土工合成材料在工程中的應(yīng)用

齊影輝

(河北路橋集團(tuán)有限公司)

1 土工合成材料的分類

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。

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,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于基層材料的類型、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。基礎(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。現(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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