土工合成材料在道路工程中的應用

宋 琿

（西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

土工合成材料是一種土木工程材料，具有重量輕、耐腐蝕、施工簡便和耐久性好等優點，多用于道路工程。最常用的包括土工織物（織造和非織造）、土工格柵（雙軸和多軸）、土工格室、土工網（或土工復合排水產品）、土工膜和土工復合材料。其主要功能是：分離、加固、過濾、排水、防水和保護。

國外對土工合成材料的研究起步較早，1950年代開始有國外學者采用人工聚合物制作土工格柵；1970年代土工合成材料主要用以改善軟土路基土壤的性能；1980年代開始，土工合成材料被用于道路表面，改善路面基礎的性能及防止反射裂縫。到1980年代末，玻璃纖維格柵興起。現階段研究表明，玻璃纖維土工格柵、特種金屬網格和鐵絲網對路面防治反射裂縫效果顯著[1]，近年來典型路面結構與交通荷載發生了變化，測試技術不斷發展，2016年，國外的Gonzalez-Torre[2]和Nejad[3]經過室內試驗研究表明，在瀝青面層中設置土工合成材料能有效延緩反射裂縫；Correia和Zornberg[4]研究表明，土工合成材料能有效降低瀝青面層的應變。公路工程中常使用土工格柵來加固路基和基層，現有研究表明土工格柵能有效改善路面的剛度和穩定性，并減少車轍[5-6]。本文重點分析土工合成材料力學性能以及對道路性能的提升。

1 土工合成材料的分類

土工合成材料有5種基本類型[7]：土工布（織物）、土工膜、土工格柵、土工格室和土工復合材料。不同類型的土工合成材料可以滿足不同的工程需求。具體的材料組成及功能見表1所示。

表1 土工合成材料一覽表

1.1 土工格柵

土工格柵縱向和橫向均勻分布矩形孔，主要由聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚酯涂層組成。聚酯土工格柵是柔性的，并且其接合處是經過編織、針織或激光黏合，通常使用PVC或丙烯酸樹脂涂層來保護，避免其結構損壞；聚丙烯和聚乙烯土工格柵是剛性的，能夠拉伸且連接處帶有內助。此外，土工格柵還可以按照抵抗荷載方向的個數進行分類，單軸土工格柵只能抵抗一個方向上的荷載，通常應用于墻面和斜坡；雙軸土工格柵可以抵抗相互垂直的兩個方向上的荷載，通常是路面基礎加固的首選。

1.2 土工織物

土工織物是由紡織材料制成的可滲透土工合成材料。土工織物的聚合物組成為：聚丙烯（約85%）、聚酯（約12%）、聚乙烯（約2%）和聚酰胺（約1%）。土工織物種類繁多，且新型產品層出不窮。國內根據《公路土工合成材料應用技術規范》（JTG/TD 32-2012）對土工織物進行了簡單實用的分類[8]。

1.3 土工格室

土工格室是蜂窩狀的三維結構，可以減少土壤顆粒的橫向移動，填充在里面的土壤結構緊湊。土工格室通常由聚合物制造而成，柔韌性好，類似于高密度聚乙烯（HDPE）。土工格室在建造運河、堤壩、擋土墻、鐵路和道路等領域都有應用，在公路工程中，土工格室可以用來加固基層，形成剛性板，減少傳遞到路基上的垂直應力。

1.4 土工膜

土工膜是另一大類土工合成材料，是以相對較薄的聚合材料與無紡布復合而成的土工防滲材料，主要用于液體或固體儲存設施的防滲，包括所有類型的垃圾填埋場、水庫、運河和其他圍護設施。因此，其主要功能是作為液體屏障。然而其應用的范圍廣泛，除了環境領域，在巖土、交通、水力工程方面的應用也在迅速增長。

1.5 土工復合材料

土工復合材料由工廠生產單元中的土工織物、土工格柵、土工網和土工膜組合而成，土工復合材料由于其組成靈活，故其功能強大，包含了前文列出的土工合成材料的全部功能（分離、加固、過濾、排水和密封）。

2 土工合成材料的力學作用機理

2.1 土工合成材料在瀝青層中力學作用機理

土工合成材料對瀝青層性能主要有防裂與增強兩方面的作用[9-11]。

2.1.1 增強作用

增強瀝青層的抗剪切和抗拉強度，以減少永久變形（車轍）和不均勻變形。

2.1.2 防裂作用

土工合成材料可以吸收應力或應變，延緩反射裂縫和疲勞開裂。孔令云[12]從力學角度分析了土工合成材料的延緩反射裂縫的作用，認為玻璃纖維格柵在半剛性基層瀝青路面延緩反射裂縫的機理如下：

（1）延遲初期裂縫的產生。網肋為初始載荷提供支撐點和錨定點，起到應力傳遞的作用，從而增加瀝青層層底的抗拉伸能力，吸收層間大部分水平張力，從而延緩了裂縫的萌生。

（2）分散應力，使裂縫分散發展。土工合成材料將瀝青層內各種因素產生的應力擴散開，增大了受力面，即便出現裂縫也是小裂縫。

（3）提高了瀝青層的韌性，土工合成材料在被拉斷前都會保持作用。

另外，沈化榮從裂縫擴展率角度分析了土工合成材料延緩反射裂縫的作用[13]。

2.2 土工夾層的力學作用機理

土工合成材料作為夾層使用時，最主要的作用機理是“橋聯作用”，即將瀝青加鋪層與舊路面黏結成一個整體，有效緩解裂縫尖端的應力集中現象，使裂縫擴展方向偏離豎向，從而延緩瀝青路面的疲勞壽命[14]。

2.2.1 層間黏結強度理論

當土工合成材料作為夾層使用時，其主要功能是黏結舊水泥混凝土路面和新加鋪的瀝青層，使之成為一個復合體，主要作用是緩解反射裂縫。此時路面主要破壞形式是剪切破壞，這種破壞模式相當復雜，影響因素很多，可以簡化問題，通過摩爾-庫倫理論進行應力分析，其表達式如下：

式中：τm——層間實際剪切應力，MPa；

τ——黏結層抗剪強度，MPa；

c——黏層油黏聚力，MPa；

σ——土工合成材料黏結層法向正應力；

φ——土工合成材料黏結層內摩擦角。

土工合成材料夾層的內摩擦角和黏聚力通過剪切試驗獲得，通過對夾層施加不同的正應力得到摩爾應力圓，再由摩爾應力圓得到摩爾-庫倫應力包絡線（抗壓強度曲線），曲線與橫縱坐標的交點值分別為摩擦角和黏聚力。

2.2.2 層間黏結系數

層間黏結情況對加鋪路面的力學性能影響重大，因此作為評估夾層黏結情況的層間黏結系數意義重大。層間黏結系數由古德曼模型結合室內試驗確定系數得到[15]，表達式如下：

式中：k——層間黏結系數，MPa/m；

F——豎向力，N；

A——面積為常數，等于0.005m2；

S——界面剪切位移，m；

2.3 土工加筋基層的力學作用機理

瀝青路面上的交通荷載會從面層傳遞到下面的結構層，路面在荷載的作用下會產生彎曲變形，應力分布呈錐形，使荷載在結構層中的分布比實際輪胎足跡更大，從而有效消散車輪荷載所產生的應力。因此，為了控制瀝青路面關鍵點的應變值，在常用的無機結合料穩定類基層時，規范規定的設計指標是無機結合料穩定層層底拉應力和瀝青混合料層永久變形量。前者主要是為了防止重復交通荷載作用下的疲勞開裂，后者主要是防止瀝青路面使用壽命期間的應力累加而發生的永久變形。

根據Yoder和Witczak(1975)的觀點，瀝青面層主要是提供一個基礎厚度，使路基頂面的垂直應力減小到不發生路面變形破壞的標準值。

Perkins等人[16]（1999）認為土工合成材料改善路面性能主要通過以下三種機制實現：（1）側向約束；（2）增加承載力；（3）土工合成材料放置在基層與路基之間時產生的張力效應。

2.3.1 橫向約束

Bender和Barenberg（1978）認為在瀝青路面中土工合成材料的橫向約束可以起到加固作用。Perkins指出這種橫向約束是通過土工合成材料與粗骨料之間的界面摩擦構成的，這層界面同時還起到抗剪作用。總的來說，基層底部的骨料在交通荷載作用下具有橫向移動的傾向，會產生界面處的剪切應力，而在這層界面處設置土工合成材料，則可以將剪切應力轉化為施加在土工合成材料上的拉伸應力。并且土工合成材料具有高拉伸剛度，能起到限制橫向拉伸應變的作用。此外，還要求基層集料、土基顆粒與土工格柵孔之間要有適當的空間，才能產生良好的摩擦力。

2.3.2 增加承載力

由于土工合成材料的存在，潛在的破壞面會發生在更高的層位，即在土工合成材料層之上的、抗剪強度較高的層面上，此時土工合成材料可以提供豎向的限制，使路基頂部的應力重新分布，減少傳遞到路基的剪切應力，從而達到增加承載力的目的。

2.3.3 張力效應

土工合成材料發生垂直變形時會形成凹形的張力網，而張力網能減少傳遞到路基上的垂直應力，延緩進一步破壞，但是發生這種效應需要車轍發展到一定深度。通常隨著土工合成材料剛度的降低，張力網具有更大的變形能力，因此為了使張力效應更好地發揮作用，Barksdale認為路基的CBR應小于3%。

3 結束語

綜上所述，具有高抗拉強度的新型土工合成材料在道路中的應用，不僅能提高工程的質量，更能大大減小綜合造價。為了更好應用土工合成材料，需要對其使用性能及路面適用性進行深入探究。通過對土工合成材料在路面中的作用分類和力學作用機理的研究進展進行總結分析表明，現階段國內還沒有存在量化土工合成材料路用性能的指標，因此，未來應建立考慮土工增強作用的瀝青路面性能評價指標。