土工合成材料在土建工程中應用

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摘要：基于現有的研究成果，總結了目前公認的土工合成材料的分類、作用機理以及國內外土工合成材料的發展現狀。隨后，從具體的實驗應用案例出發，分析總結了典型的土工合成材料在土建工程中的實際應用狀況，同時指出了研究中的不足之處。最后，展望了土工合成材料的應用前景和未來的發展趨勢，總結了今后可能的研究方向。

關鍵詞：土工合成材料；土建工程；作用機理；應用現狀

土工合成材料具體指用于土建工程中的各種人工合成纖維材料的總稱，后拓展為用于土建工程中的所有人工合成制備的材料的總稱。土工合成材料的品種種類龐雜，但均是以聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯塑料和聚酰胺等高分子聚合物原材料合成[1-4]。同時，按照使用目的的不同，土工合成材料也可以制備成許許多多具有不同結構形式的產品。土工合成材料與單純的聚合物的區別在于，其具備了最終聚合物的產品特點，而這些特點也是實際土建工程應用中所關注的。土工合成材料應用于土建工程中最早可追溯到二十世紀早期，于1926年織物加筋技術第一次被美國高速部門應用于道路建設。同時，在六十年代，著名學者Vidal對織物加筋技術的技術機理做了系統分析，并于1965年制備了全球第一座加筋土擋土墻[5-6]。在堤壩工程中，二十世紀七十年代，法國首先將土工織物用于堤壩建設。在中國，土工合成材料的應用可追溯到二十世紀六十年代。雖然中國對于土工合成材料的研究稍晚，但是其發展速度相當迅速，迄今為止，已經在水利設施、公路設施、堤壩工程、鐵路設施、海港設備、機場和軍工等領域得到了十分廣泛的應用。總的來說，土工合成材料具有十分廣泛的應用前景，預計到2022年，全球土工合成材料市場總量將達到270.8億美元[7]見表1。本文在現有的研究成果的基礎上，首先對現有的土工合成材料的分類進行了總結概括，然后從作用效果以及實際應用案例兩個角度，對土工合成材料在傳統的土建工程中的應用進行了綜述。最后，指出了當前土工合成材料的研究趨勢和不足，希望可以為未來土工合成材料在土建工程中的應用和發展提供一定的參考。

1土工合成材料的分類與作用效果

1.1土工合成材料的分類

根據1998年制定的中國標準GB50290-98，可以將土工材料按照其生產制備的方法和相對應的功能特征分為四種不同類別。（1）土工織物，俗稱也叫土工布，具體指用于土建工程中的一種布狀復合材料，具有施工方便、輕重量、耐腐蝕等使用特點，在施工過程中，具有卓越的防紫外老化特征。（2）土工膜，一般為瀝青膜和聚合物膜兩種，具有良好的防水、耐老化以及抗滲水特性，同時，具有很強的隨環境變形的能力。（3）土工特種材料，具體指常規土工織物以及土工膜外，最新研制的一些具有特殊性能的新型土工合成材料。一般有土工膜袋子、土工網墊、聚苯乙烯塑料和土工網。其中，土工膜袋子是一種由合成纖維制成的兩層口袋狀材料，在保護土坡以及其他的土地基體處理的土建工程中有廣泛的應用。土工網是一種由合成的高分子材料制備而成的網狀材料，在軟基路面加固、保護土坡和植草等土建工程領域有廣泛的使用前景。土工網墊是一種特殊的三維結構聚合材料，主要由合成材料組成，在防沖蝕以及保土等土建工程等方向具有廣泛的應用。聚苯乙烯塑料在鐵路路基上得到廣泛的應用，一般作為填料使用，質量輕、抗壓強度高且吸水率較低。（4）復合土工織物，一般由上述幾種土工合成材料隨機組合混合而成。因此，土工復合材料也具備了各種單一土工合成材料的綜合性能，可以能滿足各種各樣土建工程的需求，能發揮出多種土工合成材料的功能作用。

1.2土工合成材料在土建工程中的作用效果

由于土工合成材料在實際土建工程應用中具有多方面的作用，因此在公路、水利、電力、鐵路、建筑等各個土建領域都有十分廣泛的應用，其作用效果主要概括為以下幾類。1.2.1反濾作用。反濾作用，顧名思義，又可稱為過濾或者倒濾作用。在實際土建工程中具體指液體通過反濾材料時會將其中的固體材料過濾攔截下來。通常，反濾材料一般在存在大量流水侵蝕的地區應用，在排水體附近會安置反濾材料，改變水流條件，阻礙土顆粒等通過，防止水土流失而造成排水體附近土壤破壞。同時，可以防止孔隙壓力過大，導致土體失穩的現象出現。目前，這種材料被廣泛應用于水利、公路路基維護以及鐵路路基維護等土建工程中，例如：土工織物作為典型的反濾層，被廣泛使用于護坡和擋土墻背面。1.2.2排水作用。在實際土建工程中，為了提高土體整體的穩定性，會在土體周圍設置一些排水材料，加速水體的快速排出，降低土體中地下水位的高度，降低土體中的水孔隙壓力。一般而言，土工網、土工織物以及土工復合材料都是良好的多孔透水材料，具有良好的排水特性，在隧道排水工程、地基排水工程、公路排水工程以及擋水墻排水工程等土建工程中具有廣泛的應用。1.2.3隔離作用。在實際土建工程中，有的時候為了隔離兩種不同類型的基體材料，防止材料相互混合，保持工程建筑的穩定性，通常會采用一些特殊的土工合成材料，比如土工膜、土工絲網或者土工聚合物織物等。典型的應用場景為公路的路基以及碎石層之間、地基隔離層與人工填土層之間、沙袋與軟地基的隔離層之間，都會用到一些薄膜土工材料，起到良好的隔離效果。1.2.4防護作用。在實際的土建工程應用中，應用一些典型的土工合成類材料，可以有效改善工程體中的應力，防止應力過大破壞土建工程建筑。此外，也可以起到隔絕水與土建工程土體的作用，減少水的沖刷量，防止土體散失。典型的應用場景包括在公路建設工程中使用土工膜、土工網和土工織物等防止裂紋拓展，減少水體滲透率。這種防護作用，在護岸、沿海岸防潮、坡面防護等都有廣泛的應用。1.2.5防滲作用。傳統的薄膜類土工合成材料，在隧道管理、公路路基抗滲水處理等土建工程中能夠顯著改善周圍環境和保護工程建筑安全、防止液體滲透等。例如：在垃圾填埋廠中常用的濾液排出系統，采用高密度聚乙烯膜和土工合成材料膨潤土墊以防止垃圾廢液滲透。1.2.6加筋作用。對于傳統的土工合成材料，由于其一般為聚合物材料，因此具有較高的拉伸強度。將這種材料填充于土建材料內部，能夠顯著增大整體的強度模量，拓散建筑物內部應力，減少沉降，改善土建工程整體的受力條件，增加建筑物穩定性并提升整體的承載能力。例如：預先設置的加筋土擋墻在地震災害中起到了良好的防護作用，該技術在現有的防護土建工程中被廣泛采用[8-10]。土工材料在實際土建工程中應用時，往往存在多種功能的復合，并不單單起到一種效果。為了滿足不同土建工程不同材料的功能要求，IGS國際土工合成材料學會等組織提出了相對權威的土工合成材料的使用規范和技術指標，具體如圖1所示[11-13]。

2土工合成材料在土建工程中的應用實例

土工合成材料在土建工程中具有十分廣泛的應用，在調研土工合成材料在國內外土建工程中的應用現狀后，選取了兩種典型應用案例進行詳細分析敘述。

2.1土工格柵網在城市道路護坡工程中的應用

修建1994年的蕭山市通惠路，由于地理位置特殊，兩邊高聳陡立的側坡經常發生落石的現象，穩定性很差。由于此路段邊坡起伏很大，并且還有懸掛的松散巖石、石英砂和風化的巖屑存在，通車以后經常發生石塊墜落的現象，給通過的來往行車造成了很大的安全隱患。因此，為解決該問題，也嘗試過對兩側的邊坡進行治理改善。考慮到通惠路作為城市道路，在保證安全通行的前提下，還需要保持美觀的景觀特性。在結合護坡治理技術規范JTJ/T019-98的前提下，采用土工格柵網對通惠路兩邊側坡進行覆蓋式防護治理。在整個防護工程中，使用的高強度格柵為丹陽鼎泰生產的LG0241格柵，其主要成分為聚丙烯，尺寸為4m×100m，網孔尺寸為0.3cm×40m，其相應的技術標準見表2。具體施工過程如下：首先，在兩側邊坡頂部邊沿處和底部邊沿處固定一排d=22mm的錨桿，施工的間隙采用0.7m，對于松散的區域，追加錨桿數量。固定錨桿架設好以后，檢查側坡巖體，去除松動的巖石和滾石，排出潛在的風險。隨后，從上到下鋪設格柵，在上側錨定后，用尼龍繩牽引至崖底固定，格柵下方過程盡量緩慢，從而保證土工格柵能與坡面盡可能貼合，增加格柵與錨桿的固定密度。同時，需要及時對格柵的方位進行調整，以保證最緊密貼合。懸掛完人工格柵網后，通過人工吊籃進行土釘加固作業。三到四人為一組，將人工格柵壓緊貼合崖坡后，通過d=15mm的螺紋鋼固定加固。施工時采用梅花工藝，增加搭接處的土釘密度。土工格柵在陡峭邊坡的防護中具有重要的實用意義，能夠在保證邊坡穩定的前提下保證城市綠化景觀，適用于城市路邊邊坡治理。

2.2土工織物在路基排水養護工程中的應用

2004年開始選址修建的武漢火車站部分路段由于排水設施老化，高降雨量季節經常出現水淹火車軌床的現象，一方面會影響路基的維護保養，另一方面也會造成一定的安全隱患。因此，為解決該問題，嘗試對現有的排水設施進行養護修理。考慮到火車站沿線的使用頻率很高，在保證安全通行的前提下，還需要保持維修保養后的軌道的穩定性。在結合治理技術規范JTG5410-2020的前提下，采用土工織物對鐵路路基兩側排水管進行包裹式防護治理。在整個治理工程中，使用的土工織物為山東錦祥有限公司生產的SDJX-TGB01土工布，其主要成分為聚酯材料，尺寸為6m×100m，厚度為1mm，使用規格為600g/m3。具體實施過程如下：首先，挖設滲溝時，需要及時清理溝壁表面突出的石塊等雜物，整平表面后復核溝槽標高。其次，在需要保護的道基上鋪設土工織物時，需要將織物與道基緊密貼合，不宜拉得過緊，應當保持松弛有度并盡量保持表面沒有褶皺。在土工織物鋪設完畢后，采用粘接的方式連接不同段的土工織物，保持寬度大于100mm。在上述土工織物鋪設完成后，需要及時鋪設覆蓋層。土工織物在鐵路道基的排水養護工程中具有重要的實用意義，能夠在保證道基結構穩定的前提下排出道基內部多余的水分，適用于城市鐵路道基的養護。

3存在問題與展望

雖然土工合成材料在土建工程中已經有了大量的應用，但是調研文獻發現，其在使用過程中也存在一些亟待解決的問題[14-17]：(1)需要進一步提升原材料基本性能，開發新型土工合成材料。目前，土工合成材料中所用的高分子原材料還存在不耐老化、易受侵蝕和蠕變性高等問題，為應對不同的使用環境，結合上述問題開發新型的土工合成材料是十分必要的。(2)在保證材料生產數量的前提下，對出廠的土工材料的質量和規格仍需要進一步加強。(3)雖然土工材料在土建工程中的應用已經十分廣泛，但是理論研究、機理分析和模擬分析相關的研究還較少，需要進一步改善。對于這種合成材料的深層次作用機理、材料本征特性、破壞原理和邊界條件還需進一步研究。(4)對已經在土建工程中使用的土工材料檢查保養的工作需要進一步加強，相關工作的報道較少。(5)現有的一些土工材料成本需要進一步降低，以滿足節能環保的大環境。目前，國內土工材料發展的大趨勢是所有產品向復合型和系列型產品發展，偏向于大中型工程與長久性土建工程應用方向進階。相應的，對此過程中機理研究、相應的測試手段和施工的工藝要求也在不斷提升，

4結語

迄今為止，土工合成材料作為一種創新型材料，隨著科技的不斷進步，本身也在不斷地發展，在傳統的土建工程中得到了十分廣泛的應用。總的來說，土工合成材料不僅適用于各種土建工程，同時可以顯著提高工程的品質和降低維護成本。迄今為止的實踐中，各類土工材料迅速發展，品種多樣，也出現了各種新穎的土工材料。相應的，國內外對于土工材料的品質要求越來越高，在國內外都形成了典型的測試標準。但是，在土工材料的發展過程中，也存在一定的問題，這也為未來多元化和復合型土工材料的發展方向提出了更高的要求。

作者:霍軍 單位:中煤科工集團北京華宇工程有限公司西安分公司