土工聚合物

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摘要土工聚合物在工程界的广泛应用虽然已有三四十年的时间,但至今国内外对其的技术名称也未得到统一。有的称土工聚合物、土工合成材料(geosythetics)、土工织物(geotextile)等;另对特定的产品,还有专用名称,如土工网(geoweb)、土工格栅(geogrid)和土工垫(...

土工聚合物

土工聚合物在工程界的广泛应用虽然已有三四十年的时间,但至今国内外对其的技术名称也未得到统一。有的称土工聚合物、土工合成材料(geosythetics)、土工织物(geotextile)等;另对特定的产品,还有专用名称,如土工网(geoweb)、土工格栅(geogrid)和土工垫(geomat)等。由于这些土工制品的原材料都是由聚酰胺纤维(尼龙)、聚酯纤维(涤纶)、聚丙烯腈(腈纶)和聚丙烯纤维(丙纶)等高分子聚合物经加工而合成的,所以采用“土工聚合物”作为其技术总称。

土工聚合物类型

土工聚合物包括各种土工纤维(土工织物)、土工膜、土工格栅、土工垫以及各种组合型的复合聚合材料,其产品根据加工制造的不同,可以分为以下几种类型:

(1)有纺型土工织物(woven geotoxtile)。这种土工织物是由相互正交的纤维织成,与通常的棉毛织品相似,其特点是孔径均匀、沿经纬线方向强度大,拉断的延伸率较低。

(2)无纺型土工织物(nonwoven geotextile)。该种土工织物中纤维(连续长丝)的排列是无规则的,与通常的毛毯相似。它一般多由连续生产线生产,制造时先将聚合物原料经过熔融挤压、喷丝、直接平铺成网,然后使网丝联结制成土工织物。联结的方法有热压、针刺和化学黏结等不同的处理方法。前两种方法制成的产品又分别称无纺热黏型和无纺针刺型土工织物。

(3)编织型土工织物(knitted geotextile)。这种土工织物由单股或多股线带编织而成,与通常编制的毛衣相似。

(4)组合型土工织物(composite geotextile)。由前三类组合而成的土工织物。

(5)土工膜(geomembranes)。在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜。

(6)土工垫(geomat)。由粗硬的纤维丝黏接而成。

(7)土工格栅(geogrid)。由聚乙烯或聚丙烯板通过单向或双向拉伸扩孔制成,孔格尺寸为10~100mm的圆形、椭圆形、方形或长方形。

(8)土工网(geonet)。由挤出的1~5mm塑料股线制成。

(9)土工塑料排水板。为一种复合型土工聚合物,由芯板和透水滤布两部分组成。滤布包裹在芯板外面,在其间形成纵向排水沟槽。

(10)土工复合材料。由两种或两种以上土工产品组成的复合材料,如土工塑料排水带。

土工聚合物性能

土工聚合物产品的性能指标主要包括以下几个方面:

1)产品形态。材质及制造方法、宽度、每卷的直径及重量。

2)物理性质。单位面积质量、厚度、开孔尺寸及均匀性。

3)力学性质。抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、穿透强度、顶破强度、疲劳强度、蠕变性及聚合物与土体间的摩擦系数等。

4)水理性质。垂直向和水平向的透水性。

5)耐久性。抗老化、抗化学、抗生物侵蚀性、抗磨性、抗温度、抗冻融及干湿变化性能。

土工聚合物产品因制造方法和用途不一,选用时宽度和重量的变化甚大。其宽度为1~18m;质量从0.1~1.0kg/m2或更大;开孔尺寸(等效孔径)也不相同,无纺型土工织物为0.05~0.5mm,编织型0.1~1.0mm,土工垫为5~10mm,土工格栅及土工网为5~100mm。导水性也有差异,大部分编织与热黏型无纺土工聚合物很小,而土工塑料排水带为10-4~10-1m2/s。抗拉强度:大部分常用的无纺型土工织物为10~30kN/m(高强度的为30~100kN/m);最常用的编织型土工织物为20~50kN/m(高强度的为50~100kN/m);土工格栅30~200kN/m(高强度的为200~400kN/m)。

不同类型的土工织物的拉应力和拉应变关系变化差异很大。土工聚合物的性能与其使用范围密切相关。

土工聚合物作用

土工聚合物在工程上的应用,主要表现在四个方面:排水作用、隔离作用、反滤作用和加固补强作用。

(1)排水作用。某些具有一定厚度的土工聚合物具有良好的三维透水特性。利用这种特性,它除了可作透水反滤外,还可使水经过土工纤维的平面迅速沿水平方向排走,而且不会堵塞,构成水平的排水层。它还可以与其他材料(如粗粒料、排水管、塑料排水板等)共同构成排水系统或深层排水井。此外,还有专门用于排水的土工聚合材料。

土工聚合物的排水效果,取决于其在相应的受力条件下导水度(导水度等于水平向渗透系数与其厚度的乘积)的大小,及其所需的排水量和所接触的土层的土质条件。

(2)隔离作用。土工聚合物可以设置在两种不同的土质或材料、或者土与其他材料之间,将它们相互隔离开来,可以避免不同材料的混杂而产生不良效果,并且依靠其优质的特性以适应受力、变形和各种环境变化的影响而不破损。这样,将土工聚合物用于受力结构体系中,必将有助于保证结构的状态和设计功能。在铁路工程中使用土工聚合物,可以保持轨道的稳定,减少养路费用;将其用于道路工程中,可防止路堤翻浆冒泥;用于材料的储存和堆放,可以避免材料的损失和劣化,而且对于废料还有助于防止污染等。

作为隔离作用的土工聚合物,其渗透性应大于所隔离土的渗透性并不被其堵塞。在承受动荷载作用时,土工聚合物还应具备足够的耐磨性。当被隔离的材料或土层间无水流作用时,也可以使用不透水的土工膜作隔离材料。

(3)反滤作用。在有渗流的情况下,利用一定规格的土工聚合物铺设在被保护的土上,可以起到与一般砂砾反滤层同样的作用,即容许水流畅通而同时又阻止土粒移动,从而防止发生流土、管涌和堵塞。

多数土工聚合物在单向渗流的情况下,在紧贴土工聚合物的土体中,发生细颗粒逐渐向滤层移动,自然形成一个反滤带和骨架网,阻止土粒的继续流失,最后土工聚合物与相邻接触部分土层共同形成了一完整的反滤系统。将土工聚合物铺放在上游面块石护坡下面,起反滤和隔离作用,也可将其置于下游排水体周围起反滤作用,或者铺放在均匀土坝的坝体内,起竖向排水作用,这样可以有效地降低均质坝坝体浸润线,提高下游坡坝的稳定性。具有这种排水作用的土工聚合物,在其平面方向需要有较大的渗透系数。

(4)加固补强作用。利用土工聚合物的高强度和韧性等力学性质,可以分散荷载,增大土体的刚度模量以改善土体;或作为加筋材料构成加筋土以及各种复合土工结构。

1)土工聚合物用于加固补强地基。当地基可能产生冲切剪切破坏时,铺设的土工聚合物将阻止地基中剪切破坏面的产生,从而使地基的承载力提高。

当很软的地基可能产生很大的变形时,铺设的土工聚合物可以阻止软土的侧向挤出,从而减少侧向变形,增大地基的稳定性。在沼泽地、泥炭土和软黏土上建造临时道路,是土工聚合物最重要的用途之一。

2)土工聚合物用作加筋材料。土工聚合物用作土体加筋时,其作用与其他筋材的加筋土相似,通过土与加筋之间的摩擦力使之成为一个整体,提供锚固力保证支挡建筑物的稳定。但土工聚合物是相对柔性的加筋材料。

土工聚合物用于加筋,一般要求有一定的刚度。土工格栅能很好地与土相结合,是一种良好的加筋材料,与金属筋材相比,土工聚合物不会因腐蚀而失效,在桥台、挡墙、护岸、码头支挡建筑物中均得到了成功的应用。

需要注意的是,在实际工程中应用的土工聚合物,不论作用的主次,总是以上几种作用的综合,隔离作用不一定伴随过滤作用,但过滤作用经常伴随隔离作用。因而,在设计选料时,应根据不同工程应用对象综合考虑对土工聚合物作用的要求。

土工聚合物施工

土工聚合物的施工方法:

(1)铺设土工聚合物时应注意均匀和平整;在护岸工程坡面上施工时,上坡段土工聚合物应搭接在下坡段土工聚合物之上;在斜坡上施工应保持一定的松紧度。用于反滤层时,要求保证土工聚合物的连续性,不出现扭曲、褶皱和重叠现象。

(2)不要在土工聚合物的局部地方施加过重的局部应力。不能抛掷块石来保护土工聚合物,只能轻铺块石,最好在土工聚合物上先铺一层保护砂层。

(3)土工聚合物的端部应先铺填,中间后填,端部锚固必须精心施工。

(4)第一层铺垫层厚度应在0.5m以下,但不能让推土机的刮土板损坏已铺填的土工聚合物,如遇任何情况下土工聚合物损坏,应立即予以修补。

(5)在土工聚合物的存放和施工过程中,应尽量避免长时间的暴晒,促使材料劣化。

土工聚合物在国外的研究和应用比较广泛,相比之下,国内在这方面所做的工作则显得很不足。所以,我们既不能否定这种新材料的应用价值,也不能盲目地简单对待。而是要坚持通过正常的发展程序,对土工聚合物用量较大的,尤其是对于重要的或大型的岩土工程,应用时必须重视系统研究和通过典型试点仔细地进行观测试验,不断总结经验,逐步提高分析计算的理论水平和制定必要的选料,设计和施工所需性能指标的试验方法,建立土工聚合物在各种不同用途中的技术规范和标准。制造商应与应用者协同合作,共同开发适用于各种不同用途的土工聚合物系列产品,特别应重视开发和研究土工聚合物复合材料新产品,避免由于产品的规格或性能不适应而造成其工程应用的失败或经济损失,危害土工聚合物应用技术的提高和推广。

土工聚合物连接

土工聚合物是按照一定规格的面积和长度在工厂进行定型生产的商品成品,因此,这些材料运输到现场后必须进行连接,可采用搭接、缝合、胶结或U形钉钉接等方法连接起来。

(1)搭接法。搭接长度一般在0.3~1.0m之间。坚固和水平的路基一般取小值;软弱的和不平的地面则需要取大值。在搭接处应尽量避免受力,以防土工聚合物移动。此法施工简便,但用料较多。

(2)缝合法。用移动式缝合机将尼龙或涤纶线面对面缝合,缝合处的强度一般可达纤维强度的80%,缝合法施工费时,但可节省材料。

(3)胶结法。采用合适的胶黏剂将两块土工聚合物胶结在一起,最少的搭接长度为100mm,胶结时间为2h。其接缝处的强度与土工织物的原强度相同。

(4)U形钉钉接法。用U形钉连接时,其强度低于缝合法和胶结法。

土工聚合物优缺点

综上所述,可以得知土工聚合物的优点是:质地柔软、重量轻、整体连续性好、施工方便、抗拉强度高、耐腐蚀和抗微生物侵蚀性好、无纺型的当量直径小和反滤性能好。其缺点是:同其原材料一样,未经特殊处理,则土工聚合物抗紫外线能力低,但如果在其上覆盖黏性土或砂石等物,其强度的降低是不大的。另外,聚合物中以聚酯纤维和聚丙烯腈纤维耐紫外线辐射能力和耐自然老化性能为最好。由聚乙烯、聚丙烯原材料制成的土工聚合物,在受保护的条件下,其老化时间可达50年(聚酰胺为10~20年),甚至可达更长年限(如100年)。

土工聚合物发展史

土工聚合物(geopolymer)是20世纪60年代末兴起的一种化学纤维品用于岩土工程领域的新型建筑材料,是由聚合物形成的纤维制品的总称。它的用途极为广泛,可用于排水、隔离、反滤和加筋等工程方面。早在20世纪30年代,土工聚合物已经开始应用于土建工程。1958年,美国首先将其应用于护岸工程。1970年,法国开创了土石坝工程中使用土工聚合物的先例,并促使土工聚合物快速发展起来。最近30多年土工聚合物发展速度加快,尤其以北美、西欧和日本为最快。1977年,在法国巴黎举行的第一次国际土工织物会议上,J.P.Giroud把它命名为“土工织物”(geotextile),并于1986年在维也纳召开的第三届国际土工织物会议上将其称为“岩土工程的一场革命”。1983年,国际土力学与基础工程学会成立了土工织物技术委员会,并已经召开了多次国际土工织物会议。

我国在20世纪60年代中期开始使用土工聚合物。到80年代中期,土工聚合物在我国水利、铁路、公路、军工、港口、建筑、矿冶和电力等领域逐渐推广,并成立了全国范围内的土工合成材料技术协作网暨中国水力发电工程学会土工合成材料专业委员会,从1986年开始,每隔3年召开一次全国土工合成材料学术会议。

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 最后更新:2024-3-30