土工合成材料 (9).ppt

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1、 第10章 土工泡沫的减压作用 第10章 土工泡沫的减压作用 第一节 概述 土工泡沫(geofoam)这一术语可以作为所有用于岩土工程领域的泡沫塑料的总称。自1950年发明，20世纪60年代早期挪威就将几英寸厚的板材利用其热绝缘性用于路面下，1972年又作为轻质填料用于路堤，从此在岩土工程中得到不断应用（见下页）。可以依据基材树酯的原料加以区分，如聚苯乙烯泡沫塑料，聚氯乙烯泡沫塑料等等。最为广泛的为EPS(expandedpolystyrene)，优点：相对比较便宜；未使用氟利昂或类似气体作为发泡剂，不消耗地球上空的臭氧层；不挥发甲醛。二二ESP的生产的生产 土工泡沫是由发泡剂产生的蜂窝结构，

2、可以在工厂生产，典型的是板材、棱柱体和花生米大小的珠粒，或为特定需要，在现场制成各种不规则的形状。聚苯乙烯塑料泡沫有两种生产方法。一种是由模室法生产，产品简写为EPS(expandedpolystyrene)。模室法是在模室内填充预发泡的塑料颗粒，通过蒸汽加热直至聚合物软化，以便胀满颗粒之间的空隙而结成整块，从而形成与模具形状相同的泡沫塑料制品，最后经水冷却定型。另一种是由挤出法生产，简写为XPS(extrudedpolystyrene)。有时以EPS泛指两类聚苯乙烯塑料泡沫。在本章中EPS也有泛指之意，必要时将注明为XPS。1、棱柱体、棱柱体块材基本上是高610762mm，宽1220mm，长

3、2440mm。EPS板只需25100mm厚。2其它产品其它产品为满足特定需要，EPS可以切制成各种形状，这就要求特定形状的模具，比如，复杂形状的包装垫和用于岩土工程的薄板、热绝缘材料及复合排水体。另外，生产时在原料中加入满足某些特定功能的添加剂，改善EPS的性能。这些添加剂丝毫不会改变其他性质，如加入防白蚁的化学成分，加入阻燃剂防止燃烧。但有的可以改变力学性质，可以改变EPS的弹性变形性质。第二节第二节泡沫塑料的基本性质泡沫塑料的基本性质1、一般性质一般性质（1）产品密度EPS块材密度范围约为5kg/m340kg/m3，常见为1530kg/m3（2）耐久性有保证（实例）EPS能被白蚁和食木蚂蚁

4、筑为蚁穴，并且聚苯乙烯在超过150时会熔化，这两个问题会影响EPS的耐久性，但可以通过在EPS中加入防蚁剂和阻燃剂来改善它。（3）憎水性2、压缩性质压缩性质对一种20kg/m3的试样进行短期试验，其应力-应变曲线见图9-1。（1）应变12%时，为线弹性性状，定义1%或2%应变对应的压力作为弹性极限，弹性极限随EPS密度的增加而增加，初始加荷时泊松比为0.05。（2）将应变水平为5%或10%时的压力定义为压缩强度。压缩强度随EPS密度增加而增加。（3）应力应变在屈服后开始表现为线性，线性段的斜率为压缩模量，继续加载表现为加工硬化，即压力增大，压缩应变增加很少。（4）长期荷载下具有明显的压缩蠕变。

5、图9-2中给出一种密度为17kg/m3的EPS材料在两种压力下弹性阶段的压缩变形与时间的关系。可以看出，当压力小于压缩强度时，蠕变现象不明显。3 3、力学性质、力学性质 密度密度是它的首要影响因素。气泡大的其壁厚也大一些，一般的性能是刚度大一些，压缩时破坏强度明显，气泡小的泡沫塑料具有更高的强度和更大的破坏应变，原因是气泡小的泡沫塑料具有更多的泡壁，压缩时产生逐渐的破坏。EPS和砂的摩摩擦擦系系数数=0.58-0.46(干砂)，或=0.52-0.25（湿砂），其中大的数值对应于密砂；EPS块间的摩擦系数=0.6-0.7。在很小围压时屈服压力基本上不变，或略有增加，但围压超过0.06MPa时，屈

6、服压力就明显地下降。泡沫塑料是靠凝固硬化后各个独立的气泡承受。围压超过泡沫塑料的屈服应力后，一些泡体会遭受破坏，因而屈服应力反而明显地减少。4、导热性、导热性EPS的 热 传 导 系 数 和 密 度 与 温 度 有 关,一 般 小 于0.038kcal/mh，是土的热传导系数的1/（2040）。对于EPS中长期含水率增量的保守估计为35%，造成热传导系数的增量变化在1525%，设计时需考虑。第三第三节节泡沫塑料在土工中的泡沫塑料在土工中的应应用用EPS具有蜂窝充气结构、密度小、热传导系数低和缓冲性能好，它具有独特的压缩变形性质，有一定的强度能够自立，而且施工速度快和方便，这些特性使其可用于其它

7、土工合成材料无能为力的岩土工程领域。早在20世纪60年代挪威就使用厚度不大的(约15cm)泡沫塑料板材作为隔热材料以解决道路的冻胀危害，而这种结构形式目前仍在采用。1972年挪威道路研究所又将泡沫塑料作为轻质填料用于路堤填筑，可以认为这是将它用作土工合成材料的开始一、热绝缘材料热绝缘材料1、地下室边墙的外侧和温室的底部，以减小能量消耗；2、扩展基础周围，防止基底冻胀；3、道路基层下或渠道的隔热材料，减小冻胀危害。二、隔振隔音二、隔振隔音1、动力基础和公路铁路周围，减小振动影响；2、交通沿线居民区的音障。三、三、利用质轻减小压力利用质轻减小压力四四 、利用压缩性大减小压力、利用压缩性大减小压力1

8、、水平方向、水平方向1）原理）原理用于挡土结构后面，因EPS的压缩性较高，相当于在挡土结构和填土之间产生位移，填土的抗剪强度得以发挥，达到主动极限平衡状态，土压力减小。2）水平向土压力的计算）水平向土压力的计算2、竖直方向、竖直方向管涵结构广泛应用于公路、水利、铁路、矿山、军工和市政等部门。管道的埋设方式，大致分为沟埋式和上埋式两类，参见图9-5(a)和(b)。沟埋式：沟埋式：沟槽外原有的土体，可以认为不再发生变形，而沟内管顶上回填的新土，在自重及外荷载作用下要产生沉降变形。因此，槽壁将对新填土的下沉产生摩阻力，方向向上。这样，沟内回填土的一部分重量将被两旁沟壁的摩阻力所抵消，从而使得作用于管

9、顶上的竖直土压力一般小于涵管之上沟内回填土柱的重量。上埋式：上埋式：因两侧填土较涵管顶上的填土厚，其压缩变形大于涵管顶部土体的压缩变形，两侧填土对管顶填土产生下拉的剪切应力，故涵管承受的竖直压力大于其上覆土自重，巨大的压力常使涵管开裂、破坏。为减小上埋式涵管的垂直压力可在其顶部铺设压缩变形大的材料，使管顶回填土沉降大于两侧填土的沉降，产生沟埋式的减压效果，称之为拟沟法（图9-5（c）。过去采用天然材料，如草或树枝，但其缺点是不耐久，现在可改用能产生很大变形的泡沫塑料，它能很好地满足工程上的要求。这时要求泡沫塑料所受填土压力大于或接近它的压缩强度。沟埋式竖直土压力用式（9-4），上埋式用式（9-

10、5）计算 （9-4）（9-5）H涵管顶的埋深，m；沟埋式埋涵的沟宽,m；填土的容重,kN/m3；K土压力系数，一般取主动土压力系数。c填土的粘聚力，kPa；填土的内摩擦角，度。当填土厚度较大时，在地表下某一水平面的沉降不论管顶还是管侧都相等，该平面称之为等沉面，只有等沉面以下土体才产生相对剪切位移，将等沉面至管顶距离记为 ，小于H，用 代替式（9-5）中的H计算。的计算见式（9-6）。（9-6）沉降比，对土基上的刚性管，=0.5-0.8；突出比，=h/D。例例9-19-1 已知某输水渠道涵管,管子外径 =1.0m,采用沟埋式施工方法，槽宽 =2.0m,回填粘性土,c=12kPa,=18,=19

11、 kN/m3。试求当管顶填土厚度为H=3m时，作用于管顶上的竖直土压力 ,并和上覆土重的压力比较。解：解：对沟埋式涵管，按式（9-4）计算竖直土压力 式中，当 =3m时，即作用于管顶上的竖直土压力为16.4 。上覆土重的压力为 ，明显大于沟埋式的竖直土压力。例例9-2 9-2 例9-1中的涵管如采用上埋式布设，并采用同样的埋深和回填同样的粘性土，求作用于管顶的竖直土压力；已知土体的压缩模量 =10.2MPa，泊松比 =0.3，如果在管顶填一层厚0.3m、密度 =7.5 kg/m3的土工泡沫，与其上覆压力相应的压缩模量 =0.2MPa，求管顶的竖直土压力为多大。解解：首先取=0.65、=h/D=

12、1，用式（9-6）试算得 =1.75m,根据式（9-5）计算上埋式涵管的竖直土压力时，用 代替H 得，可见上埋式涵管的管顶压力比上覆土重压力 大得多。用式（9-3）和（9-2）计算拟沟法的管顶土压力，用式（9-3）和（9-2）计算拟沟法的管顶土压力，可见加土工泡沫后管顶压力比上覆土重压力小得多。并且比相同条件下沟埋式涵管管顶承受的压力也要小。3、工程实例、工程实例：（1）日本在北海道的一条汽车隧道上部有13.7m的填土。在其中的一段铺设了40cm厚的EPS。同时在隧道顶部埋设了多个土压盒，图9-6（a）给出没有采用减压措施时的土压力与土层厚度Hi的关系。在低压时它符合 的关系，但在填土厚度超过

13、5m后，的增加率变大，其关系变为 ，表明旁侧土的重量通过摩擦力部分地转加到隧道结构上。图9-6(b)给出了采用EPS减压措施。填土在5m以下时，的增加符合 的规律，但在5m以上时，EPS开始屈服，隧道顶部的压力并不增加或增加很少。表明隧道上部填土的重量大幅度地转移到两侧的土体上。实测沉降（200天后）有EPS的截面其中心线下沉了60cm，而两侧的同一高程的下沉是40cm。而无EPS的截面，中心线处下沉了25cm，其两侧下沉值仍为40cm。（2）我国1）运（城）三（门峡）高速公路的拱涵（K14+369）上，也在不同试验段布设了土压力盒，对比研究EPS材料的密度（7.5kg/m3和15kg/m3）

14、、厚度（30cm和60cm）。以及布置范围等对竖直和横向土压力的影响。该涵洞长度108m，拱顶最厚填土约22m，沿涵洞共分8个试验段。拱顶、拱肩、边墙侧布置3只土压力盒，参见图9-7。第3试验段：土压力盒布置与第2段相同，只是在填土前，将拱顶用松砂找平，再铺30cm厚7.5kg/m3的EPS板，边墙两侧外包相同的EPS。2试验段土压力计算值与实测值基本吻合，水平侧压力计算值小于实测值，根据实测结果，可得土体的侧压力系数在0.40.5之间，比Jaky侧压力系数公式所得要大（图9-8（c）。3#试验段受EPS板减载的影响，拱顶最大土压力实测值约为计算值的1/3，分别为109kPa和367kPa；拱

15、肩实测压力为计算压力的2/3，最大值分别为237kPa和392kPa；边墙实测水平侧压力远小于计算压力（图9-9（c）。观测持续了约35个月，其他试验段的结果表明：同厚度密度较小的EPS，开始填土阶段即表现出较强的减压效果，而密度大的材料起始表现并不显著，后期表现出一定的减压能力，但效果不及密度较小的材料；相同密度，不同厚度的EPS，随厚度增大，拱顶中央压力减小，而拱肩的压力反而增大了；后期监测表明，竣工后的路堤并没有由于铺设EPS材料而引起附加的沉降，与正常填土的沉降数值及规律相同。2）广西公路滑坡板桩墙修复减载桩号K2301+750-K2301+950段膨胀土路基边坡于发生滑坡（见图10-

16、14）所示。滑体纵向长72m，滑坡前缘宽约38m，后缘宽约110m，滑坡平面面积约6188m2。设计采用EPS减载板桩墙加固方案进行修复（见图10-15），即在桩间档土板与墙后填土之间铺设EPS，以减小膨胀性填土对桩间挡土板产生的土压力（包括膨胀土吸水膨胀后产生的膨胀力）。图10-14路基边坡滑坡现场图10-15EPS减载板桩墙加固方案图10-16EPS-膨胀土-桩板墙支护结构的结构组成图10-17监器件埋设深度示意图图10-17试验段布置3.75m深处水平土压力的变化三个深度处含水率的变化实测水平土压力分布与理论土压力分布的比较五、其它方面的应用和效益五、其它方面的应用和效益 1、膨胀土地基

17、膨胀土的胀缩变化会对建于其上的结构造成损坏，为适应此类地基的变形特点，可在结构的基础与地基之间铺一层EPS板材。因膨胀土的膨胀力是指变形为零时上抬力，如允许产生一定的膨胀，则上抬力大幅度下降。2、环境工程中的应用土工泡沫可以消除垃圾填埋场粘土衬垫因干燥和冻融所致的裂缝，从而保持粘土衬垫的防渗性。土工泡沫轻质填料的特点还使其可以做成封盖坡面，只产生微小的垂直应力和垃圾的附加沉降，封盖也没有滑动失稳之虞。习习 题题9-3 在与桥台相接的路堤处拟用质量为20kg/m3的土工泡沫减小软土地基的压力，土工泡沫的总厚度为6.5m，其上的设计均布荷载为30kPa,试求土工泡沫下的基底压力和土工泡沫的压缩变形。9-4 横穿路堤的人行涵洞外尺寸为2.8m高、3.6m宽，其上路堤厚6.8m，路堤回填土的c=40kPa,=18，=18.6kN/m3,压缩模量 =10.5MPa，泊松比 =0.3；试计算作用于管顶的竖直土压力；如果在管顶填一层厚0.5m，密度 =20kg/m3，压缩模量 =0.3MPa的土工泡沫，求管顶的竖直土压力为多大。9-5已知某输水渠道涵管,管子外径 =1.0m,采用沟埋式施工方法，槽宽 =2.5m,回填稍湿砂土,c=0,=30,=18kN/m3。试求当管顶填土厚度为H=3.0m时，作用于管顶上的竖直土压力 。