土工材料特點及其工程應用

12/17學號201011509新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院土工材料特點及其工程應用分院名稱：農(nóng)業(yè)工程分院專業(yè)：水利工程班級：10水利工程（3）班學生姓名：校內(nèi)指導老師：企業(yè)指導老師：2013年5月5日內(nèi)容摘要土工合成材料在我國水利工程、公路工程中的應用雖然只有幾十年的歷史，但由于其施工便利、造價低廉、效果明顯、技術(shù)可行等優(yōu)點，因而得到了迅速的進展，已大量應用于水利工程、路橋工程等各種場合。本文論述了土工合成材料的物理特性、力學特性、耐久性以及在工程中的過濾作用、排水作用、隔離作用、加筋作用、防滲作用和防護作用。隨著土工合成材料的性能不斷完善和工程需要的不斷增長，土工合成材料將會更廣泛的應用于工程的各個領(lǐng)域當中去，成為工程中不行缺少的材料。關(guān)鍵詞：材料工程特性應用目錄內(nèi)容摘要 Ⅰ目錄Ⅱ引言 1第1章土工合成材料的特性 21.1物理特性 21.2力學特性 21.3耐久性 3其次章土工合成材料在工程中的應用 .52.1過濾作用 .52.2排水作用 .52.3隔離作用 52.4加筋作用 52.5防滲作用62.5.1土工材料的防滲結(jié)構(gòu)62.5.2土工材料的防滲形式72.5.3土工材料鋪設(shè)的范圍和部位72.5.4土工材料的選擇72.5.5土工材料在水利防滲工程中應用情況及優(yōu)缺點82.6防護作用92.7土工合成材料的運用9第3章結(jié)束語 .10致謝11參考文獻12引言土工合成材料是應用于巖土工程的，以合成材料為原材料制成的新型建筑材料，已廣泛應用于水利、公路、鐵路、港口、建筑等工程的各個領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外通常接受聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維及聚乙烯醇纖維等原料制造土工合成材料，形成了八大系列產(chǎn)品，如：土工織物、土工膜、土工網(wǎng)、土工格柵、土工席墊、土工格室、土工復合材料相關(guān)產(chǎn)品等，隨著高分子化學工為一的進展，自20世紀以來相繼消失了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等各種纖維，這些合成材料被大量應用到工程中并起到了相當可觀的作用，下面就土工材料的特點及工程中的應用進行論述。第一章土工合成材料的工程特性1.1物理特性（1）厚度土工合成材料的厚度用mm表示。厚度的變化對織物的孔隙率，透水性和過濾性等水力特性有很大的影響。常用的各種土工合成材料的厚度是：土工膜0.25～0.75mm，最厚的可達2～4mm；復合型材料有時接受較薄的土工膜，最薄可達0.1mm；土工格柵的厚度隨部位的不同而異，其肋厚一般由0.5mm至幾十毫米。（2）單位面積質(zhì)量單位面積質(zhì)量為單位面積土工合成材料具有的質(zhì)量，它反映材料多方面的性能，如抗拉強度、頂破強度等力學性能以及孔隙率、滲透性等水力學性能，通常以g/m2表示，是土工合成材料的重要物理性能之一。土工織物和土工膜單位面積的質(zhì)量受原料密度的影響，同時受厚度、外加劑和含水量的影響。常用的土工織物單位面積質(zhì)量一般在50～1200g/m2的范圍內(nèi)。1.2力學特性反映土工合成材料力學特性的指標主要有拉伸特性及握持強度、撕裂強度、蠕變特性等。（1）拉伸強度及特性土工合成材料是柔性材料，大多通過其抗拉強度來承受荷載以發(fā)揮工程作用，因此抗拉強度及其應變是土工合成材料的重要特性指標。土工合成材料的抗拉強度與測定時的式樣寬度、外形、約束條件有關(guān)，必須在標準規(guī)定的條件下測定。土工織物在受力過程中厚度時變化的，不易精確測定，故其受力大小一般以單位寬度所承受的力來表示。單位為KN/m或N/m，而不是習慣上所用的單位面積的應力來表示。（2）握持強度土工織物承受集中力的現(xiàn)象普遍存在，握持強度是反映其分散集中力的能力。握持強度實驗是握持試樣兩端部分寬度進行的一種拉力試驗。它的強度由兩部分組成，一部分為試樣被握持寬度的抗拉強度；一部分為相鄰纖維供應的附加抗拉強度。由于試驗的難度較大，接受的試樣和夾具的尺寸也不盡相同，因此，測得的結(jié)果也相差很多。一般不易作為設(shè)計依據(jù)，只可用作不同土工織物的抗拉強度比較。土工織物握持力一般為0.3～6.0KN。（3）撕裂強度土工織物和土工膜在鋪設(shè)和使用過程中，常常會有不同程度的破損。撕裂強度反映了試樣反抗擴大破損裂口的能力，可評價不同土工織物和土工膜被擴大破損程度的難易，是土工合成材料應用中的重要力學指標。土工織物梯形撒裂強度一般為0.15～30KN，不加筋土工膜的梯形撕裂強度一般為0.03～0.4KN。（4）蠕變特性材料的蠕變是指材料在受力大小不變條件下，其變形隨時間增長而逐漸增大的現(xiàn)象。蠕變特性是土工合成材料的重要特性之一，是材料能否長期使用的關(guān)鍵。（5）脹破強度脹破強度、CBR頂破強度、圓球頂破強度、刺破強度，這四個強度都表示土工膜反抗外部沖擊荷載的能力。其差別是實驗時試樣尺寸，加荷載方式不同，脹破強度單位為kPa，其它三項強度單位為N。水力脹破實驗是確定土工膜平鋪在孔洞上的抗拉強度，圓球頂破實驗是測量土工膜的局部頂破強度，是土工膜的基本特性指標之一。CBR實驗是模擬土工膜鋪設(shè)在軟基和密實的粗粒料間，土工膜所能承受的應力。水力刺破實驗是測量土工膜支承在帶有尖銳棱角的支承物上時的刺破強度。（6）土工材料與介質(zhì)面相互作用性能指標土工材料與介質(zhì)面相互作用性能指標即土或混凝土面土工材料界面的摩擦系數(shù)，土工材料埋在土中，通過土與土工材料界面摩擦力傳遞土中應力，形成連續(xù)穩(wěn)定的應力場；土工材料設(shè)在混凝土或瀝青面板上聯(lián)合防滲，兩種介質(zhì)間通過膠結(jié)粘合在一起，共同擔當防滲作用，通過界面摩擦力抗衡內(nèi)部孔隙水應力，防止滑坡形成穩(wěn)定的復合壩面體。需要通過實驗方法確定土工材料與介質(zhì)面間的摩擦系數(shù)。1.3耐久性土工膜的耐久性指標，影響聚合物土工膜耐久性的因素包括：熱、光、氧、臭氧、濕氣、大氣中的二氧化氮和二氧化硫，溶劑、低溫、酶和細菌、應力和應變等。土工膜的破壞可能由于：反聚合作用和分子斷裂使聚合物分解，從而使聚合物物理性能衰化和發(fā)生軟化；失去增塑劑和幫助成分，導致聚合物硬化變脆；薄膜與液體發(fā)生膨脹或溶解而發(fā)生強度的衰減，滲透性增大；揭縫不良或拉開。聚合物土工膜一般不會因溫度而分解，只有工業(yè)廢水池中襯護聚合物薄膜會因氧化溫度升起而起分解作用。很多聚合物對紫外線很敏感，會使聚合物分解（加碳黑后可增強反抗紫外線分解的能力）。臭氧破壞不飽和主鏈，當聚合物薄膜的拉應變大15-25%時，容易受臭氧作用而開裂。在長期應力或反復應力作用下，有的聚合物會因蠕變或疲憊而變薄、裂開。聚合物一般能反抗生物分解，但增速劑或其它單體成分會在溫空氣中產(chǎn)生生物分解，而變軟，或發(fā)脆。交聯(lián)型聚合物有很好的反抗化學分解的能力；結(jié)晶聚合物成分簡潔，會增速劑和填充料很少，不會因增速劑容易丟失而很快老化。PVC是熱塑型的，老化快，丁基橡膠薄臘是由乙丁烯和小比例的異戊二烯聚合而成的，它主要具有烷族的性質(zhì)，允許硫化處理，是緊序高分子，具有很好的抗氧化、化學、紫外線等侵害的性質(zhì)（但容易被臭氧破壞）。土工膜耐久性指標，主要有耐磨、抗紫外線、抗生物、抗大氣環(huán)境等多種指標，但大我沒有可遵循的規(guī)范、規(guī)程，一般依據(jù)工程實際情況，按工程閱歷來選取。當土工膜鋪設(shè)于渠道邊坡和渠底時上面應掩蓋土厚25-30cm，當土工膜鋪設(shè)于混凝土面板上時，上面應設(shè)置10-20cm厚的防護層。其次章土工合成材料在工程中的應用2.土工合成材料的功能及應用范圍土工合成材料的功能是多方面的，綜合起來，可以概括為過濾作用、排水作用、隔離作用、加筋作用、防滲作用和防護作用六種功能。2.1過濾作用把土工織物置于土體表面或相鄰土層之間，可以有效地阻止土顆粒通過，從而防止由于土顆粒的過量流失而造成土體的破壞。同時允許途中的水或氣體通過織物自由排出，以免由于孔隙水壓力的上升而造成土體的失穩(wěn)等不利后果。土工織物可適用于土石壩粘土心墻或粘土斜墻的濾層，土石壩或堤壩內(nèi)的各種排水體的濾層，儲灰壩或尾礦壩的初期壩上游壩面的濾層，堤、壩、河、渠及海岸塊石或混凝土護坡的濾層，水閘下游護坡下部的濾層，擋土墻回填土中排水系統(tǒng)的濾層，排水暗道周邊或碎石排水暗溝周圍的濾層，水利工程中的水井、減壓井或測壓管的濾層等。2.2排水作用有些土工合成材料可以在土體中形成排水管道，把土中的水分聚集起來，沿著材料的平面排出體外。較厚的針刺型無紡織物和某些具有較多孔隙的復合型土工合成材料都可以起排水作用?？捎糜谕翂蝺?nèi)垂直或水平排水，土壩或土堤中的防滲土工膜后面或混凝土護面下部的排水，埋入土體中消散孔隙水壓力，軟基處理中垂直排水，擋土墻后面的排水等。2.3隔離作用土工合成材料能夠把兩種不同粒徑的土、砂、石料，或把土、砂、石料與地基或其它建筑物隔離開來，以免相互混雜，失去各種材料和結(jié)構(gòu)的完整性，或發(fā)生土粒流失現(xiàn)象，土工織物和土工膜都可以起到隔離作用?？捎糜诘缆坊鶎优c路基之間或路基與地基之間的隔離層，在土石混合壩中隔離不同的筑壩材料，用作壩體與地基之間的隔離體，堆場與地基間的隔離層等。2.4加筋作用很多土工合成材料埋在土體中，可以分布土體的應力，增加土體的模量，傳遞拉應力，限制土體側(cè)向位移；還可以增加土體和其他材料之間的摩阻力，提高土體及有關(guān)建筑物的穩(wěn)定性。土工織物、土工隔柵、土工網(wǎng)及一些特種或復合型的土工合成材料，都具有加筋作用?？捎糜诩訌娷浲恋鼗?，加強邊坡穩(wěn)定性，用作擋土墻回填土中的加筋或錨固擋土墻的面板，修筑包裹式擋土墻或橋臺，加固柔性路面，防止反射裂縫的進展等。2.5防滲作用土工膜和復合型土工合成材料，可以防止液體的滲漏，氣體的揮發(fā)，保護環(huán)境或建筑物的平安。土工膜是高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，滲透系數(shù)一般為10-11—10-12cm/s，這樣低的滲水性是一種頗為抱負的防滲材料。其在水利防滲工程中可應用于以下幾個方面：（1）堤壩的防滲斜墻或垂直防滲心墻。（2）透水地基上的堤壩的水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻。（3）混凝土壩，圬工壩及碾壓混凝土壩的防滲體。（4）渠道的襯砌防滲。（5）涵閘水平鋪蓋防滲。（6）隧道和堤壩內(nèi)埋管的防滲。（7）施工圍堰的防滲。2.5.1土工材料的防滲結(jié)構(gòu)土工合成材料是具有很好的防滲效果，目前在土石壩中、特別是堤防防滲工程中已被廣泛地接受，在混凝土壩或碾壓式混凝土壩的修補中，作用防滲護面也逐漸增多，其使用量約為土工織物使用量的11%左右。在我國的土壩建設(shè)和堤防加固中，作為垂直防滲墻體材料等被廣泛地使用。為了說明土工材料具有很好的防滲效果，下面就以土工膜為例，闡述土工材料的防滲結(jié)構(gòu)、防滲形式、土工材料的鋪設(shè)范圍和部位、土工材料的選擇、以及土工材料在水利防滲工程中應用的優(yōu)缺點等問題。土工膜的厚度很薄，容易遭破壞，為了有效保護和提高其在坡面上的穩(wěn)定性，在土工膜與堤身或堤基接觸外應加肯定厚度的墊層（過濾層）或反濾層，尤其對于膜與粗粒料直接接觸的情況。若防滲膜選用復合土工膜材料，則反濾層可以簡化。對于已有的堤防加固情況，由于鋪反濾層較困難，可直接選用復有較厚的非織造土工織物的復合土工膜作為反濾層，以便于施工，但應強調(diào)指出，不管什么情況下，反濾層是必不行少的。土工防滲結(jié)構(gòu)原則上包括5層：①防護層：是與外界接觸的最外層，是為了防御外界水流或波浪沖擊、風化侵蝕、冰凍破環(huán)和遮擋日光紫外線而設(shè)置，厚度一般15-25cm。②上墊層：是防護層和土工膜之間的過渡層，由于防護層多是大塊粗糙材料且易移動，如果直接置于土工膜上，很容易破壞土工膜，因此上墊層必須做好，一般有砂礫料，厚度應不小于15cm。③土工膜：是防滲主題，除要求有牢靠的防滲性外還應該能承受肯定的施工應力和使用期間結(jié)構(gòu)物沉降等引起的應力，故也有強度要求，土工膜的強度與其厚度直接有關(guān)，可通過理論計算或工程閱歷來確定。④下墊層：鋪設(shè)在土工膜的下面，有雙重功能，一是排解膜下的積水、積氣，確保土工膜的穩(wěn)定，二是保護土工膜，使其不受支持層的破環(huán)。⑤支持層：土工膜是柔性材料，必須鋪設(shè)在牢靠的支持層上，它可以讓土工膜受力均勻。2.5.2土工材料的防滲形式①是堤壩地基垂直防滲墻，對于已建堤壩的防滲加固工程，一般接受垂直鋪塑技術(shù)建筑垂直防滲墻。對于新建堤壩，接受中央復合土工膜作垂直防滲墻時，其要求與土工膜斜墻防滲相同。②水平防滲鋪蓋：堤壩建在透水地基上，當?shù)鼗穸冗^大，接受其他防滲形式不經(jīng)濟或不行能時，可接受鋪蓋防滲。它是將透水性小的材料水平鋪設(shè)在堤上游的一段長度內(nèi)，并與堤身或壩身的防滲體系相連接，以增加滲徑，削減滲透坡降，防止地基滲透變形并削減滲流量。2.5.3土工材料鋪設(shè)的范圍和部位土工膜在堤壩中鋪設(shè)的范圍可以從堤基開頭，直到堤頂。堤壩臨水面若設(shè)置鋪蓋，則鋪蓋長度應按滲流量計算確定，大于或等于5倍水頭。土工膜的鋪設(shè)部位對新建的堤壩，可鋪設(shè)在堤壩的中間（即心墻）或臨水面（即斜墻）兩種形式，其各有特點。2.5.4土工材料的選擇土工膜的選擇涉及兩個問題，一是選擇何種材料的土工膜，二是選用何種形式的土工膜（單膜或復合土工膜）。國內(nèi)外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）兩種，工程選料時，主要依據(jù)以下幾個方面來選定合適的土工膜。①力學特性:工程中一般用柔性好，摩擦性系數(shù)大的土工膜。②可連接性：工程中首先選用即能熱熔連接又能用粘合劑粘接的土工膜。③經(jīng)濟性：一般先用同樣厚度的情況下每單位面積的價格要少的、幅寬較大、連接少的膜。2.5.5土工材料在水利防滲工程中應用情況及優(yōu)缺點①土工材料在堤壩工程中的應用：從地域上看已很廣范，國內(nèi)普遍已經(jīng)接受了這種新型的防滲材料和技術(shù)，很多工程實錄都表明它的防滲效果良好、經(jīng)濟、施工便利，有推廣使用價值。國內(nèi)在堤壩工程中使用土工材料防滲雖然較晚，但土工材料承受20m以上水頭的實例所占的百分數(shù)來看，接近了國外的水平，且國內(nèi)也有土工膜承受超過50m水頭的實例，這些都說明國內(nèi)在堤壩工程使用土工材料的技術(shù)水平已逐漸接近國際先進水平。關(guān)于土工膜的厚度目前有兩種觀點:一是主張用厚膜(膜厚＞1.0mm)，以歐洲國家為多;另一種觀點是使用薄膜(膜厚＜1.0mm），以美洲國家和我國的實例較多，這些堤壩的使用情況至今仍然很好，因而值得很好地總結(jié)閱歷。依據(jù)上述情況及目前SL/T225-98《水利水電工程土工合成材料應用技術(shù)技術(shù)規(guī)范》和GB50290-98《土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范》中所列入的土工膜在堤壩中的防滲使用規(guī)定，都表明土工膜防滲技術(shù)在我國堤壩中的應用已經(jīng)逐漸成熟，這將為這項新技術(shù)和新材料在堤壩中的推廣應用供應良好的范例。②土工材料在工程應用中的缺點：一是容易裂開，在施工過程中受損裂開，被土石料中的石塊等尖硬物刺破或頂破，由于設(shè)計選擇不當或沒有局部約束，被過大的水壓力擊穿鋪設(shè)在支承土和混凝土面板之間的土工膜由于溫度漲縮，重力，土體位移，浪擊和水位變化的因素，可能引起界面滑動，土工膜將承受過度伸長，撕裂或擦傷；斜面上用土和混凝土板保護土工薄膜的情況，當水位驟降，土中孔隙水應力與庫水位失去平衡，土體失穩(wěn)而滑動。建筑物過大的變形或不均勻沉降而導致裂開;由于保護層埋深淺，特別是用于渠道防滲時，被人畜或植物根系弄破。二是容易裂開，土工膜在低溫環(huán)境下性能惡化，容易脆裂。三是老化問題，土工膜在接觸陽光，冷熱氣候，臭氧的條件下，將較快老化而失去性能，不過埋在水中或處于水下，不接觸這些因素，其老化還是相當慢的。目前對土工膜的使用壽命可達50-100年。四是化學腐蝕，土工膜遇上某些化學物質(zhì)，如酸性，堿性液體，或礦物油，可能會被腐蝕破壞。不過在一般的工程應用中，不接觸這些物質(zhì)因而不必擔心。由于土工膜在工程中可能遇到以上幾個問題，因此要正確設(shè)計，細心施工，保證土工膜良好地工作。③土工材料在水利防滲工程中應用的優(yōu)點：土工膜是一種柔性防滲材料，具有牢靠地防滲功能，具有結(jié)構(gòu)簡潔，施工便利，防滲效果好，節(jié)省工程造價，加快工期等顯著優(yōu)點，土工材料是柔性材料，在力學上它還能夠改善堤壩本身的結(jié)構(gòu)性能，當壩體承受拉應力時，由于它有較高的抗拉強度，故可擔當土體的部分拉應力，從而抑制土體的應變，對堤壩的豎向沉降量小，對堤壩水平位移起著肯定的抑制作用，可轉(zhuǎn)變堤壩的滲透路徑，使堤壩內(nèi)應力應變隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變，引起應力的重新調(diào)整，使小主應力有較大轉(zhuǎn)變，而大主應力變化較小?？傊?，復合土工材料是一種柔性防滲材料，它與礫質(zhì)粘土做組合防滲體時，由于其具有較高的抗拉強度，抑制了土體的應變，從而使土體各部位的應力有所調(diào)整。另一方面，復合土工材料的防透系數(shù)相當小，可作用水頭，使壩體內(nèi)的自由水面降低甚多，滲流量減小，有利于下游壩坡的穩(wěn)定。2.6防護作用多種土工合成材料對土體或水面，可起到防護作用。它們主要用于防止河岸或海岸被沖刺，防止垃圾、廢料或廢液污染地下水或發(fā)散臭味，防止水面蒸發(fā)或空氣中灰塵污染水面，防止土體凍害等。2.7土工合成材料的運用復合土工膜（復合防滲膜）分為一布一膜和兩布一膜，寬幅4-6m，重量為200—1500g/平方米，抗拉、抗撕裂、頂破等物理力學性能指標高，產(chǎn)品具有強度高，延長性能較好，變形模量大，耐酸堿、抗腐蝕，耐老化，防滲性能好等特點。能滿足水利、市政、建筑、交通，地鐵、隧道、工程建設(shè)中的防滲，隔離，補強，防裂加固等土木工程需要。由于其選用高分子材料且生產(chǎn)工藝中添加了防老化劑，故可在特別規(guī)溫度環(huán)境中使用。常用于堤壩、排水溝渠的防滲處理。以及廢料場的防污處理。復合土工膜施工復合土工膜是在薄膜的一側(cè)或兩側(cè)貼上土工布，形成復合土工膜。其形式有一布一膜、二布一膜、兩膜一布等。土工布作為土工膜的保護層，使保護防滲層不受損壞。為削減紫外線照耀，增加抗老化性能，最好接受埋入法鋪設(shè)。在渠道施工中，首先要用料徑較小的砂土或粘土找平基面，然后再鋪設(shè)土工膜。土工膜不要繃得太緊，兩端埋入土體部分呈波紋狀，最后在所鋪的土工膜上用細砂或粘土鋪一層10cm左右過度層。砌上20-30cm塊石（或砼預制塊）作防沖保護層。施工時，應盡力避開石塊直接砸在土工膜上，最好是邊鋪膜邊進行保護層的施工。復合土工膜與周邊結(jié)構(gòu)物連接應接受膨脹螺栓和鋼板壓條錨固，連接部位要涂刷乳化瀝青（厚2mm）粘接，以防該處發(fā)生滲漏。復合土工膜的接縫處理是一個關(guān)鍵工序，直接影響防滲效