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1、华北水利水电学院硕士研究生学位论文开 题 报 告学 号： 201010314138 姓 名： 马荣佳 专 业： 结构工程 研究方向： 土工布与生态混凝土 复合结构试验研究 导师姓名： 邢 振 贤 填表日期： 2011-11-2 1、绪论11选题的理论意义和实用价值在水利护岸工程建设中，大多采用混凝土来硬化岸坡，保护堤防安全。然而这种方式却是以自然环境的破坏和恶化为代价的。因为在河道两岸用混凝土砌成的大面积刚性护砌面上，寸草不生一片荒芜，自然生态环境恶化。如今，世界各国对生态环境都日益重视，我国政府也不例外。2010年10月，中共十七届五中全会通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年
2、规划的建议提出：加快建设资源节约型环境友好型社会，提高生态文明水平。再次告诫全党，面对日趋强化的资源环境约束，必须增强危机意识，树立绿色低碳发展理念，以节能减排为重点，健全激励和约束机制，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力。加强生态保护和防灾减灾体系建设，加强水利基础设施建设，推进大江大河支流、湖泊和中小河流治理，增强城乡防洪能力。2011年中央1号文件“中共中央、国务院关于加快水利改革发展的决定”提出，加快中小流域治理和小型水库除险加固，继续推进主要河道整治和堤防建设，搞好水土保持和水生态保护，采取坡耕地整治、造林绿化、生态修复等措施，大力开展生态清洁型小流域
3、治理。由此可见，顺应时代要求，发展可植被混凝土，寻求与自然的和谐发展，已经成为当前混凝土科学发展的主要方向之一。无砂大孔混凝土，强度不高，一般不超过15MPa，但它有较大的孔洞。正是由于这些孔洞的存在，为无砂大孔混凝土生态化创造了条件。该项目研究的目的，就是将无砂大孔混凝土用到水利护坡工程建设中，在它的表面上种植草木植被，加上后期在混凝土表面自然生长的野生乡土植物，就可以使混凝土绿化。这样不仅可以解决护坡防冲刷问题，还可以使护坡得到绿化，减少热岛效应，把混凝土的硬化与绿化完美地结合起来，使混凝土与自然生态和谐相处，建成生态友好型混凝土。1.2国内外研究现状 1994年日本混凝土工学协会设立了“
4、生态混凝土研究委员会”，在生态材料概念的基础上，提出了生态混凝土概念。所谓生态混凝土即能够适应生物生长、对调节生态平衡、美化环境美观、实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。植被混凝土是以无砂大孔混凝土为基础，通过在无砂大孔混凝土内部的孔隙加入各种有机、无机的养料来为植物提供营养，并且加入各种添加剂来改善混凝土内部性质，使得混凝土内部的环境更适合植物生长，另外还在混凝土表面铺了一层混有种子的客土，提供种子早期的营养。日本的前田先端技术研究所在2001年发布了关于护岸用植被混凝土的专利公报。近年来国内相关研究机构对植被混凝土开展了系列研究，取得了一些成果。吉林省水利科学院、水土保持研究院、
5、水利实业公司等研究单位于1998年开始，根据水利防护工程的特点，提出了复合随机多孔型绿化混凝土结构。其特点是：周边采用高强度混凝土保护框并兼作磨具、中间填筑无砂混凝土一体成型，解决了随机多孔型绿化混凝土生长基的实用构件化、边缘强度低、有效绿化面积小等问题。天津市水利科学研究所以植被生物学特性、生长发育规律为之指导，以无砂大孔混凝土理论为基础，为解决河道整治中传统片面地追求河岸的硬化覆盖、忽略河流的资源功能和生态功能、破坏自然河流生态链的矛盾，推动传统水利向环境水利和大都市水利的转变，于2001年2月开始进行“环保型绿色植被无砂混凝土”的研究，通过对无砂大孔混凝土进行改性研究，在混凝土内部创造出
6、适合植物生长的环境，解决混凝土色彩单调、污染环境的缺憾。水利部西北水利科学研究所的李学军、王明祥曾对无砂大孔混凝土的配合比设计、施工工艺和性能进行了试验研究，提出了无砂混凝土反滤排水管的最佳配比，为无砂混凝土在水工建筑物中做反滤孔，排水暗管和减压水井管的过滤器等的推广提供了理论依据。昆明理工大学电力学院的付贵海、张林洪、王苏打采用正交试验方法对无砂混凝土进行了抗压强度、渗透试验研究并测定无砂混凝土的孔隙率和有效孔隙率，讨论了无砂混凝土渗透系数的计算公式，分析影响无砂混凝土强度和渗透性的因素，提出了无砂混凝土应用的推荐配合比。2、研究内容综上所述，为了达到实现人类与自然和谐共处的目标，首先人类必
7、须试验出能使生态作物在其上生长的无砂大孔混凝土。而早在项目前期，在邢老师的指导和带领下，我们不仅已经配制出符合这种要求的无砂大孔混凝土，而且对其力学性能、植生性与适应植被作业的能力都进行了比较深入的研究。所以此次试验我们将把主要精力放在以下试验的研究上，即如何解决置于护坡上的无砂大孔混凝土出现的管涌和流土现象，同时还能让护坡绿树成荫，生机盎然。2.1无砂大孔生态混凝土2.1.1原材料(1)水泥本试验采用一种普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa。需要在试验过程中测定和计算出水泥细度、水泥净浆标准稠度用水量、水泥净浆凝结时间、水泥的安定性、水泥的胶砂强度，以总结水泥的技术性能指标数据。(2)粗
8、骨料本试验采用卵石和碎石两种粗骨料。由于卵石含泥量比较大，使用前要先用水冲洗，晾晒之后进行过筛分级。每种粗骨料分成516mm和1020mm两种级配进行试验。需要在试验过程中测定和计算出粗骨料的表观密度、堆积密度、堆积密度、含泥量、压碎值，以总结粗骨料的技术性能指标数据。(3)试验用水本试验所用的混凝土拌合与养护用水均为郑州市自来水。2.1.2配制无砂大孔混凝土(1)无砂大孔混凝土的拌合(2)无砂大孔混凝土的养护由于无砂大孔混凝土内部存在着大量的孔洞，易失水，干燥快，所以保湿和养护非常重要，尤其是早期养护。要注意避免混凝土中水分大量蒸发，必要时可采用塑料膜及时覆盖，以保证混凝土的湿度和水泥的充分
9、水化，提高混凝土的强度。要注意洒水养护，每天至少洒水4次，养护时间不少于7天。2.1.3测定无砂大孔混凝土抗压强度根据普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002），混凝土立方体抗压强度是指按标准方法制作，标准尺寸为150mm150mm150mm的立方体试件，在标准养护条件下202，相对湿度为95%以上的标准养护室或在202的不流动的Ca（OH）2饱和溶液中，养护到28天龄期，以标准试验方法测得的抗压强度值，用表示。根据试验结果，从几组试验中取符合抗压强度大于10MPa的混凝土作为以下的试验试样。2.1.4测定无砂大孔混凝土的总孔隙率和连通孔隙率试验步骤：(1)用卡尺测量并计算
10、试件的外观体积；(2)将试件浸泡在水中使其饱和后，用静水天平称取试件在水中的重量；(3)将试件从水中取出，控干内部吸入的水并擦干表面多余的水，待重量恒定后，称取试件在空气中的重量；(4)然后将试件在202、相对湿度60%的条件下自然放置24小时，称取试件在空气中的重量；(5)计算混凝土的总孔隙率：；(6)计算混凝土的连通孔隙率：2.1.5测定无砂大孔混凝土的透水系数2.2管涌和流土2.2.1管涌和流土的定义管涌：在渗流作用下，土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。管涌容易在不均匀系数大的非粘性土中发生。当渗流的水力坡降大于土体的管涌临界水力坡降时即产生管涌。管涌临界水力
11、坡降由试验确定。防止管涌破坏，除降低渗流的水力坡降外，主要靠做好渗流出口处的反滤。流土：在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土多发生在颗粒级配均匀和颗粒较细的砂性土中。但如设计、施工不当，粘性土中有时也发生流土。产生流土的条件是土体渗透性小，排水不畅，水力坡降较大，渗透压力超过土体重量。2.2.2管涌和流土的判别条件流土：1.粘性土与不均匀系数（510）的无粘性土； 2.不均匀系数10的无粘性土，其细粒含量35%.管涌：对于不均匀系数10的无粘性土，其细粒含量35%时： 1.当25%时，为发展性管涌； 2.当=（25%35%）时，为非发展性管涌。最后的破坏形式主要取决于土的密度
12、和结构，可能是流土，也可能转化为发展性管涌。2.2.3确定土体的管涌临界水力坡降与流土临界水力坡降目前管涌的临界水力坡降的确定通常是采用土的渗透变形试验进行测定。试验方法为抬高储水容器，使流经试样渗透水流的水头差增大，渗流流速随之增加。当储水容器提升到一定高度时，可观察到试样由细小土粒移动的现象。此时的水力坡降即为发生管涌的临界坡降。关于流土的临界水力坡降：当单位渗流力等于土体的单位有效重量时，土体将处于流土的临界状态。若水力坡降再增加，渗流应力必大于土的有效自重应力，单位渗流力将大于土的单位有效重量，此时，土体被冲出，即发生流土。流土的临界水力坡降，式中分别土体的有效密度和水的密度。土体的有
13、效密度的计算公式如下：，式中为土粒比重，为土的孔隙比，为水的密度，其值为1。取一定体积的土体（假设=10），并将其烘干。接着用比重瓶法测定土粒比重，步骤如下：1）将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量；2）把烘干土克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量；3）按下式计算土粒比重。同时可以求得烘干土的体积，土中孔隙的体积，以及土的孔隙比。有了以上三个数值，根据公式便可求得有效密度。2.3模拟岸坡渗透变形破坏的试验条件2.3.1对岸坡土体进行选样对几组来自不同岸坡的土体进行土的颗粒大小分析试验，画出粒径分布曲线和粒组频率曲线，计算出不均匀系数和细粒含量。参照2.2.2条的判别依据，选择出23
14、组适合发生管涌和流土的土体。为了满足土工织物的设计要求，我们还需测得岸坡土体的渗透系数。土的颗粒大小分析试验方法采取筛分法。在进行筛分法之前，应先把岸坡土体内部的水分烘干后才能进行试验。利用一套孔径由大到小的筛子，将按规定方法取得的一定质量的干试样放入依次叠好的筛中，置振筛机上充分振摇后，称出留在各级筛上的土粒质量，按下式算出小于某土粒粒径的土粒含量百分数：，式中分别为小于某粒径的土粒质量及试样总质量。然后以土粒粒径为横坐标（对数比例尺），小于某土粒粒径的土粒含量百分数为纵坐标绘制曲线，即为所求的粒径分布曲线。不均匀系数的计算式如下：，式中为粒径分布曲线纵坐标分别取值为60、10时所对应的横坐
15、标的值。对于级配不连续的土，细粒含量是指小于粒组频率曲线中谷点对应粒径的土料含量；对于级配连续的土，细粒含量是指小于几何平均粒径的土粒含量，为粒径分布曲线纵坐标分别取值为70、10时所对应的横坐标的值。因为本项目的研究方向是管涌和流土，所以不可能出现几乎不透水的粘土土类，故测定岸坡土体的渗透系数时，采用常水头法。常水头法，顾名思义，即是在整个试验过程中，水头保持不变。设试样的厚度即渗径长度为，截面积为，试验时的水位差为，这三者在试验前可以直接量出或控制。试验中我们只要用量筒和秒表测出在某一时刻内流经试样的水量，便可得到土的渗透系数：。2.3.2设置岸坡的水力坡降关于岸坡的水力坡降的设置原则只有
16、一点，就是要能够发生管涌和流土。故岸坡的水力坡降一定要大于管涌的临界水力坡降和流土的临界水力坡降两者中的较大值。选择23组试验数据。2.3.3试验装置与确定管涌临界水力坡降的试验装置相同。2.4土工织物作为生态混凝土，无砂大孔混凝土在满足所需强度的前提下，当它的连通孔隙率越大，生长于其上的生态作物的生存空间就越大，这样的混凝土就更加能够满足人类的需求。但是由于护岸存在水力坡降，再加上无砂大孔混凝土的透水性，就为管涌和流土提供了存在的温床。对于管涌，刚开始护岸土体中的细土粒随渗流水移动并不断流失，继而较粗土粒发生移动，从而在土体内部形成管状通道。对于流土，某个局部的土体则是不断整体隆起、浮动和流
17、失。这两种渗流变形，最终导致生态护坡失稳，造成人力与物力等各方面的损失。在传统的水利工程中，我们可以采用砂砾等天然材料来制止管涌和流土破坏，但是这种解决方案势必导致生态作物无法生存。所以我们需要做到的是，既可以使生态作物的根系穿过混凝土直达护岸土体得以生长，还可以保证护岸的土体可以不发生移动和流失。于是，邢老师提出采用土工织物与无砂大孔混凝土复合结构。2.4.1土工织物的反滤土工织物是土工合成材料中的一种透水材料。土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的各种产品的统称。土工合成材料的原材料是高分子聚合物，它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤
18、维或合成材料片材，最后制成各种产品。土工合成材料的主要功能可归纳为六类，即反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护功能以及加筋和加固功能。这六类功能适用于本项目的便是反滤功能。当土体中的水流过土工织物时，水可以顺畅穿过，但土粒被留在土体内的现象称为反滤。用作反滤的土工织物一般是非织造型（无纺）土工织物。其主要的性能指标有单位面积重量G、厚度、等效孔径、水平渗透系数和垂直渗透系数，次要的性能指标有抗拉强度T和延伸率。确定各个指标的试验方法如下：单位面积重量G：单位面积重量是指在单位面积时材料所具有的重量，该指标由称重法测定。试样面积一般不小于100，设其值为A，相应的重量为，则单位面积重量G
19、按下式计算：。为使试验成果更具有代表性，需要进行不少于10块相同试样的平均试验，取其平均值作为试样结果。厚度：厚度指其顶面至底面间的垂直距离，用电子测厚仪或厚度测定仪测定。非织造型土工织物呈蓬松状，测厚时试样夹在压块与基准板之间，并施加2KPa的压力。因为当法向压力增加时，非织造型土工织物的厚度将随之变薄，这将影响土工织物的渗透性，特别是水平渗透性。故要测定不同压力下，厚度随之变化的压缩曲线，即厚度-压力关系曲线。根据以往经验，针刺非织造型土工织物的压缩量最大，而热粘非织造土工织物的压缩量与之相比就很小。等效孔径：等效孔径表示该土工织物的最大有效孔径。我国采用干筛法来确定它的值。以待测织物作为
20、筛底布，准备好几组已知粒径范围的粒组（可以是玻璃微珠或标准砂），例如0.0650.075mm、0.0750.090mm、的各粒组，每次将一粒组的粒料称50g投入筛内，放在摇筛机上振摇10分钟，得到留在筛上的粒料重量为，则可计算出该粒组的筛余率（又称留筛率）如下：；同样的方法测得其它粒组的筛余率、。为了防止筛布被土粒堵塞，故每换一次粒组，换用同种试样的新筛布。据此可以绘制各粒组的粒径平均粒径d与相应筛余率R的关系曲线图，从该图上可以获取等效孔径的值。垂直渗透系数：垂直渗透系数是反映水流法向通过织物平面时的透水性指标，采用垂直渗透试验仪进行。试样面积为A，厚度为，水的温度为T， 为上下游稳定水位差
21、，其值始终保持不变。在试验历时t内，从溢水口3流出的水量为Q，则垂直渗透系数由下式计算：。渗透系数一般应表示为标准温度20时的数值，由试验所得到的值可由下式修正：，式中分别为纯水在T和20时的动力粘滞系数，可从物理手册中查用。水平渗透系数：水平渗透系数指水流经织物平面方向流动时的透水性指标，采用常水头平面渗透仪装置测定，其测定过程与垂直渗透系数大致相同。水平渗透系数由下式计算：，式中，L,B分别为试样在水流方向和垂直于水流方向的长度和宽度。抗拉强度T：抗拉强度T指土工织物在拉力机上拉伸时单位宽度所承受的最大拉力，以kN/m表示。用条样法进行测试，其结果常绘制称拉力-拉应变关系曲线。曲线峰值点的
22、拉力为抗拉强度，对应的应变为破坏应变。以上指标在试验操作和资料整理时应注意和遵守的事项如下：1.制样原则：每项试验一般剪取610个试样，应从卷材长度和宽度方向上随机剪取样品，距卷材边缘不小于100mm。同一项试验的各试样应避免它们位于卷材同一纵向或横向位置上。2.试样调湿：对于大多数织造或非织造土工织物在试验时对实验室无温湿控制要求，只要记录试验时温度和湿度即可。3.夹具：单向拉伸用扁夹具，圆形试样用环形夹具。都要求夹具能均匀可靠地夹住试样，应能防止试样在钳口内打滑，且不会被夹坏。当出现以上状况时，可采取下列措施：钳口内加衬垫；钳口内试样用涂料加强；改进钳口面。4.资料整理：按下式计算全部测试
23、值的算术平均值，式中：n为试验次数，为第i块试样的测试值，为n块试样测试值的算术平均值。计算变异系数，。计算所需要的试样块数。非织造土工织物的均匀性较差，通常取10块试样。2.4.2土工织物的设计方法土工织物反滤材料应满足反滤准则。在使用土工织物之前，必须通过试验对土工织物进行检验，以判断此土工织物是否符合以下三条准则。反滤的设计准则有三条：(1)保土性。被保护土在水流作用下，土粒不得被水流带走，以防止管涌破坏。显而易见，土工织物要达到保土性，其等效孔径与土粒粒径必然存在某种联系。依据SL/T225-98水利水电工程土工合成材料应用技术规范，两者关系式如下：，式中为等效孔径值；为护岸土体的特征
24、粒径，可以从第2.3.1条的粒径分布曲线得到；的取值一般为12，当土中细粒含量大及为往复水流时取小值。分别得到了土粒粒径与等效孔径的值，自然可以确定符合保土要求的土工织物。(2)透水性。水流必须能顺畅通过织物平面，以防止积水产生过高的渗透压力。应符合的公式是：，式中为被保护土的渗透系数；B为系数，按工程经验确定，不宜小于10；为土工织物渗透系数，应按其垂直渗透系数确定。(3)防堵性。织物孔径不能被水流携带的土粒所堵塞，以避免反滤作用失效。本项目所研究的土体会发生管涌和流土，故属于提防工程土木合成材料应用技术所指出的易管涌，具有分散性、水力梯度高、流态复杂、修理费用大的情况，故当被保护土的渗透系
25、数cm/s时，土工织物的渗透系数要求大于被保护土的渗透系数的。我们不讨论被保护土的渗透系数cm/s的情况。2.5土工织物与无砂大孔混凝土复合结构当配制出符合项目需要的无砂大孔混凝土和选出适合被保护土的土工织物后，我们还需要考虑两者的复合状况。考虑在无砂大孔混凝土的压力下，土工织物的垂直渗透系数和水平渗透系数的值是否发生变化。3 课题研究的难点，拟解决的技术关键和方法措施本课题研究存在的难点，一是土工织物的等效孔径的选择：若过小，植物的根系无法穿透土工织物直达护坡土体；若过大，无法起到反滤作用；二是土工织物的透水系数，土体的渗透系数，无砂大孔混凝土的透水系数，这三者的大小关系对复合结构的影响。拟
26、解决的技术关键，一是从土工织物的反滤准则出发，对其等效孔径进行严格控制；二是在满足透水要求的前提下，提出可使无砂大孔生态混凝土和土工织物获得良好透水性能。方法措施，是通过对无砂大孔生态混凝土和土工织物进行大量的性能试验，用工程数学的方法分析试验结果，研究改善此复合结构的各个性能的技术路线和方法措施，以使研究成果可以尽快为工程建设所应用，便于成果转化。4 预期目标对于无砂大孔混凝土，连通孔隙率大于20%，不出现沉浆，不堵塞混凝土底面，便于植被根系的生长；抗压强度达到10MPa，可以硬化水利工程护坡，还可以在其表面上进行植被作业。对于土工织物与无砂大孔混凝土复合结构，为以后的设计、施工、监理提供有
27、价值的科学理论和方法手段，以解决生态护坡的安全性和耐久性问题。5 论文工作计划及工作安排（1）2011年12月-2012年1月 收集整理有关无砂大孔生态混凝土与土工织物课题的资料，学习掌握相关知识，对已有资料进行初步分析。（2）2012年3月 购买原材料。（3）2012年4月-2012年10月 上机试验，整理试验结果。（4）2012年11月-2013年3月 撰写论文，完成论文的初稿，交由指导老师审查、修改、补充并最终定稿。（5）2013年4月-2013年5月 将论文打印，装订，准备论文答辩。参 考 文 献1 王清芬. 感潮河段用过滤土工织物护坡反滤研究J. 中国农村水利水电，20022 李志强
28、, 崔中兴. 较大孔径土工织物对比反滤研究J. 西北水力发电，20053 崔中兴, 权全, 张飞跃, 李志强. 较大孔径土工织物反滤特性对比研究J. 水土保持通报，20054 徐俊. 土工织物非稳定土体反滤系统中滤饼的研究J. 岩土工程技术. 20055 刘杰缪，良娟. 土工织物的基本性质及反滤设计J. 水利水电技术，19946 周蓉. 土工织物反滤机理研究J. 青岛大学学报，20007 徐立波. 土工织物反滤设计准则的对比分析J. 华北水利水电学报，19958 张宝森, 李莉, 张俊霞. 土工织物反滤特性试验研究J. 人民黄河，20039 陈轮, 易华强, 许齐, 庄艳峰. 土工织物反滤系统
29、土体结构稳定性模拟试验研究J. 水力发电学报，200610 康军林, 管万凯, 刘春旭. 土工织物反滤准则试验研究J. 东北水利水电，200511 王殿武，曹广祝. 土工织物防护工程反滤准则试验研究J. 工程地质学报，200612 曹正康，丁玉平，王秀玲. 土工织物用于地下建筑物抗浮反滤构造形式的研究J. 产业用纺织品，200113 高志伟, 林森, 许晓明. 土工织物用作反滤在防洪堤中的应用J. 内蒙古水利，200314 缪良娟. 土工织物在河堤加固和反滤排水中的试验研究J. 水利水电技术，199415 董泽平. 土工织物在均质土坝反滤体施工中的应用J. 广西水利水电，200616 国家经济
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