[12-11 16:59:29] 来源：http://www.tmgc8.com 市政工程 阅读：3845次
1. 前言土工聚合物以原料来源丰富、用途广泛、质轻、强度高、耐腐蚀、吸水性小等突出的优越性能,得以被土木工程界大量使用。
土工聚合物是从石油提炼制成的高分子化合物,通常采用聚丙烯、聚脂、聚酰胺、聚乙烯等一种或多种材料混合而成。
加筋土中所采用的筋材有工程塑料带、复合工程塑料带、土工布、土工网和土工格栅等土工聚合物加筋材料,而应用于支挡结构物中的加筋主要为工程塑料带以及土工网格。本文将对土工聚合物筋材在加筋土工程应用中的若干问题作一讨论。
2. 土工聚合物在加筋土工程中的应用种类及特性
2.1 工程塑料带。
我国近千座的加筋土支挡结构物中应用该种筋带的约占75~80%,这种塑料带是宽10~25mm厚0.8~1.4mm的表面具有凹凸形状的筋带,主要材料为聚丙烯,在拉伸速度低时,断裂强度高,但伸长率大,反之拉伸速度高,伸长率小,断裂强度低。它具有良好的耐弯曲疲劳性。由于聚丙烯是高分子量和结构的关系,因而比低分子材料具有较大的蠕变效应和较长的蠕变性能。由于化学结构的关系,该种筋带最严重的缺点就是在加工和使用过程中易受光、热、氧的作用,而使材料老化。
2.2 复合工程塑料带。
目前国内有两种复合带,一种为高强度钢丝,另一种为高强度的玻璃纤维。拉力均由上述材料承担。加工工艺是按要求将抗拉材料均匀排列,外部包裹聚乙烯或聚丙烯烃,这些材料克服了未经拉伸的聚丙烯包裹易开裂的弊端,表面并延压成规则的纹路,使之外形成扁平状,与填土产生摩擦作用,如此断裂伸长率将大为缩小,因而设计取值亦将随之提高,目前生产的规格大都为宽25~50mm厚2~3mm。但目前钢丝或玻璃纤维与外包高分子材料之间握裹强度尚未彻底解决,因而其设计取值尚应留有足够的安全度。
2.3 土工织物。
土工织物按其制造主要有编型、织型、无纺型、组合型土工纤维,无纺产品是将高分子化合物挤拉在纤维,然后用机械或加热处理以及化学粘结等,将纤维混合成一平整的毯子状织物,因其分子在加工过程中未经拉伸,纤维呈无规则的排列,故抗拉强度一般均较低,延伸率也较高,因而,一般用作排水、反滤等,很少单一用作加筋。有纺土工织物一般是由相互交错的纤维经编或织而成,应用于加筋中的有纺土工织物大都是多纤维编织物。组合型土工织物是由两种或两种以上的土工织物组合而成,如有纺织物与无纺织物的组合,有纺或无纺与土工薄膜的组合等。目前用于岩土工程的加筋、大多是用多纤维编织物的组合型土工纤维,它具有较高的抗拉强度,较低的延伸率和良好的与土的摩擦结合的性能。
2.4 土工网。
土工网又叫挤出网,是采用热塑挤压、生产出整体的聚合物的网,它改变了编型、织型、无纺、组合型的生产工艺。土工网的生产工艺是将原料按比例要求配好,经过挤塑机在温控加热的条件下,由挤塑机挤出至一特制的旋转模头内经挤压、热粘合、冷却产生各种不同孔眼大小及形状的系列网格,产品多为宽幅不等的卷材。该网1977年开始应用于土木工程。
2.5 土工格栅。
土工格栅又叫拉伸网,其生产工艺比较复杂,精度要求高,拉伸网又可分为单向及双向拉伸网,该种网是按高分子聚合物的特性,经定向拉伸后其分子链定向排列,因而提高了聚合物的抗拉强度。拉伸网具有较高的抗拉强度,因而在使用原料的用量上不足一般挤出网用量的一半,且拉伸网的抗拉强度却是挤出网的10倍甚至更高。一般抗拉强度达12~110KN/m。因而两种网格力学指标悬殊较大,所以拉伸网在土木工程中的适应情况远较挤出网的使用范围广泛,且拉伸网并有按强度要求及工程类别不同生产的系列产品,以满足各种构件受力大小的需要。 3. 土工聚合物在加筋土工程中的应用范围
土工聚合物在加筋土工程中的应用是相当广泛的,可用在公路的路面中作为加强材料,以增加其强度,达到减小路面的厚度和避免车辙的产生和裂缝的开展。可用于铁路公路方面的基床部分,使其受力均匀,起到扩散和防止路基基床病害的产生。当用在填方地段边坡时,可使坡度变陡,坡面得以加固,以防止边坡溜坍,提高其稳定性,可以用在加筋土挡墙中的拉筋,使之坡面直立,以节省用地和降低造价,可以用在道路工程、堤坝、机场跑道等的软土地基处理,以提高软土的强度,增大临界高度,加速填土速率和改善局部沉降的作用,当地基极软时,可将网格立起,组合成一格状,内填片石等,使之成一刚性的堤坝,产生垂直沉落,避免地基和横向剪切破坏。还可用于滑坡整治的支挡防护等工程上。在水利工程方面可组成石笼作坡面防护及加固,以防止冲刷,修筑导流堤及丁坝等。同时还可以应用于地下工程中的喷锚支护中,作为挂网材料,以减少衬砌厚度降低造价。同时还可以作成三维网,应用于坡面植草加固,绿化环境等。总之土工聚合物在加筋土工程中的应用是相当广泛的。www.tmgc8.com
4. 土工聚合物应用于加筋土工程中的几个问题
土工聚合物应用于加筋土工程中的种类较多,但用作加筋材料,弥补土壤承受抗拉强度低的缺陷,而改变土的性质,增强土体抗剪能力的筋材使用的品种主要有工程塑料带、土工织物、土工网及土工格栅数种,有关各自的特性,前面已作了介绍,为此在应用中可考虑其综合因素,结合工程特征,并按各自工程的有关设计方法加以选用。以下将就一些设计施工中值得注意的几个问题加以讨论。
4.1 有关设计强度的选择。
由于土工聚合物应用于加筋土工程中种类较多,且各有其使用条件,因而设计强度的取值亦各异。
(1)土工织物:目前我国对土工织物的应用,大都是在路基基床及软土地基上的加固方面,以阻止地基土的侧向剪切破坏,虽然土工织物具有较大的伸长率,能适应变形,由于土工织物是将上下土隔离,因此尚需考虑顶破与穿刺力,当用于道床与路基土隔离时,可取3左右的安全系数,而铺设在土堤下碎石或砂上时,安全系数可取1.5~2.0之间。
(2)工程塑料带及复合工程塑料带:工程塑料带虽然具有较大的抗拉强度,但因变形及蠕变均较大,不能满足结构的变形要求,为此其设计应力取值将应以变形值控制,结合加筋土支挡结构的允许变形一般在3%左右以内,按工程塑料带的蠕变特性曲线,相应于变形为3%时,其强度约为极限强度的1/5~1/7。目前我国使用该种拉筋建造的挡墙,部分由于设计允许拉力取值不当,致使建成的挡墙变形较大,影响美观。故建议应按其蠕变特性取值。复合工程塑料带中的受拉材料,由于采用了变形及蠕变均较小的材料,但断裂强度仍达120~200MPa,且断裂伸长率通常在1.4~3%之间,远较聚丙烯工程塑料带10~25%的变形量为小,因而设计时可取较高的抗拉强度,以节省筋带的用量,但目前高强度钢丝或玻璃纤维与外包的聚丙烯烃间的握裹强度尚未彻底解决好,为安全计,因此设计取值的安全系数建议取1/3的断裂强度。
(3)土工网与土工格栅:土工网与土工格栅都是具有一定空格带肋的网,因其具有较大的孔洞,所以孔洞上下之间的土壤颗粒可以直接接触,因而筋与土之间和作用机理除表面产生的摩擦外,尚存在着上下土壤间的剪切,即土体本身的剪切。因具有网肋,故在加筋肋的接点处承载面上要受到土压力,土压力的产生必须在土和加筋的支承面间有相对位移,这意味着网格孔眼内的土必须相对于网格移动,由于上半部与下半部是向相反的方向而产生的剪力,所以承载应力能与网格的承载部分相平衡。由上述简单机理叙述可以看出加筋后复合体的强度与填土的性质关系密切,而填土的颗粒大小影响到网格的损害程度,粗颗粒较细粒填土对网格施工的损坏程度较大,因此土工网与土工格栅的设计应力取值除根据建筑物的重要性及土的性质,网格形状等因素外,尚应按颗粒大小因素综合考虑,可取1/5~1/7作为设计容许应力。
4.2 筋带与土之间的摩擦系数的取值。
加筋土的筋带按使用位置不同,受力状态也各异,而在加筋土支挡结构中,挡墙的内部稳定性是靠填土的重量压在拉筋上所产生的摩擦力而使结构稳定的,因而摩擦系数是设计的重要参数,根据过去的现场及室内的拉拔试验,影响总抗力因素除与筋材的形状、填土的类型与填土密度以及拉筋上部法向力有关之外,通常尚有粘着及咬合力,而粘着及咬合力是不随筋带埋深而变化的常量,在总抗拔力中所占的比例随墙的增高而迅速降低,在工程实践中,挡墙通常都有一定的高度,因此在设计计算中为了简化计算和偏于安全,通常仅按一个综合摩擦系数来计算抗拔力。在实际应用中当采用工程塑料带拉筋时一般摩擦系数取0.3~0.5之间,而使用土工网格时,因咬合及接点处的承载作用,可以适当的提高0.1~0.2。
4.3 填料的选择与要求。
根据土工聚合物所使用的原料物理力学特性,大都具有良好的化学稳定性,它几乎对酸碱盐的溶液大部分无破坏作用,因而对一般的填料通常是可以适用的。另方面由于加筋土工程的筋材均埋于土中,土体温差不大,且细菌对土工聚合物也不起作用。但腐植质对聚丙烯却有害,因为腐植质在腐化过程中将产生热量,且堆放时间过长,温度升高,有时将有自燃的可能,而聚丙烯有慢燃的特性,因而填料是绝对禁止使用生活垃圾的。另方面填料不应使用带有棱角的片石,以免将加筋材料顶破或划破,所以在与筋材接触处换填较细颗粒填料,以保护筋材的完整性。
4.4 运输及保管。
由于土工聚合物易老化,而影响老化危害最大的就是紫外线的照射,我们知道阳光中就存在着大量的这种不可见光,虽然用于加筋土的土工聚合物加筋材料中大都加有抗紫外线的吸收剂或屏蔽剂,以防老化,但在运输及保管使用过程中仍需特别注意,这一问题往往极易被人所忽视,使产品长期暴露于大气之中,致使老化过程加速,强度降低,工程质量下降。为此产品应有外包装,运输或使用过程中应防止破损,拆包后应迅速使用,并尽快的上覆填土,缩短日光照射时间,保管过程中不可置于户外,应有遮避等措施。www.tmgc8.com
4.5 施工中的注意事项。
土工聚合物用于加筋土工程中时,设计时均有固定的位置,为此应按设计要求,并应将加筋材料拉紧,以保证没有松弛,减少施工中的变形。
当一层加筋材料铺设完毕后,按要求进行填土,在未填土前,应禁止所有车辆在加筋材料上行驶,每层填料的厚度一般不小于15cm,太薄时,压实机具容易在行走时将拉筋带动。经压实后的土层高度应符合筋材的铺设,并应平整。当用在加筋土挡墙工程中,为了避免面板产生过大的变形,为此应考虑辗压机具类型(即线荷载的大小),在靠近墙面板1~2m范围之内,不可使用重型的辗压机具,该范围内为了适应轻型实机械而达到填土的要求密度,填土厚度可以小于15cm。
5. 结语
综上所述,由于土工聚合物材料的性能差异较大,特别是抗拉强度悬殊尤甚,而国内土木工程界一些同行对其性能尚未充分了解,加之个别厂家对产品不恰当的扩大使用范围的宣传,往往造成设计使用不当。一些应考虑的问题忽略或将设计应力取值过大,致使部分工程失败。上述塑料带及土工网格的问题,务请同行们注意,使这一新的建筑材料在土木工程中的使用得以安全的迅速的推广应用。
参考文献
[1] JTJ015-91,《公路加筋土工程设计规范》.北京.人民交通出版社,1991年8月.
[2] 欧阳仲春.现代加筋土技术.北京.人民交通出版社.1990.
