公路土工合成材料施工技术的研究与应用

孟强

菏泽广润公路材料有限公司 山东菏泽 274000

土工合成材料是一类新型合成材料的总称，主要是将人工合成的聚合物作为原材料的产品。从1960年开始，土工合成材料中的塑料薄膜开始在我国作为防渗材料在灌溉渠道方面应用。在1980年后，土工合成材料的使用范围开始逐渐扩大到几乎所有的建筑工程中。近年来，由于公路工程项目在进行过程中经常会出现路面或护坡塌陷、管口或连接处漏水或脱开、管道淤泥堵塞等众多问题，因此就会造成后期的维修，不仅延长建设工程的时间，还会耗费大量人力和财力。探究其原因：一是由于在以砂石为基础的地基条件下，采用柔性接口就会导致后期沉降不均匀引起管接口漏水的现象，并且降雨时期也会对地基有所扰动；二是由于以普通材料为基础的护坡材料不能有效防止水土流失，且不能生长植物等。因此，在公路工程后期就会出现沉降不均匀或者塌陷等问题，加强对人工合成的土木材料广泛发展和应用可以为公路工程中出现的常见问题提供新的解决途径。

1 土工合成材料介绍

土工膜袋、土工网、土工网垫、土工格栅等都属于土工合成材料。在制造土工合成材料时，首先需要加工聚合物原料，使其形成丝、短纤维、纱或条带，然后将其连接制作形成平面结构。有纺土工织物和无纺土工织物是按照制作方法分成的两大类土工织物材料，两者排列形式存在一定不同之处。有纺土工织物交织的方式为正交或斜交的经线和纬线，而无纺土工织物是定向随意排列然后加工形成的。土工织物的联结方式主要包括三类，分别为化学联结、热力联结和机械联结。

重量轻、连续性好、施工方便、抗拉强度高、耐腐蚀、抗微生物等都是土工织物突出的特点。由于土工合成材料的抗拉力学性能较好，尤其是土工布和土工格栅，可以在工厂批量生产，质量便于控制，当前在土木工程各个领域中已经得到了较为广泛的应用。

土工布在公路工程中主要用以路面罩面的形式应用，可以将路面发射裂缝发生的概率降低，有助于反射裂缝发生和发展的控制。在公路工程软土路基中，利用土工格栅还能够达到快速固结地基、地基承载力优化的效果。

2 土工合成材料的基本功能

隔离、加固、排水和过滤是土工合成材料最基本的四项功能。在公路工程中，土工材料广泛应用于路基排水、防护、防裂等方面。不同材料的性能有一些差异，但其基本功能差别不大。

2.1 隔离功能

在不同材料的界面铺设土工合成材料可以实现隔离，避免这些材料的掺杂。通过设置土工合成材料，可以实现扩散应力的作用，从而统一控制地基土的沉降，为地基排水固结创造有利条件。

2.2 增强功能

在地下铺设土工合成材料可以增强材料与土层之间的摩擦，进而提高抗拉强度。铺设土工合成材料可以抑制材料的变形，提高上表面土工合成材料的强度，抑制下沉效应。

2.3 排水功能

孔隙水渗透性是岩土材料的特性之一。在土壤中嵌入土工合成材料可以借助材料的平面渗透性排出土壤中的水，并使内部水沿垂直于平面的方向流动。

2.4 过滤功能

与以往的天然骨料滤层相比，土工合成材料的过滤排水功能和功能形态有了很大的提高。土工合成材料可以利用过滤土层中形成的滤饼层达到过滤效果，而不是利用自身的透水性进行过滤。换句话说，土工合成材料不需要具有强透水性。一般情况下，只要是相邻土壤透水系数的10倍，即可满足工程过滤功能的要求。

3 土工合成材料在道路防护结构中的作用

3.1 土基加筋加固

在市政工程中，土工合成材料常常被用在加筋土层的垫层，达到加固的效果，尤其是在道路的软土地基部分，加筋垫层使用非常常见。

在市政工程施工过程中，对路基的处理是具有一定难度的，增加加筋垫层不仅可以将土层中的力分布均匀，还可以增加地基基地的整体性，同时能在一定程度上对填料层厚度进行减少。这样，可以对整个路基的侧向变形产生约束力，增强土层的刚度和承载能力，提高路基稳定性，并且减小不均匀沉降的现象发生。

加筋垫层的使用在增强基底稳定性的同时，还能增强地基像侧面滑动或挤出的稳定以及从软土下层到硬土顶层的滑动稳定性。

3.2 路面裂缝防治

在市政工程中，旧沥青路面或旧水泥路面的底层往往采用民用合成材料铺设，在新建道路的过程中也会铺设沥青底面，这可以减缓旧路面面对加铺层的裂缝反射条件。在一定条件下，使用玻璃纤维网或土工布可以有效地提高市政工程路面改建的抗拉强度和最大荷载伸长。玻璃纤维网材料的尺寸也有一定的要求。铺设过程中的最大粒径约为沥青面层材料的0.5～1倍。

市政工程施工中使用民用合成材料防止路面裂缝的过程中，应通过外观和弯沉值测量路面裂缝，然后规划材料的铺设方案。施工过程中，路面应干净平整。由于民用合成材料需要铺设和固定，因此需要严格按照规范和设计要求进行铺设。这样既能保证养护期材料的使用寿命，延缓收缩和开裂时间，又能防止裂缝反射到路基表面。

3.3 路堤边坡防护

在市政建设过程中，最重要的方面还包括生态工程的保护作用。目前，随着“海绵城市”概念的逐步发展，在项目建设中也占有一席之地。因此，在海绵城市建设过程中，合理解决城市内涝问题是当前的当务之急。在一些具备“海绵城市”建设条件的地区，边坡防护的建设和防护不仅可以保护生物多样性，还可以保护生态完整性，防止水土流失，保证路堤边坡的稳定。

格宾护岸是目前较为新颖的柔性护岸结构材料。其组成结构是将芯部锌铜线改为六角形网络结构，并在网络结构中填充石块。这种材料有许多优点。例如，添加石料可以增加材料表面的粗糙度，有效削弱波浪，减缓冲刷，保护路堤；六边形网状结构，孔隙大，透水性好，可进行物质和能量交换；边坡防护后，可在覆盖层和水面种植植物，起到绿化作用；狂欢护岸中填充的石块还可以选择一些具有净水功能的填料，可以降解水中的污染物，净化水质；最后，这种民用复合材料不仅环保，而且稳定、防冻、耐用。它可以在南部和北部路堤环境中同时使用。

3.4 改善排水功能

在市政工程中，城市排水系统的建设不容忽视。民用合成材料对排水系统的影响是因为民用织物可以收集和输送水。由于织物的特性，民用织物是一种优良的透水材料，具有良好的排水能力。因此，在排水系统的施工过程中，往往与其他类型的构件相结合，如排水芯或穿孔管等。排水系统中使用的民用合成材料被广泛使用，如城市排水系统、挡土墙排水、水利建设中的土石坝排水等。

3.5 增强环保防渗

由于当前垃圾填埋场的使用不规范等等，往往会有很多气体和垃圾渗滤液的流动和挥发，影响土壤和地下水。因此，在土工合成材料中的复合土工膜就可以用来应对此类情况的发生，它主要被用来防渗。防渗膜一般的组成是由土工织物和土木膜复合形成的，这种材料不仅可以在垃圾填埋场中提供防渗的效果，同时还抗拉伸和撕裂，物理性能较为优异，在施工中不仅可以用于温热地区，高寒地区也可以使用，所以不仅是市政工程中垃圾填埋场的表面可以被使用，还可以应用于污水处理厂、矿场、煤堆场等等。

4 土工合成材料在公路工程中的应用

4.1 路堤加筋及软弱地基的处理

如果公路所在的区域是软土地基，高填方路堤的施工将在受土压力影响的地面上产生水平的剪应力，然后可能出现堤防位移和不稳定等不利现象。在路堤中使用土工合成材料，可以通过加固有效地提高路堤的稳定性，从而大大减少路堤的不均匀沉降问题。一般情况下，可在路堤底部铺设土工合成材料，以完成加固施工。土工格栅埋设在土壤中，可以很好地贴合土壤，并利用其自身的高强度和材料和土壤的膜材料来优化路堤或软基的强度。热熔挤压法也是制作土工格栅的常用方法。与冷拔土工格栅相比，热熔挤压法制作的土工格栅性能降低，因此热熔挤压土工格栅可以在质量要求较低的公路工程中应用。近年来，土工格栅材料也在不断改进和创新。目前，纤维土工格栅主要由聚酯纤维或玻璃纤维制成，强度高，伸长率低，在公路工程中能发挥良好的作用。

4.2 桥台路基处理

桥梁、涵洞和隧道是公路工程建设中常见的结构物。此类建筑物施工过程中，如果对台背路基填料处理不当，容易导致刚度差异较大，导致台背不均匀沉降。随着时间的推移，路桥结构稳定性降低，桥头跳车问题严重。在桥台路基处理中合理应用土工合成材料，可以使回填材料与结构物形成整体，大大降低不均匀沉降的概率，提高公路工程的施工质量。目前，土工泡沫聚苯乙烯砌块是公路路基施工中常用的材料。可在平台背面填筑或更换路基材料，可大大减轻路基自重，有利于提高路基稳定性，减少桥头跳车现象。

4.3 路基防护

路基是公路工程的重要组成部分。路基防护主要包括两个方面：侵蚀防护和边坡防护。土质边坡常用的防护措施有：张网铺草皮、固定草种布、网格定植等；在岩质边坡防护中，常用的防护方法有土工网或土工格栅；在沿河路基防护中，常用的防护方法有土工布软垫层和土工膜袋。通过冲刷防护可以提高路基的稳定性。通常情况下，可采用直接加固来防止边坡冲刷。另一种间接保护主要是干预水流的方向和速度。目前常用的路基防护措施有土工网垫层、土工格室和土工格栅。土工格栅的强度低于土工格栅，但变形较小，因此这种交联复合土工材料在边坡防护中得到了广泛的应用。在路基冲刷防护工程中，土工网的应用需要配合土石方和混凝土材料的填筑，以提高其刚度和侧向极限，保证结构的整体稳定性。

4.4 排水系统

排水是公路工程中一项非常关键的工作，它直接影响到公路结构的整体稳定性。在公路防排水施工中，土工合成材料可以改善和提高结构的排水能力。土工合成材料可用于公路工程的排水和过滤。目前，土工合成材料和土工模袋常用于地下排水沟和渗水沟，是提高公路稳定性和优化路基排水性能的常用方法。

在使用土工模袋时，需要向模袋中浇注混凝土或砂，以形成具有一定透水性和强度的结构。该结构可用于基础或边坡防护。和设置排水孔相比，土工膜袋施工更方便，反滤排水效果更好。土工布复合排水材料可采用薄土工布包裹，以优化土工布的排水性能，降低小颗粒渗入排水结构的概率，避免堵塞排水通道。复合土工排水材料可用于路基、路面的纵横向排水系统或挡土墙后的反滤排水系统。

4.5 对新、旧路基衔接应用

公路工程改扩建施工各种常常需要进行新旧路基路面的衔接，在结合位置非常容易出现的一种现象就是不均匀沉降。可以说，不均匀沉降已经成为困扰公路改扩建施工的一大难点。如果施工人员没有合理处理新旧路基接合位置，一旦在后期运行中发生错台现象就会进而造成开裂，对公路质量安全产生严重不良影响，甚至引发交通事故。为了将不均匀沉降问题尽量减少，需要合理处理新旧路基交接部位。首先需要处理新路基部分，然后按照台阶形状挖掘原路基，开挖按照0.5～0.8m台阶高度、1.0～2.0m台阶宽度逐级完成，到最后一级台阶宽度应当≥2m。然后将土工合成材料顺着路线铺设，将其铺平扯直，避免重叠、扭曲、褶皱。新路基铺设的土工合成材料长度大于2m从而实现土工合成分别落在原路基和新路基尚，尽量保持新就路基填料一致。采用分层填筑的方式填筑台阶，逐层压实。

4.6 对隧道内的路面应用

洞内岩层水位高，水压大，易发生地下水反渗透。如果不采取有效的排水设施，从长远来看，路面将被地下水浸泡和腐蚀，影响路面结构。隧道路面结构层多为混凝土材料，基层防水性能差。在混凝土路面与基层之间铺设土工合成材料，设置排水管，可有效避免地下水对路基的侵蚀，减少地下水对路基和路面的影响。土工合成材料可将反渗透水包裹在两侧排水沟周围，改善路面干燥度，确保交通安全。

5 结语

土工合成材料在市政工程中不仅可以单独使用，还可以与其他种类的材料配合使用，可以对路面加筋加固、保护堤岸、减弱路面裂缝等作用，同时还可以作为排水体在明渠、暗渠等情况下使用。土工合成材料在市政工程中的广泛使用，具有节约资金、缩短工程周期和对建筑施工保证安全的重大意义。