公路土工合成材料施工技術的研究與應用

孟強

菏澤廣潤公路材料有限公司 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品。從1960年開始，土工合成材料中的塑料薄膜開始在我國作為防滲材料在灌溉渠道方面應用。在1980年后，土工合成材料的使用范圍開始逐漸擴大到幾乎所有的建筑工程中。近年來，由于公路工程項目在進行過程中經常會出現路面或護坡塌陷、管口或連接處漏水或脫開、管道淤泥堵塞等眾多問題，因此就會造成后期的維修，不僅延長建設工程的時間，還會耗費大量人力和財力。探究其原因：一是由于在以砂石為基礎的地基條件下，采用柔性接口就會導致后期沉降不均勻引起管接口漏水的現象，并且降雨時期也會對地基有所擾動；二是由于以普通材料為基礎的護坡材料不能有效防止水土流失，且不能生長植物等。因此，在公路工程后期就會出現沉降不均勻或者塌陷等問題，加強對人工合成的土木材料廣泛發展和應用可以為公路工程中出現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、土工網墊、土工格柵等都屬于土工合成材料。在制造土工合成材料時，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構。有紡土工織物和無紡土工織物是按照制作方法分成的兩大類土工織物材料，兩者排列形式存在一定不同之處。有紡土工織物交織的方式為正交或斜交的經線和緯線，而無紡土工織物是定向隨意排列然后加工形成的。土工織物的聯結方式主要包括三類，分別為化學聯結、熱力聯結和機械聯結。

重量輕、連續性好、施工方便、抗拉強度高、耐腐蝕、抗微生物等都是土工織物突出的特點。由于土工合成材料的抗拉力學性能較好，尤其是土工布和土工格柵，可以在工廠批量生產，質量便于控制，當前在土木工程各個領域中已經得到了較為廣泛的應用。

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

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功能。在公路工程中，土工材料廣泛應用于路基排水、防護、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土工合成材料可以實現隔離，避免這些材料的摻雜。通過設置土工合成材料，可以實現擴散應力的作用，從而統一控制地基土的沉降，為地基排水固結創造有利條件。

2.2 增強功能

在地下鋪設土工合成材料可以增強材料與土層之間的摩擦，進而提高抗拉強度。鋪設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度，抑制下沉效應。

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，并使內部水沿垂直于平面的方向流動。

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到過濾效果，而不是利用自身的透水性進行過濾。換句話說，土工合成材料不需要具有強透水性。一般情況下，只要是相鄰土壤透水系數的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結構中的作用

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，同時能在一定程度上對填料層厚度進行減少。這樣，可以對整個路基的側向變形產生約束力，增強土層的剛度和承載能力，提高路基穩定性，并且減小不均勻沉降的現象發生。

加筋墊層的使用在增強基底穩定性的同時，還能增強地基像側面滑動或擠出的穩定以及從軟土下層到硬土頂層的滑動穩定性。

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，在新建道路的過程中也會鋪設瀝青底面，這可以減緩舊路面面對加鋪層的裂縫反射條件。在一定條件下，使用玻璃纖維網或土工布可以有效地提高市政工程路面改建的抗拉強度和最大荷載伸長。玻璃纖維網材料的尺寸也有一定的要求。鋪設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，應通過外觀和彎沉值測量路面裂縫，然后規劃材料的鋪設方案。施工過程中，路面應干凈平整。由于民用合成材料需要鋪設和固定，因此需要嚴格按照規范和設計要求進行鋪設。這樣既能保證養護期材料的使用壽命，延緩收縮和開裂時間，又能防止裂縫反射到路基表面。

3.3 路堤邊坡防護

在市政建設過程中，最重要的方面還包括生態工程的保護作用。目前，隨著“海綿城市”概念的逐步發展，在項目建設中也占有一席之地。因此，在海綿城市建設過程中，合理解決城市內澇問題是當前的當務之急。在一些具備“海綿城市”建設條件的地區，邊坡防護的建設和防護不僅可以保護生物多樣性，還可以保護生態完整性，防止水土流失，保證路堤邊坡的穩定。

格賓護岸是目前較為新穎的柔性護岸結構材料。其組成結構是將芯部鋅銅線改為六角形網絡結構，并在網絡結構中填充石塊。這種材料有許多優點。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，保護路堤；六邊形網狀結構，孔隙大，透水性好，可進行物質和能量交換；邊坡防護后，可在覆蓋層和水面種植植物，起到綠化作用；狂歡護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；最后，這種民用復合材料不僅環保，而且穩定、防凍、耐用。它可以在南部和北部路堤環境中同時使用。

3.4 改善排水功能

在市政工程中，城市排水系統的建設不容忽視。民用合成材料對排水系統的影響是因為民用織物可以收集和輸送水。由于織物的特性，民用織物是一種優良的透水材料，具有良好的排水能力。因此，在排水系統的施工過程中，往往與其他類型的構件相結合，如排水芯或穿孔管等。排水系統中使用的民用合成材料被廣泛使用，如城市排水系統、擋土墻排水、水利建設中的土石壩排水等。

3.5 增強環保防滲

由于當前垃圾填埋場的使用不規范等等，往往會有很多氣體和垃圾滲濾液的流動和揮發，影響土壤和地下水。因此，在土工合成材料中的復合土工膜就可以用來應對此類情況的發生，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合形成的，這種材料不僅可以在垃圾填埋場中提供防滲的效果，同時還抗拉伸和撕裂，物理性能較為優異，在施工中不僅可以用于溫熱地區，高寒地區也可以使用，所以不僅是市政工程中垃圾填埋場的表面可以被使用，還可以應用于污水處理廠、礦場、煤堆場等等。

4 土工合成材料在公路工程中的應用

4.1 路堤加筋及軟弱地基的處理

如果公路所在的區域是軟土地基，高填方路堤的施工將在受土壓力影響的地面上產生水平的剪應力，然后可能出現堤防位移和不穩定等不利現象。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，可在路堤底部鋪設土工合成材料，以完成加固施工。土工格柵埋設在土壤中，可以很好地貼合土壤，并利用其自身的高強度和材料和土壤的膜材料來優化路堤或軟基的強度。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量要求較低的公路工程中應用。近年來，土工格柵材料也在不斷改進和創新。目前，纖維土工格柵主要由聚酯纖維或玻璃纖維制成，強度高，伸長率低，在公路工程中能發揮良好的作用。

4.2 橋臺路基處理

橋梁、涵洞和隧道是公路工程建設中常見的結構物。此類建筑物施工過程中，如果對臺背路基填料處理不當，容易導致剛度差異較大，導致臺背不均勻沉降。隨著時間的推移，路橋結構穩定性降低，橋頭跳車問題嚴重。在橋臺路基處理中合理應用土工合成材料，可以使回填材料與結構物形成整體，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，有利于提高路基穩定性，減少橋頭跳車現象。

4.3 路基防護

路基是公路工程的重要組成部分。路基防護主要包括兩個方面：侵蝕防護和邊坡防護。土質邊坡常用的防護措施有：張網鋪草皮、固定草種布、網格定植等；在巖質邊坡防護中，常用的防護方法有土工網或土工格柵；在沿河路基防護中，常用的防護方法有土工布軟墊層和土工膜袋。通過沖刷防護可以提高路基的穩定性。通常情況下，可采用直接加固來防止邊坡沖刷。另一種間接保護主要是干預水流的方向和速度。目前常用的路基防護措施有土工網墊層、土工格室和土工格柵。土工格柵的強度低于土工格柵，但變形較小，因此這種交聯復合土工材料在邊坡防護中得到了廣泛的應用。在路基沖刷防護工程中，土工網的應用需要配合土石方和混凝土材料的填筑，以提高其剛度和側向極限，保證結構的整體穩定性。

4.4 排水系統

排水是公路工程中一項非常關鍵的工作，它直接影響到公路結構的整體穩定性。在公路防排水施工中，土工合成材料可以改善和提高結構的排水能力。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，是提高公路穩定性和優化路基排水性能的常用方法。

在使用土工模袋時，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度的結構。該結構可用于基礎或邊坡防護。和設置排水孔相比，土工膜袋施工更方便，反濾排水效果更好。土工布復合排水材料可采用薄土工布包裹，以優化土工布的排水性能，降低小顆粒滲入排水結構的概率，避免堵塞排水通道。復合土工排水材料可用于路基、路面的縱橫向排水系統或擋土墻后的反濾排水系統。

4.5 對新、舊路基銜接應用

公路工程改擴建施工各種常常需要進行新舊路基路面的銜接，在結合位置非常容易出現的一種現象就是不均勻沉降。可以說，不均勻沉降已經成為困擾公路改擴建施工的一大難點。如果施工人員沒有合理處理新舊路基接合位置，一旦在后期運行中發生錯臺現象就會進而造成開裂，對公路質量安全產生嚴重不良影響，甚至引發交通事故。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，然后按照臺階形狀挖掘原路基，開挖按照0.5～0.8m臺階高度、1.0～2.0m臺階寬度逐級完成，到最后一級臺階寬度應當≥2m。然后將土工合成材料順著路線鋪設，將其鋪平扯直，避免重疊、扭曲、褶皺。新路基鋪設的土工合成材料長度大于2m從而實現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階，逐層壓實。

4.6 對隧道內的路面應用

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

5 結語

土工合成材料在市政工程中不僅可以單獨使用，還可以與其他種類的材料配合使用，可以對路面加筋加固、保護堤岸、減弱路面裂縫等作用，同時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，具有節約資金、縮短工程周期和對建筑施工保證安全的重大意義。