第9章-土工合成材料--清华版土木工程材料

清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（第九章土工合成材料）主讲人：×××安徽工业大学本科生课程清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS教学目标※掌握：土工合成材料在工程中的应用。※熟悉：介绍了土工合成材料的种类和技术性能。※了解：土工合成材料的在国内外发展历程，教学重点※土工合成材料的种类和主要技术性能。※土工合成材料在工程中的应用。本章主要教学内容与要求清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS第九章土工合成材料土工合成材料概述合成材料种类土工合成材料的性能土工合成材料的工程应用清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS第九章土工合成材料9.1土工合成材料概述土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成或天然聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的工程材料，置于土体内部、表面或各层土体之间，以发挥加强或保护士体的作用。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料等类型，目前已广泛应用于水利、水电、公路、铁路、建筑、海港、采矿、军工等各个工程领域。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS土工合成材料土工膜土工织物土工复合材料土工特种材料织造非织造机织针织针刺热粘结化学粘结聚乙烯（PE）土工膜聚氯乙烯（PVC）土工膜氯化聚乙烯（CPE）土工膜复合土工膜复合土工织物复合排水材料：排水带、排水管、排水防水材料土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土工模袋、土工网垫、土工织物膨润土垫（GCL）、聚苯乙烯板块（EPS）等9.2合成材料的种类清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS1．土工织物定义：土工织物是用于岩土工程和土木工程的机织、针织或非织造的可渗透的聚合物材料。分类：纺织、无纺特点：纺织的土工织物强度和刚度较高，排水性差；无纺的过滤、排水性能较好，断裂延伸率较高，但强度相对较低。图1纺织土工织物图2无纺土工织物清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2．土工膜定义：土工膜是由聚合物或沥青制成的一种相对不透水的薄膜。主要由聚氯乙烯（PVC）、氯横化聚乙烯（CSPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（VLDPE）制成。特点：渗透性低用途：常用作流体或蒸气的阻拦层清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3．土工格栅定义：土工格栅是由有规则的网状抗拉条带形成的用于加筋的土工合成材料。分类：玻璃纤维类聚酯纤维类特点：质量轻且有一定柔性用途：加筋材料，加固土体图3土工格栅示意图清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS4．特种土工材料（1）土工膜袋定义：是由双层聚合化纤织物制成的连续（或单独）袋状材料。分类：机制膜袋简易膜袋用途：护坡或其它地基处理工程。（2）土工网定义：由平行肋条经以不同角度与其上相同肋条粘结成为一体的土工合成材料。用途：软基加固垫层、坡面防护、植草以及用作制造组合土工材料的基材。（3）土工网垫和土工格室定义：土工网垫和土工格室是都是由聚合物构成三维结构聚合物。用途：防冲蚀和保土工程。（4）聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）定义：是近年来发展起来的超轻型土工合成材料。特点：质轻、耐热、抗压性能好、吸水率低、自立性好。用途：路基填料清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS5．土工复合材料定义：将土工织物、土工膜、土工格栅和某些特种土工合成材料中的两种或两种以上组合起来。（1）复合土工膜定义：土工膜和土工织物按一定要求制成用途：防渗和加筋（2）土工复合排水材料定义：以不同形状的土工合成材料芯材组成的排水材料。用途：软基排水固结处理、路基纵横排水、隧道排水等。图4土工复合材料清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS9.3土工合成材料的性能1.物理性能主要包括单位面积质量、厚度、幅度和当量孔径等。（1）单位面积质量定义：单位面积的土工合成材料在标准大气条件下的质量。意义：是反映材料用量、生产均匀性以及质量稳定性的重要物理指标。测试方法：称量法MmAMmA清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）厚度定义：土工合成材料在承受规定的压力下正反两面之间的距离。意义：它反映了材料的力学性能和水力性能。测试方法：千分尺直接测量。（3）幅度定义：是指整幅土工合成材料经调湿，除去张力后，与长度方向垂直的整幅宽度。意义：它反映了材料的有效使用面积。测试方法：钢尺直接测量。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（4）当量孔径定义：是指土工格栅、土工网等大孔径的土工合成材料的网孔尺寸通过换算折合成与其面积相当的圆形孔的孔径。意义：它是检验材料尺寸规格的主要物理指标。测试方法：用游标卡尺测量。公式：De=式中：De—当量孔径（mm）；A—网孔面积（）。A2mm清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2.力学性能主要包括拉伸性能、撕破强力、顶破强力、刺破强力、穿透强力和摩擦性能等。（1）拉伸性能定义：是指材料抵抗拉伸断裂的能力。意义：它是评价土工合成材料使用性能及工程设计计算的最基本技术指标。测试方法：宽条拉伸试验、接头/接缝宽条拉伸试验和条带拉伸试验。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）撕破强力定义：是指材料受荷载作用直至撕裂破坏时的极限破坏应力。意义：反映了土工合成材料抵抗扩大破损裂口的能力，是评价土工织物和土工膜破损的扩大程度难易的重要力学指标。测试方法：梯形法图5撕破强度梯形试样示意图清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（3）顶破强力定义：是指材料受顶压荷载直至破裂时的最大顶压力。意义：反映了土工合成材料抵抗各种法向静态应力的能力，是评价土工合成材料力学性能的重要指标。测试方法：CBR顶破试验图6顶破试验示意图清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（4）刺破强力定义：是指材料受顶刺荷载直至破裂时的最大顶刺压力。意义：反映了土工合成材料抵抗小面积集中荷载的能力，是评价土工合成材料强度的力学指标。测试方法：刺破强力试验1-试样；2-环形夹具；3-Φ8mm平头顶杆图7刺破试验示意图清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（5）穿透性能定义：是指土工合成材料抵抗片状或针状不规则物体穿透的能力。意义：反映了土工合成材料抵杭冲击和穿透的能力，是评价土工织物抵抗锐利物体穿刺破坏的力学指标。测试方法：落锥穿透试验图8落锥穿刺试验清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（6）摩擦性能定义：是指土工合成材料表面具有一定的摩擦能力。意义：评价土工合成材料工程结构稳定性的重要指标测试方法：直剪摩擦试验（评价土工合成材料的摩擦特性）；拉拔摩擦试验（用于计算土工合成材料与现场土石材料的摩擦剪切强度）。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3.水利性能主要包括垂直渗透性能、防渗性能和有效孔径等。（1）垂直渗透性能定义：采用迟滞渗透系数和透水率表征，垂直渗透系数指在单位水力梯度下垂直于土工织物平面流动水的流速。意义：用于土工合成材料的反滤设计，以确定其渗透性能。测试方法：采用恒水头法测定清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）防渗性能定义：是指土工膜及其复合材料抵抗水流渗入的能力。意义：是重要的水利性能指标，对材料的使用寿命和工程质量有重要影响。测试方法：采用耐静水压试验测定（3）有效孔径定义：能有效通过土工织物的近似最大颗粒直径。意义：是评价材料阻止土颗粒通过能力的重要水力学指标，测试方法：干筛法清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3.耐久性能是指土工合成材料抵抗自然因素长期作用而其技术性能不发生大幅度衰退的能力，主要包括抗氧化性、抗酸碱性能和抗紫外线性能等。（1）抗氧化性能定义：是指土工合成材料抵抗与氧气氧化的性能。意义：是反映土工合成材料耐久性能的最重要指标之一。测试方法：抗氧化性试验（适用于除土工膜外的以聚丙烯和聚乙烯为原料的各类土工合成材料）清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）抗酸碱性能定义：是指土工合成材料抵抗酸、碱溶液侵蚀的能力。测试方法：采用无机酸（碱）浸泡试验测定（3）抗紫外线性能定义：是指土工合成材料抵抗自然光照等老化因素而其性能不发生大幅度衰退的能力。测试方法：主要采用弧灯法、荧光紫外灯法进行测定。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS9.4土木合成材料的应用依据在工程中的不同功用，土工合成材料的选用原则及技术要求也不相同：1）加筋作用定义：是指土工合成材料可以有效地分布土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体侧向位移增加土体和其他材料之间的摩擦阻力，以提高土体及有关构筑物的稳定性的能力。选用要求：用于加筋宜选用强度高、变形小、糙度大的土工格栅；所选用的土工合成材料用具有足够的抗拉强度，对于土工织物，还应具有较高的刺破强度、顶破强度和握持强度。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2）隔离作用3）排水作用针刺无纺土工织物或复合型土工织物都有这种功能。4）反滤作用有纺织物和无纺织物都有这种功能。如土坝下游堆石棱体上游侧的反滤层即可用土工织物取代。5）防护作用利用土工合成材料保护堤防、水坝或海塘的边坡，以免遭到因风浪等袭击所导致的破坏。6）防渗作用主要是利用土工薄膜阻裁流过土体的渗透水流。7）减载作用这是指利用泡沫塑料取代常规的回填土，以减轻下部结构或土体所承受的荷载。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS土木工程合成材料在公路工程中的应用：1）路基加筋当路基稳定性不足、需要构筑陡坡以减少占地，以及对路堤边坡进行修复加固、道路加宽、增强重力式挡土墙的稳定性时，可采用土工合成材料进行加筋。应通过现场调查、地质勘查、室内外试验，获得相关基础资料，根据场地的地质与环境条件、填料特性、材料的耐久性、工程造价等因素，经技术经济比选，确定路基加筋方案。2）路基防排水过滤宜采用无纺土工织物，排水可选用排水板（带）、透水软管、透水硬管、长丝热粘排水体或其他土工合成材料，防渗可选用土工膜、复合土工膜、土工织物膨润土垫（GCL）及复合防水材料等。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS土木工程合成材料在公路工程中的应用：3）路基防护土工合成材料坡面防护可采用三维土工网、平面土工网、土工格栅、土工格室、植生袋。沿河和库海岸路基冲刷防护可采用土工织物软体沉排、土工膜袋等。土工格栅喷射混凝土坡面防护可用于低等级公路边坡防护。4）路基不均匀沉降防治路基填挖交界处、高填方路堤与陡坡路堤、软土地基路堤、软土地基不同处理方式交界处、改扩建公路新老路基结合处，以及路基与桥台构造物结合处等路段，可采用土工合成材料防治路基不均匀沉降。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS土木工程合成材料在公路工程中的应用：5）防沙固沙土工合成材料可用于沙漠地区公路路基整体稳定、边坡稳定与防护、线外固沙。当使用风积沙填筑的路堤高度大于1m时，可采用将土工合成材料铺设于沙基内或沙质路床顶部的措施，提高路基整体稳定性。对使用风积沙填筑路堤的路段，存在风蚀、水蚀时，可采用土工合成材料稳定路基、防护边坡。当公路周边缺少常规线外固沙材料时，可将土工合成材料用于线外固沙工程。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS本章知识归纳（I）1.土工合成材料是应用于岩土工程中合成材料的统称，主要有土工织物、土工格栅、土工薄膜、土工带等20多种类型。2.由拉伸试验所得到的土工织物的应力-应变关系通常是非线性的，因此其拉伸模量往往也是指在某一应力（或应变）范围内的模量值。3.水力学