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1、公路排水设计中的土工合成材料应用技术第34卷第4期2006年4月同济大学学报(自然科学版)JOURNALOF1DNGJIUNWERSnlY(NlURALSCIENCE)Apr.2006公路排水设计中的土工合成材料应用技术刘建华,一,郭忠印,丁志勇3,方路3(1.同济大学交通运输工程学院,上海200092;2.广州西二环高速公路.广东广州5108003.贵州省交通规划勘察设计研究院,贵州贵阳550001)摘要:对土工合成材料在地下排水,支挡结构物排水,路面中央分隔带及边缘排水,边坡排水等工程中的典型应用方式进行了总结.选择具有代表性的几种土工合成材料进行了大量的室内试验,着重研究了土工防排水材料
2、的物理特性,水力学性能及力学性能,并对关键性能指标的测试方法进行了验证性研究,针对目前存在的问题提出了新的方法和指标.基于本次研究内容,并结合国内外相关成果,系统地提出了土工合成材料在公路排水设施中的新的设计标准与方法,同时建立了土工防排水材料应用技术分类方法.关键词:道路工程;土工合成材料;排水;室内试验;设计标准中图分类号:U414.3文献标识码:A文章编号:0253374X(2006)04048406AppliedTechnologyofGeosyntheticsforDrainageDesigninHighwayEngineeringLIUJianhua.-,GUOZhongyin,D
3、INGZhiyong,FANGLu(1.SchooloflrarLnportationandTrafficEngineering.IongiiUniversity,Shanghai200092,China;2.GuangzhouXIerhuanExprexwayCO.Ltd.,Guangzhou510800.(him;3.GulzhouCommunicationPlanningandPrmpeetingDaigningAcademy,Guiyang550001,China)Abstract:Thetypicalapplicationschemesofgeosyntheticsinhighway
4、drainageengineeringincludingundergrounddrainage,retainingwalldrainage,medianseparatordrainage,edgedrainageandslopedrainagearesummarized.Thephysic,hydraulicandmechanicperformanceofseveralrepresentationalgeosyntheticsaretestedinabundantindoorexperimentsandthetestingmethodsareestimatedandemendedwithsom
5、enewindexes.Basedonalltheseconclusionsandotherdomesticandoverseasresearchresults,newdesigncriteriaandmethodsforapplicationofgeosyntheticsinhighwaydrainageen-gineeringaremade.Theclassificationmethodforapplicationofgeosyntheticsinhighwaywatertightanddrainageengineeringwasestablished.Keywords:highwayen
6、gineering;geosynthetlcs;drainage;indoorexperiment;designcriterion土工合成材料已在国内的众多工程中加以应用,其作用包括排水,防渗,反滤,隔离,加筋与防护六个方面.其中,反滤,防渗,排水的作用在公路工程中尤为突出.但是,目前公路排水设计eeN+-r_合成材收稿日期:20040928基金工程:西部交通科技工程(20013180003O);上海市重点学科建设基金资助工程作者简介:刘建华(1978一),男,湖北大冶人,博士生.E.mail:liuji,.huasea163.C0m第4期刘建华.等:公路排水设计中的土工合成材料应用技术料应用
7、技术设计标准与方法主要还是参照其他行业产品类别可定性地列于表1的标准或标准来制定的,引,其针对性和适用性均有待进一步改良.为此,需对土工合成材料在公路排水2性能指标测试设计中的应用技术进行全面系统的研究和总结.1应用场合与技术要求土工合成材料及以土工合成材料为基材制造的复合土工排水材料的类别越来越多,在公路排水工程中的应用可分为以下几个方面:透水与反滤,这是一种综合应用,充分利用透水土工织物的透水性能和反滤性能;隔离与防渗,应用上主要发挥土工织物和土工膜的隔离和防渗功能;集水与排水,使用土工合成材料,聚集与排出降落,流向路基路面范围内的水.总体上,复合土工排水材料在公路排水设施中的应用可用图1
8、表示.不同应用场合的技术要求与土工合成材料的性能决定其使用效果,而表征性能的指标是设计中的关键参数.为此,一方面要选择适宜的指标来反映土工合成材料的性能,另一方面要采用适宜的测试方法来评定性能指标参数.2.1土工织物反滤土工织物设计需满足挡土,透水和防淤堵三方面的要求,为此对这三种性能指标及测试方法开展了研究.2.1.1挡土指标等效孔径目前用于测试土工织物等效孔径O95的方法有多种,尤以干筛法与湿筛法最常用,其中干筛法被列为公路行业试验标准方法3.c潘沟详圈d路面边缘排水设计详图e边坡排水设计详图图1公路排水设施中土工合成材料应用方式Fig.1Applicationofgeosynthetic
9、sinhighwaydrainagesystem表1排水设施分类与技术要求Tab.1Typesandtechnicalrequirementofdrainagesystem同济大学学报(自然科学版)第34卷通过干筛法与湿筛法的比照试验,分析得出这样的结论:干筛法具有直观,方便,简单等优点,但其试验结果的正确性较难保证;湿筛法需要洒水,试验操作过程与数据分析工作都较复杂,但其试验结果成功率高.利用湿筛法测土工织物的等效孑L径是一种可行的方法.土工织物等效孑L径可从概率论的角度来理解.一般认为土工织物的孑L径分布符合正态分布规律.通过湿筛法确定的O95和O5分别表示具有95%置信率的最大孑L径O和
10、最4qL径O土工织物孑L径O满足正态分布N(,占),为均值,盯为均方差.那么根据正态分布概率函数理论可计算得到【5j=(O一一O)/3.29(1)=(O+0血)/2(2)从而得到土工织物的孑L径分布函数N(,占)及图形(如图2所示).有了土工织物孑L径正态分布曲线,就可以方便地查出各种置信率的最大孔径.因此,O95的实际定义就是95%可靠度的最大孑L径.统计率j0()圈2土工织物孔径正态分布曲线Fig?2Normalschoolcurveofgeotextileporesizes2.1.2渗透性能规程J中规定取水力梯度和流速曲线中的直线段计算渗透系数.而实际上,土工织物的渗透系数与水力梯度关系
11、密切,在不同的水力梯度下渗透系数有不同的取值.因此,用一个单一的值来表示土工织物的渗透系数并不能反映土工织物的真实渗透能力,有必要建立土工织物的渗透系数与水力梯度之间的关系.根据渗透系数随水力梯度变化的规律,采用如下的非线性函数进行回归拟合:kkge,kg>0,b>0(3)当一0时,走一;当一时,走一是.通过以上非线性函数对五种土工织物多层渗透试验中渗透系数与水力梯度进行回归拟合,均得到很好的相关系数,如图3所示.当一时,渗透系数值与规程取值方法所得结果相近.苫()0150()100.005蝌0实测值拟合值一【.J.J.J【.1.J.-_J5l0I520253O35水力梯度图3某工
12、织物多层渗透试验结果Fig-3Resultofmulti-filtertestforgeotextile同时采用土工织物渗透试验得到的参数走和b作为表征其渗透性能的指标参数更合理,更可靠.标准取值方法得到的值与参数k接近.2.1.3淤堵性能目前对土工织物淤堵的判断采用的是梯度比准那么j,但是,许多学者持疑心意见.为此,这里从理论上对淤堵试验适用条件进行分析.淤堵试验中水是垂直通过土工织物与土这两层介质的.将土工织物渗透系数,土渗透系数与系统渗透系数分别记为k,k和走;土体,土工织物厚度分别为h和hg;各测压管距离如图4所示.这里不妨将淤堵试验中土体分为三个土层,分别记为I,.土与土工织物系统在
13、渗流过程中有可能在I,土层以及土工织物等位置产生淤堵.根据多层介质渗透理论及细颗粒在多孑L介质中的迁移理论推导得到了淤堵试验判断土工织物发生淤堵的条件,也即淤堵试验的适用前提.公式如下:AkII<AkI0.25h0.25hs+hghgAksIIAkI(kAk一k)>.ggg式中:ksi,ksI1分别为I,土层的渗透系数;AksI,AksI1分别为I,土层渗透系数ksIIksll的变化量.十渗流6方向一025hIII.4025h:匕一I土样0.50h亡=-1r._-/70.25h-Zlh1_-工织物试图4淤堵试验计算模型Fig?4Calculationmodelforclogging
14、test第4期刘建华,等:公路排水设计中的土工合成材料应用技术判断淤堵更为简单,可靠的方法是采用系统渗透系数是罐.选择不同的土,土工织物及水力梯度来进行淤堵试验,对以上理论分析结果进行了初步验证.观察渗透系数是的变化规律,采用式(3)表示的函数进行非线性回归分析,式中是将换成是.当i一0时,是妄一0;当一.时,走路一是妄.试验结果说明,回归分析均能得到很好的拟合效果.图5给出了一组淤堵试验结果.假设是是(k为系统设计渗透系数),那么说明该系统满足排水要求;否那么,那么说明该系统产生了不允许的淤堵.拟合曲线+实测值0204060时问/h图5某组淤堵试验结果Fig.5Resultofcloggin
15、gtest2.2土工膜土工膜渗透系数一般在110一B110_.CITI.s一数量级,防渗效果很好.但一旦出现损伤,会导致较大的渗漏量.为了分析损伤与渗漏的关系,进行了模拟损伤(人为穿孔或切口)和压实损伤(室内压实试验)试验.试验研究可以得到以下结论:无论哪种损伤方式,作用水头越大,土工膜渗漏量越大;压实土和细砂的过程对土工膜没有破损性的损伤,粒径为1.18ITIITI的碎石压实过程对土工膜也没有造成损伤,而粒径2.36ITIII1及以上的碎石那么随粒径的增大对土工膜的损伤加重.2.3复合排水材料2.3.1压缩变形本次试验测试了六种塑料盲沟材截面尺寸变形量,体积孔隙率等随受荷的变化规律,得出了它
16、们的屈服强度(力或压强).矩形截面塑料盲沟采用压强,圆形截面的采用线荷载.图6是其中一组压缩变形试验结果.以上各种塑料盲沟材的压缩变形试验说明,塑料盲沟材能够承受一定的荷载作用,但当荷载接近屈服强度后,其变形量还是很明显的.2.3.2通水量为了测试塑料盲沟材料的排水能力,进行了通水量试验3.根据高速公路纵坡的特点(一般变化在3%以下)和试样的长度确定试验过程中的最大水头损失.基于水力学管流理论,采用式(5)对流量Q与水力梯度i的关系进行分析,均得到很好的拟合结果,如图7所示.8()芝6o髫4()蓄20O501()()15O20()25030()35()40()压强/kPa图6塑料盲沟材压缩试验
17、结果Fig.6Resultofcompresstestforgeocompositedrain?实测值预测值一I0蚓0*0魍0i/%图7塑料盲沟材通水量试验结果Fig.7ResultofdrainagetestforgeocompositedrainQ=Ki(5)式中,K称为塑料盲沟材的通水能力系数,单位为s或m3?s,反映了塑料盲沟材在一定水头差作用下所能通过的流量,其中包含了塑料盲沟材的断面几何特性(断面尺寸,面积,形状等)及孔隙率等因素的影响,因而可以作为评价塑料盲沟材通水能力的一个综合性的关键指标.3设计标准与设计方法基于室内试验的成果,分析了土工合成防排水材料的性能参数之间的相关关系
18、,在国内外相关研究成果及现有的工程应用实例的根底上,提出了土工合成材料应用于公路排水设计中的设计技术标准:主要包括反滤,防止静水压力,渗透,淤堵与排水能力几个方面.3.1反滤技术标准(1)对于连续级配的粗粒土提出如下标准:连续级配的粗粒土包括粗砂,中砂(<0.074mm颗粒的含量小于5O%)095<d85(6)式中:O95为土工织物的特征孔径;d85为土粒径筛分试验中通过率为85%时的筛孔直径.连续级配的细粒土(砂性土,粉性土,粘性土)5O5O叭叭OO0O一_u】u)l同济大学学报(自然科学版)第34卷O95<O.12mm(7)(2)对于间断级配土石混填,不考虑粗粒石料,仅按
19、土(<2rnn1)的性质和级配确定反滤技术指标.当填土中小于0.075iTlrrl的土颗粒含量大于50%时,不宜直接使用土工织物作为反滤层.3.2防止水压力增加砂土,砂性土,粉土,粘土,土石混填(以土为依据)k>10k(8)粗砂,中砂kk(9)式中:k为土工织物渗透系数;k为土渗透系数.3.3渗水能力与淤堵建议以淤堵试验中72h的土与土工织物系统渗透系数为技术指标,只要其大于土渗透系数就能满足排水要求.即k>Tk(10)式中:尼为系统渗透系数;k为土渗透系数;T为安全系数,取1.5-2.5.3.4排水体排水能力QQd(11)式中:Q为实际排水量;Qd为设计排水量.3.5土工膜
20、静水压力按有关静水压力计算土工膜侧面的静水压力需满足(12)式中:为土工膜侧面静水压力;Ou为土工膜允许耐静水压力;M为平安系数,取1.52.0.3.6设计方法与步骤土工防排水材料构筑公路防排水设施的设计方法和步骤与传统的防排水设施根本相同.4应用技术分类方法为了便于工程设计选择材料,将土工合成防排水材料进行应用技术分类.按土工合成材料在公路排水设施中的应用目的和功能分为反滤,防水和排水三大类,见表24所示.5结语本文在综合已有研究成果和应用经验根底上开表2透水土工织物应用技术分类Tab?2Applicationtypesforgeotextile延伸率最大荷载时的延伸率>15%强度文献
21、2中的CBR(californiabear啦ratio)顶破强度要求表3工膜应用技术分类Tab.3Applicationtypesforgeomembrance延伸率15%(承受最大实际荷载时)表4复合排水材料应用分类Tab.4Applicationtypesforgeocompositedrain展室内测试研究与理论分析,总结出土工合成材料在公路排水设施中的典型构造形式,确定了关键性能参数指标及相关测试试验方法,提出了新的设计标准和方法,并建立了便于工程设计使用的土工防排水材料应用技术分类方法.最终形成了包括排水设施的构造形式,材料的参数指标,测试试验及设计标准等方面的公路工程土工合成材料排
22、水设计方法体系.参考文献:1?土工合成材料工程应用手册?编写委员会.土工合成材料工程应用手册M.2版.北京:中国建筑工业出版社.2000.CompileCommitteeformal!ualofapplicationforgeosyntheticsen-gineering.ManualofapplicationforgecxqynthetlcsengineeringM.2nded.Beijing:ConstructionIndustryProxsofChina.2000.2交通部重庆公路科学研究所.JTJ厂rO1998公路土工合成材料应用技术标准S.北京:人民交通出版社.1998Academe
23、ofHighwayScienceofChongqingforMinistryofCommunications,JrrJ/r01998TechnicalspecificationsforapplicationofgeosynthecticsinhighwayS.Beijing:ChinaCommunica-第4期刘建华,等:公路排水设计中的土工合成材料应用技术34tionsPrexs,1998.交通部重庆公路科学研究所.JrJ/,rO6O一98公路土工合成材料试验规程s,北京:人民交通出版社,1998.AcademeofHighwayScienceofChongqingforMinistryof
24、Communieations.J1J厂rO6(卜98TestmethodsforgcosynthecticsinhighwaySBeijing:ChinaCommunlcationsPrc.s,1998.中国纺织总会标准化研究所.GB/T176341998土工织物及其有关产品有效孔径的测定湿筛法S北京:中国方案出版社,1998.StandardAcademeoiChine.WeaveSeminarGB厂r176341998Gootextileaandgeotextile-relatedproducts-determination0fthecharacteristicopeningswetsie
25、vingmethodS.1,】一】H(上接第460页)4结论(1)两类典型桥梁断面都是扭转气动负阻尼驱动的扭转型颤振,在宏观层面上,其颤振驱动机理是统的.(2)扭转主运动位移产生的气动升力激发起耦合竖向运动,该运动速度产生的耦合气动力矩又反馈作用到扭转主运动上.这样一条鼓励一反应路线对两类典型桥梁断面都是导致系统发散的主线.(3)两类典型桥梁断面在颤振驱动机理上的主要差异是扭转运动自身所产生的气动阻尼对系统的稳定作用是否随风速上升而不断增大.(4)对别离双主梁这类气动导数A出现由负转正的断面,气动负阻尼的形成仍然主要来源于扭转和竖向运动之间的耦合效应,而不是扭转运动自身形成的气动阻尼;仅仅通过
26、A的变化规律来预测其颤振性能是不妥当的,甚至是偏于危险的.(5)在颤振形态上,闭口箱梁断面竖向自由度的参与程度明显高于别离双主梁断面.这说明,闭口箱梁断面颤振发生过程中的自由度耦合程度更强,而这种强的竖向自由度参与程度有利于结构颤振稳定性能.自由度耦合程度会随着结构扭弯频率比的降低而增强.56Beijing:ChinaPlanningPress,1998,方路,刘建华.基于概率的土工织物等效孔径概念探讨J.中外公路,2004,12:87.poresizeofgcotextiletestJJournalofCNna&ForeignHighway,2004,12:87.刘建华,郭忠印.丁志
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