铁路路基施工中土工合成材料的应用Word下载.docx

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无纺土工织物代替粒状级配滤层应用于反滤排水工程中土工合成材料加筋挡土墙代替重力式挡土墙塑料排水带代替砂井土工膜用于防渗材料等。

在应用的初期最担心的是耐久性忽视铺放的位置认为铺土工合成材料总比不铺好。

而现在经验证明在土中耐久性是可以保证的相反土工合成材料铺放的位置不当或施工质量差会降低作用甚至适得其反。

土工合成材料的原材料是高分子聚合物。

它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成再进一步加工成纤维或合成材料片材最后制成各种产品。

制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯（PE）、聚酯（PER）、聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等。

通过长时间的使用探索人们发现材料的强度还与纤维的制作方法有关。

在应用土工合成材料时其性能更受施工方法、应用环境和侧限压力大小的影响。

例如内蒙古卓资山旗下营大黑河的护岸工程该工程采用聚丙烯编织布聚氯乙烯绳网和混凝土块组成整体沉排防止河床冲刷。

无纺织物作为隔离材料铁路部门首先应用于防治“翻浆冒泥”现象。

随后的几年铁路路基如：

张家口至集宁铁路、集宁至包头增建第二双线铁路还有地方专用线如西金铁路、东乌铁路等也都广泛的应用增加了路基的稳定性。

目前品种繁多的人工合成材料陆续问世它们可制成各种符合特定目的的产品而且由于其具有质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉料源丰富等优点为土木工程和铁路建设提供了一种崭新的较为理想的材料并由此带来一种实施简便和经济有效的技术途径。

土工合成材料是以合成材料为原材料制成的应用于岩土工程的各种产品的统称。

因为它们主要用于岩土工程故冠以“土工”两字称为土工合成材料以区别于天然材料。

近些年来土工合成材料在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的应用取得了良好的经济、社会和环境效应。

三、土工合成材料的种类

（一）土工织物

1、土工织物的种类

土工织物为透水性土工合成材料。

土工织物的制造一般要经过两个步骤：

首先把聚合物原料加工成丝、短纤维、纱或条带然后再制成平面结构的土工织物。

目前主要有有纺土工织物和无纺土工织物。

有纺土工织物由两组平行的呈正交或斜交的经线和纬线交织而成其主要缺点是沿经线和纬线的强度高而与经纬线斜交方向的强度低无纺土工织物是把纤维作定向的或随意的排列再经过加工而成按照联结纤维的方法不同可分为化学（粘结剂）联结、热力联结和机械联结三种。

其主要优点是强度没有显著的方向性对变形的适应性较大目前大部分企业使用的均属这种类型。

土工织物突出的优点是重量轻整体连续性好（可做成较大面积的整体）施工方便抗拉强度较高耐腐蚀和抗微生物侵蚀性好。

缺点是未经特殊处理则抗紫外线能力低如暴露在外受紫外线直接照射容易老化但如不直接暴露抗老化及耐久性能仍较高土工织物的性能与其聚合物原料、土工织物的种类及加工制造方法密切相关。

（二）、土工膜

土工膜是一种基本不透水的材料。

根据原材料不同可分为聚合物土工膜和沥青土工膜两大类。

为了适应工程应用中不同强度和变形的需要两类中又各有不加筋（单一或混合材料）和加筋或组合的类型。

聚合物膜在工厂制造沥青膜则大多在现场制造。

制造土工膜的聚合物有热塑塑料（如聚氯乙烯）、结晶热塑塑料（如高密度聚乙烯）、热塑弹性体（如氯化聚乙烯）和橡胶（如氯丁橡胶）等。

工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。

挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜厚0.25～4mm。

压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜厚0.25～2mm。

加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上待冷却后将土工膜揭下来而成。

现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。

沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。

制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂使在不改变材料基本特性的情况下改善其某些性能和降低成本。

例如掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力延缓老化；

掺入铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；

掺入滑石等润滑剂以改善材料可操作性；

掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。

对于沥青类土工膜其主要的掺入材料是一些填料或纤维。

填料可为细矿粉它能增加膜的强度且降低其成本；

加入纤维也是为提高膜的强度。

（三）、土工复合材料

土工织物、土工膜和某些特种土工合成材料以其两种或两种以上的土工材料互相结合起来成为土工复合材料。

土工复合材料可将不同构成材料的性质结合起来更好地满足具体工程的需要能起到多种功能的作用。

如复合土工膜将土工膜和土工织物按要求制成土工膜―土工织物组合物称复合土工膜。

土工膜主要用来防渗土工织物起加筋、排水和增加土工膜与土面之间的摩擦力的作用。

又如土工复合排水材料它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组成的排水材料用于软基排水固结处理、路基纵向横向排水、建筑地下排水管道、集水井、支挡建筑物的墙后排水、隧道排水、堤坝排水设施等。

不同的工程有不同的综合功能要求故土工复合材料的品种繁多可以说土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。

这里主要介绍复合土工膜和土工复合排水材料两类。

1复合土工膜

复合土工膜是用土工织物或其他材料与土工膜结合而成的不透水材料。

根据主要功能的不同复合土工膜可划分为加筋型土工膜和横向排水型土工膜两种。

（1）加筋型土工膜

加筋型土工膜具有较高的强度和模量以满足工程中防渗与受力的要求如氯丁橡胶土工膜和经编土工膜。

加筋土工膜的厚度：

聚合物有涂料的三层压延加筋土工膜厚0.75～1.5mm；

聚合物五层压延加筋土工膜厚1.0～1.5mm。

（2）横向排水型土工膜

横向排水型土工膜一般由无纺土工织物与土工膜复合而成常见的有“一布一膜”、“两布一膜”。

其中无纺土工织物不仅具有横向排水作用而且对土工膜起保护作用。

2土工复合排水材料

土工复合排水材料是薄型土工织物包裹不同材料制成的不同形状的芯材组合成的一种复合型排水产品。

这种产品克服了土工织物沿织物平面方向排水能力小的缺点可以沿产品芯材水平方向的排水通道通畅地排水而外包的土工织物作为滤层以阻止土颗粒进入排水通道。

复合排水带主要用于软土地基竖向排水固结处理等我国生产及工程上普遍采用的产品主要是塑料排水带。

复合排水板具有广泛的用途如路基纵向横向排水、支挡建筑物的墙后过滤排水、隧道衬砌后防排水、建筑物地下排水通道、堤坝排水设施等。

（1）塑料排水带

塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物（滤膜）而成。

芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。

芯板截面有多种型式常见的有城垛式、口琴式和乳头式等。

芯板起骨架作用截面形成的纵向沟槽供通水之用面滤膜多为涤纶无纺织物作用是滤土、透水。

塑料排水带的施工是利用插带机将其埋设在土层中的预定位置。

塑料带前端与锚靴相连用插带机导杆顶住锚靴插入土层中达到预定深度后拔出导杆但排水带仍留在预定位置在高出地面一定高度（0.5m左右）剪断排水带施工时可用静荷或动荷送杆静荷送杆对土层扰动小较为常用。

我国插带机的插入深度可达约25m入土速率可达6m/min。

排水带的平面分布间距可借理论计算确定一般为1～2m。

排水带插入软基后为排除土中的多余水量提供了捷径多余水可水平向通过带的滤膜进入芯板沟槽再向上由地表的透水料垫层排走。

排水带在公路、码头、水闸等软基加固工程中应用广泛以加速软土固结。

（2）软式排水管

软式排水管又称为渗水软管是由高强钢丝圈作为支撑体以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的。

高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理外包―层PVC材料使其与空气及水隔绝避免氧化生锈。

包裹材料有三层内层为透水层由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱特殊材料为纬纱制成；

中层为非织造土工织物过滤层；

外层为与内层材料相同的覆盖层。

为确保软式排水管的复合整体性支撑体和管壁外裹材料间以及外裹各层之间都采用了强力粘结剂粘合牢固。

软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能又有软水管的柔性和轻便特点过滤性强排水性好可用于各种排水工程中。

（四）土工特种材料

土工特种材料是为工程特定需要而生产的产品品种多现选择几种主要产品说明如下。

1土工格栅

土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材。

加热拉伸是让材料中的高分子定向排列以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。

按拉伸方向不同格栅分为单向拉伸（孔近矩形）和双向拉伸（孔近方形）两种。

前者在拉伸方向上有较高强度后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。

土工格栅的品种和规格很多目前开发的新品种有用加筋带纵横相连而成的也有用高强合成材料丝纵横连接而成的等等。

2土工网

土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。

可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。

一般而言土工网的抗拉强度都较低延伸率较高。

这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层或用于制造复合排水材料。

一般说来它只有在受力水平不高的场合才能用于加筋。

3、土工模袋

土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续状材料袋内充填混凝土或水泥砂浆凝固后形成整体混凝土板可用作护坡。

这种袋体代替了混凝土的浇注模板故而得名。

模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔可以控制填充时的厚度。

浇注在现场用高压泵进行。

混凝土或砂浆注入模袋后多余水量可从织物孔隙中排走故而降低了水分加快了凝固速度使强度增高。

按加工工艺的不同可将模袋分为两类即机织模袋和简易模袋。

前者是由工厂生产的定型产品而后者是用手工缝制而成的。

4、土工合成材料粘土垫层

土工合成材料粘土垫层是由两层或多层土工织物（或土工膜）中间夹一层膨润土粉末（或其他渗透性材料）以针刺（缝合或粘接）而成的―种复合材料。

它与压实粘土垫层相比具有体积小、质量轻、具柔性、密封性良好、抗剪强度较高、施工简便、适应不均匀沉降等优点可以代替―般的粘土密封层用于水利或土木工程中的防渗或密封设计。

国外大量用于废料坑的底部防渗衬砌和顶部封盖。

四、土工合成材料的工程特性

（一）物理特性

1、厚度

土工合成材料厚度用mm表示厚度变化对织物的孔隙率、透水性和过滤性等水力特性有很大的影响。

常用的各种土工合成材料的厚度是：

土工织物一般为0.1～5mm最厚的可达十几毫米；

土工膜一般为0.25～0.75mm最厚的可达2～4mm；

复合型材料有时采用较薄的土工膜最薄可达0.1mm；

土工格栅的厚度随部位的不同而异其肋厚一般由0.5mm至几十毫米。

有些材料在受压时厚度变化很大需规定在某固定压力下测定厚度。

一般规定此压力为2kPa。

根据工程需要还应测试在20kPa、200kPa压力下的系列厚度。

土工织物厚度可采用专门的厚度测试仪土工膜厚度可直接用千分尺测定―般要求加压面积为25cm2试样面积应大于加压面积的2倍加压时间30s试样不少于10块。

2、单位面积质量

单位面积质量为单位面积土工合成材料具有的质量它反映材料多方面的性能如抗拉强度、顶破强度等力学性能以及孔隙率、渗透性等水力学性能。

通常以g/m2表示是土工合成材料的主要物理性能之一。

土工织物和土工膜单位面积质量受原材料密度的影响同时受厚度、外加剂和含水量的影响常用的土工织物单位面积质量一般在50～1200g/m2的范围内。

测定单位面积质量采用秤量法试样面积为100cm2数量不得少于10块天平秤量读数应精确到0.01g（现场测试为0.1g）。

测试前要求试样在标准大气压下恒温（20±

2℃）恒湿（65%±

2%）24h。

（二）、力学特性

反映土工合成材料力学特性的指标主要有拉伸特性及抗拉强度、撕裂强度、顶破强度、刺破强度、穿透强度及握持强度等。

1、拉伸特性及抗拉强度

土工合成材料是柔性材料大多通过其抗拉强度来承受荷载以发挥工程作用因此抗拉强度及其应变是土工合成材料的主要特性指标。

土工合成材料的抗拉强度与测定时的试样宽度、形状、约束条件有关必须在标准规定的条件下测定。

土工织物在受力过程中厚度是变化的不易精确测定故其受力大小一般以单位宽度所承受的力来表示单位为kN/m或N/m而不是习惯上所用的单位面积的应力来表示。

目前测定抗拉强度基本上是沿用纺织品条带拉伸试验方法即把试样两端用夹具夹住以一定的速率施加荷载进行拉伸直到破坏测得试样自身断裂强度及变形并绘出应力―应变曲线。

目前条带拉伸试验的试样分宽条与窄条两种宽条试样宽200mm、长100mm宽长比B/L＝2；

窄条试样宽50mm、长100mm宽长比B/L=1/2。

试验机具应选择具有等速拉伸性能、能测读拉伸过程中拉力和伸长量或直接记录拉力―伸长关系曲线的拉力机同时要求试样的最大断裂力在满量程的10%～90%范围内。

国内规定拉伸速率为50mm/min。

目前关于土工合成材料的拉伸力学特性一般采用室内无侧限拉伸试验进行测试。

但现场埋设在填料中的土工筋材的力学特性因填料的约束作用而不同人们曾通过对不同宽带的试件进行拉伸试验以评价筋材受侧向约束的影响。

但更科学的是应将筋材埋在填料中进行测试。

此时的力学特性所受影响因素较多。

有约束的拉伸试验表明约束力将增加土工织物的抗拉强度和模量对于土工格网和土工格栅约束力的影响更为显著因为除了界面的摩擦阻力外筋材横肋所受拉伸方向的土压力还将约束其变形从而增大了模量。

2、握持强度

土工织物承受集中力的现象普遍存在握持强度是反映其分散集中力的能力。

握持强度试验选用的仪器一般与条带拉伸试验相同但试验方法不同。

握持强度试验是握持试样两端部分宽度而进行的一种拉力试验。

它的强度由两部分组成一部分为试样被握持宽度的抗拉强度；

一部分为相邻纤维提供的附加抗拉强度。

它与条带拉伸强度之间没有简单的对比关系。

由于各单位所采用的试样和夹具的尺寸不尽相同试验的难度也较大因此测得的成果相差很多。

一般不宜作为设计依据。

只可用作不同土工织物的抗拉强度的比较。

土工织物握持力一般为0.3～6.0kN。

3、撕裂强度

土工织物和土工膜在铺设和使用过程中常常会有不同程度的破损。

撕裂强度反映了试样抵抗扩大破损裂口的能力可评价不同土工织物和土工膜被扩大破损程度的难易是土工合成材料应用中的重要力学指标。

目前撕裂强度试验仍沿用纺织品标准测试方法。

常用的纺织品撕裂试验按试样形状分为梯形法、翼形法以及舌形法舌形法又分为单缝与双缝两种。

目前多采用梯形法测定土工膜及土工织物的撕裂强度这种试验从其加力方式看近似于张拉试验。

土工织物梯形撕裂强度值一般为0.15～30kN不加筋土工膜的梯形撕裂强度值一般为0.03～0.4kN。

4、顶破强度刺破强度及穿透强度

在工程应用中土工织物及土工膜常被置于两种不同粒径的材料之间受到粒料的顶破作用同样也将受到抛填粒料引起的法向荷载。

根据粒径大小形状、土工织物及土工膜接触面的受力特征和破坏形式的不同可分为顶破、刺破和穿透几种受力状态。

（1）顶破强度是反映土工织物及土工膜抵抗垂直织物平面的法向压力的能力。

顶破试验与刺破强度试验相比压力面积相对较大材料呈双向受力状态。

所用试验方法有液压胀破试验、圆球顶破试验和相CBR顶破试验。

（2）刺破强度是反映土工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载（如有棱角的石子或树枝等）的能力。

试验方法与圆球顶破试验相似只是以金属杆代替圆球。

（3）穿透强度可通过穿透试验测得这种试验是模拟工程施工中具有尖角的石块或其它锐利物落在土工织物或土工膜上的情况用穿透试验所得孔眼的大小评价土工织物或土工膜抵御穿透的能力。

（三）、水力学特性

由于土工织物、细孔土工网等土工合成材料可以使水及空气自由地通过并能有效地截留和控制土颗粒的流失因此被广泛他用作排水和过滤材料。

为此必须研究其水力学特性其主要包括两方面：

―是透水与导水能力；

二是阻止颗粒流失的能力。

这些特性涉及到土工合成材料的孔隙率、孔径大小与分布情况、渗透特性等。

土工织物的渗透特性是其重要水力学特性之一。

在过滤标准及其它有关水力学中是一项不可缺少的重要指标。

根据工程的需要通常要确定垂直于织物平面的渗透特性和平行于织物平面的渗透特性。

垂直于织物平面的渗透特性主要用垂直渗透系数表示。

该系数是渗流的水力梯度等于1时的渗流速度一般服从达西定律土工织物的渗透系数约为～cm/s其中无纺织物的渗透系数为～cm/s。

使用土工膜的目的在于防渗它可以阻挡水、水气、气体及有害物质（例如甲醇、丙酮和二甲苯等）的渗透。

土工膜在水压力作用下产生渗流的原因是由于制造时的不均匀性和缺陷等因素所造成的有些细微的通道则是在一定的水压力下被水冲破而形成的温度变化引起水体积变化土工膜的渗透系数愈小温度对试验结果的影响愈大。

（四）、耐久性

土工合成材料的耐久性包括许多方面主要是指对紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、干湿变化、冻融变化和机械磨损等外界因素变化的抵御能力材料的耐久性主要与聚合物的类型及添加剂的性质有关。

土工合成材料的老化现象主要是因为高分子聚合物具有链节结构受外界因素的影响发生降解反应或交联反应的结果。

使材料老化的各种因素中阳光辐射起着最重要的作用。

紫外线具有很大的能量能够切断许多聚合物的分子链或者引发光氧化反应。

其试验方法主要有自然老化和人工老化两大类近几年采用了一系列措施以增加聚合物的抗老化能力并取得了很好的效果。

添加防老化剂、方法简便效果显著是当前防老化的主要途径。

土工合成材料在有覆盖的情况下（或埋在土中）老化速度缓慢。

聚合物对化学腐蚀一般具有较高的抵抗能力但某些特殊的化学药剂或废品对聚合物有腐蚀作用。

因而利用土工合成材料（土工膜）作污水或废物存储池的防渗材料时对其化学稳定性要认真对待。

土工合成材料在铺设过程中易受损伤且不易被发现国外试验研究发现埋在土中的织物老化主要是由于机械伤引起的铺设造成的孔洞是使材料强度降低的主要因素。

孔洞数愈多原始强度降低得愈多。

在高温条件下合成材料将发生熔融现象。

有时温度虽未达到融点聚合物分子结构也可能发生变化影响材料的弹性模量和强度。

有些聚合物在特别低的温度下也使柔性降低、质地变脆影响其力学特性给施工及接缝造成困难。

此外干湿度和冻融变化可能使一部分空气或冰屑存在织物内部影响其渗透特性。

五、土工合成材料的功能

土工合成材料具有多方面的功能一种土工合成材料往往就兼有数种功能。

随着土工复合材料的发展所兼有的功能就更多。

总的说来土工合成材料的主要功能可归纳为六类即过滤作用、排水作用、隔离作用、防渗作用、防护作用以及加筋作用。

1过滤作用

把土工织物置于土体表面或相邻土层之间可以有效地阻止土颗粒通过。

从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。

同时允许土中的水或气体通过织物自由排出以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。

土工织物可适用于土石坝粘土心墙或粘土斜墙的滤层土石坝或堤坝内的各种排水体的滤层储灰坝或尾矿坝的初期坝上游坝面的滤层。

堤、坝、河、渠及海岸块石或混凝土护坡的滤层水闸下游护坡下部的滤层挡土墙回填土中排水系统的滤层排水暗道周边或碎石排水暗沟周边的滤层水利工程中水井、减压井或测压管的滤层等。

2排水作用

有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道把土中的水分汇集起来沿着材料的平面排出体外。

较厚的针刺型无纺织物和某些具有较多孔隙的复合型土工合成材料都可以起排水作用。

它们可适用于土坝内垂直或水平排水土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水。

埋入土体中消散孔隙水压力软基处理中垂直排水挡土墙后面的排水各种建筑物后面的排水排除隧洞周边渗水、减轻周边所承受的外水压力人工填土地基或运动场地基的排水等。

3.隔离作用

隔离是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料使它们不互相混杂。

例如将碎石和细粒土隔离软土和填土之间隔离等等。

隔离可以为工程带来许多预期的良好效应举例说明如下：

（1）通过隔离层引起应力扩散作用使地基土的沉降量得到一定程度的均化。

（2）隔离提供排水面加速地基土固结使承载力提高。

（3）隔离层起整体性作用可使要求的地基粗粒料支持层的厚度减少节约建筑材料。

（4）地基中有部分软弱区域或有小范围洞穴铺隔离层有架桥作用以掩盖和减弱洞穴区或软弱区的影响。

（5）在地下水位较高的地