工程技術論文土工聚合物應用于加筋土工程中注意事項

1、工程技術論文：土工聚合物應用于加筋土工程中注意事項【摘 要】本文論述了土工聚合物的種類和技術性能以及應用中應注意的問題,對加筋土工程施工具有一定的指導意義。 【關鍵詞】土工聚合物;加筋土;技術性能1. 前言土工聚合物以原料來源豐富、用途廣泛、質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕、吸水性小等突出的優(yōu)越性能,得以被土木工程界大量使用。 土工聚合物是從石油提煉制成的高分子化合物,通常采用聚丙烯、聚脂、聚酰胺、聚乙烯等一種或多種材料混合而成。 加筋土中所采用的筋材有工程塑料帶、復合工程塑料帶、土工布、土工網(wǎng)和土工格柵等土工聚合物加筋材料,而應用于支擋結構物中的加筋主要為工程塑料帶以及土工網(wǎng)格。本文將對土工聚合物筋材在

2、加筋土工程應用中的若干問題作一討論。 2. 土工聚合物在加筋土工程中的應用種類及特性 2.1 工程塑料帶。 我國近千座的加筋土支擋結構物中應用該種筋帶的約占7580%,這種塑料帶是寬1025mm厚0.81.4mm的表面具有凹凸形狀的筋帶,主要材料為聚丙烯,在拉伸速度低時,斷裂強度高,但伸長率大,反之拉伸速度高,伸長率小,斷裂強度低。它具有良好的耐彎曲疲勞性。由于聚丙烯是高分子量和結構的關系,因而比低分子材料具有較大的蠕變效應和較長的蠕變性能。由于化學結構的關系,該種筋帶最嚴重的缺點就是在加工和使用過程中易受光、熱、氧的作用,而使材料老化。 2.2 復合工程塑料帶。 目前國內(nèi)有兩種復合帶,一種為

3、高強度鋼絲,另一種為高強度的玻璃纖維。拉力均由上述材料承擔。加工工藝是按要求將抗拉材料均勻排列,外部包裹聚乙烯或聚丙烯烴,這些材料克服了未經(jīng)拉伸的聚丙烯包裹易開裂的弊端,表面并延壓成規(guī)則的紋路,使之外形成扁平狀,與填土產(chǎn)生摩擦作用,如此斷裂伸長率將大為縮小,因而設計取值亦將隨之提高,目前生產(chǎn)的規(guī)格大都為寬2550mm厚23mm。但目前鋼絲或玻璃纖維與外包高分子材料之間握裹強度尚未徹底解決,因而其設計取值尚應留有足夠的安全度。 2.3 土工織物。 土工織物按其制造主要有編型、織型、無紡型、組合型土工纖維,無紡產(chǎn)品是將高分子化合物擠拉在纖維,然后用機械或加熱處理以及化學粘結等,將纖維混合成一平整的

4、毯子狀織物,因其分子在加工過程中未經(jīng)拉伸,纖維呈無規(guī)則的排列,故抗拉強度一般均較低,延伸率也較高,因而,一般用作排水、反濾等,很少單一用作加筋。有紡土工織物一般是由相互交錯的纖維經(jīng)編或織而成,應用于加筋中的有紡土工織物大都是多纖維編織物。組合型土工織物是由兩種或兩種以上的土工織物組合而成,如有紡織物與無紡織物的組合,有紡或無紡與土工薄膜的組合等。目前用于巖土工程的加筋、大多是用多纖維編織物的組合型土工纖維,它具有較高的抗拉強度,較低的延伸率和良好的與土的摩擦結合的性能。 2.4 土工網(wǎng)。 土工網(wǎng)又叫擠出網(wǎng),是采用熱塑擠壓、生產(chǎn)出整體的聚合物的網(wǎng),它改變了編型、織型、無紡、組合型的生產(chǎn)工藝。土工

5、網(wǎng)的生產(chǎn)工藝是將原料按比例要求配好,經(jīng)過擠塑機在溫控加熱的條件下,由擠塑機擠出至一特制的旋轉(zhuǎn)模頭內(nèi)經(jīng)擠壓、熱粘合、冷卻產(chǎn)生各種不同孔眼大小及形狀的系列網(wǎng)格,產(chǎn)品多為寬幅不等的卷材。該網(wǎng)1977年開始應用于土木工程。 2.5 土工格柵。 土工格柵又叫拉伸網(wǎng),其生產(chǎn)工藝比較復雜,精度要求高,拉伸網(wǎng)又可分為單向及雙向拉伸網(wǎng),該種網(wǎng)是按高分子聚合物的特性,經(jīng)定向拉伸后其分子鏈定向排列,因而提高了聚合物的抗拉強度。拉伸網(wǎng)具有較高的抗拉強度,因而在使用原料的用量上不足一般擠出網(wǎng)用量的一半,且拉伸網(wǎng)的抗拉強度卻是擠出網(wǎng)的10倍甚至更高。一般抗拉強度達12110KN/m。因而兩種網(wǎng)格力學指標懸殊較大,所以拉伸

6、網(wǎng)在土木工程中的適應情況遠較擠出網(wǎng)的使用范圍廣泛,且拉伸網(wǎng)并有按強度要求及工程類別不同生產(chǎn)的系列產(chǎn)品,以滿足各種構件受力大小的需要。 3. 土工聚合物在加筋土工程中的應用范圍 土工聚合物在加筋土工程中的應用是相當廣泛的,可用在公路的路面中作為加強材料,以增加其強度,達到減小路面的厚度和避免車轍的產(chǎn)生和裂縫的開展?？捎糜阼F路公路方面的基床部分,使其受力均勻,起到擴散和防止路基基床病害的產(chǎn)生。當用在填方地段邊坡時,可使坡度變陡,坡面得以加固,以防止邊坡溜坍,提高其穩(wěn)定性,可以用在加筋土擋墻中的拉筋,使之坡面直立,以節(jié)省用地和降低造價,可以用在道路工程、堤壩、機場跑道等的軟土地基處理,以提高軟土的強

7、度,增大臨界高度,加速填土速率和改善局部沉降的作用,當?shù)鼗鶚O軟時,可將網(wǎng)格立起,組合成一格狀,內(nèi)填片石等,使之成一剛性的堤壩,產(chǎn)生垂直沉落,避免地基和橫向剪切破壞。還可用于滑坡整治的支擋防護等工程上。在水利工程方面可組成石籠作坡面防護及加固,以防止沖刷,修筑導流堤及丁壩等。同時還可以應用于地下工程中的噴錨支護中,作為掛網(wǎng)材料,以減少襯砌厚度降低造價。同時還可以作成三維網(wǎng),應用于坡面植草加固,綠化環(huán)境等?？傊凉ぞ酆衔镌诩咏钔凉こ讨械膽檬窍喈攺V泛的。 4. 土工聚合物應用于加筋土工程中的幾個問題 土工聚合物應用于加筋土工程中的種類較多,但用作加筋材料,彌補土壤承受抗拉強度低的缺陷,而改變土的性

8、質(zhì),增強土體抗剪能力的筋材使用的品種主要有工程塑料帶、土工織物、土工網(wǎng)及土工格柵數(shù)種,有關各自的特性,前面已作了介紹,為此在應用中可考慮其綜合因素,結合工程特征,并按各自工程的有關設計方法加以選用。以下將就一些設計施工中值得注意的幾個問題加以討論。 4.1 有關設計強度的選擇。 由于土工聚合物應用于加筋土工程中種類較多,且各有其使用條件,因而設計強度的取值亦各異。 (1)土工織物:目前我國對土工織物的應用,大都是在路基基床及軟土地基上的加固方面,以阻止地基土的側向剪切破壞,雖然土工織物具有較大的伸長率,能適應變形,由于土工織物是將上下土隔離,因此尚需考慮頂破與穿刺力,當用于道床與路基土隔離時,

9、可取3左右的安全系數(shù),而鋪設在土堤下碎石或砂上時,安全系數(shù)可取1.52.0之間。 (2)工程塑料帶及復合工程塑料帶:工程塑料帶雖然具有較大的抗拉強度,但因變形及蠕變均較大,不能滿足結構的變形要求,為此其設計應力取值將應以變形值控制,結合加筋土支擋結構的允許變形一般在3%左右以內(nèi),按工程塑料帶的蠕變特性曲線,相應于變形為3%時,其強度約為極限強度的1/51/7。目前我國使用該種拉筋建造的擋墻,部分由于設計允許拉力取值不當,致使建成的擋墻變形較大,影響美觀。故建議應按其蠕變特性取值。復合工程塑料帶中的受拉材料,由于采用了變形及蠕變均較小的材料,但斷裂強度仍達120200MPa,且斷裂伸長率通常在1

10、.43%之間,遠較聚丙烯工程塑料帶1025%的變形量為小,因而設計時可取較高的抗拉強度,以節(jié)省筋帶的用量,但目前高強度鋼絲或玻璃纖維與外包的聚丙烯烴間的握裹強度尚未徹底解決好,為安全計,因此設計取值的安全系數(shù)建議取1/3的斷裂強度。(3)土工網(wǎng)與土工格柵:土工網(wǎng)與土工格柵都是具有一定空格帶肋的網(wǎng),因其具有較大的孔洞,所以孔洞上下之間的土壤顆粒可以直接接觸,因而筋與土之間和作用機理除表面產(chǎn)生的摩擦外,尚存在著上下土壤間的剪切,即土體本身的剪切。因具有網(wǎng)肋,故在加筋肋的接點處承載面上要受到土壓力,土壓力的產(chǎn)生必須在土和加筋的支承面間有相對位移,這意味著網(wǎng)格孔眼內(nèi)的土必須相對于網(wǎng)格移動,由于上半部與

11、下半部是向相反的方向而產(chǎn)生的剪力,所以承載應力能與網(wǎng)格的承載部分相平衡。由上述簡單機理敘述可以看出加筋后復合體的強度與填土的性質(zhì)關系密切,而填土的顆粒大小影響到網(wǎng)格的損害程度,粗顆粒較細粒填土對網(wǎng)格施工的損壞程度較大,因此土工網(wǎng)與土工格柵的設計應力取值除根據(jù)建筑物的重要性及土的性質(zhì),網(wǎng)格形狀等因素外,尚應按顆粒大小因素綜合考慮,可取1/51/7作為設計容許應力。 4.2 筋帶與土之間的摩擦系數(shù)的取值。 加筋土的筋帶按使用位置不同,受力狀態(tài)也各異,而在加筋土支擋結構中,擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性是靠填土的重量壓在拉筋上所產(chǎn)生的摩擦力而使結構穩(wěn)定的,因而摩擦系數(shù)是設計的重要參數(shù),根據(jù)過去的現(xiàn)場及室內(nèi)的拉拔試

12、驗,影響總抗力因素除與筋材的形狀、填土的類型與填土密度以及拉筋上部法向力有關之外,通常尚有粘著及咬合力,而粘著及咬合力是不隨筋帶埋深而變化的常量,在總抗拔力中所占的比例隨墻的增高而迅速降低,在工程實踐中,擋墻通常都有一定的高度,因此在設計計算中為了簡化計算和偏于安全,通常僅按一個綜合摩擦系數(shù)來計算抗拔力。在實際應用中當采用工程塑料帶拉筋時一般摩擦系數(shù)取0.30.5之間,而使用土工網(wǎng)格時,因咬合及接點處的承載作用,可以適當?shù)奶岣?.10.2。 4.3 填料的選擇與要求。 根據(jù)土工聚合物所使用的原料物理力學特性,大都具有良好的化學穩(wěn)定性,它幾乎對酸堿鹽的溶液大部分無破壞作用,因而對一般的填料通常是

13、可以適用的。另方面由于加筋土工程的筋材均埋于土中,土體溫差不大,且細菌對土工聚合物也不起作用。但腐植質(zhì)對聚丙烯卻有害,因為腐植質(zhì)在腐化過程中將產(chǎn)生熱量,且堆放時間過長,溫度升高,有時將有自燃的可能,而聚丙烯有慢燃的特性,因而填料是絕對禁止使用生活垃圾的。另方面填料不應使用帶有棱角的片石,以免將加筋材料頂破或劃破,所以在與筋材接觸處換填較細顆粒填料,以保護筋材的完整性。 4.4 運輸及保管。 由于土工聚合物易老化,而影響老化危害最大的就是紫外線的照射,我們知道陽光中就存在著大量的這種不可見光,雖然用于加筋土的土工聚合物加筋材料中大都加有抗紫外線的吸收劑或屏蔽劑,以防老化,但在運輸及保管使用過程中

14、仍需特別注意,這一問題往往極易被人所忽視,使產(chǎn)品長期暴露于大氣之中,致使老化過程加速,強度降低,工程質(zhì)量下降。為此產(chǎn)品應有外包裝,運輸或使用過程中應防止破損,拆包后應迅速使用,并盡快的上覆填土,縮短日光照射時間,保管過程中不可置于戶外,應有遮避等措施。 4.5 施工中的注意事項。 土工聚合物用于加筋土工程中時,設計時均有固定的位置,為此應按設計要求,并應將加筋材料拉緊,以保證沒有松弛,減少施工中的變形。 當一層加筋材料鋪設完畢后,按要求進行填土,在未填土前,應禁止所有車輛在加筋材料上行駛,每層填料的厚度一般不小于15cm,太薄時,壓實機具容易在行走時將拉筋帶動。經(jīng)壓實后的土層高度應符合筋材的鋪設,并應平整。當用在加筋土擋墻工程中,為了避免面板產(chǎn)生過大的變形,為此應考慮輾壓機具類型(即線荷載的大小),在靠近墻面板12m范圍之內(nèi),不可使用重型的輾壓機具,該范圍內(nèi)為了適應輕型實機械而達到填土的要求密度,填土厚度可以小于15cm。 5. 結語 綜上所述,由于土工聚合物材料的性能差異較大,特別是抗拉