合成材料工程應(yīng)用現(xiàn)狀

賈斌

摘 要：上世紀(jì)50年代由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，合成纖維大量生產(chǎn)，工程技術(shù)人員開始在巖土工程和道路工程中應(yīng)用人造材料，并在歐美等國家得到普及推廣，70年代為了克服織造布方向性受力的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了非織造布—既無紡布或無紡織物，由于其獨(dú)特的制造工藝和低成本得到了飛速發(fā)展，隨后，如雨后春筍般地出現(xiàn)了土工布、土工織物、土工膜和土工格柵等等。80年代起，工程界統(tǒng)一稱之為“土工合成材料（Geosynthetics）”。此后，土工合成材料在工程中的應(yīng)用也逐漸成為一門新的學(xué)科。

關(guān)鍵詞：合成材料工程；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

水泥、鋼筋混凝土和鋼材是現(xiàn)代工程中最常用的三大建筑材料，這些材料在許多人工建筑物中得以應(yīng)用。上世紀(jì)50年代由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，合成纖維大量生產(chǎn)，人造材料開始在巖土工程和道路工程中應(yīng)用，并在歐美等國家得到普及推廣。70年代出現(xiàn)了非織造布，即無紡布或無紡織物，克服了織造布方向性受力的缺點(diǎn)，因其獨(dú)特的制造工藝和低成本的特點(diǎn)而得以快速發(fā)展。隨后，土工布、土工織物、土工膜和土工格柵等技術(shù)也隨之出現(xiàn)。80年代起，工程界統(tǒng)一稱它們?yōu)椤巴凉ず铣刹牧稀薄４撕螅凉ず铣刹牧显诠こ讨械膽?yīng)用也逐漸成為一門新的學(xué)科。

1土工合成材料應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1國外應(yīng)用現(xiàn)狀

西方國家的科學(xué)技術(shù)一直處于全球領(lǐng)先地位，在土工合成材料領(lǐng)域也不例外。刻門現(xiàn)有的土工合成材料技術(shù)基本上是從西方引用過來的，早在十九世紀(jì)初期，美國就開始將其用于公路路面的加固及防滲。在十九世紀(jì)60年代，機(jī)織卜工布開始應(yīng)用于防護(hù)工程，非織造土工布的出現(xiàn)改善了機(jī)織土工布性能，特別是80年代以來其應(yīng)用高速發(fā)展。世界上除了比較落后的國家與地區(qū)，大部分都有使用土工布的工程。土工合成材料已成為土木工程中不可或缺的建筑材料和建筑構(gòu)件。

1.2國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

土工合成材料在我國的應(yīng)用歷史短、起步低、工程較單一。開始是以土工膜為代表應(yīng)用于水利工程中。十九世紀(jì)80年代土木工程中開始使用非織造土工布，而后出現(xiàn)土工模袋。近30年以來，土工合成材料在我國經(jīng)歷了初創(chuàng)階段、發(fā)展階段及逐漸成熟階段。截止到目前，我國的水利、高鐵、公路、水庫及航道整治等工程開始廣泛使用土工合成材料。

2土工合成材料的作用

2.1防裂

早在20世紀(jì)70年代天津市政曾采用玻璃纖維布合成橡膠板作為石灰土基層上瀝青路面或舊路罩面的隔離層（或稱“應(yīng)力擴(kuò)散層”），來防止反射裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)的玻璃纖維布作為棉布的代用品，由于舒適性不好，布料本身不平坦，鋪設(shè)時(shí)不宜與舊路面密貼；合成橡膠板則因厚度過大（大于5mm）、模量較低，只能起到隔離作用而應(yīng)力擴(kuò)散作用不明顯。另外，由于施工工藝不規(guī)范，未達(dá)到理想的防裂效果，便采用單位面積質(zhì)量較小的針刺無紡布及紙基復(fù)合布，起到了減少裂縫、延緩裂縫擴(kuò)展的作用。但這些做法都處于試驗(yàn)階段，并未在工程中大規(guī)模應(yīng)用。90年代，天津市再次在復(fù)合式混凝土路面施工中，采用德國生產(chǎn)的特拉維雷土工布防止伸縮發(fā)射裂縫，但未起到理想的效果。

江蘇在滬寧高速公路拓寬工程中部分加寬路段將土工織物鋪設(shè)于新舊路基接茬處，起到了加筋作用，減少了路基不均勻沉降。對(duì)使用狀況2～3年的觀測(cè)表明有較好的效果。

2.2反濾

90年代初，吉林市臨江門橋頭立交地道擋墻工程首先應(yīng)用土工織物作為盲溝的反濾層，取得了較好的工程效果。隨后，在全國部分省市的各類工程中土工織物作為反濾層得到廣泛推廣應(yīng)用。

2.3土工網(wǎng)與土工隔柵

2007年，滄州津汕高速公路的軟土地基道路工程大量應(yīng)用土工網(wǎng)作為低填方路基的加固材料，路基的穩(wěn)定性得到了有效保證，路面使用狀況良好。在較高填方的條件下，由于土工網(wǎng)抗拉強(qiáng)度受到限制，土工網(wǎng)加緊材料又逐漸轉(zhuǎn)向使用土工隔柵。1998年京沈高速公路填方路段；唐津高速公路軟基處理；天津外環(huán)線改造工程中基底加筋都大量使用了雙向拉筋隔柵。原有的路面地基層不能大量廢棄和重做深層加固處理，并且舊基層因軟土基的存在會(huì)出現(xiàn)裂縫，使路面的穩(wěn)定性受到影響，所以采用雙向隔柵加固尤其適用于現(xiàn)有公路改造。挖除破壞的面層后在路面層的某個(gè)層位加設(shè)土工隔柵，再做補(bǔ)強(qiáng)層是最合適的方案。近年來，為減少橋頭添土不均勻沉降而設(shè)置的土工隔柵，在唐津高速公路、沿海高速公路都有應(yīng)用，其中在津汕高速公工程中已作為解決橋頭跳車的主要技術(shù)措施，并納入了專項(xiàng)設(shè)計(jì)中。

2.4塑料土工帶

80年代末，山東省首先在加筋擋土墻試驗(yàn)工程中運(yùn)用細(xì)粒土作作為浸水路堤的填料，取得不錯(cuò)效果，在對(duì)大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，推廣應(yīng)用于橋頭高填方路段。隨后天津在中環(huán)、外環(huán)和京津塘高速公路分離式立交等多條高速公路多座大型立交工程中也采用了這種方式。最具重要意義的是，塑料土工帶可用于地基未經(jīng)加固處理、出現(xiàn)較大工后沉降的情況下，且其結(jié)構(gòu)物仍可處于正常使用狀態(tài)。

2.5復(fù)合土工布與土工墊

復(fù)合土工布大多用作不透水隔離層，當(dāng)前在各類構(gòu)造物基礎(chǔ)治理工程，如人工湖泊、垃圾場(chǎng)、防水工程、河岸、堤壩以及路基防滲透處理中大量應(yīng)用。但是，不同規(guī)格的土工布其工程的適應(yīng)性也不同。比如，厚度為1.5mm的高密度聚乙烯土工膜可避免回填材料產(chǎn)生的土壓力和土中粗顆粒頂破。

2.6路基防護(hù)

路基防護(hù)是公路工程的重要施工部分，它包括坡面防護(hù)和沖刷防護(hù)。在對(duì)土質(zhì)邊坡進(jìn)行坡面防護(hù)時(shí)，可以利用拉伸網(wǎng)草皮、固定草種布以及網(wǎng)格固定撒種等來進(jìn)行防護(hù)；在對(duì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)時(shí)，可以采用土工網(wǎng)或土工格柵來防護(hù)；在對(duì)沿河路基進(jìn)行防護(hù)時(shí)，可以采用土工織物軟體沉排、土工模袋進(jìn)行沖刷防護(hù)。沖刷防護(hù)是保證路基穩(wěn)定性的重要措施，沖刷防護(hù)可采用直接防護(hù)的形式，就是對(duì)坡岸進(jìn)行直接加固的方法；另一種是間接防護(hù)，也就是改變水流方向、速度等。在路基防護(hù)時(shí)，通常可采用土工網(wǎng)墊、土工格室、土工格柵等。土工網(wǎng)是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交叉黏結(jié)復(fù)合土工材料，其強(qiáng)度要比土工格柵低，但其變形較小，對(duì)于進(jìn)行坡面防護(hù)具有一定的效果。土工網(wǎng)墊與土工格室都是三維結(jié)構(gòu)，土工網(wǎng)墊通常是由長絲結(jié)合而成的三維聚合物，而土工格室則是由土工織物、土工格柵或土工膜等做成的網(wǎng)格狀或蜂窩狀三維結(jié)構(gòu)。土工網(wǎng)通常應(yīng)用于沖刷防護(hù)的路基工程中，在應(yīng)用時(shí)，將土工格室打開后可以利用土石、混凝土材料等進(jìn)行填充，從而形成剛度較大，且側(cè)限較大的結(jié)構(gòu)體。土工格室也可以用作墊層，或?qū)浫醯鼗M(jìn)行處理，其施工、運(yùn)輸都較為方便。

2.7土工排水管

土工排水管是一種地下或地上軟式排水設(shè)施，市政工程中常將管徑5cm的排水管作為盲溝管，其作用相當(dāng)于管徑20cm無砂水泥管的排水能力，而且易于彎曲、不易壓碎、便于施工，有很大的工程經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)束語

土工合成材料是一種新型材料，其工程應(yīng)用是一項(xiàng)不斷發(fā)展的新技術(shù)。與新材料的不斷推出，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展相比，對(duì)基本力學(xué)計(jì)算模型、理論分析方法的研究還不成熟，尤其是在路面裂縫防治、路基邊坡防護(hù)和臺(tái)背加筋等方面都還處于摸索經(jīng)驗(yàn)的階段。有的方面雖然有推薦計(jì)算方法，如路堤加筋、排水方法等，但因自然土質(zhì)的多樣性、不均勻性而使理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)踐效果之間的聯(lián)系存在較大的不確定性。在深層軟土地基的固結(jié)、淺層軟基路基的加筋方面同樣存在類似的問題。

參考文獻(xiàn)：

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