公路土工合成材料施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

孟強(qiáng)

菏澤廣潤(rùn)公路材料有限公司 山東菏澤 274000

土工合成材料是一類新型合成材料的總稱，主要是將人工合成的聚合物作為原材料的產(chǎn)品。從1960年開始，土工合成材料中的塑料薄膜開始在我國(guó)作為防滲材料在灌溉渠道方面應(yīng)用。在1980年后，土工合成材料的使用范圍開始逐漸擴(kuò)大到幾乎所有的建筑工程中。近年來，由于公路工程項(xiàng)目在進(jìn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)路面或護(hù)坡塌陷、管口或連接處漏水或脫開、管道淤泥堵塞等眾多問題，因此就會(huì)造成后期的維修，不僅延長(zhǎng)建設(shè)工程的時(shí)間，還會(huì)耗費(fèi)大量人力和財(cái)力。探究其原因：一是由于在以砂石為基礎(chǔ)的地基條件下，采用柔性接口就會(huì)導(dǎo)致后期沉降不均勻引起管接口漏水的現(xiàn)象，并且降雨時(shí)期也會(huì)對(duì)地基有所擾動(dòng)；二是由于以普通材料為基礎(chǔ)的護(hù)坡材料不能有效防止水土流失，且不能生長(zhǎng)植物等。因此，在公路工程后期就會(huì)出現(xiàn)沉降不均勻或者塌陷等問題，加強(qiáng)對(duì)人工合成的土木材料廣泛發(fā)展和應(yīng)用可以為公路工程中出現(xiàn)的常見問題提供新的解決途徑。

1 土工合成材料介紹

土工膜袋、土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊、土工格柵等都屬于土工合成材料。在制造土工合成材料時(shí)，首先需要加工聚合物原料，使其形成絲、短纖維、紗或條帶，然后將其連接制作形成平面結(jié)構(gòu)。有紡?fù)凉た椢锖蜔o紡?fù)凉た椢锸前凑罩谱鞣椒ǚ殖傻膬纱箢愅凉た椢锊牧希瑑烧吲帕行问酱嬖谝欢ú煌帯Ｓ屑復(fù)凉た椢锝豢椀姆绞綖檎换蛐苯坏慕?jīng)線和緯線，而無紡?fù)凉た椢锸嵌ㄏ螂S意排列然后加工形成的。土工織物的聯(lián)結(jié)方式主要包括三類，分別為化學(xué)聯(lián)結(jié)、熱力聯(lián)結(jié)和機(jī)械聯(lián)結(jié)。

重量輕、連續(xù)性好、施工方便、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗微生物等都是土工織物突出的特點(diǎn)。由于土工合成材料的抗拉力學(xué)性能較好，尤其是土工布和土工格柵，可以在工廠批量生產(chǎn)，質(zhì)量便于控制，當(dāng)前在土木工程各個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

土工布在公路工程中主要用以路面罩面的形式應(yīng)用，可以將路面發(fā)射裂縫發(fā)生的概率降低，有助于反射裂縫發(fā)生和發(fā)展的控制。在公路工程軟土路基中，利用土工格柵還能夠達(dá)到快速固結(jié)地基、地基承載力優(yōu)化的效果。

2 土工合成材料的基本功能

隔離、加固、排水和過濾是土工合成材料最基本的四項(xiàng)功能。在公路工程中，土工材料廣泛應(yīng)用于路基排水、防護(hù)、防裂等方面。不同材料的性能有一些差異，但其基本功能差別不大。

2.1 隔離功能

在不同材料的界面鋪設(shè)土工合成材料可以實(shí)現(xiàn)隔離，避免這些材料的摻雜。通過設(shè)置土工合成材料，可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散應(yīng)力的作用，從而統(tǒng)一控制地基土的沉降，為地基排水固結(jié)創(chuàng)造有利條件。

2.2 增強(qiáng)功能

在地下鋪設(shè)土工合成材料可以增強(qiáng)材料與土層之間的摩擦，進(jìn)而提高抗拉強(qiáng)度。鋪設(shè)土工合成材料可以抑制材料的變形，提高上表面土工合成材料的強(qiáng)度，抑制下沉效應(yīng)。

2.3 排水功能

孔隙水滲透性是巖土材料的特性之一。在土壤中嵌入土工合成材料可以借助材料的平面滲透性排出土壤中的水，并使內(nèi)部水沿垂直于平面的方向流動(dòng)。

2.4 過濾功能

與以往的天然骨料濾層相比，土工合成材料的過濾排水功能和功能形態(tài)有了很大的提高。土工合成材料可以利用過濾土層中形成的濾餅層達(dá)到過濾效果，而不是利用自身的透水性進(jìn)行過濾。換句話說，土工合成材料不需要具有強(qiáng)透水性。一般情況下，只要是相鄰?fù)寥劳杆禂?shù)的10倍，即可滿足工程過濾功能的要求。

3 土工合成材料在道路防護(hù)結(jié)構(gòu)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層的墊層，達(dá)到加固的效果，尤其是在道路的軟土地基部分，加筋墊層使用非常常見。

在市政工程施工過程中，對(duì)路基的處理是具有一定難度的，增加加筋墊層不僅可以將土層中的力分布均勻，還可以增加地基基地的整體性，同時(shí)能在一定程度上對(duì)填料層厚度進(jìn)行減少。這樣，可以對(duì)整個(gè)路基的側(cè)向變形產(chǎn)生約束力，增強(qiáng)土層的剛度和承載能力，提高路基穩(wěn)定性，并且減小不均勻沉降的現(xiàn)象發(fā)生。

加筋墊層的使用在增強(qiáng)基底穩(wěn)定性的同時(shí)，還能增強(qiáng)地基像側(cè)面滑動(dòng)或擠出的穩(wěn)定以及從軟土下層到硬土頂層的滑動(dòng)穩(wěn)定性。

3.2 路面裂縫防治

在市政工程中，舊瀝青路面或舊水泥路面的底層往往采用民用合成材料鋪設(shè)，在新建道路的過程中也會(huì)鋪設(shè)瀝青底面，這可以減緩舊路面面對(duì)加鋪層的裂縫反射條件。在一定條件下，使用玻璃纖維網(wǎng)或土工布可以有效地提高市政工程路面改建的抗拉強(qiáng)度和最大荷載伸長(zhǎng)。玻璃纖維網(wǎng)材料的尺寸也有一定的要求。鋪設(shè)過程中的最大粒徑約為瀝青面層材料的0.5～1倍。

市政工程施工中使用民用合成材料防止路面裂縫的過程中，應(yīng)通過外觀和彎沉值測(cè)量路面裂縫，然后規(guī)劃材料的鋪設(shè)方案。施工過程中，路面應(yīng)干凈平整。由于民用合成材料需要鋪設(shè)和固定，因此需要嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋪設(shè)。這樣既能保證養(yǎng)護(hù)期材料的使用壽命，延緩收縮和開裂時(shí)間，又能防止裂縫反射到路基表面。

3.3 路堤邊坡防護(hù)

在市政建設(shè)過程中，最重要的方面還包括生態(tài)工程的保護(hù)作用。目前，隨著“海綿城市”概念的逐步發(fā)展，在項(xiàng)目建設(shè)中也占有一席之地。因此，在海綿城市建設(shè)過程中，合理解決城市內(nèi)澇問題是當(dāng)前的當(dāng)務(wù)之急。在一些具備“海綿城市”建設(shè)條件的地區(qū)，邊坡防護(hù)的建設(shè)和防護(hù)不僅可以保護(hù)生物多樣性，還可以保護(hù)生態(tài)完整性，防止水土流失，保證路堤邊坡的穩(wěn)定。

格賓護(hù)岸是目前較為新穎的柔性護(hù)岸結(jié)構(gòu)材料。其組成結(jié)構(gòu)是將芯部鋅銅線改為六角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中填充石塊。這種材料有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，添加石料可以增加材料表面的粗糙度，有效削弱波浪，減緩沖刷，保護(hù)路堤；六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔隙大，透水性好，可進(jìn)行物質(zhì)和能量交換；邊坡防護(hù)后，可在覆蓋層和水面種植植物，起到綠化作用；狂歡護(hù)岸中填充的石塊還可以選擇一些具有凈水功能的填料，可以降解水中的污染物，凈化水質(zhì)；最后，這種民用復(fù)合材料不僅環(huán)保，而且穩(wěn)定、防凍、耐用。它可以在南部和北部路堤環(huán)境中同時(shí)使用。

3.4 改善排水功能

在市政工程中，城市排水系統(tǒng)的建設(shè)不容忽視。民用合成材料對(duì)排水系統(tǒng)的影響是因?yàn)槊裼每椢锟梢允占洼斔退Ｓ捎诳椢锏奶匦裕裼每椢锸且环N優(yōu)良的透水材料，具有良好的排水能力。因此，在排水系統(tǒng)的施工過程中，往往與其他類型的構(gòu)件相結(jié)合，如排水芯或穿孔管等。排水系統(tǒng)中使用的民用合成材料被廣泛使用，如城市排水系統(tǒng)、擋土墻排水、水利建設(shè)中的土石壩排水等。

3.5 增強(qiáng)環(huán)保防滲

由于當(dāng)前垃圾填埋場(chǎng)的使用不規(guī)范等等，往往會(huì)有很多氣體和垃圾滲濾液的流動(dòng)和揮發(fā)，影響土壤和地下水。因此，在土工合成材料中的復(fù)合土工膜就可以用來應(yīng)對(duì)此類情況的發(fā)生，它主要被用來防滲。防滲膜一般的組成是由土工織物和土木膜復(fù)合形成的，這種材料不僅可以在垃圾填埋場(chǎng)中提供防滲的效果，同時(shí)還抗拉伸和撕裂，物理性能較為優(yōu)異，在施工中不僅可以用于溫?zé)岬貐^(qū)，高寒地區(qū)也可以使用，所以不僅是市政工程中垃圾填埋場(chǎng)的表面可以被使用，還可以應(yīng)用于污水處理廠、礦場(chǎng)、煤堆場(chǎng)等等。

4 土工合成材料在公路工程中的應(yīng)用

4.1 路堤加筋及軟弱地基的處理

如果公路所在的區(qū)域是軟土地基，高填方路堤的施工將在受土壓力影響的地面上產(chǎn)生水平的剪應(yīng)力，然后可能出現(xiàn)堤防位移和不穩(wěn)定等不利現(xiàn)象。在路堤中使用土工合成材料，可以通過加固有效地提高路堤的穩(wěn)定性，從而大大減少路堤的不均勻沉降問題。一般情況下，可在路堤底部鋪設(shè)土工合成材料，以完成加固施工。土工格柵埋設(shè)在土壤中，可以很好地貼合土壤，并利用其自身的高強(qiáng)度和材料和土壤的膜材料來優(yōu)化路堤或軟基的強(qiáng)度。熱熔擠壓法也是制作土工格柵的常用方法。與冷拔土工格柵相比，熱熔擠壓法制作的土工格柵性能降低，因此熱熔擠壓土工格柵可以在質(zhì)量要求較低的公路工程中應(yīng)用。近年來，土工格柵材料也在不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。目前，纖維土工格柵主要由聚酯纖維或玻璃纖維制成，強(qiáng)度高，伸長(zhǎng)率低，在公路工程中能發(fā)揮良好的作用。

4.2 橋臺(tái)路基處理

橋梁、涵洞和隧道是公路工程建設(shè)中常見的結(jié)構(gòu)物。此類建筑物施工過程中，如果對(duì)臺(tái)背路基填料處理不當(dāng)，容易導(dǎo)致剛度差異較大，導(dǎo)致臺(tái)背不均勻沉降。隨著時(shí)間的推移，路橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，橋頭跳車問題嚴(yán)重。在橋臺(tái)路基處理中合理應(yīng)用土工合成材料，可以使回填材料與結(jié)構(gòu)物形成整體，大大降低不均勻沉降的概率，提高公路工程的施工質(zhì)量。目前，土工泡沫聚苯乙烯砌塊是公路路基施工中常用的材料。可在平臺(tái)背面填筑或更換路基材料，可大大減輕路基自重，有利于提高路基穩(wěn)定性，減少橋頭跳車現(xiàn)象。

4.3 路基防護(hù)

路基是公路工程的重要組成部分。路基防護(hù)主要包括兩個(gè)方面：侵蝕防護(hù)和邊坡防護(hù)。土質(zhì)邊坡常用的防護(hù)措施有：張網(wǎng)鋪草皮、固定草種布、網(wǎng)格定植等；在巖質(zhì)邊坡防護(hù)中，常用的防護(hù)方法有土工網(wǎng)或土工格柵；在沿河路基防護(hù)中，常用的防護(hù)方法有土工布軟墊層和土工膜袋。通過沖刷防護(hù)可以提高路基的穩(wěn)定性。通常情況下，可采用直接加固來防止邊坡沖刷。另一種間接保護(hù)主要是干預(yù)水流的方向和速度。目前常用的路基防護(hù)措施有土工網(wǎng)墊層、土工格室和土工格柵。土工格柵的強(qiáng)度低于土工格柵，但變形較小，因此這種交聯(lián)復(fù)合土工材料在邊坡防護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。在路基沖刷防護(hù)工程中，土工網(wǎng)的應(yīng)用需要配合土石方和混凝土材料的填筑，以提高其剛度和側(cè)向極限，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4.4 排水系統(tǒng)

排水是公路工程中一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作，它直接影響到公路結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在公路防排水施工中，土工合成材料可以改善和提高結(jié)構(gòu)的排水能力。土工合成材料可用于公路工程的排水和過濾。目前，土工合成材料和土工模袋常用于地下排水溝和滲水溝，是提高公路穩(wěn)定性和優(yōu)化路基排水性能的常用方法。

在使用土工模袋時(shí)，需要向模袋中澆注混凝土或砂，以形成具有一定透水性和強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可用于基礎(chǔ)或邊坡防護(hù)。和設(shè)置排水孔相比，土工膜袋施工更方便，反濾排水效果更好。土工布復(fù)合排水材料可采用薄土工布包裹，以優(yōu)化土工布的排水性能，降低小顆粒滲入排水結(jié)構(gòu)的概率，避免堵塞排水通道。復(fù)合土工排水材料可用于路基、路面的縱橫向排水系統(tǒng)或擋土墻后的反濾排水系統(tǒng)。

4.5 對(duì)新、舊路基銜接應(yīng)用

公路工程改擴(kuò)建施工各種常常需要進(jìn)行新舊路基路面的銜接，在結(jié)合位置非常容易出現(xiàn)的一種現(xiàn)象就是不均勻沉降。可以說，不均勻沉降已經(jīng)成為困擾公路改擴(kuò)建施工的一大難點(diǎn)。如果施工人員沒有合理處理新舊路基接合位置，一旦在后期運(yùn)行中發(fā)生錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象就會(huì)進(jìn)而造成開裂，對(duì)公路質(zhì)量安全產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響，甚至引發(fā)交通事故。為了將不均勻沉降問題盡量減少，需要合理處理新舊路基交接部位。首先需要處理新路基部分，然后按照臺(tái)階形狀挖掘原路基，開挖按照0.5～0.8m臺(tái)階高度、1.0～2.0m臺(tái)階寬度逐級(jí)完成，到最后一級(jí)臺(tái)階寬度應(yīng)當(dāng)≥2m。然后將土工合成材料順著路線鋪設(shè)，將其鋪平扯直，避免重疊、扭曲、褶皺。新路基鋪設(shè)的土工合成材料長(zhǎng)度大于2m從而實(shí)現(xiàn)土工合成分別落在原路基和新路基尚，盡量保持新就路基填料一致。采用分層填筑的方式填筑臺(tái)階，逐層壓實(shí)。

4.6 對(duì)隧道內(nèi)的路面應(yīng)用

洞內(nèi)巖層水位高，水壓大，易發(fā)生地下水反滲透。如果不采取有效的排水設(shè)施，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，路面將被地下水浸泡和腐蝕，影響路面結(jié)構(gòu)。隧道路面結(jié)構(gòu)層多為混凝土材料，基層防水性能差。在混凝土路面與基層之間鋪設(shè)土工合成材料，設(shè)置排水管，可有效避免地下水對(duì)路基的侵蝕，減少地下水對(duì)路基和路面的影響。土工合成材料可將反滲透水包裹在兩側(cè)排水溝周圍，改善路面干燥度，確保交通安全。

5 結(jié)語

土工合成材料在市政工程中不僅可以單獨(dú)使用，還可以與其他種類的材料配合使用，可以對(duì)路面加筋加固、保護(hù)堤岸、減弱路面裂縫等作用，同時(shí)還可以作為排水體在明渠、暗渠等情況下使用。土工合成材料在市政工程中的廣泛使用，具有節(jié)約資金、縮短工程周期和對(duì)建筑施工保證安全的重大意義。