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1、道路工程施工技术第八章土工合成材料及其在工程中的应用土工合成材料在道路工程中的应用 第一节 概述1、土工合成材料的种类2、土工合成材料的具体应用3、土工合成材料在工程中的应用举例第二节 土工合成材料在公路工程中的应用要求与施工技术1、路堤加筋施工技术要点2、台背路基填土加筋施工技术要点3、过滤与排水设施施工技术要点4、路基防护施工技术要点概述v土工合成材料：以人工合成的各种聚合物制成的各类产品，是岩土工程中应用的各类材料的总称。区别于天然材料。v作用：将其置于岩土或其他工程结构内部、表各结构层之间，起到加强、保护岩土或其他结构的作用。特点与应用v 质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉、料源丰富
2、等优点，具有多种能满足工程需要的性能，为岩土工程提供了一种崭新的较为理想的材料，并由此带来一种实施简便和经济有效的技术途径。近二三十年来在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的使用。据不完全统计，它们已在数十万项工程中得到成功的应用，取得了良好的经济、社会和环境效益；在一些抗御自然灾害的斗争中，更显出其快捷、有效、简便的特点。被人们誉为20世纪岩土工程中的一项技术革命。v 土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚
3、酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。发展历程v土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。1926年美国南卡罗林拉州公路部门曾采用过在棉布上洒沥青而制成的材料，其形式类似于土工膜。v以近代人工聚合物为原料的土工织物的最早应用实例，是50年代初的荷兰三角洲工程。v在1998年夏秋，在长江和松花江、嫩江特大洪灾的防汛抢险工作中，土工合成材料发挥了重要作用。v在早期曾被称为“土工织物”和“土工膜”。随着工程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如土工格栅、土工网和土工模袋等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品，这样，在其后的一段时期内，把它们称之为“土工织物、土工膜和相关产品。显然
4、，这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为此，1994年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的名称为“土工合成材料”。v 返回土工合成材料的种类v土工网v土工格栅v土工模袋v土工织物v土工复合排水材料v土工垫v土工格室v 返回土工网v用合成材料或合成树脂压制成的带有平面结构呈网状的土工合成材料。通常是高密度聚乙烯加抗紫外线助剂加工而成，抗老化、耐腐蚀。路基中使用时粒状填料与网格互相锁合在一起，形成稳定的平面，防止填料下陷，并可将垂直载荷分散；提高地基的承载能力及稳定性，地理条件恶劣地区可采用多层增强。v返回土工格栅v指聚合物经过定向拉伸形成的具有开孔网格，强度较
5、高的平面网状材料。适用于永久性地基的增强，可有效的分配荷载，提高地基的承载能力及稳定性，防止断裂，延长寿命。v分类 单向拉伸土工格栅单向拉伸土工格栅 双向拉伸土工格栅双向拉伸土工格栅v 返回土工模袋v土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋体代替模板，袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。这种，模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔，可以控制填充时的厚度。浇注在现场用高压泵进行。混凝土或砂浆注入模袋后，多余水量可从织物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使强度增高。v返回土工织物v透水性的平面土工合成材料。v 返回土工复合排水材料v指以无
6、纺土工织物、土工膜或不同形状的合成材料心材复合而成的土工排水材料。v塑料排水带v软式排水管（渗水软管）v 返回土工垫v可有效地防止水土流失，增加绿化面积，改善生态环境。网垫与护坡形成一体，可保持护坡表面免遭风雨的侵蚀。与植物形成的复合保护层可经受水流冲刷。可替代混凝土、沥青、块石等坡面材料，施工方便，施工成本降低且对环境无污染。返回土工格室v强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2、宽100，每隔300进行焊接。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，
7、还可用于护坡等。v返回土工合成材料的具体应用v排水v反滤v分隔v加固v防护v其他v 返回排水v某些有一定厚度的土工合成材料具有良好的透水性，其本身的厚度形成一透水层，工程结构中的地下水或其他水源，可以沿着土工织物的平面迅速排出。v排水固结：饱和软土地基在其表面施加外荷载，土中会产生超过静水压力的孔隙水压力，于是，土体中多余水分逐渐从排水面(地表)排出，这种现象称为排水固结。v塑料排水带垂直排水v烟囱式排水布置 上游来水流到竖向排水体土工织物，将沿织物往下流，通过下游底部排水层导向堤外。v 返回反滤v当土中水流过土工织物时，水可以顺畅穿过，而土粒却被阻留的现象称为反滤(过滤)。当土中水从细粒土流
8、向粗粒土，或水流从土内向外流出的出逸处，需要设置反滤措施，否则土粒将受水流作用而导致水土流失。土工织物可以代替传统砂砾等天然反滤材料。当反滤效果相同时，厚度比砂砾层薄10100倍。反滤机理v 以往的直观概念都认为土工织物起反滤作用等同于过筛作用，后来的研究却证明土工织物所以发挥反滤功能主要是由于它具有促进天然滤层形成的“催化”作用。v 如图。左侧为大孔隙堆石体，右侧为被保护土，二者之间夹有起反滤作用的土工织物。当水流自右向左流时，部分细土粒将被水流挟带进入堆石体。在被保护土一侧的土工织物表面附近，较粗土粒首先被截留，使透水性增大。同时，这部分较粗粒层将阻止其后面的细土粒继续被水流带走，而且越往
9、后细土粒被流失的可能性越小，于是就在土工织物的右侧形成一个从左往右颗粒逐渐变细的“天然反滤层”。该层发挥着保护土体的作用。可见土工织物的存在只是起了促成天然反滤层形成的“催化”作用。对反滤作用土工织物的基本要求(1)被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走，即需要有“保土性”，以便防止管涌破坏。织物的孔径与土的粒径之间就必须符合一定的关系。孔径过大，土粒会穿过孔洞而流失；过小又妨碍透水和容易被堵塞。(2)水流必须能顺畅通过织物平面，即需要有“透水性”，以防止积水产生过高的渗透压力。(3)织物孔径不能被水流挟带的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反滤作用失效。(4)虽然它们并不是作为受力部
10、件来作用，但需要有一定的强度，应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。反滤作用的典型应用v排水暗管或排水暗沟外面的包裹体 v挡土墙、岸墙等背面排水系统中的滤层 v渠道、堤防、海岸等乱石或混凝土板护面下的滤层。返回分隔v是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料，使它们不互相混杂。避免不同性质材料相互渗透和相互作用，保持材料原有性质。例如将碎石和细粒土隔离，软土和填土之间隔离等等。隔离可以为工程带来许多预期的良好效应，举简例说明如下：v(1)通过隔离层，引起应力扩散作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。v(2)隔离提供排水面，加速地基土固结，使承载力提高。v(3)地基中有部分软弱区域
11、，或有小范围洞穴，铺隔离层有架桥作用，以掩盖和减弱洞穴区或软弱区的影响。v(4)在地下水位较高的地基中，隔离层可以切断毛细水上升，防止盐碱化，或减弱冻胀。v(5)道路基床中，隔离是防治翻浆冒泥的有效措施。v(6)隔离层还起一定的保温作用。加固v由于土工织物的高强度、高韧性，能增强土的强度，并均匀分部结构物所承受的应力，有效防止局部破坏，使土体的应力状态得到改善。返回防护v利用土工织物减轻和分散传递到被保护材料上的应力和应变。v表面防护：防止土体表面受到气候、轻荷载等作用的损坏。v界面防护：设于两层材料之间的土工织物，防止一种材料受到另一种材料的集中应力作用或承受大应变带来的损坏。v 返回其他v
12、隔水：防止水进入土体或使结构物的水分不致散失。v保温防冻：减缓土体或构造物内温度变化。v防止裂缝扩大v表181：土工织物在不同工程应用中的作用v 返回土工合成材料在工程中的应用举例v表182：土工织物的工程应用与作用返回路堤加筋施工技术要点加筋作用机理v土体一般具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低。设想有一块自由土体，即其侧面上全无约束，在其顶面上施加压力，则在不大的压力下，土体即将被压坏。如果同样的一块土被放进一个刚性盒中，即其侧面受到完全约束，不可能有横向扩张，则在其顶面上加压，压力虽然达到很大值，土块也不会被压坏。这个现象阐明了一个简单的道理：土体受压时，其破坏与否与土的侧向变形大小有关，
13、允许的侧向变形愈小，它能承受的压力将愈高，所以，要提高土的承受能力，可以从设法减小其侧向扩张着手。v加筋土正是利用了这一原理。在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土与加筋材密切结合成一复合土体(加筋土)，当在复合土体的表面施加荷载，由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(有时尚有咬合力)，限制了土的侧向变形，相当于在土体侧面上施加了约束力。从上面的道理可知，这种复合土体的承压能力理所当然地得到提高。以往人们只是从概念上懂得这个道理，一直到了本世纪的60年代，法国工程师维德尔才从理论上建立了一套加筋土的设计方法，最初采用的加筋材料是金属条带，到70年代后期，金属材料才逐渐被土工合
14、成材料所取代。材料选择v加筋土中的加筋材料通常采用织造土工织物、土工网和土工格栅等。v只有当对强度和变形要求不高时，才采用非织造土工织物。v纯用于增强加筋，选择强度高、变形小、丝筋直径大的土工格栅。v具体要求1、对所选用的土工合成材料具有足够的抗拉强度。土工织物还要求具有较高的刺破强度和握裹强度。2、从以上的加筋原理得知，加筋在于最大限度地限制受压土体的侧向变形，而限制要靠土体中的筋材与周围土的相互作用，为此，要求筋材与土之间应结合好，亦即两者之间应有较高的界面强度(摩擦力与咬合力大)。界面摩擦系数fGS3、路堤填料满足设计规范要求，选择易于压实、能与土工合成材料产生良好摩擦的土料。4、加筋材
15、料的蠕变性应较低。蠕变性指材料受不变的拉力下，长度不断伸长的现象。蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降。因此，在目前的加筋材料中，土工格栅的蠕变性较低，是较为理想的加筋材料。加筋路堤的结构v返回施工v 施工要点1、土工合成材料不宜直接铺在路基表面上，宜在原地表铺设3040cm砂垫层或其他透水性较好的均质材料后再铺设。2、铺设土工合成材料的表面应平整，严禁有碎、块石等坚硬凸出物，在距土工合成材料层8cm的范围内，其最大粒径不得大于60。3、加筋材料的最小铺设长度不得小于2米4、土工合成材料之间的连接应牢固，在受力方向连接处的抗拉强度不得小于设计抗拉强度，连接长度不得小于15cm。5、土工合成材料的铺
16、设不允许有褶皱，应用人工拉紧，必要时可用插钉等措施固定于填土表面。6、土工合成材料摊铺后及时填筑填料，以免受阳光长时间暴晒，其间隔不超过48h。7、填料分层摊铺、分层压实，所选填料及压实度达到规定要求。8、土工合成材料上的第一层填土摊铺宜采用轻型推土机或前置式装载机，一切施工机械只允许沿路堤轴线方向行驶。9、多层土工合成材料的各层土工合成材料之间的间距不宜小于一层填土厚度，不大于60cm。10、铺设时，应将高度方向置于垂直路堤轴线方向。11、地基为软弱土时 土工合成材料尽量置于路堤底部；应采用后卸式卡车沿加筋两侧边缘倾斜填料，以形成运土的交通便道，并将土工合成材料压紧。填料不允许直接卸载土工合成材料上，必须卸在已摊铺完毕的土面上，卸土高度不大于1米，以免局部受压。卸土后立即摊铺，以保持施工面呈U形。第一层宜用推土机或其他轻型压实机具压实，当已填筑压实的厚度大于60cm后，方可采用重型压实机具。注意填筑速率。12、对于非软土地基，其摊铺与填筑可从路堤中线位置开始向两侧。13、路堤加筋的边坡防护和路堤填筑宜同步进行。否则采取临时措施。14、填方的压实是保证加筋发挥作用的关键，只有良好的压实
