土工材料

一、 概述

　　土工材料作为一种建筑材料，更先在50年代应用于欧美的各种工程中，到60年代中后期，由于非织造工艺和廉价的非机织织物的出现，促进了土工材料的普遍应用于各工程领域，如：公路、铁路、水利、绿化以及岩土等工程。随着对其研究的深入，目前土工产品已发展到八个系列：土工布、土工格栅、土工网、土工席垫、土工薄膜、土工格室、土工复合材料以及其它有关的新产品。

　　有关土工材料的定义世界各国不尽相同，我国《公路土工合成材料应用技术规范》（JTJ/T019-98）对土工材料的定义是：以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型产品，是岩土工程中应用的合成材料的总称。可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各结构层之间，具有加强、保护岩土或其它结构功能的一个新型工程材料。而按照瑞士公路专业联合会制定的瑞士标准（SN640550），土工合成材料的定义是：与松软岩石和坚固岩石相接触，在建筑工程中所使用的透气的平面织物。

二、 土工材料的分类及技术性能

　　土工材料是由其基本合成材料纤维（长纤维、短纤维纱、单纱等）按照化学、缝纫等方法制成的织物系统。它的分类可以根据其微观构造或化学成份分类，见下表

　　按照合成纤维的化学成份，制作土工材料的纤维主要有六类：锦纶（PVA）、涤纶（PET）、丙纶（PP）、氯纶（PVC）、维纶（PVA）、晴纶（PAN）。我国目前生产的土工材料以涤纶、丙纶纤维为主，其次是锦纶，其它种类应用较少。按照制造工艺的不同，也可将土工材料分为有纺、无纺、编织和复合织物四类。有纺织物和编织织物是按照一定工艺纺织而成；无纺织物是利用化学粘合方法制成；复合织物是将上述三种织物重迭起来，用粘合或针刺等方法加工而成的织物。

　　土工材料能在多项工程中得到广泛的应用，不仅得益于其简单的制造工艺和低廉的价格，最主要的是它的多种功能：过滤功能、排水功能、隔离功能、加强功能、保护功能等。实际施工应用中，根据工程的不同需要，可使用一种或几种土工材料来达到工程要求的目的。现在也有将有纺织物涂膜或利用无纺物与塑料薄膜制成复合土工膜，而用于防渗工程。

三、 土工材料在实际中的应用

1、 隧道衬砌防水层应用土工布

　　高速公路的隧道施工，对于衬砌结构渗漏水的治理，是非常重视的，因为隧道衬砌断面出现渗水现象，不仅使其外观受到影响，长期作用下，更使衬砌结构遭到破坏，失去自身结构稳定性，而且大量地下水积存后，流到路面上会对行车安全造成影响。由土工布、防水板组成的防水层铺设在隧道衬砌背后，与其他防排水设施一道防止围岩裂隙水、岩溶水等地下水侵蚀衬砌结构，对其造成破坏。土工布在这里发挥其隔离保护功能，避免防水板直接与尖

　　因为实际使用效果好，制作工艺简易，造价低廉，所以近几年修建的高速公路隧道中这一结构应用普遍。以云南省为例，近几年修建的楚大高速公路、大保高速公路、安楚高速公路中的多条隧道，均是设计的防水板—土工布结构的防水层。

2、 填方路基应用土工格栅

　　土工材料应用于高填方加筋土路基。现阶段用于加筋的土工材料类型多为土工格栅，由于土工格栅呈网状结构，网孔尺寸较大，节点厚度大于网筋、肋条厚度。网筋强度高，网孔不易断裂，抗冲击力强，能防止被粗糙填料刺破。而土工格栅的网孔尺寸稳定性好，对填料有较强嵌锁作用并可对临近填料形成“拱效应”，增加了其与填料间的纵向剪切阻力。

　　由于土工格栅与填料之间的相互作用的存在，改善了土体的整体受力条件，提高了填方土体的整体强度和结构的稳定性。将其应用到高填方路基中，可以加大填方土体的坡度和填

　　在路基填挖方结合处、桥涵、通道等横穿公路的构造物以及构造物台背的路基填土施工中，应用土工格栅加筋也得到非常广泛。这种情况下，主要是利用它与构造物之间的锚固力以及与回填土之间的嵌锁力和界面摩阻力，将原土体或构造物与回填土连为一体，以提高其整体性，减少两者之间的不均匀沉降 “桥头跳车”现象，就是由于这种不同材料间的不均匀沉降引起的。但是要注意的是，在回填土中采用土工材料加筋并不能提高地基承载力，也不能有效的阻止地基的沉降。因此，只有当地基具有足够的承载力，在填土自重载荷与交通载荷的联合作用下，不致破坏而产生大的沉降时，土工材料加筋才会产生明显效果。目前，在我国工程试验中获得成功的试验构造物高度一般在4m~12m之间，故将土工材料加筋的适宜的构造物高度定为5m~12m较为合理。

3、 土工材料处理软弱土地基

　　在软弱地基上修筑高填土路基，由于填土中的侧向土压力，使地基表面随水平剪应力移动，导致路基土体向两侧位移，造成土体失稳。这一直是困扰高速公路设计和施工的一个难点，处理起来费工费时，而实际效果难以达到预期效果。随着土工材料的不断开发利用，近年来利用土工材料加强软弱土地基的工程日益增多，通常是在路基底部铺设单层或多层高模量的土工织物、土工网、土工格栅等土工材料，来限制土体的侧向位移，以提高路基稳定性，减少路基下沉的差异沉降量。

　　安楚高速公路5合同段中，处理软土地基使用的土工材料除上面提到的几种外，重点使用了土工格室这种新型土工材料，它的基本施工工艺如下：将原软土基础挖除，进行片石换填并用碎石填实空隙，换填层上设置高度为20cm的HDPE土工格室，土工格室的抗拉强度≥0.57kN/5cm（1mm厚）；焊缝抗撕裂强度≥1KN（20cm）。土工格室内部用砂砾石填筑，其上铺筑50cm碎石垫层，进行压实，并铺设单向土工布将碎石垫层与上层填料隔离。这样处理后的地基，利用土工格室的三维结构限制了填料的侧向位移，提高了路基的稳定性。较之于二维结构的土工格栅，土工格室作为软弱土地基的加固补强材料，使竖向填料之间结合起来，更能承受填料自身载荷及外部载荷的作用力。现经过路基试通车的检验后，由土工格室处理过的这段软弱土高填方路基没有出现任何质量问题。

4、 土工材料用于路基防护

　　土工材料可以起到分散应力作用，也可以将应力由一种物体传递到另一种物体，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，从而起到防护作用。土工材料可在两种情况下起到防护作用：表面防护：将土工材料放置于土体表面，保护土体不受外力影响、破坏；内部接触防护：将土工材料置于两种材料之间，当一种材料受集中应力作用时，而不使另一种材料破坏。利用它的这一性能，在高速公路路基防护中，土工材料得到广泛应用。

　　路基防护主要包括坡面防护和冲刷防护，坡面防护用于防护易受自然因素影响而破坏的土质或岩石边坡；冲刷防护用于防护水流对路基的冲刷与淘刷。土工材料应用于路基边坡防护可采用土工网或土工格栅，经人工铺设后，用U型钉固定，再进行植草。土工材料防止了雨水对边坡的冲蚀，利于植物的生长。实际施工中，可用网格护坡或框架结构护坡与土工格栅相结合，并植草绿化。

5、 其它应用

　　除上述几种应用外，土工材料还可以应用于路面整治，防治路面反射裂缝，延缓其发生和发展，在半刚性基层沥青路面中还可适当提高基层疲劳寿命，降低路面车辙程度。

　　在路基的盲沟排水、支挡结构的墙背排水、路面层间排水和边缘排水中，应用土工布等土工材料可起到过滤作用。

　　桥梁施工，围堰是常用的结构形式，作为墩、台基坑开挖、截流、挡土等临时性或性围护结构，应用土工材料制作围堰可防止因回填材料抗剪强度不足而产生结构下滑坍塌、摩擦力不足而产生水平位移、因水流渗入引起局部不稳等危险情况的发生。

　　此外，也可应用土工材料构筑加筋土挡墙，这种新型挡墙结构已有取代传统挡墙的趋势。

四、 土工材料应用的发展

　　世界其它，如美国、欧洲等，应用土工材料的时间较长，应用范围更加广泛，相对应的研究也更加深入。这些现在注重于研究土工材料的特性研究，包括相应的特性试验方法研究；土工材料与土或结构的相互作用特性研究；应用土工材料的结构的相应设计计算方法、施工要求的研究；以及应用以后的整体特性和效果的研究。

　　我国相应的研究工作有所滞后，相关的施工规范内容对施工指导直接性不强。将土工材料应用在公路工程环境保护、公路养护以及道路修复方面的情况还不是很多，土工材料与锚固方法结合加固挖方边坡以及加筋土挡墙的应用也属于新开发的应用项目，但应用的普及速度很快。

五、 结束语

　　土工材料在工程中的成功应用，既解决了工程中长期存在的一些问题，也增加了工程施工工艺的多样性，并且比传统工艺节省了资源。它的发展前景广阔，在云南省近几年设计修建的几条高速公路中都大量应用了各种形式的土工材料。作为施工单位，我们应密切注意土工材料的研究、应用以及发展方向，并相应的改进施工工艺，适应新型材料应用的需要。