市政項目路基工程中土工合成材料的應用分析

黃陳松

福建省鼎賢市政園林工程有限公司

1 引言

土工合成材料包括土工布、土工膜等多種類型，土工合成材料的主要材質包括塑料、纖維、橡膠等。土工合成材料通常鋪設于土層中或者不同土層之間，起到排水、保溫、加固等功能。隨著市政道路建設的持續推進，土工合成材料在市政道路路基工程施工中的應用越來越多?，F階段，許多市政道路路基工作的路堤、臺背、填筑與開挖交界處的加固都采用土工合成材料。例如，土工合成材料可以有效增強路堤的結構穩定性；有效約束路基填筑與開挖交界部位的土體，提高路基結構的整體穩定性。減少臺背部位的土體側向壓力。

2 土工合成材料在路基中的作用

（1）強化加筋。土工布、土工膜等工合成材料的抗拉強度高。被鋪設于地下時，可以有效分散土體應力，傳遞拉應力，提高土體彈性模量并有效約束土體橫向位移，增加摩阻力，從而實現強化加筋作用。

（2）防滲透。根據項目要求，土工合成材料常按照一定比例組合使用土工布、土工膜，土工膜主要用于防滲。通常，土工合布或土工膜的表面覆蓋有一層防水材料，例如樹脂、橡膠，或者可以附加塑料薄膜從而組成不透水的防水土工合成材料，即土工膜。在市政道路路基的河岸邊坡結構中使用防水防滲土工膜起到強化加筋以及防滲作用。

（3）保護。土工合成材料能夠有效分散土體應力，還可以轉移應力，防止應力過于集中導致土體結構不穩，從而實現保護作用。例如，市政道路路基工程中使用土工合成材料可以有效分散車輛荷載，防止路面因載荷過于集中而出現裂縫。

（4）過濾。在土地表面或相鄰土層之間鋪設土工布，可以有效阻止土壤顆粒通過，減緩土壤顆粒流失，但水或氣體能滲透到土壤中，為避免孔隙壓力過大影響土體結構穩定性。例如，在路基碎石排水渠部位可以將土工合成布或土工膜作為濾床，起到過濾作用。

（5）排水。土工合成材料多為多孔材料，可在土壤中形成排水通道，收集水分并緩慢地將水分沿著材料表面慢慢排出，例如較厚的針刺氈和多孔的復土工合成材料均可起到排水作用。

（6）隔離。土工合成材料可以將土體中的沙子、石頭與地基或其他結構分開，避免其相互混合導致材料和結構的完整性喪失，也可以在土層間鋪設土工合成材料，隔離各層土體，減少相互侵蝕和滲入，起到層間隔離作用，有效控制路基的不均勻沉降。

3 土工膜的拉力-位移試驗

市政道路路基施工中土工膜的主要作用是承受拉力，基于此，需要著重研究土工膜承受的拉力與其位移之間的關系。

3.1 試驗儀器

本次抗拉試驗采用天惠TH5000-10B拉力試驗機完成，其試驗力峰值可達5500N；有效拉力測量范圍啊100N～2500N；最小可測拉力為1N；夾具拉伸距離峰值為900mm，力量精度誤差±0.5%。

3.2 試驗研究內容

對土工膜承受的拉力與位移之間的關系進行測定，分析導致順紋土工膜、逆紋土工膜變形破壞的拉力峰值。

3.3 條樣法拉伸試驗

（1）測試指標：兩種土工膜的變形破壞拉伸強度以及延伸率。

（2）測試流程：①樣品制備。根據拉力試驗機夾具尺寸的不同，試樣寬度55mm，長度為125mm，試樣計量長度為105mm；②將夾具之間的初始距離設置為105mm；③用夾具固定樣品，為便于對齊，在樣品上以100mm的距離畫兩條垂直于拉伸方向的平行線，并盡可能將兩條線貼近夾具邊沿；④選擇試驗設備的滿量程范圍，設置樣品能承受的最大拉力為試驗設備量程的10%～90%，并設置好拉伸速度；⑤啟動試驗設備和記錄儀進行試驗，并記錄試驗數據，包括拉力大小、位移大小以及拉力-位移之間的關系曲線，直至樣品斷裂后停止設備運行，按照上述流程多次進行試驗。

（3）抗拉強度相關計算公式：

式中：

Ts——抗拉強度，單位：kN∕m；

Pt——測量得到的拉力最大值，單位：kN；

B——樣品的寬度，單位：m。

結合公式1可以通過下列公式計算延伸率：

式中：

εp——樣品延伸率，單位：%；

Lo——樣品的計量長度，單位：mm；

Lf——拉力最大時對應的樣品長度，單位：mm。

4 土工膜的力學性能試驗分析

選用厚度為2mm的高密度聚乙烯土工膜，作為試驗樣品進行拉伸試驗，針對順紋土工膜和逆紋土工膜開展窄長條拉伸試驗。

4.1 順紋形態拉力-位移變化曲線

（1）經試驗檢測并整理數據得出順紋形態拉力-位移變化曲線見圖1。

圖1 土工膜順紋形態拉伸-位移變化曲線

（2）從圖1可以看出，土工膜的受力特性，0N～180N拉力作用下，拉力和位移之間存在線性關系，土工膜此時處于彈性狀態，拉力越大，位移越大。（3）在180N～280N的拉力作用下，土工膜承受的拉力與其位移呈現非線性關系，此時土工膜逐漸從彈性狀態過渡到塑性狀態。（4）從位移變化來看，位移在125mm～255mm范圍內變化時，位移變化過大將損壞土工膜結構，因為夾具的作用點上容易形成應力集中。因此，最大位移量的波動較大。（5）當土工膜開始施加承受拉力作用時，夾具的夾緊力很小，土工膜在加劇內滑動，所以初始階段拉力-位移曲線斜率小，不能體現拉力和位移之間的真實規律：隨著土工膜開始施加承受拉力的增加，夾具夾緊力增加，土工膜不再滑動，處于彈性變形狀態。當超過土工膜的彈性變形極限時，位移顯著增加，土工膜進行塑性變形狀態。另外，從圖1可以看出，土工膜的是屈服變形很小，因此可以參照強度其他材料產生一定塑性應變量（如0.5%）的應力大小作為土工膜的條件屈服強度。

4.2 逆紋形態拉力-位移變化曲線

（1）經試驗檢測并整理數據得出逆紋形態拉力-位移變化曲線（見圖2）。（2）從圖2中可以看出，土工膜的受力特性，當拉力在0N～200N范圍內變化時，拉力與位移呈線性關系，此時拉力越大，位移越大。（3）拉力在200N～225N內變化時，土工膜的位移量快速增加，但曲線依然是線性變化。（4）拉力在225N～300N內變化時，土工膜的位移繼續增大并發生短暫的屈服變形，接著很快進入塑性變形，而土工膜的位移過大導致超過800mm范圍的結構損壞。

圖2 土工膜逆紋形態拉力-位移變化曲線

5 結論

綜上所述，土工膜是一種應用廣泛的土工合成材料，可以與土體形成復合體，增加道路路基結構的承載力和抗剪強度，有效約束路基土體側向位移。因此，在實際路基施工中應該合理選擇土工合成材料，監測土工合成材料的性能指標，確保其滿足路基施工要求，以確保路基施工質量。土工合成材料有六大主要功能，即抗滲、加固、保護、過濾、排水、絕緣。通過試驗可知土工膜的屈服變形很小，通過比較順紋土工膜與逆紋土工膜的拉伸試驗結果，可以看出逆紋土工膜的位移最大值為順紋土工膜的3～6倍，而最大斷裂力方面，兩者基本相等。