第9章-土工合成材料-清華版土木工程材料

（第九章

土工合成材料）主講人：×××安徽工業(yè)大學(xué)本科生課程清華大學(xué)出版社

TSINGHUAUNIVERSITYPRESSCivilEngineeringMaterials教學(xué)目標(biāo)掌握：土工合成材料在工程中的應(yīng)用。熟悉：介紹了土工合成材料的種類和技術(shù)性能。了解：土工合成材料的在國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，教學(xué)重點(diǎn)土工合成材料的種類和主要技術(shù)性能。土工合成材料在工程中的應(yīng)用。本章主要教學(xué)內(nèi)容與要求第九章

土工合成材料土工合成材料概述合成材料種類土工合成材料的性能土工合成材料的工程應(yīng)用第九章

土工合成材料9.1土工合成材料概述土工合成材料是一種新型的巖土工程材料。它以人工合成或天然聚合物，如塑料、化纖、合成橡膠等為原料，制成各種類型的工程材料，置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間，以發(fā)揮加強(qiáng)或保護(hù)士體的作用。土工合成材料可分為土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料、土工特種材料等類型，目前已廣泛應(yīng)用于水利、水電、公路、鐵路、建筑、海港、采礦、軍工等各個(gè)工程領(lǐng)域。土工合成材料土工膜土工織物土工復(fù)合材料土工特種材料織造非織造機(jī)織針織

針刺熱粘結(jié)化學(xué)粘結(jié)聚乙烯（PE）土工膜聚氯乙烯（PVC）土工膜氯化聚乙烯（CPE）土工膜復(fù)合土工膜復(fù)合土工織物復(fù)合排水材料：排水帶、排水管、排水防水材料土工格柵、土工帶、土工格室、土工網(wǎng)、土工模袋、土工網(wǎng)墊、土工織物膨潤(rùn)土墊（GCL）、聚苯乙烯板塊（EPS）等9.2合成材料的種類1．土工織物定義：土工織物是用于巖土工程和土木工程的機(jī)織、針織或非織造的可滲透的聚合物材料。分類：紡織、無紡特點(diǎn)：紡織的土工織物強(qiáng)度和剛度較高，排水性差；無紡的過濾、排水性能較好，斷裂延伸率較高，但強(qiáng)度相對(duì)較低。

圖1紡織土工織物

圖2無紡?fù)凉た椢?．土工膜定義：土工膜是由聚合物或?yàn)r青制成的一種相對(duì)不透水的薄膜。主要由聚氯乙烯（PVC）、氯橫化聚乙烯（CSPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（VLDPE）制成。特點(diǎn)：滲透性低用途：常用作流體或蒸氣的阻攔層3．土工格柵定義：土工格柵是由有規(guī)則的網(wǎng)狀抗拉條帶形成的用于加筋的土工合成材料。分類：玻璃纖維類聚酯纖維類特點(diǎn)：質(zhì)量輕且有一定柔性用途：加筋材料，加固土體圖3

土工格柵示意圖4．特種土工材料（1）土工膜袋定義：是由雙層聚合化纖織物制成的連續(xù)（或單獨(dú)）袋狀材料。分類：機(jī)制膜袋簡(jiǎn)易膜袋用途：護(hù)坡或其它地基處理工程。（2）土工網(wǎng)定義：由平行肋條經(jīng)以不同角度與其上相同肋條粘結(jié)成為一體的土工合成材料。用途：軟基加固墊層、坡面防護(hù)、植草以及用作制造組合土工材料的基材。（3）土工網(wǎng)墊和土工格室定義：土工網(wǎng)墊和土工格室是都是由聚合物構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)聚合物。用途：防沖蝕和保土工程。（4）聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）

定義：是近年來發(fā)展起來的超輕型土工合成材料。特點(diǎn)：質(zhì)輕、耐熱、抗壓性能好、吸水率低、自立性好。用途：路基填料5．土工復(fù)合材料定義：將土工織物、土工膜、土工格柵和某些特種土工合成材料中的兩種或兩種以上組合起來。（1）復(fù)合土工膜定義：土工膜和土工織物按一定要求制成用途：防滲和加筋（2）土工復(fù)合排水材料定義：以不同形狀的土工合成材料芯材組成的排水材料。用途：軟基排水固結(jié)處理、路基縱橫排水、隧道排水等。圖4土工復(fù)合材料9.3土工合成材料的性能1.物理性能主要包括單位面積質(zhì)量、厚度、幅度和當(dāng)量孔徑等。（1）單位面積質(zhì)量定義：?jiǎn)挝幻娣e的土工合成材料在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的質(zhì)量。意義：是反映材料用量、生產(chǎn)均勻性以及質(zhì)量穩(wěn)定性的重要物理指標(biāo)。測(cè)試方法：稱量法

（2）厚度定義：土工合成材料在承受規(guī)定的壓力下正反兩面之間的距離。意義：它反映了材料的力學(xué)性能和水力性能。測(cè)試方法：千分尺直接測(cè)量。（3）幅度定義：是指整幅土工合成材料經(jīng)調(diào)濕，除去張力后，與長(zhǎng)度方向垂直的整幅寬度。意義：它反映了材料的有效使用面積。測(cè)試方法：鋼尺直接測(cè)量。（4）當(dāng)量孔徑定義：是指土工格柵、土工網(wǎng)等大孔徑的土工合成材料的網(wǎng)孔尺寸通過換算折合成與其面積相當(dāng)?shù)膱A形孔的孔徑。意義：它是檢驗(yàn)材料尺寸規(guī)格的主要物理指標(biāo)。測(cè)試方法：用游標(biāo)卡尺測(cè)量。公式：

De=

式中：De—當(dāng)量孔徑（mm）；

A—網(wǎng)孔面積（）。

2.力學(xué)性能主要包括拉伸性能、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力、刺破強(qiáng)力、穿透強(qiáng)力和摩擦性能等。（1）拉伸性能定義：是指材料抵抗拉伸斷裂的能力。意義：它是評(píng)價(jià)土工合成材料使用性能及工程設(shè)計(jì)計(jì)算的最基本技術(shù)指標(biāo)。測(cè)試方法：寬條拉伸試驗(yàn)、接頭/接縫寬條拉伸試驗(yàn)和條帶拉伸試驗(yàn)。（2）撕破強(qiáng)力定義：是指材料受荷載作用直至撕裂破壞時(shí)的極限破壞應(yīng)力。

意義：反映了土工合成材料抵抗擴(kuò)大破損裂口的能力，是評(píng)價(jià)土工織物和土工膜破損的擴(kuò)大程度難易的重要力學(xué)指標(biāo)。測(cè)試方法：梯形法圖5撕破強(qiáng)度梯形試樣示意圖（3）頂破強(qiáng)力定義：是指材料受頂壓荷載直至破裂時(shí)的最大頂壓力。意義：反映了土工合成材料抵抗各種法向靜態(tài)應(yīng)力的能力，是評(píng)價(jià)土工合成材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。測(cè)試方法：CBR頂破試驗(yàn)

圖6頂破試驗(yàn)示意圖

（4）刺破強(qiáng)力定義：是指材料受頂刺荷載直至破裂時(shí)的最大頂刺壓力。意義：反映了土工合成材料抵抗小面積集中荷載的能力，是評(píng)價(jià)土工合成材料強(qiáng)度的力學(xué)指標(biāo)。測(cè)試方法：刺破強(qiáng)力試驗(yàn)

1-試樣；2-環(huán)形夾具；3-Φ8mm平頭頂桿圖7刺破試驗(yàn)示意圖（5）穿透性能定義：是指土工合成材料抵抗片狀或針狀不規(guī)則物體穿透的能力。意義：反映了土工合成材料抵杭沖擊和穿透的能力，是評(píng)價(jià)土工織物抵抗銳利物體穿刺破壞的力學(xué)指標(biāo)。測(cè)試方法：落錐穿透試驗(yàn)圖8落錐穿刺試驗(yàn)（6）摩擦性能定義：是指土工合成材料表面具有一定的摩擦能力。意義：評(píng)價(jià)土工合成材料工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)測(cè)試方法：直剪摩擦試驗(yàn)（評(píng)價(jià)土工合成材料的摩擦特性）；拉拔摩擦試驗(yàn)（用于計(jì)算土工合成材料與現(xiàn)場(chǎng)土石材料的摩擦剪切強(qiáng)度）。3.水利性能主要包括垂直滲透性能、防滲性能和有效孔徑等。（1）垂直滲透性能定義：采用遲滯滲透系數(shù)和透水率表征，垂直滲透系數(shù)指在單位水力梯度下垂直于土工織物平面流動(dòng)水的流速。意義：用于土工合成材料的反濾設(shè)計(jì)，以確定其滲透性能。測(cè)試方法：采用恒水頭法測(cè)定（2）防滲性能定義：是指土工膜及其復(fù)合材料抵抗水流滲入的能力。意義：是重要的水利性能指標(biāo)，對(duì)材料的使用壽命和工程質(zhì)量有重要影響。測(cè)試方法：采用耐靜水壓試驗(yàn)測(cè)定（3）有效孔徑定義：能有效通過土工織物的近似最大顆粒直徑。意義：是評(píng)價(jià)材料阻止土顆粒通過能力的重要水力學(xué)指標(biāo)，測(cè)試方法：干篩法

3.耐久性能是指土工合成材料抵抗自然因素長(zhǎng)期作用而其技術(shù)性能不發(fā)生大幅度衰退的能力，主要包括抗氧化性、抗酸堿性能和抗紫外線性能等。（1）抗氧化性能定義：是指土工合成材料抵抗與氧氣氧化的性能。意義：是反映土工合成材料耐久性能的最重要指標(biāo)之一。測(cè)試方法：抗氧化性試驗(yàn)（適用于除土工膜外的以聚丙烯和聚乙烯為原料的各類土工合成材料）（2）抗酸堿性能定義：是指土工合成材料抵抗酸、堿溶液侵蝕的能力。測(cè)試方法：采用無機(jī)酸（堿）浸泡試驗(yàn)測(cè)定（3）抗紫外線性能定義：是指土工合成材料抵抗自然光照等老化因素而其性能不發(fā)生大幅度衰退的能力。測(cè)試方法：主要采用弧燈法、熒光紫外燈法進(jìn)行測(cè)定。9.4土木合成材料的應(yīng)用

依據(jù)在工程中的不同功用，土工合成材料的選用原則及技術(shù)要求也不相同：1）加筋作用定義：是指土工合成材料可以有效地分布土體的應(yīng)力，增加土體的模量，傳遞拉應(yīng)力，限制土體側(cè)向位移增加土體和其他材料之間的摩擦阻力，以提高土體及有關(guān)構(gòu)筑物的穩(wěn)定性的能力。選用要求：用于加筋宜選用強(qiáng)度高、變形小、糙度大的土工格柵；所選用的土工合成材料用具有足夠的抗拉強(qiáng)度，對(duì)于土工織物，還應(yīng)具有較高的刺破強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度和握持強(qiáng)度。2）隔離作用3）排水作用針刺無紡?fù)凉た椢锘驈?fù)合型土工織物都有這種功能。4）反濾作用有紡織物和無紡織物都有這種功能。如土壩下游堆石棱體上游側(cè)的反濾層即可用土工織物取代。5）防護(hù)作用利用土工合成材料保護(hù)堤防、水壩或海塘的邊坡，以免遭到因風(fēng)浪等襲擊所導(dǎo)致的破壞。6）防滲作用主要是利用土工薄膜阻裁流過土體的滲透水流。7）減載作用這是指利用泡沫塑料取代常規(guī)的回填土，以減輕下部結(jié)構(gòu)或土體所承受的荷載。土木工程合成材料在公路工程中的應(yīng)用：1）路基加筋當(dāng)路基穩(wěn)定性不足、需要構(gòu)筑陡坡以減少占地，以及對(duì)路堤邊坡進(jìn)行修復(fù)加固、道路加寬、增強(qiáng)重力式擋土墻的穩(wěn)定性時(shí)，可采用土工合成材料進(jìn)行加筋。應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)勘查、室內(nèi)外試驗(yàn)，獲得相關(guān)基礎(chǔ)資料，根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)與環(huán)境條件、填料特性、材料的耐久性、工程造價(jià)等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定路基加筋方案。2）路基防排水過濾宜采用無紡?fù)凉た椢?，排水可選用排水板（帶）、透水軟管、透水硬管、長(zhǎng)絲熱粘排水體或其他土工合成材料，防滲可選用土工膜、復(fù)合土工膜、土工織物膨潤(rùn)土墊（GCL）及復(fù)合防水材料等。土木工程合成材料在公路工程中的應(yīng)用：3）路基防護(hù)土工合成材料坡面防護(hù)可采用三維土工網(wǎng)、平面土工網(wǎng)、土工格柵、土工格室、植生袋。沿河和庫(kù)海岸路基沖刷防護(hù)可采用土工織物軟體沉排、土工膜袋等。土工格柵噴射混凝土坡面防護(hù)可用于低等級(jí)公路邊坡防護(hù)。4）路基不均勻沉降防治路基填挖交界處、高填方路堤與陡坡路堤、軟土地基路堤、軟土地基不同處理方式交界處、改擴(kuò)建公路新老路基結(jié)合處，以及路基與橋臺(tái)構(gòu)造物結(jié)合處等路段，可采用土工合成材料防治路基不均勻沉降。土木工程合成材料在公路工程中的應(yīng)用：5）

防沙固沙土工合成材料可用于沙漠地區(qū)公路路基整體穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定與防護(hù)、線外固沙。當(dāng)使用風(fēng)積沙填筑的路堤高度大于1m時(shí)，可采用將土工合成材料鋪設(shè)于沙基內(nèi)或沙質(zhì)路床頂部的措施，提高路基整體穩(wěn)定性。對(duì)使用風(fēng)積沙填筑路堤的路段，存在風(fēng)蝕、水蝕時(shí)，可采用土工合成材料穩(wěn)定路基、防護(hù)邊坡。當(dāng)公路周邊缺少常規(guī)線外固沙材料時(shí)，可將土工合成材料用于線外固沙工程。本章知識(shí)歸納（I）1.土工合成材料是應(yīng)用于巖土工程中合成材料的統(tǒng)稱，主要有土工織物、土工格柵、土工薄膜、土工帶等20多種類型。2.由拉伸試驗(yàn)所得到的土工織物的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通常是非線性的，因此其拉伸模量往往也是指在某一應(yīng)力（或應(yīng)變）范圍內(nèi)的模量值。3.水力學(xué)特性是指能借以措述土工織物阻止土料顆粒隨滲水流失的能力，以及土工織物透水能力的有關(guān)指標(biāo)，包括孔隙率、開孔面積率、孔徑和滲透特性等。4.土工織物的耐久性包括很多方面，主要是指對(duì)紫外線輻射、溫度的變化、化學(xué)侵蝕、干濕變化、凍融變化和機(jī)械磨損等外界因素的抗御能力。這些性能與聚合物的類型及添加劑的性質(zhì)有關(guān)。本章知識(shí)歸納（II）5.土工薄膜的主要作用就是防滲，包括防止水流、水汽、