土工合成材料 (6).ppt

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1、第7章 隔离作用隔离作用 7.1 7.1概述 概述将土工合成材料如土工织物置于两种不同材料之间，使两种材料的整体性和功能都得到保持或得到改善，此时筋材的作用即为隔离作用。例如，当在碎石骨料与细颗粒料二者界面处铺设一层土工织物，可有效防止两类材料的直接接触，起到良好的隔离作用。无土工织物细颗粒料进入碎石料空隙中碎石料侵入细颗粒料中有土工织物防止碎石与细粒料相互入侵增强碎石粒料与细粒料强度工程中的应用（1）埋地管道防护中的隔离作用减小机械荷载对管道的冲击作用筋-土复合体道路结构组成（2）道路结构中的隔离作用道路结构通常分为路面和路基两大部分，土工合成材料铺设在路面结构中可减缓裂缝开裂，铺设在路基结

2、构中则可增强强度并减小变形。隔离作用 7.2 7.2路基底部的隔离作用 路基底部的隔离作用 7.2.1路基隔离机理当地基为饱和软土层，同时上部填料又较粗时，比如铁路碎石路基，这时就有土工合成材料隔离的需要。即能防止粗粒材料陷入软土层中，也可以阻止在动荷作用下软土挤入粗粒层，同时还可以限制碎散颗粒填料的侧向变形并增强路基整体性。胶州市 常州路路基加筋隔离土工格栅路基土土工织物隔离层未铺装道路基层与路基的隔离土工织物隔离层铺装道路基层与路基的隔离土工合成材料在未铺装与铺装道路路基中的隔离机理相似，在碎石路基底部铺设土工织物、土工格栅等土工合成材料，既可以减小因路基变形而引起的路面结构破损，又可以用

3、于隔离基层碎石与路基土，减小碎石对路基土的刺入破坏及其沉降变形。隔离作用 7.2.2穿刺与刺破分析（1）荷载的计算p路面和路基的自重的计算p1自重引起的垂直应力，kPa；i第 i 层材料的容重，kN/m3；hi第 i 层材料的厚度，m。在路面设计中，汽车荷载较小时，轮胎接触地面形状近似于圆形，随着荷载的增大，触地面形状趋于矩形，但为了方便计算，均按照圆形计算，当量圆直径D可按以下公式计算：p汽车轮胎接地面当量圆直径的计算P车轮承受的荷载，kN；pt轮胎压力，kPa。p施工机械轮胎接地面当量矩形的计算 道路施工机械常用的有压路机和轮胎压路机等，该类机械常是多个轮胎并排，其接地面形状应按当量矩形考

4、虑，即为BL。多个轮胎的接地当量面积B1单轮接地宽度，m；P1单轮承受的荷载，kN。B多个并排轮胎的两个最边沿轮胎外侧边的距离；L单轮接地长度，即与B边垂直的长度；隔离作用 7.2.2穿刺与刺破分析（2）力的传播 根据车辆荷载和几何位置，求得作用在土工合成材料表面的压力，车辆荷载按道路设计规范选定，采用弹性理论以及颗粒体力学求得较精确的应力分布数值，在实际计算中常用简化的等应力分布方法进行。应力扩散图荷载面积为圆形时，土工合成材料表面的压力荷载面积为矩形时，土工合成材料表面的压力p2土工合成材料表面承受扩散后的活荷载的压力，kPa；q 路面荷载在当量圆或矩形荷载面的平均压力，kPa；h 路面到

5、土工合成材料的垂直距离，m。应力传播的扩散角，一般可取=31，即tan=0.6。自重压力 p1加上 p2则为土工合成材料表面承受的连续分布压力p，即隔离作用 实际上压力是通过与土工织物接触的土粒传递的，传递压力的面积要比假想为均匀连续分布的面积小得多。接触面积的大小与土工织物下面的地基土的强度和变形特性以及上覆压力有关。7.2.2穿刺与刺破分析（3）实际接触压力的计算 目前计算中把按一定级配分布的粗粒简化为平均粒径 的等效圆粒进行分析，亦即圆粒陷下一定深度，陷下部分截面的最大直径为dc 的大小按如下两式计算：土工织物顶破分析土粒陷下部分截面的最大直径 dc 的计算土粒按最疏松的正方形排列考虑，

6、p是连续分布的，这样每一个粗粒的受力按下式计算：尖角粒圆角粒隔离作用 假定各粗粒受力相同，并且互相不产生影响，右图中显示，土工织物在粗粒的作用下可能产生两种类型的破坏：在AB圆周上拉破；BC球面上承受土的反力在点E上拉破。7.2.2穿刺与刺破分析（4）破坏分析土工织物顶破分析粗粒传下来的荷载F由地基极限承载力R和土工织物拉力T承担，单个粗粒下面地基的极限承载力按下式计算：R单个粗粒地基的极限承载力，kN；c,分别为土的黏聚力(kPa)和内摩擦角()；Nq,Nc承载力系数，由土力学专著中查得；qc旁侧荷载，kPa；qc是BC段土工织物拉力对地基土的镇压作用，利用右侧公式求得：尖角粒圆角粒土工合成

7、材料和地基抗顶破的 安 全 系 数 Fs一般要求大于3AB圆周上作用着筋材的拉力T，其方向为AB圆周上的切线方向，与水平线成角，其垂直向分量为Tsin，其中sin 计算如公式所示隔离作用 7.3 7.3路面处的隔离作用 路面处的隔离作用 7.3.1路面开裂机理 路面开裂可以发生在面层或基层，其原因众多，但主要归纳为四类：地基和路基的不均匀变形，设计与施工的缺陷与不周、温度变化、裂纹反射 在研究路面开裂机理时，刚性、柔性和半刚性路面要区别对待，路面的开裂是一个发展过程，是应力和应变逐渐积累的结果，其中前三个开裂原因主要是由反复荷载作用下的疲劳应力决定的，其开裂机理下图所示。温缩荷载老化变形路面开

8、裂机理图 裂纹反射的路面开裂机理比较复杂，主要是在拉剪高应力反复作用下，图中D点处有可能开始断裂，裂缝尖端的应力集中促进了裂缝的发展，可分为直线型和折线型裂缝。交通荷载在面层底部引起的应力变化（a）直线型（b）折线型隔离作用 7.3.2路面结构中隔离机理土工合成材料铺在路面结构中，作为一个垫层或一个接触界面将起到减轻或推迟面层开裂的作用路面结构隔离加筋p路面结构的性能改善 隔离不同粒径材料，维持结构层厚；增强路面刚度、承担剪应力，减薄 路面厚度，减少车辙；增强了路面结构整体性，并增加了路 面面层与基层变形的协调性；加筋隔离层可以吸收裂缝尖端应力集 中，防治反射裂缝；防水和保温作用。隔离作用 7

9、.3.3土工织物隔离层设计（1）胀破强度 如果基层材料颗粒间存在孔隙，行车荷载下土基应力就会将土工织物压入颗粒间的孔隙，如图所示。土工织物所需的胀破拉力可按美国Giroud教授提出的均布荷载下的窄长缝上薄膜来计算。Tr 土工织物要求的胀破拉力，kN/m；土工织物表面压力（轮胎压力），kPa；dv 最大孔隙直径（dv 0.33 da）；da粒料平均粒径；f()土工织物应变的函数，该函数确定压力在拉力方向的分力。通过胀破试验得到土工织物的胀破拉力 土工织物许容胀破拉力 土工织物胀破安全系数 db胀破试验装置直径，0.0305 m；Tu土工织物胀破拉力，kN/m；pb 土工织物胀破强度，kPa。Ta

10、 土工织物允许胀破强度，kPa；RF总折减系数，通常取1.52.5。Fs胀破安全系数；其余符号意义与前式相同。土工织物胀破示意图隔离作用 7.3.3土工织物隔离层设计（2）握持强度土工织物被粒料夹紧时，在表面压力作用下还将产生握持张拉力，从图中可以得到土工织物的最大应变 Tgr土工织物握持强度要求的张拉力，kN/m；其余符号意义与前式相同。（a）实际情况（b）握持强度测试土工织物握持强度示意图 土工织物拉伸变形；s 土粒间隙，近似为d/2。土工织物的变形与粒径无关，最大可达33%。荷载作用下土工织物的张拉力为土工织物容许握持拉力 Tga 土工织物容许握持拉力，kN；Tgu 土工织物握持强度，k

11、N。土工织物握持安全系数 Fs握持安全系数；其余符号意义与前式相同。隔离作用 7.3.3土工织物隔离层设计（3）刺破强度土工织物施工、使用过程中可能被刺破，作用在织物上的竖向刺破力为：土工织物的抗刺破安全系数为：Fp 土工织物需要抵抗的刺破力，N/m；da 穿透物平均直径，m；S1 突出系数，hh突出高度，可取（0.30.4）da，m；S2刺破试验顶杆直径dtp与穿透物平均直径之比，S3形状系数，对于砂约为0.2，河卵石为0.3，碎石0.6，尖锐碎石为0.7。Tpu土工织物刺破强度，N；其余符号意义与前式相同。隔离作用 7.3.4土工合成材料防治反射裂缝（1）土工合成材料防治路面反射裂缝的影响

12、因素 现有路面结构强度、损坏情况：土工织物对3 mm疲劳裂缝的防治效果较好。沥青罩面厚度：厚度增加，土工织物防治反射裂缝效果增强 气候条件：土工合成材料防治温度型裂缝效果较差，应避免在降雨较多和冻融地区使用。土工合成材料种类：土工合成材料要满足一定的强度要求，土工合成材料的孔隙应能保证沥青浸入，并且熔点必须高于热沥青的摊铺温度。（2）路面开裂速率与交通荷载通行次数预测 Molenaar和Nods通过试验研究了土工格栅加筋路面的裂纹开展情况，并根据试验结果给出了路面裂纹开展速率的计算公式和预测路面破坏前交通荷载通行次数的计算公式：裂纹开展速率交通荷载通行次数 裂纹开展速率；K应力强度因子；A，n

13、根据试验确定的相关参数，与土工格栅材质、型号和路面结构组成有关；t路面厚度，mm；Nn路面破坏前交通荷载通行次数。隔离作用 7.4 7.4土工合成材料路面应用的现场试验 土工合成材料路面应用的现场试验 7.4.1试验方案 为了检验比较不同土工合成材料路面隔离层在减小车辙、防治裂缝方面的应用效果，在山西省晋中分局辖区和顺、昔阳、榆社、榆次等地铺设了两组试验路段。试验路段铺筑中采用了多种土工合成材料作为隔离加筋材料，并对试验路段的运行状况进行了跟踪观测。在路面强度补强层中铺设土工合成材料作为加筋层，目的是检验加筋对路面结构整体刚度、强度的改善，同时兼顾加筋材料对基层收缩裂缝的防治效果。本方案中加筋

14、材料包括玻璃纤维格栅、塑料格栅两类，共五个厂家的产品。（1）方案一（路面补强层加筋方案）土工合成材料种类材料 型号抗拉强度kN/m 延伸率%网孔mm幅宽m耐温C备注径向 纬向 径向 纬向塑料格栅TensarAR1 20 20 11 11 6565 3.8 160TensarARG20 20 11 11 6565 3.8 160 复合TGSG20 20 20 13 16 160玻纤格栅GGA2021 60 60 4 4 2020 1.54.0 280 自粘TGG-8080 80 80 3 3 1818 280LB2000 56.9 50.7 3.5 3.8 2020 1.52.0 280隔离作用

15、 7.4.1试验方案 在原有裂缝路面上铺设土工合成材料罩面层，目的是检验它对反射裂缝的防治效果，采用的加筋材料为LB2000 玻璃纤维格栅、Tensar ARG复合格栅和两种土工织物。（2）方案二（防治裂缝加筋罩面层方案）罩面层土工织物技术指标种类抗拉强度/(kN/m)延伸率%厚度mm单位面积质量/(g/m2)沥青保有量/(L/m2)针刺无纺 4 50 0.8 135 0.9热粘无纺 6 3070 0.6 150-p 试验中所用土工合成材料产品塑 料 格 栅(Tensar AR1)玻纤格栅复合格栅(Tensar AR-G)针刺无纺织物热粘无纺织物隔离作用 7.4.2试验路段铺设方案一试验段施工

16、 在碎石灰土基层施工完成后，对场地进行清理，保证基层顶面无积水，扫除浮土和松散粒料，喷洒乳化沥青，然后对土工格栅进行展开、张拉、固定，摊铺沥青层并碾压。展开土工格栅 张拉土工格栅固定土工格栅 摊铺碾压沥青混合料隔离作用 7.4.2试验路段铺设方案二试验段施工在罩面防治裂缝反射试验路段的铺设中，其中玻纤格栅和土工织物的铺设方法略有不同。p 玻纤格栅罩面层施工顺序路面清理 玻纤格栅的铺设喷洒第一层热沥青，撒布第一层碎石喷洒第二层热沥青，撒布第二层碎石喷洒热沥青 撒布碎石p 土工织物罩面层施工顺序铺设土工织物铺设沥青层喷洒沥青粘合剂 土工织物的铺设 铺设沥青层 路面清理隔离作用 7.4.3试验结果讨

17、论p 试验过程中的现象TensarAR1 加筋段唧泥、网裂 TensarAR1 加筋段挖补修复 榆次S216线试验段路面横向裂缝榆社S319线试验段裂缝情况TensarARG 格栅段的推移 土工织物整体推移产生裂缝隔离作用 7.4.3试验结果讨论 方案1的试验路段在最初的弯沉检测结果并未显示出加筋的效果，但开放交通一段时间后，各加筋段则表现出较好的效果；方案2的弯沉检测表明加筋罩面层并没有显示出结构性提高路面强度的效果。试验期内通过观测路面弯沉检测、裂缝出现位置以及养护修补情况，用于对比不同加筋材料的使用效果（1）弯沉检测结果p 根据弯沉检测结果所得结论 路面结构层采用土工格栅加筋来提高刚度，

18、并不能立即取得加筋效果，需要一定时间的行车荷载作用之 后才能体现出来。刚度、强度高，伸长率低的玻纤格栅加筋效果良好，塑料格栅效果较差。基层强度影响加筋材料使用的效果，稳定基层和土基的含水量，及时排除多余的水分，防止其软化路面 结构层是保证加筋发挥效果的必要条件。与基层顶面加筋相比，加筋材料位于两层沥青之间似乎表现出了改善路面弯沉较好的效果，需要采取沥 青与格栅结合的必要措施，加筋材料应布置于受剪应力影响较小的结构层。玻纤格栅+薄层沥青表面处治，没有表现出改善路面弯沉的效果，表明这种措施不具备结构性的功能。隔离作用 7.4.3试验结果讨论 方案1、2的试验路都对土工合成材料的裂缝防治效果进行了跟

19、踪观测，无论是土工格栅还是土工织物在防治裂缝方面的效果均不明显。（2）裂缝防治效果p 根据裂缝检测结果所得结论 方案1中的试验结果显示位于基层顶面的玻纤格栅具有减小路面裂缝、减小整体路面综合破损率的效果，但是从路面横向裂缝来看，通过土工格栅加筋杜绝半刚性基层收缩引起的裂缝是不现实的。方案2中的试验结果显示，如果路面裂缝的主要原因之一是路面整体强度严重不足，采用加筋沥青罩面层 来防治路面裂缝，并不能取得良好的效果，这种情况下，提高路面强度是首要考虑的因素。对于裂缝宽度较大、裂缝块度严重的路面，如若施工前没有对原有道路裂缝进行填塞、灌缝处理，荷载 作用下这些裂缝依然具有较强的活性，这也是造成裂缝较

20、快反射、穿透罩面层的原因之一。玻纤格栅加筋沥青罩面层对于因路面温度变化而引起的裂缝作用不明显。土工织物类材料会降低层间结合力，在罩面层较薄、受剪应力影响较大的情况下容易导致路面破坏。土工格栅和土工织物都没有取得理想的防裂效果，但是比较两类材料的观测结果可以发现，刚度和强度 大的格栅或复合型材料在总体上要好于土工织物类材料。隔离作用 7.5 7.5土工合成材料隔离层的施工 土工合成材料隔离层的施工 场地清理：除去不合适的土，按设计平整坡度，保证排水条件，并碾压到要求的压实度。（1）土工合成材料和沥青面层的施工步骤（2）土工合成材料防治反射裂缝的罩面施工步骤 铺开土工织物或土工格栅：对塑料格栅和不

21、带自粘剂的玻璃纤维格栅施加1.0%1.5%的预拉应变并用固 定在基层上；铺设土工织物前先洒0.30.4 kg/m2热沥青粘层油，铺设后洒0.40.6 kg/m2热沥青。筋材接头处应搭接一定的宽度:对土工格栅可用U型钉将其固定，保证平整贴地。平整场地，修复原有路面的破坏：6 mm以下裂缝可用液体裂缝填充物填充，大于6mm的裂缝用沥青混合 料填充，并清扫表面，保持干燥。喷洒沥青粘合剂，刮除过多的粘合剂：气温过低或路面潮湿不要洒布沥青粘合剂。沥青粘合剂应根据温度不同在0.54小时内喷洒完成，土工织物的铺设应在其后立即进行使织物与原地面粘 结，接头搭接2575 mm，搭接处应刷上粘合剂。沥青混合料的推铺应在织物铺完毕后尽快进行。混合料温度约为150 C，最大不超过165 C，摊铺机械的 移动应小心，避免挂起和损坏织物。