,对于饱和软粘土地基土，由上覆堆载引起的超孔隙水压力随着时间而消散，铺设于堆载与地基之间的土工织物应满足导排孔压消散过程中渗出水流的要求。根据Giroud（1981）的建议，软土地基固结排水情况下要求的土工织物垫层的导水率可按下式计算：,41,Ks：地基土的渗透系数（m/s） Cv：地基土的垂直固结系数（m2/s）,填土下的水平排水,例题1：在软土地基上修建路堤，路堤
13、填筑宽度为30m，拟采用土工织物作为堤底排水材料。根据室内实验结果，软土地基的渗透系数为2.510-7 cm/s，垂直方向的固结系数等于34.5610-4 m2/d。按堆载完毕后10d计算，试问采用室内测定导水率等于1.2510-5 m2/s的土工织物（总折减系数为5.0）是否满足排水要求？ 解答： 堆载10d时软土地基排出的水量对土工织物导水率的要求为： 根据室内测试结果，拟采用土工织物的容许导水率为： 拟采用的土工织物不能满足路堤底部软土地基排水要求，应选择更厚一些、导水能力更高的土工织物或土工复合材料。,42,=1.2110-5 m2/s,=0.2510-5 m2/s,土石坝排水,土石坝
14、或土坝体内排水体系包括竖式排水和下游坝底水平排水两部分。竖式排水一般用于土石坝粘土心墙的下游一侧，水平排水位于下游坝体底部，且与竖式排水体相连接，保持排水体内部水力连续性。采用土工织物排水，或采用其他土工排水材料时与土工织物滤层相结合，可以防止大坝渗透变形，提高坝体的稳定性。,43,土石坝排水,在竖式排水设计计算时，采用流网法确定通过粘土心墙的最大单宽流量。最大单宽流量可按下式计算,44,F：流网的流槽个数； N：流网中等水头线格数。,土石坝排水,由于坝体内黏土心墙的下游面是倾斜的，与水平面呈夹角 ，则竖式排水体内的水力梯度为,45,根据达西（Darcy）定律， 则,求得导水率分别为大坝土工织
15、物或其他材料构成的竖式排水体需要提供的单宽流量 和导水率 ，通过与排水材料的排水能力容许值进行对比，即可获得竖式排水的安全系数。,土石坝排水,例题2：某蓄水库的土坝高10m，坝的断面如图所示。采用土工织物作为竖式排水和水平排水廊道。土工织物为无纺织物，单位面积质量为200g/m2，实验室测得的导水率为1510-4 m2/min，折减系数取3.0，黏土心墙的渗透系数为。计算土工织物用作竖式排水体的排水安全系数。 解答：首先采用流网法，计算渗过黏土心墙的最大单宽渗流量，,46,（m3/s）,土石坝排水,然后计算所需要土工织物导水率。由于心墙下游坡面与水平面夹角为75， 则水力坡度为 最后，核算所选
16、土工织物导水能力的安全系数 安全系数等于3.2，应该是可以接受的。通常，安全系数的大小是根据工程项目的重要性和失效后果的严重性来确定，并会在相关国家或行业规范提出明确要求。,47,挡土墙背后排水,在挡土墙的建造中，常在挡土墙与背后填土之间设置一层排水反滤层，其作用与土石坝竖式排水层类似，一方面通过反滤层阻止填土流失，防止墙后填土的渗透变形；另一方面排水体能够顺畅地将渗流水排出挡土墙外，减小墙内孔隙水压力以及地下水对土体强度的不利影响，防止挡土墙破坏。,48,挡土墙背后排水,例题3：有一个8.0m高的混凝土悬臂挡土墙，如图所示，墙后回填土为粉质粘土，其容重为18 kN/m3，渗透系数为4.510-6m/s，有效内摩擦角为22，墙后地下水位与填土面持平。拟用土工织物、土工网和土工复合排水材料作为待选的墙后排水材料，各种材料的排水能力见下表，计算并比较它们的排水安全系数。,49,挡土墙背后排水,解答如下： 根据实际条件计算要求排出的最大单宽流量，仍
