土工合成材料在公路软基中的应用技术探讨

尚福涛

（河北省邯郸市光太公路工程有限公司，河北 邯郸 056001）

0 引言

土工合成材料作为—种由高分子聚合物制成的用于工程的新型材料，分为土工织物、土工膜和特种土工合成材料等类型，这些产品置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥着加筋、加固、防渗、隔离、排水、反滤以及防护等作用，已广泛应用于铁路、公路、水利等诸多部门。

1 土工合成材料在工程中的应用

1.1 作为一种机织（有纺）或非织造（无纺）的织物类透水性土工合成材料

土工织物的质量在100～1 000g/m2范围内。无纺型抗拉强度为10～30kN/m，高强度可达30～100kN/m；有纺型抗拉强度为20～50kN/m，高强度可达到50～100kN/m，对于特高强度的编织物则可达到100～1 000kN/m。渗透性即渗透系数k为10-3～10-2cm/s。从上述几个性能可以看出土工织物优点是重量轻、整体连续性好，施工方便，抗拉强度较高。此外，其耐腐性和抗微生物侵蚀性以及不暴露条件下的抗老化和耐久性能也较好。因此，土工织物多用于加筋、加固、排水、反滤、隔离等工程中，尤其是在公路软基处理中应用较多。

1.2 土工膜

土工膜是由透水性极低的聚合物、沥青及合成纤维和织物外加部分添加剂制成的几乎不透水的土工合成材料，分为沥青和聚合物两大类。这两类均又包括加筋、不加筋或组合等类型。聚合物土工膜拉断时的极限延伸率可达到150%～900%，常用强度为1～6kN/m，加筋土工膜的最大抗拉强度高达10～30kN/m。鉴于其水下耐久性很高，具有十分突出的防渗、防水功能，多用于土体、水渠的防掺、渗水基面的防水、围堰施工、防汛抢险中的隔水等工程。

1.3 土工格栅

土工格栅是经过拉伸形成的具有方形或矩形格栅的聚合物板材，按其拉伸工艺分为单向拉伸和双向拉伸两种。格栅由于制造过程中经过了定向拉伸，使聚合物分子沿拉伸方向定向排列，加强了分子链间的联结力，大大提高了其抗拉强度，而延伸率却只有原板材的20%～15%。在抗拉强度方面，—般格栅为30～200kN/m，高强度的可达200～400kN/m。此外，土工格栅埋入土中的抗拔力由于格栅与土体之间的摩擦咬合增高而显著提高。正由于格栅这些性质，其多用于土体包括软基的加筋加固工程中。

1.4 土工网

土工网是用合成材料条带、柑股条编织成的合成树脂压制的具有较大孔眼和较大则度的平面结构或二维结构的网状土工合成材料。其性能略同于土工格栅，但抗拉强度较低，多为10～50kN/m，因此常用于软基加固垫居、被面防护，桓革以及制造复合土工材料的基材。

1.5 土工模袋

土工模袋是双层聚合物化纤织物制成的连续（或单独的）袋装材料，可以替代模板采用高压水泵把混凝土或砂浆灌入模袋之中，最后形成板状或其它形状结构。其类型分为有反滤排水点、无反滤排水点、无排水点混凝土及铰链块型等四种，主要应用于公路护坡或其它地基处理工程。

1.6 土工垫

土工垫是一种新型土木工程材料，可用于植被草皮固土的三维结构的似丝瓜网络样的网垫。网垫疏松柔软，具有90%的孔隙，可以充填土、砂砾等其它材料，常用于防冲蚀和保土工程，有时也用于地基的加筋垫层结构中。

1.7 土工格室

土工格室是由强化的PF宽带（条带聚合物）或其它合成材料、经过强力焊接或钉销连接而形成的一片网格状三维结构。它伸缩自如，运输时可缩叠起来，使用时可张开并填充砂石或混凝土料，构成具有很强侧向约束和很大刚度的结构体。它可用来作为公路软基的垫层从而有效地提高地基承载能力，也可用于坡面防护及其支挡结构。

1.8 超轻型土工合成构料EPS

EPS以聚苯乙烯聚合物为原料加入发泡添加剂制成，分为发泡法和挤压发泡法两类，可用于铁路、公路的填料或地基换填料，阵低地基的附加应力，增加路基的稳定性和减少沉降量。

2 土工合成材料处理软基技术

上述所提出的土工合成材料的类型几乎都可以应用到软土地基的处理加固中，可以预测到土工合成材料的发展和应用在公路软基处理中具有广阔的前景。针对软土路基的工程特征及土工合成材料的类型与特点，结合工程应用情况，对于土工合成材料处理软土地基的方法大致可以分为以下几种：

a）对软基进行排水及补强并举的措施，如果采用土工织物加砂井，既加速固结，增加抗滑作用，又可改善软基面层的应力分布；b）以加固为主要目的的软基处理方法，如采用土工格栅、土工格室等抗拉强度高、侧向约束大的土工合料作为垫层，可增强防滑能力，减少地基沉降，同时也具有排水作用；c）改善软基荷重的处理方法，主要通过采用EPS材料作为路堤填料以减轻地基的附加应力，如采用土工网格、土工网垫等土工材料作为垫层，改善基面的应力分布情况，使应力扩射面积更大、更均匀，同时增加地基抗滑能力。

3 实例分析

某公路两段软基上的高路堤成为如期铺轨的控制工程，如按原设计用反压护道加砂井的综合处理方案，则填土固结时间需6个月才能稳定，显然不能满足工期要求。但是经采用土工织物与砂井并用来加固地基，既实现了增加软基的稳定性、加速施工进度的目的，又可以有效节约工程造价。其中1#工点共采用54d填至设计高度8.8m；2#工点只用了43d填至设计高度9.2m，之后还分别加高了1.5m（相当每延米10m3左右） 的填土。模拟列车作为预压。通车证明，两个工点都是稳定的。

3.1 土层情况及土的性质

试验段位于丘间谷地，谷地宽约200m，地势平坦均为水田，两侧谷坡平缓多为早地。谷地上部为第四系近代冲积物，下伏第三系紫红色砂岩与砂砾岩互层，地下水位近于地表。

3.2 方案选取

本项目原设计方案为砂井加护道综合处理，护道为两侧宽15m、高4m的断面。如按施工期为一年进行检算，安全系数仅为1.2。采用土工织物加砂井方案，利用土工织物所能承受的拉力以增加抗滑力矩，提高路堤的稳定性，则填土的速度可大大加快。同时，所增加的填土又使地基加速固结，提高了地基的抗剪强度。针对选用的土工织物及铺设位置，本项目把土工织物铺设在排水砂井上部的砂垫层内，砂垫层起防顶破和增加摩擦系数的功能。根据检算，需要敷设至少两层织物，两端回折3m作锚固端，外面铺设干砌片石保护（见图1）。

图1 设计断面及其土工纤维锚固图

本项目土工织物采用麻纺厂生产的聚丙烘叠丝编织型，宽0.98m。其性能指标分别为：径向抗拉强度50kN/m；纬向抗拉强度36kN/m；延伸率20%。为方便施工，在厂内加工宽度为3.6m、总长度（路堤底宽与回折之和）为5m的成品，铺设时纵向延伸搭接长度为0.5m。

3.3 变形观测

软土稳定分析方法多采用圆弧法。加铺土工织物后，因土工织物承受拉力而增加一个稳定力矩，从而增大了安全系数。实验段在施工速率上作大胆尝试，尽可能提高观测数据水平位移控制值，以争取填土时间，加大固结荷载。7月份进行砂井施工（采用射水法施工），深度均达到砾卵石层。8月上旬铺设土工织物；8月中旬开始填筑，并以边桩观测数据来控制填土速度。填筑到设计高度仅用43d。填土超过临界高度以后，速率依然很快，从5～9.2m，只用时16d，在软土地基上不铺设土工织物而达到这样快的填筑速率较为少见。从变形观测数据来看，沉降增量随荷载增量而变化。当填土荷载增量未超过10kN/d时呈直线关系、超过则不呈直线关系并可能有局部破坏。填土的平均沉降速率为0.019 9m/kN，卸载的沉降回弹为n 0.006 68m/kN。本工点填土过程中当观测边校位移值达到15mm/d时须减缓填土速度；当边桩位移达25mm/d时才停止填土，实测得到的地基平均固结度远高于理论计算值。

4 结语

从工程实践效果表明，本项目采用土工合成材料来处理路基软基，土工织物在此使用起到了改善地基应力，增加路堤稳定、加速地基固结等作用，且节省了工期、降低了造价，值得同类工程推广应用。

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