淺談土工合成材料在土建工程領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用

霍 軍

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

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(shí)，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(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。土工合成材料與單純的聚合物的區(qū)別在于，其具備了最終聚合物的產(chǎn)品特點(diǎn)，而這些特點(diǎn)也是實(shí)際土建工程應(yīng)用中所關(guān)注的。

土工合成材料應(yīng)用于土建工程中最早可追溯到二十世紀(jì)早期，于1926年織物加筋技術(shù)第一次被美國(guó)高速部門(mén)應(yīng)用于道路建設(shè)。同時(shí)，在六十年代，著名學(xué)者Vidal對(duì)織物加筋技術(shù)的技術(shù)機(jī)理做了系統(tǒng)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(jì)七十年代，法國(guó)首先將土工織物用于堤壩建設(shè)。在中國(guó)，土工合成材料的應(yīng)用可追溯到二十世紀(jì)六十年代。雖然中國(guó)對(duì)于土工合成材料的研究稍晚，但是其發(fā)展速度相當(dāng)迅速，迄今為止，已經(jīng)在水利設(shè)施、公路設(shè)施、堤壩工程、鐵路設(shè)施、海港設(shè)備、機(jī)場(chǎng)和軍工等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，土工合成材料具有十分廣泛的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)到2022年，全球土工合成材料市場(chǎng)總量將達(dá)到270.8億美元［7］見(jiàn)表1。

表1 全球土工合成材料市場(chǎng)總量Table 1 Total global geosynthetic materials market

本文在現(xiàn)有的研究成果的基礎(chǔ)上，首先對(duì)現(xiàn)有的土工合成材料的分類進(jìn)行了總結(jié)概括，然后從作用效果以及實(shí)際應(yīng)用案例兩個(gè)角度，對(duì)土工合成材料在傳統(tǒng)的土建工程中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。最后，指出了當(dāng)前土工合成材料的研究趨勢(shì)和不足，希望可以為未來(lái)土工合成材料在土建工程中的應(yīng)用和發(fā)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(jù)1998年制定的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50290-98，可以將土工材料按照其生產(chǎn)制備的方法和相對(duì)應(yīng)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(fù)合材料，具有施工方便、輕重量、耐腐蝕等使用特點(diǎn)，在施工過(guò)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?jié)B水特性，同時(shí)，具有很強(qiáng)的隨環(huán)境變形的能力。

（3）土工特種材料，具體指常規(guī)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(wǎng)墊、聚苯乙烯塑料和土工網(wǎng)。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(hù)土坡以及其他的土地基體處理的土建工程中有廣泛的應(yīng)用。土工網(wǎng)是一種由合成的高分子材料制備而成的網(wǎng)狀材料，在軟基路面加固、保護(hù)土坡和植草等土建工程領(lǐng)域有廣泛的使用前景。土工網(wǎng)墊是一種特殊的三維結(jié)構(gòu)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(yīng)用。聚苯乙烯塑料在鐵路路基上得到廣泛的應(yīng)用，一般作為填料使用，質(zhì)量輕、抗壓強(qiáng)度高且吸水率較低。

（4）復(fù)合土工織物，一般由上述幾種土工合成材料隨機(jī)組合混合而成。因此，土工復(fù)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(fā)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(shí)際土建工程應(yīng)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(gè)土建領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)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(guò)濾或者倒濾作用。在實(shí)際土建工程中具體指液體通過(guò)反濾材料時(shí)會(huì)將其中的固體材料過(guò)濾攔截下來(lái)。通常，反濾材料一般在存在大量流水侵蝕的地區(qū)應(yīng)用，在排水體附近會(huì)安置反濾材料，改變水流條件，阻礙土顆粒等通過(guò)，防止水土流失而造成排水體附近土壤破壞。同時(shí)，可以防止孔隙壓力過(guò)大，導(dǎo)致土體失穩(wěn)的現(xiàn)象出現(xiàn)。目前，這種材料被廣泛應(yīng)用于水利、公路路基維護(hù)以及鐵路路基維護(hù)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(hù)坡和擋土墻背面。

1.2.2 排水作用

在實(shí)際土建工程中，為了提高土體整體的穩(wěn)定性，會(huì)在土體周?chē)O(shè)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(wǎng)、土工織物以及土工復(fù)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(yīng)用。

1.2.3 隔離作用

在實(shí)際土建工程中，有的時(shí)候?yàn)榱烁綦x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(wěn)定性，通常會(huì)采用一些特殊的土工合成材料，比如土工膜、土工絲網(wǎng)或者土工聚合物織物等。典型的應(yīng)用場(chǎng)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(huì)用到一些薄膜土工材料，起到良好的隔離效果。

1.2.4 防護(hù)作用

在實(shí)際的土建工程應(yīng)用中，應(yīng)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(yīng)力，防止應(yīng)力過(guò)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(yīng)用場(chǎng)景包括在公路建設(shè)工程中使用土工膜、土工網(wǎng)和土工織物等防止裂紋拓展，減少水體滲透率。這種防護(hù)作用，在護(hù)岸、沿海岸防潮、坡面防護(hù)等都有廣泛的應(yīng)用。

1.2.5 防滲作用

傳統(tǒng)的薄膜類土工合成材料，在隧道管理、公路路基抗?jié)B水處理等土建工程中能夠顯著改善周?chē)h(huán)境和保護(hù)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(tǒng)，采用高密度聚乙烯膜和土工合成材料膨潤(rùn)土墊以防止垃圾廢液滲透。

1.2.6 加筋作用

對(duì)于傳統(tǒng)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(qiáng)度。將這種材料填充于土建材料內(nèi)部，能夠顯著增大整體的強(qiáng)度模量，拓散建筑物內(nèi)部應(yīng)力，減少沉降，改善土建工程整體的受力條件，增加建筑物穩(wěn)定性并提升整體的承載能力。例如：預(yù)先設(shè)置的加筋土擋墻在地震災(zāi)害中起到了良好的防護(hù)作用，該技術(shù)在現(xiàn)有的防護(hù)土建工程中被廣泛采用［8-10］。

土工材料在實(shí)際土建工程中應(yīng)用時(shí)，往往存在多種功能的復(fù)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(guó)際土工合成材料學(xué)會(huì)等組織提出了相對(duì)權(quán)威的土工合成材料的使用規(guī)范和技術(shù)指標(biāo)，具體如圖1所示［11-13］。

圖1 土工合成材料使用技術(shù)指標(biāo)Fig. 1 Technical indicators for geosynthetic materials

2 土工合成材料在土建工程中的應(yīng)用實(shí)例

土工合成材料在土建工程中具有十分廣泛的應(yīng)用，在調(diào)研土工合成材料在國(guó)內(nèi)外土建工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀后，選取了兩種典型應(yīng)用案例進(jìn)行詳細(xì)分析敘述。

2.1 土工格柵網(wǎng)在城市道路護(hù)坡工程中的應(yīng)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(cè)坡經(jīng)常發(fā)生落石的現(xiàn)象，穩(wěn)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(fēng)化的巖屑存在，通車(chē)以后經(jīng)常發(fā)生石塊墜落的現(xiàn)象，給通過(guò)的來(lái)往行車(chē)造成了很大的安全隱患。因此，為解決該問(wèn)題，也嘗試過(guò)對(duì)兩側(cè)的邊坡進(jìn)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(jié)合護(hù)坡治理技術(shù)規(guī)范JTJ/T019-98的前提下，采用土工格柵網(wǎng)對(duì)通惠路兩邊側(cè)坡進(jìn)行覆蓋式防護(hù)治理。

在整個(gè)防護(hù)工程中，使用的高強(qiáng)度格柵為丹陽(yáng)鼎泰生產(chǎn)的LG0241格柵，其主要成分為聚丙烯，尺寸為4m×100m，網(wǎng)孔尺寸為0.3cm×40m，其相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 LG0241技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Technical indicators for LB0250

具體施工過(guò)程如下：首先，在兩側(cè)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(duì)于松散的區(qū)域，追加錨桿數(shù)量。固定錨桿架設(shè)好以后，檢查側(cè)坡巖體，去除松動(dòng)的巖石和滾石，排出潛在的風(fēng)險(xiǎn)。隨后，從上到下鋪設(shè)格柵，在上側(cè)錨定后，用尼龍繩牽引至崖底固定，格柵下方過(guò)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(shí)，需要及時(shí)對(duì)格柵的方位進(jìn)行調(diào)整，以保證最緊密貼合。懸掛完人工格柵網(wǎng)后，通過(guò)人工吊籃進(jìn)行土釘加固作業(yè)。三到四人為一組，將人工格柵壓緊貼合崖坡后，通過(guò)d=15mm的螺紋鋼固定加固。施工時(shí)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(hù)中具有重要的實(shí)用意義，能夠在保證邊坡穩(wěn)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(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用

2004年開(kāi)始選址修建的武漢火車(chē)站部分路段由于排水設(shè)施老化，高降雨量季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)水淹火車(chē)軌床的現(xiàn)象，一方面會(huì)影響路基的維護(hù)保養(yǎng)，另一方面也會(huì)造成一定的安全隱患。因此，為解決該問(wèn)題，嘗試對(duì)現(xiàn)有的排水設(shè)施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)修理。

考慮到火車(chē)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(yǎng)后的軌道的穩(wěn)定性。在結(jié)合治理技術(shù)規(guī)范JTG 5410-2020的前提下，采用土工織物對(duì)鐵路路基兩側(cè)排水管進(jìn)行包裹式防護(hù)治理。

在整個(gè)治理工程中，使用的土工織物為山東錦祥有限公司生產(chǎn)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(guī)格為600g/m3。

具體實(shí)施過(guò)程如下：首先，挖設(shè)滲溝時(shí)，需要及時(shí)清理溝壁表面突出的石塊等雜物，整平表面后復(fù)核溝槽標(biāo)高。其次，在需要保護(hù)的道基上鋪設(shè)土工織物時(shí)，需要將織物與道基緊密貼合，不宜拉得過(guò)緊，應(yīng)當(dāng)保持松弛有度并盡量保持表面沒(méi)有褶皺。在土工織物鋪設(shè)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(shè)完成后，需要及時(shí)鋪設(shè)覆蓋層。

土工織物在鐵路道基的排水養(yǎng)護(hù)工程中具有重要的實(shí)用意義，能夠在保證道基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下排出道基內(nèi)部多余的水分，適用于城市鐵路道基的養(yǎng)護(hù)。

3 存在問(wèn)題與展望

雖然土工合成材料在土建工程中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，但是調(diào)研文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，其在使用過(guò)程中也存在一些亟待解決的問(wèn)題［14-17］：

(1) 需要進(jìn)一步提升原材料基本性能，開(kāi)發(fā)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(wèn)題，為應(yīng)對(duì)不同的使用環(huán)境，結(jié)合上述問(wèn)題開(kāi)發(fā)新型的土工合成材料是十分必要的。

(2) 在保證材料生產(chǎn)數(shù)量的前提下，對(duì)出廠的土工材料的質(zhì)量和規(guī)格仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

(3) 雖然土工材料在土建工程中的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但是理論研究、機(jī)理分析和模擬分析相關(guān)的研究還較少，需要進(jìn)一步改善。對(duì)于這種合成材料的深層次作用機(jī)理、材料本征特性、破壞原理和邊界條件還需進(jìn)一步研究。

(4) 對(duì)已經(jīng)在土建工程中使用的土工材料檢查保養(yǎng)的工作需要進(jìn)一步加強(qiáng)，相關(guān)工作的報(bào)道較少。

(5) 現(xiàn)有的一些土工材料成本需要進(jìn)一步降低，以滿足節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境。

目前，國(guó)內(nèi)土工材料發(fā)展的大趨勢(shì)是所有產(chǎn)品向復(fù)合型和系列型產(chǎn)品發(fā)展，偏向于大中型工程與長(zhǎng)久性土建工程應(yīng)用方向進(jìn)階。相應(yīng)的，對(duì)此過(guò)程中機(jī)理研究、相應(yīng)的濁試手段和施工的工藝要求也在不斷提升，

4 結(jié)語(yǔ)

迄今為止，土工合成材料作為一種創(chuàng)新型材料，隨著科技的不斷進(jìn)步，本身也在不斷地發(fā)展，在傳統(tǒng)的土建工程中得到了十分廣泛的應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，土工合成材料不僅適用于各種土建工程，同時(shí)可以顯著提高工程的品質(zhì)和降低維護(hù)成本。迄今為止的實(shí)踐中，各類土工材料迅速發(fā)展，品種多樣，也出現(xiàn)了各種新穎的土工材料。相應(yīng)的，國(guó)內(nèi)外對(duì)于土工材料的品質(zhì)要求越來(lái)越高，在國(guó)內(nèi)外都形成了典型的濁試標(biāo)準(zhǔn)。但是，在土工材料的發(fā)展過(guò)程中，也存在一定的問(wèn)題，這也為未來(lái)多元化和復(fù)合型土工材料的發(fā)展方向提出了更高的要求。