土工合成材料在公路軟基中的應用技術探討

尚福濤

（河北省邯鄲市光太公路工程有限公司，河北 邯鄲 056001）

0 引言

土工合成材料作為—種由高分子聚合物制成的用于工程的新型材料，分為土工織物、土工膜和特種土工合成材料等類型，這些產品置于土體內部、表面或各層土體之間，發揮著加筋、加固、防滲、隔離、排水、反濾以及防護等作用，已廣泛應用于鐵路、公路、水利等諸多部門。

1 土工合成材料在工程中的應用

1.1 作為一種機織（有紡）或非織造（無紡）的織物類透水性土工合成材料

土工織物的質量在100～1 000g/m2范圍內。無紡型抗拉強度為10～30kN/m，高強度可達30～100kN/m；有紡型抗拉強度為20～50kN/m，高強度可達到50～100kN/m，對于特高強度的編織物則可達到100～1 000kN/m。滲透性即滲透系數k為10-3～10-2cm/s。從上述幾個性能可以看出土工織物優點是重量輕、整體連續性好，施工方便，抗拉強度較高。此外，其耐腐性和抗微生物侵蝕性以及不暴露條件下的抗老化和耐久性能也較好。因此，土工織物多用于加筋、加固、排水、反濾、隔離等工程中，尤其是在公路軟基處理中應用較多。

1.2 土工膜

土工膜是由透水性極低的聚合物、瀝青及合成纖維和織物外加部分添加劑制成的幾乎不透水的土工合成材料，分為瀝青和聚合物兩大類。這兩類均又包括加筋、不加筋或組合等類型。聚合物土工膜拉斷時的極限延伸率可達到150%～900%，常用強度為1～6kN/m，加筋土工膜的最大抗拉強度高達10～30kN/m。鑒于其水下耐久性很高，具有十分突出的防滲、防水功能，多用于土體、水渠的防摻、滲水基面的防水、圍堰施工、防汛搶險中的隔水等工程。

1.3 土工格柵

土工格柵是經過拉伸形成的具有方形或矩形格柵的聚合物板材，按其拉伸工藝分為單向拉伸和雙向拉伸兩種。格柵由于制造過程中經過了定向拉伸，使聚合物分子沿拉伸方向定向排列，加強了分子鏈間的聯結力，大大提高了其抗拉強度，而延伸率卻只有原板材的20%～15%。在抗拉強度方面，—般格柵為30～200kN/m，高強度的可達200～400kN/m。此外，土工格柵埋入土中的抗拔力由于格柵與土體之間的摩擦咬合增高而顯著提高。正由于格柵這些性質，其多用于土體包括軟基的加筋加固工程中。

1.4 土工網

土工網是用合成材料條帶、柑股條編織成的合成樹脂壓制的具有較大孔眼和較大則度的平面結構或二維結構的網狀土工合成材料。其性能略同于土工格柵，但抗拉強度較低，多為10～50kN/m，因此常用于軟基加固墊居、被面防護，桓革以及制造復合土工材料的基材。

1.5 土工模袋

土工模袋是雙層聚合物化纖織物制成的連續（或單獨的）袋裝材料，可以替代模板采用高壓水泵把混凝土或砂漿灌入模袋之中，最后形成板狀或其它形狀結構。其類型分為有反濾排水點、無反濾排水點、無排水點混凝土及鉸鏈塊型等四種，主要應用于公路護坡或其它地基處理工程。

1.6 土工墊

土工墊是一種新型土木工程材料，可用于植被草皮固土的三維結構的似絲瓜網絡樣的網墊。網墊疏松柔軟，具有90%的孔隙，可以充填土、砂礫等其它材料，常用于防沖蝕和保土工程，有時也用于地基的加筋墊層結構中。

1.7 土工格室

土工格室是由強化的PF寬帶（條帶聚合物）或其它合成材料、經過強力焊接或釘銷連接而形成的一片網格狀三維結構。它伸縮自如，運輸時可縮疊起來，使用時可張開并填充砂石或混凝土料，構成具有很強側向約束和很大剛度的結構體。它可用來作為公路軟基的墊層從而有效地提高地基承載能力，也可用于坡面防護及其支擋結構。

1.8 超輕型土工合成構料EPS

EPS以聚苯乙烯聚合物為原料加入發泡添加劑制成，分為發泡法和擠壓發泡法兩類，可用于鐵路、公路的填料或地基換填料，陣低地基的附加應力，增加路基的穩定性和減少沉降量。

2 土工合成材料處理軟基技術

上述所提出的土工合成材料的類型幾乎都可以應用到軟土地基的處理加固中，可以預測到土工合成材料的發展和應用在公路軟基處理中具有廣闊的前景。針對軟土路基的工程特征及土工合成材料的類型與特點，結合工程應用情況，對于土工合成材料處理軟土地基的方法大致可以分為以下幾種：

a）對軟基進行排水及補強并舉的措施，如果采用土工織物加砂井，既加速固結，增加抗滑作用，又可改善軟基面層的應力分布；b）以加固為主要目的的軟基處理方法，如采用土工格柵、土工格室等抗拉強度高、側向約束大的土工合料作為墊層，可增強防滑能力，減少地基沉降，同時也具有排水作用；c）改善軟基荷重的處理方法，主要通過采用EPS材料作為路堤填料以減輕地基的附加應力，如采用土工網格、土工網墊等土工材料作為墊層，改善基面的應力分布情況，使應力擴射面積更大、更均勻，同時增加地基抗滑能力。

3 實例分析

某公路兩段軟基上的高路堤成為如期鋪軌的控制工程，如按原設計用反壓護道加砂井的綜合處理方案，則填土固結時間需6個月才能穩定，顯然不能滿足工期要求。但是經采用土工織物與砂井并用來加固地基，既實現了增加軟基的穩定性、加速施工進度的目的，又可以有效節約工程造價。其中1#工點共采用54d填至設計高度8.8m；2#工點只用了43d填至設計高度9.2m，之后還分別加高了1.5m（相當每延米10m3左右） 的填土。模擬列車作為預壓。通車證明，兩個工點都是穩定的。

3.1 土層情況及土的性質

試驗段位于丘間谷地，谷地寬約200m，地勢平坦均為水田，兩側谷坡平緩多為早地。谷地上部為第四系近代沖積物，下伏第三系紫紅色砂巖與砂礫巖互層，地下水位近于地表。

3.2 方案選取

本項目原設計方案為砂井加護道綜合處理，護道為兩側寬15m、高4m的斷面。如按施工期為一年進行檢算，安全系數僅為1.2。采用土工織物加砂井方案，利用土工織物所能承受的拉力以增加抗滑力矩，提高路堤的穩定性，則填土的速度可大大加快。同時，所增加的填土又使地基加速固結，提高了地基的抗剪強度。針對選用的土工織物及鋪設位置，本項目把土工織物鋪設在排水砂井上部的砂墊層內，砂墊層起防頂破和增加摩擦系數的功能。根據檢算，需要敷設至少兩層織物，兩端回折3m作錨固端，外面鋪設干砌片石保護（見圖1）。

圖1 設計斷面及其土工纖維錨固圖

本項目土工織物采用麻紡廠生產的聚丙烘疊絲編織型，寬0.98m。其性能指標分別為：徑向抗拉強度50kN/m；緯向抗拉強度36kN/m；延伸率20%。為方便施工，在廠內加工寬度為3.6m、總長度（路堤底寬與回折之和）為5m的成品，鋪設時縱向延伸搭接長度為0.5m。

3.3 變形觀測

軟土穩定分析方法多采用圓弧法。加鋪土工織物后，因土工織物承受拉力而增加一個穩定力矩，從而增大了安全系數。實驗段在施工速率上作大膽嘗試，盡可能提高觀測數據水平位移控制值，以爭取填土時間，加大固結荷載。7月份進行砂井施工（采用射水法施工），深度均達到礫卵石層。8月上旬鋪設土工織物；8月中旬開始填筑，并以邊樁觀測數據來控制填土速度。填筑到設計高度僅用43d。填土超過臨界高度以后，速率依然很快，從5～9.2m，只用時16d，在軟土地基上不鋪設土工織物而達到這樣快的填筑速率較為少見。從變形觀測數據來看，沉降增量隨荷載增量而變化。當填土荷載增量未超過10kN/d時呈直線關系、超過則不呈直線關系并可能有局部破壞。填土的平均沉降速率為0.019 9m/kN，卸載的沉降回彈為n 0.006 68m/kN。本工點填土過程中當觀測邊校位移值達到15mm/d時須減緩填土速度；當邊樁位移達25mm/d時才停止填土，實測得到的地基平均固結度遠高于理論計算值。

4 結語

從工程實踐效果表明，本項目采用土工合成材料來處理路基軟基，土工織物在此使用起到了改善地基應力，增加路堤穩定、加速地基固結等作用，且節省了工期、降低了造價，值得同類工程推廣應用。

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