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岩土研究院

加筋土技术及土工合成材料的类型及特性

330 2022-05-20 15:06:56

在一定级配及压实条件下,土体具有较大的剪切强度,但其抗拉强度很低,无粘性土甚至不能承受拉力。与钢筋混凝土的概念相类似,人们在填土中加入金属或土工合成材料等筋材,并依靠筋材和土之间的摩擦力来加强土体,这就引人了加筋土的概念。简言之,加筋土就是在土中加入抗拉材料,以改善土的工程性质。


事实上,加筋土的概念并不新鲜。动物利用树枝、稻草、芦苇和泥建成柄息的巢穴,就本能地演示了加筋土的基本原理。此外,人们在土坯中加入草筋提高强度,将柴排铺在泥沼地带修筑道路等,均是自发地利用带筋或纤维加筋加固的典型例子。例如∶在陕西半坡村发现的仰部遗址中,有许多简单房屋,其墙壁和屋顶是利用草泥修筑而成的。据估计,这些建筑距今已有五、六千年的历史。在玉门一带,还保留有用砂、砾石和红柳或芦苇压叠而成的汉长城遗址。国外也有类似的利用天然植物作加筋材料的记载。约在1822年,Colonel Plasley采用帆布代替天然植物,将加筋土技术引进英国军队。


1963年,法国工程师亨利·维多尔(Henry Vidal)根据三轴试验结果提出了加筋土的概念及加筋土的设计理论,成为加筋土发展历史上的一个重要里程碑,标志着现代加筋土技术的兴起。自1965年法国在普拉格尔斯(Prageres)成功地修建了一座公路加筋土挡土墙以来,加筋土的研究和应用迅猛发展,加筋材料也从天然植物、帆布、金属发展到预制钢筋混凝土和土工合成材料,工程应用从经验性到具有较为系统的理论指导,加筋土的发展经历了几千年的漫长历程。加筋土技术被誉为“继钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土之后又一造福人类的重要复合材料”,是加固土体的三大法宝之一。


在我国,自1979年由云南煤矿设计院在田坝修建第一座加筋土挡土墙以来,加筋土技术方兴未艾。现在除西藏和青海省以外,其他各省市修建的加筋土工程已逾千项,砌墙面积超过70万m²。在大量工程实践的基础上,随着经验的积累,创造了符合我国国情的加筋土技术,在某些方面还达到了国际先进水平。如位于陕西洛川 201国道上的加筋土挡墙,其主体墙全部设在曲线上,墙高50.13m,其高度位居世界第二。


土工合成材料

概 述

土工合成材料(geosynthetics)是岩土工程中应用的合成材料的总称,其原料主要是人工合成的高分子聚合物,如塑料、化纤、合成橡胶,等等。土工合成材料可置于岩土或其他工程结构内部、表面或各结构层之间,具有加强、保护岩土或其他结构的功能,是一种新型工程材料。


大约 20世纪50年代,土工合成材料开始应用于岩土工程中。随着新产品的不断开发和新技术的发展,土工合成材料日益显示出其优越性,并且逐步成为当今的主要加筋杖料。正象有人指出的那样,"应用土工合成材料对于岩土工程将是一场革命"。早在1958年,美围首先使用聚氯乙烯单丝编织物代替传统的级配砂砾料用于护岸工程;1970年法国开创了土石坝工程中使用土工合成材料的先例。最近二三十年土工合成材料发展迅速.尤以北美、西欧和日本发展最快。土工合成材料被誉为继砖石、木材、钢铁、水泥之后的第五大工程建筑材料,广泛应用于铁路、公路、水利、港口、城建、国防等领域。随着应用范围的不断扩大,土工合成材料的生产和应用技术也在迅速地提高,使其逐渐成为一门新的边缘性科学。有关学术活动也在不断地扩大和深人。自1977年以来,先后召开了六届国际土工合成材料学术会议;国际土力学与基础工程学会也于1983年成立了土工织物协会,后更名为国际土工合成材料协会,成为土工学术界重视土工聚合物的重要标志。


在我国,土工合成材料的应用与研究起步较晚,但发腰较快。20世纪70年代末,铁道部门开始研究并在现场试验中应用土工织物防治铁路路基基床翻浆冒泥和包石盲沟加强排水;水利和交通部门也开始研究土工织物在反滤、防渗和排水等方面的应用。1984 年成立了全国性的"土工织物科教情报协作网",后更名为"中国土工合成材料协会",自1986年以来,先后农开了多届士工合成材料学术会议。推动了土工合成材料在我国的应用与发震。1998 年土工合成材料在抗洪抢险中发挥的巨大作用引起了国家领导人的关注,为了进一步推广应用,有关专家综合国内外的研究成果和工程实践经验。在短短的几个月内制订了《土工合成材料应用技术规范》(GB 50292-98),水利、交通、铁道部门也制订了相应的行业标准。


土工合成材料的类型及特性

1.土工合成材料的类型

1977年。J.P.Giroud 和J. Pefeti 建议将土工合成材料分成两大类∶土工织物和土工膜.分别代表透水和不透水的土工合成材料。由于新产品的不断通现,超出了旧产品的分类体系,因此,1983年,J.P.Giroud 和P.G.Caroll提出把土工合成材料分为土工织物和土工织物相关产品两大类。这一分类没有纳入主工膜,而用土工织物相关产品这一名称也不确切。在中国,许多专家依据产品功能和制造工艺的不同,建议把土工合成材料划分为四大类;土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料。


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(1)土工织物(geotextile)

透水性的平面土工合成材料,按制造方法分为非织造(无纺 non-woven)土工织物和织造(有纺 woven)土工织物。


①织造土工织物分机织型与针织型。机织型又称有纺型,是由相互正交的纤维织成,与通常的棉毛织品相似,其特点是孔径均匀,沿经纬线方向强度大.而斜交方向强度低,拉断的延伸率较低。针织型又称编织型,是由单股或多股线带按照一定的方式编织而成,与通常编织的毛衣相似。


②非织造土工织物义称无纺型。这种土工合成材料中纤维(连续长丝)的排列是无规则的。与通常的毛毯相似,亦称作"无纺布"。制造时,首先将无规则排列的纤维铺成薄层状,然后采用化学处理法、热处理法或针刺机械处理法使之成形,是当前世界上应用最广的一种土工纤维。


(2)土工膜(geomembrane)

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。


(3)土工特种材料

①土工格栅((geogrid)

由聚合物材料(多为聚乙烯或聚丙烯)通过定向拉伸(单向或双向拉伸)形成,是具有开孔网格、较高强度的平面网状材料,其孔格可为圆形、椭圆形、方形或长方形格栅,孔格尺寸为1 ~10cm。


②土工网(geonet)

合成材料条带或合成树脂压制成的平面结构网状土工合成材料。


③土工垫(geomat

以热塑性树脂为原料,经挤出、拉伸等工序形成的相互缠绕、并在接点上相互熔合、底部为高模量基础层的三维网垫。


④土工模袋(fabriform)

双层聚合化纤织物制成的连续(或单独的)袋状材料。可以代替模板用高压泵把混凝土或砂浆灌入模袋之中,最后形成板状或其他形状结构。


⑤玻纤网(glas8geogrid)

以玻璃纤维制成的平面网格状材料。


⑥聚苯乙烯(EPS)板块

由聚苯乙烯制成的轻质材料,可用作轻质填料。


(4)土工复合材料

由上述两类以上组合而成的材料统称土工复合材料。


土工复合排水材料(geocomposite drain)是以无纺土工织物和土工网、土工膜或不同形状的合成材料芯材复合而成的土工排水材料。


2.土工合成材料的特性

土工合成材料的优点是;质地柔软而重量轻、整体连接性好、施工方便、抗拉强度高、耐腐烛性和抗微生物侵蚀性好、无纺型的当量直径小且反滤性好。其缺点是∶同其原材料一样,未经特殊处理则抗紫外线能力低,但如在其上覆盖粘性土或砂石等物,其强度降低不大。另外,合成材料中以聚脂纤维和聚丙烯腈纤维耐紫外线辐射能力和耐自然老化性能为最好,所以目前世界各国的土工合成材料使用这两种原材料居多。表征土工合成材料产品性能的指标包括∶


①产品形态

材质及制造方法、宽度、每卷的直径及重量。


②物理性质

单位面积质量、厚度、开孔尺寸及均匀性等。


③力学性质

抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、顶破强度、蠕变性与土体间摩擦系数等。


④水理性质

垂直向和水平向透水性。


⑤抗老化和耐腐蚀性

对紫外线和温度的敏感性,抗化学和生物腐蚀性等。


以上有关产品性能的指标,必通过产品检测,并提供作为材料性能规格说明的密料。目前土工合成材料的试验方法和标准尚不统一。土与土工合成材料相互作用的性质实验则多数处于研究探索之中。土工合成材料产品因制造方法和用途不一,宽度和重量的规格变化甚大。土工合成材料的宽度为1~18m;重量≥1N/m²;开孔尺寸(等效孔径)无纺型土工纤维为0.05 ~0.5 mm.编织型土工纤维为0.1~1.0mm.土工垫为5~10mm;土工网及土工格栅为5~100 mm;导水性不论垂直向或水平向,其渗透系数k≥10-2cm/。(相当于中、细砂的渗透系数);抗拉强度;无纺型土工纤维 10~30 kN/m(高强度的30~100 kN/m),编织型土工纤维 20~50 kN/m(高强度的50~100kN/m),土工格栅30~200kN/m,(高强度的200~400 kN/m)。不同类型的土工合成材料的拉应力和拉应变关系变化差别很大。


3.土工合成材料的常用术语

(1)抗拉强度(tensile strength)

单位宽度的土工合成材料试样在外力作用下拉伸时所能承受的最大拉力。


(2)延伸率(extenaity)对应于某一拉力时的应变量。


(3)握持强度(grad tenaile strength)土工合成材料试样在握持拉伸过程中所能承受的最大拉力。


(4)握持延伸率(grad extensity)对应于握持强度时的应变量。


(5)撕裂强度(tearing strength)土工合成材料试样在撕裂过程中抵抗扩大破损裂口的最大拉力。


(6)圆球顶破强度(ball burst strength)以规定直径圆球顶杆匀速垂直顶压于土工合成材料平面时,土工合成材料所能承受的最大T顶压力。


(7)CBR 顶破强度(CBR burst strength)以CBR 仪的圆柱形顶杆匀速垂直顶压于土工合成材料平面时,土工合成材料所能承受的最大顶压力。


(8)刺破强度(puncturing strength)一刚性顶杆以规定速率垂直顶向土工合成材料平面将试样刺破时的最大力。


(9)穿透孔径(amount of cone penetration)规定尺寸的落锥在土工合成材料上方 500 mm 高度处自由落下时,穿透土工合成材料的孔洞直径。


(10)平均线收缩系数(average coeffient of contraction)规定尺寸的土工合成材料试样在规定温度区内,以规定速率降温时,每降低1℃的收缩恋形与试样原长度的比值。


(11)似摩擦系数(apparent cofficient of friction)在土工合成材料与土的接触界面上有法向力作用时,界面上的摩擦剪切强度与法向力的比值即为似摩擦系数。


(12)等效孔径 O(equivalent opening size)等效孔径是用来表示土工合成材料孔隙大小的指标。采用不同的筛余率标准,可得到不同的等效孔径值。等效孔径 Og表示土工合成材料中有95%的孔径低于该值。


(13)当量孔径 D, (equivalent diameter)当景孔径用来表示土工网材孔径的大小.当量孔径是指将某种形状的土工网材孔径换算. 为等面积圆的直径。


(14)垂直渗透系数【permeability(transverse)】与土工织物平面垂直方向的渗流的水力梯度等于1时的渗透流速。


(15)水平渗透系数【permeability(longitudinal or in plane)】在土工织物内部沿平面方向的渗流的水力梯度等于1 时的渗透流速。


(16)透水率(permitivity)水位差等于1时垂直于土工织物平面方向的渗透流速。


(17)导水率(transmissivity水力梯度等于1时沿土工织物平面单位宽度内输导的水流量。


(18)梯度比(gradient ratio)土工织物试样及其上方25mm 土样的水力梯度i与织物上方从 25mm 至75mm 之间土样的水力梯度i的比值。