齊影輝

(河北路橋集團(tuán)有限公司)

1 土工合成材料的分類(lèi)

土工合成材料是以人工合成的高分子聚合物為原料制成的各種類(lèi)型產(chǎn)品,它置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間,具有加強(qiáng)、保護(hù)土體作用或其他結(jié)構(gòu)功能,是一種新型工程材料,也是巖土工程中應(yīng)用的合成材料的總稱(chēng)。

土工合成材料大體可以分為土工織物、土工膜、特種土工合成材料和復(fù)合型土工合成材料四大類(lèi),土工織物包括有紡和無(wú)紡織物;土工膜包括瀝青土工膜和聚合物土工膜;特種土工合成材料包括土工格柵、土工膜袋、玻纖網(wǎng)、土工網(wǎng)、土工墊、土工格室及超輕型合成材料;復(fù)合型土工合成材料包括復(fù)合土工膜和復(fù)合排水材。

2 土工合成材料的應(yīng)用

2.1 過(guò)濾作用與排水作用

把土工織物置于土體表面或相鄰?fù)翆又g,可以有效地阻止顆粒的通過(guò),從而防止由于土顆粒流失而造成土體的破壞。同時(shí)允許土中的水或氣體通過(guò)織物自由排出,以免由于孔隙水壓力升高而造成土體失穩(wěn)的不利后果。

土工合成材料可單獨(dú)或與其他材料配合,作為過(guò)濾體、排水體用于暗溝、滲溝、坡面防護(hù)、支檔結(jié)構(gòu)壁墻后排水,軟基路堤地基表面排水墊層,處理翻漿冒泥和季節(jié)性冰凍土的導(dǎo)流溝等。較厚的針刺無(wú)紡織物和具有多孔隙的復(fù)合型土工合成材料多可以起到排水作用,在土體中形成排水通道,把土中的水分匯集起來(lái),并沿著材料的平面排出,增強(qiáng)土體的水穩(wěn)定性和抗凍性。

2.2 隔離作用

路面結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的行車(chē)荷載作用后,與土基接觸的基層底面會(huì)因剪應(yīng)力的作用而產(chǎn)生微裂縫,這時(shí)往往會(huì)發(fā)生兩種情況:一是路基土被抽吸到基層中,削弱基層材料的剛度;二是基層被逐漸壓入土基中,失去路面結(jié)構(gòu)的完整性。土工合成材料的隔離作用是在土基強(qiáng)度相對(duì)較弱時(shí)所發(fā)揮的主要功能。在土基強(qiáng)度較高時(shí),土工合成材料的隔離作用依賴(lài)于基層材料的類(lèi)型、荷載的大小與作用次數(shù)。

作為隔離層的土工合成材料必須滿(mǎn)足以下要求:一方面要能夠隔離兩種不同粒徑的材料,維持結(jié)構(gòu)層厚度;另一方面要有足夠的強(qiáng)度,以承受荷載引起的應(yīng)力或變形。除此之外還要保證一定的反濾、排水能力?；A(chǔ)和填料的不均勻性往往引起局部應(yīng)力集中,要求隔離土層用的土工合成材料具有足夠的抗拉強(qiáng)度,維持自身的連續(xù)和完整性,不會(huì)被刺破和發(fā)生撕裂。

表面粗糙且有良好滲透性的土工織物常用作隔離層。土工織物和土工膜都可以起到隔離作用,即把兩種不同粒徑的填料與其他結(jié)構(gòu)分隔開(kāi)來(lái),從而保持材料和結(jié)構(gòu)各自的完整性,或避免發(fā)生土質(zhì)流失現(xiàn)象。這種功能用于公路路基與地基之間、土石混合壩、石籠及沙袋與軟土地基之間的隔離等。

2.3 加筋作用

土工合成材料鋪設(shè)入土體內(nèi)可以承擔(dān)土體應(yīng)力,增大土體的模量,傳遞拉應(yīng)力,限制土體側(cè)向位移,提高土體及相關(guān)建筑的穩(wěn)定性。土工織物、土工膜、土工網(wǎng)及一些特種或復(fù)合型土工合成材料均具有加筋作用。土工合成材料的加筋主要應(yīng)用于垂直的擋土墻和橋臺(tái)、陡坡工程、治理滑坡工程、軟土地基上的填土工程。

在上述工程應(yīng)用中,土中的加筋主要承受土體自重和土體幾何形變產(chǎn)生的應(yīng)力。

土工合成材料在上述工程應(yīng)用中,所起的作用是不同的。在前三種工程應(yīng)用中,加筋必須在整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用年限內(nèi)穩(wěn)定有效地工作;而對(duì)軟土地基上的路堤加筋結(jié)構(gòu),加筋的存在只是增加了在填土過(guò)程中和填土結(jié)束后,地基軟土的固結(jié)期內(nèi)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在地基的強(qiáng)度隨固結(jié)度的增加而不斷提高的過(guò)程中,加筋增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用將越來(lái)越小。

土工合成材料的加筋作用可以改善路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布。其外在表現(xiàn)就是減薄路面層厚度,減小車(chē)轍,防止裂縫反射,延長(zhǎng)使用壽命。土工合成材料加筋作用機(jī)理較復(fù)雜,目前比較一致的看法是加筋有側(cè)限作用、拉力加勁、薄膜效應(yīng)三種作用機(jī)理。

(1)側(cè)限作用。

作用在道路上的荷載對(duì)粒料產(chǎn)生橫向推擠,使粒料有橫向移動(dòng)的趨勢(shì)。土工合成材料通過(guò)摩阻和嵌鎖作用力,對(duì)粒料進(jìn)行錨固,限制粒料橫向移動(dòng)。

(2)拉力加筋。

土工合成材料與路面結(jié)構(gòu)層的相互摩阻和嵌鎖,使得結(jié)構(gòu)層材料相當(dāng)于受到了一個(gè)圍壓,從而提高了整體剛度。在土基強(qiáng)度軟弱的條件下,由于位于土基頂面的加筋承擔(dān)了部分剪應(yīng)力,使得地基承載力得以提高。

(3)薄膜效應(yīng)。

道路變形使土工合成材料拉伸,產(chǎn)生張拉力,張拉力的豎向合力可以承擔(dān)部分豎向荷載。土工合成材料的薄膜效應(yīng)可以降低對(duì)土基的強(qiáng)度要求,或者使得面層的厚度減薄而不影響總體承載力。薄膜效應(yīng)的發(fā)揮與土工合成材料的埋置深度有關(guān),埋深太淺土工合成材料可能會(huì)因承受拉力過(guò)大而損傷,埋深過(guò)大則加筋效果難以體現(xiàn)出來(lái)。

2.4 排水與反濾作用

(1)滲透性準(zhǔn)則。

排水方式有沿織物平面排水和垂直織物排水兩種形式。在考慮土工織物的滲透性要求時(shí),一般要求織物的滲透性應(yīng)大于臨近結(jié)構(gòu)層的滲透性,但是由于隨時(shí)間的流逝土工織物不可避免地要有一定的淤堵,因而要求織物的滲透性應(yīng)為結(jié)構(gòu)層的若干倍。如果路面各結(jié)構(gòu)層壓實(shí)良好,也可適當(dāng)降低對(duì)織物滲透性的要求。

(2)反濾準(zhǔn)則。

反濾的目的是截留細(xì)粒土,維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果土工織物的孔隙滿(mǎn)足一定條件,則不但可以允許水流通過(guò),而且可以鎖住細(xì)粒。靜荷載作用下,可將土工織物的孔徑與顆粒的粒徑聯(lián)系起來(lái),建立選擇標(biāo)準(zhǔn)。

(3)淤堵準(zhǔn)則。

淤堵會(huì)降低織物的滲透性,但不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度淤堵而喪失排水能力。

2.5 防護(hù)作用

許多土工合成材料均可對(duì)土體起到防護(hù)作用,特別是河水、雨水等對(duì)路基的沖刷。土質(zhì)邊坡防護(hù)可使用拉伸網(wǎng)草皮、固定草種布或網(wǎng)格固定撒種。巖石邊坡防護(hù)可采用土工網(wǎng)或土工格柵。沿河路基可使用土工織布軟體沉排、土工膜袋進(jìn)行沖刷防護(hù)。

2.6 路面反射裂縫防治

道路結(jié)構(gòu)的裂縫大致可以分為由于溫度和濕度變化產(chǎn)生的溫度裂縫和重復(fù)荷載作用下的疲勞裂縫兩種。通常的維修方法是在原來(lái)裂縫路面上加鋪瀝青罩面層。但是使用一段時(shí)間后,原有的裂縫會(huì)反射到新鋪的瀝青面層上,這一過(guò)程比預(yù)期要快。為了防止裂縫較快的反射,只能采用較厚的瀝青層。采用土工合成材料可以有效防治路面反射裂縫,土工合成材料最早在路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也始于此。反射裂縫防治是土工合成材料加筋、隔離、排水等方面綜合作用的結(jié)果。但需注意的是土工合成材料對(duì)于防治疲勞裂縫效果很好,而對(duì)于溫度裂縫效果往往不明顯,應(yīng)避免在大雨和凍融地區(qū)使用?，F(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、損壞情況也影響土工合成材料使用效果,應(yīng)先對(duì)道路進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)和修復(fù)。

3 土工合成材料與其他工程措施的比較

3.1 土工合成材料應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益

(1)加筋路堤的邊坡可以加大,既少占用了土地,也減少了土方量。

(2)應(yīng)用加筋技術(shù)可以加快工程進(jìn)度。

(3)加筋土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中穩(wěn)定性較好,對(duì)施工地點(diǎn)幾乎沒(méi)有限制。

(4)土工合成材料的應(yīng)用增加了土的強(qiáng)度,使工程性質(zhì)較差的土也可用于填筑路堤。

3.2 土工合成材料應(yīng)用優(yōu)越性

(1)加筋土結(jié)構(gòu)使土的抗剪能力和加筋的抗拉能力都得到發(fā)揮,有效利用了材料。

(2)土中加筋使結(jié)構(gòu)柔度加大,增加了結(jié)構(gòu)對(duì)變形的適應(yīng)能力。

(3)可以嚴(yán)格控制加筋的質(zhì)量,易于保證加筋土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

(4)土工合成材料應(yīng)用于工程,在許多領(lǐng)域提供了嶄新的解決方案。

3.3 土工合成材料應(yīng)用缺陷

(1)土工合成材料的性能有待深入研究。

(2)土工合成材料在貯存、搬運(yùn)和安裝過(guò)程中有可能損壞。

(3)結(jié)構(gòu)如果存在不規(guī)則幾何形狀的邊、角,其土工合成材料的應(yīng)用較困難。

(4)還沒(méi)有完善的土工合成材料的設(shè)計(jì)施工規(guī)范。

4 結(jié) 語(yǔ)

土工合成材料在我國(guó)的發(fā)展十分迅速,在工程中的使用已很廣泛,但在應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題。在具體應(yīng)用中,應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范的原則性要求,并不拘泥于規(guī)范具體條文的束縛,適度創(chuàng)新,真正實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的個(gè)性化、合理化、優(yōu)質(zhì)化。

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