工程土工合成材料的应用现状与发展趋势

杨志勇

（石家庄市公路管理处， 河北 石家庄 050081）

0 引言

水泥、钢筋混凝土和钢材是现代工程中最常用的三大建筑材料，这些材料在许多人工建筑物中得以应用。上世纪50年代由于化学工业的发展，合成纤维大量生产，人造材料开始在岩土工程和道路工程中应用，并在欧美等国家得到普及推广。70年代出现了非织造布，即无纺布或无纺织物，克服了织造布方向性受力的缺点，因其独特的制造工艺和低成本的特点而得以快速发展。随后，土工布、土工织物、土工膜和土工格栅等技术也随之出现。80年代起，工程界统一称它们为“土工合成材料”。此后，土工合成材料在工程中的应用也逐渐成为一门新的学科。

1 土工材料的种类和基材

1.1 工程分类

土工合成材料的分类有许多不同的表述，根据1999年交通部颁布的《土工合成材料应用技术规范》（JTJ—1999）中的表述，一般将常用的土工合成材料分为如下四种类型：

a）土工织物，又按其制造方法分为无纺和有纺两种亚类；

b）土工膜，为不透水性的薄层状土工材料；

c）特种土工合成材料；

d）土工复合材料，用无纺织物和土工膜合成芯材制成的不透水性材料或排水板材，并因不同的需要，呈现出形式多、用途广和性能好的复合材料。

1.2 基材分类

土工合成材料除具有不同外观形状与不同工程性能外，制造土工材料所采用的高分子聚合物基材的品种也有很多。

2 土工材料的功能与技术指标

土工合成材料的优点是比重小、整体连续性强、抗拉强度高、耐腐蚀、抗微生物侵蚀和较天然材料强。土工织物除以上特点外，还具有当量孔隙直径小、渗滤性好、表面柔软和有一定粗糙度的特点，能与土有较高的磨擦系数和结合力强。土工膜及其他复合材料则有独特的不透水和高防渗透排水性能。沿途工程中应用的土工合成材料，主要利用其六大功能作用包括：

a）滤层作用（也称“反滤作用”） 既能透水透气又能阻止土颗粒的移动，可保证土体的稳定性；

b）排水作用 在岩土工程中，可代替砂垫层作为排水通道；

c）隔离作用 在两层不同材料之间可以作为隔离层，使应力传递扩散或材料受水流作用时不会因受冲刷而被掏空、被混杂；

d）防渗作用 土工膜或复合土工膜，可以防止路表水或地下水渗漏对构筑的稳定性的影响；

e）加筋作用 可改善土体或路面的整体受力状态，增强地基承载力，提高路基的稳定性；

f）防护作用 可扩散应力，防止土体受外力或水流冲刷而破坏。

土工织物具有良好的透水、透气性，当水流垂直于织物平面流过织物的有效孔隙时，可阻止土颗粒被水流带走，起到滤层作用，而防止土体破坏。因此，土工织物广泛地被用于反滤层。将具有一定克重的无纺土工织物置于土体中时，还能将土壤中的水集聚到织物内部丰富的孔隙中，并沿织物平面形成排水通道，代替砂层将水排出土体，可用于挡土墙背和路基底部的排水层。具有一定抗拉强度的有纺或无纺土工织物，还可兼作路基底部的隔离层或半刚性路面基层与面层之间的应力扩散层。土工膜或复合土工膜则用于粉煤灰路堤底部，可隔断地下水的毛细上升，起到路堤上部渗入水的排水作用，同时也可专用于水池、地下建筑和垃圾填埋场的底部处理，用以防止水或其他液体渗漏。

3 土工材料应用现状

3.1 土工织物

3.1.1 防裂

早在20世纪70年代天津市政曾采用玻璃纤维布合成橡胶板作为石灰土基层上沥青路面或旧路罩面的隔离层（或称“应力扩散层”），来防止反射裂缝的出现。当时的玻璃纤维布作为棉布的代用品，由于舒适性不好，布料本身不平坦，铺设时不宜与旧路面密贴；合成橡胶板则因厚度过大（大于5mm）、模量较低，只能起到隔离作用而应力扩散作用不明显。另外，由于施工工艺不规范，未达到理想的防裂效果，便采用单位面积质量较小的针刺无纺布及纸基复合布，起到了减少裂缝、延缓裂缝扩展的作用。但这些做法都处于试验阶段，并未在工程中大规模应用。90年代，天津市再次在复合式混凝土路面施工中，采用德国生产的特拉维雷土工布防止伸缩发射裂缝，但未起到理想的效果。江苏在沪宁高速公路拓宽工程中部分加宽路段将土工织物铺设于新旧路基接茬处，起到了加筋作用，减少了路基不均匀沉降。对使用状况2～3年的观测表明有较好的效果。

3.1.2 反滤

90年代初，吉林市临江门桥头立交地道挡墙工程首先应用土工织物作为盲沟的反滤层，取得了较好的工程效果。随后，在全国部分省市的各类工程中土工织物作为反滤层得到广泛推广应用。

3.2 土工网与土工隔栅

2007年，沧州津汕高速公路的软土地基道路工程大量应用土工网作为低填方路基的加固材料，路基的稳定性得到了有效保证，路面使用状况良好。在较高填方的条件下，由于土工网抗拉强度受到限制，土工网加紧材料又逐渐转向使用土工隔栅。1998年京沈高速公路填方路段；唐津高速公路软基处理；天津外环线改造工程中基底加筋都大量使用了双向拉筋隔栅。

原有的路面地基层不能大量废弃和重做深层加固处理，并且旧基层因软土基的存在会出现裂缝，使路面的稳定性受到影响，所以采用双向隔栅加固尤其适用于现有公路改造。挖除破坏的面层后在路面层的某个层位加设土工隔栅，再做补强层是最合适的方案。

近年来，为减少桥头添土不均匀沉降而设置的土工隔栅，在唐津高速公路、沿海高速公路都有应用，其中在津汕高速公工程中已作为解决桥头跳车的主要技术措施，并纳入了专项设计中。

3.3 塑料土工带

80年代末，山东省首先在加筋挡土墙试验工程中运用细粒土作作为浸水路堤的填料，取得不错效果，在对大量实验观测资料进行总结的基础上，推广应用于桥头高填方路段。随后天津在中环、外环和京津塘高速公路分离式立交等多条高速公路多座大型立交工程中也采用了这种方式。最具重要意义的是，塑料土工带可用于地基未经加固处理、出现较大工后沉降的情况下，且其结构物仍可处于正常使用状态。

3.4 复合土工布与土工垫

复合土工布大多用作不透水隔离层，当前在各类构造物基础治理工程，如人工湖泊、垃圾场、防水工程、河岸、堤坝以及路基防渗透处理中大量应用。但是，不同规格的土工布其工程的适应性也不同。比如，厚度为1.5mm的高密度聚乙烯土工膜可避免回填材料产生的土压力和土中粗颗粒顶破。

3.5 土工排水管

土工排水管是一种地下或地上软式排水设施，市政工程中常将管径5cm的排水管作为盲沟管，其作用相当于管径20cm无砂水泥管的排水能力，而且易于弯曲、不易压碎、便于施工，有很大的工程经济效益。

4 结语

如上所述，土工合成材料在各类工程中的应用，并在不良地基条件下表现出优越性能。1998年原交通部颁布了《公路土工合成材料应用技术规范》，和之前颁布的《公路加筋土工程设计规范》和《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范》一起构成了较完整的土工材料应用的规范体系，表明对土工合成材料的应用已从原先的经验性的积累向理论分析的方向发展。但是，由于多种原因，土工合成材料尚未有国家或行业制定统一的产品标准，诸如土工材料与不同填土的摩擦系数、加筋材料的抗拉模量以及与设计抗拉强度相应的应变量或延伸率等等。因而，由于缺少相应的指导设计参数，目前土工合成材料在设计中的应用仍存在依靠经验多余依靠理论的问题。

土工合成材料是一种新型材料，其工程应用是一项不断发展的新技术。与新材料的不断推出，应用领域的不断扩展相比，对基本力学计算模型、理论分析方法的研究还不成熟，尤其是在路面裂缝防治、路基边坡防护和台背加筋等方面都还处于摸索经验的阶段。有的方面虽然有推荐计算方法，如路堤加筋、排水方法等，但因自然土质的多样性、不均匀性而使理论计算结果与实践效果之间的联系存在较大的不确定性。在深层软土地基的固结、浅层软基路基的加筋方面同样存在类似的问题。