土工合成材料在土建工程中应用

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摘要：基于现有的研究成果，总结了目前公认的土工合成材料的分类、作用机理以及国内外土工合成材料的发展现状。随后，从具体的实验应用案例出发，分析总结了典型的土工合成材料在土建工程中的实际应用状况，同时指出了研究中的不足之处。最后，展望了土工合成材料的应用前景和未来的发展趋势，总结了今后可能的研究方向。

关键词：土工合成材料；土建工程；作用机理；应用现状

土工合成材料具体指用于土建工程中的各种人工合成纤维材料的总称，后拓展为用于土建工程中的所有人工合成制备的材料的总称。土工合成材料的品种种类庞杂，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]。同时，按照使用目的的不同，土工合成材料也可以制备成许许多多具有不同结构形式的产品。土工合成材料与单纯的聚合物的区别在于，其具备了最终聚合物的产品特点，而这些特点也是实际土建工程应用中所关注的。土工合成材料应用于土建工程中最早可追溯到二十世纪早期，于1926年织物加筋技术第一次被美国高速部门应用于道路建设。同时，在六十年代，著名学者Vidal对织物加筋技术的技术机理做了系统分析，并于1965年制备了全球第一座加筋土挡土墙[5-6]。在堤坝工程中，二十世纪七十年代，法国首先将土工织物用于堤坝建设。在中国，土工合成材料的应用可追溯到二十世纪六十年代。虽然中国对于土工合成材料的研究稍晚，但是其发展速度相当迅速，迄今为止，已经在水利设施、公路设施、堤坝工程、铁路设施、海港设备、机场和军工等领域得到了十分广泛的应用。总的来说，土工合成材料具有十分广泛的应用前景，预计到2022年，全球土工合成材料市场总量将达到270.8亿美元[7]见表1。本文在现有的研究成果的基础上，首先对现有的土工合成材料的分类进行了总结概括，然后从作用效果以及实际应用案例两个角度，对土工合成材料在传统的土建工程中的应用进行了综述。最后，指出了当前土工合成材料的研究趋势和不足，希望可以为未来土工合成材料在土建工程中的应用和发展提供一定的参考。

1土工合成材料的分类与作用效果

1.1土工合成材料的分类

根据1998年制定的中国标准GB50290-98，可以将土工材料按照其生产制备的方法和相对应的功能特征分为四种不同类别。（1）土工织物，俗称也叫土工布，具体指用于土建工程中的一种布状复合材料，具有施工方便、轻重量、耐腐蚀等使用特点，在施工过程中，具有卓越的防紫外老化特征。（2）土工膜，一般为沥青膜和聚合物膜两种，具有良好的防水、耐老化以及抗渗水特性，同时，具有很强的随环境变形的能力。（3）土工特种材料，具体指常规土工织物以及土工膜外，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、土工网垫、聚苯乙烯塑料和土工网。其中，土工膜袋子是一种由合成纤维制成的两层口袋状材料，在保护土坡以及其他的土地基体处理的土建工程中有广泛的应用。土工网是一种由合成的高分子材料制备而成的网状材料，在软基路面加固、保护土坡和植草等土建工程领域有广泛的使用前景。土工网垫是一种特殊的三维结构聚合材料，主要由合成材料组成，在防冲蚀以及保土等土建工程等方向具有广泛的应用。聚苯乙烯塑料在铁路路基上得到广泛的应用，一般作为填料使用，质量轻、抗压强度高且吸水率较低。（4）复合土工织物，一般由上述几种土工合成材料随机组合混合而成。因此，土工复合材料也具备了各种单一土工合成材料的综合性能，可以能满足各种各样土建工程的需求，能发挥出多种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实际土建工程应用中具有多方面的作用，因此在公路、水利、电力、铁路、建筑等各个土建领域都有十分广泛的应用，其作用效果主要概括为以下几类。1.2.1反滤作用。反滤作用，顾名思义，又可称为过滤或者倒滤作用。在实际土建工程中具体指液体通过反滤材料时会将其中的固体材料过滤拦截下来。通常，反滤材料一般在存在大量流水侵蚀的地区应用，在排水体附近会安置反滤材料，改变水流条件，阻碍土颗粒等通过，防止水土流失而造成排水体附近土壤破坏。同时，可以防止孔隙压力过大，导致土体失稳的现象出现。目前，这种材料被广泛应用于水利、公路路基维护以及铁路路基维护等土建工程中，例如：土工织物作为典型的反滤层，被广泛使用于护坡和挡土墙背面。1.2.2排水作用。在实际土建工程中，为了提高土体整体的稳定性，会在土体周围设置一些排水材料，加速水体的快速排出，降低土体中地下水位的高度，降低土体中的水孔隙压力。一般而言，土工网、土工织物以及土工复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、公路排水工程以及挡水墙排水工程等土建工程中具有广泛的应用。1.2.3隔离作用。在实际土建工程中，有的时候为了隔离两种不同类型的基体材料，防止材料相互混合，保持工程建筑的稳定性，通常会采用一些特殊的土工合成材料，比如土工膜、土工丝网或者土工聚合物织物等。典型的应用场景为公路的路基以及碎石层之间、地基隔离层与人工填土层之间、沙袋与软地基的隔离层之间，都会用到一些薄膜土工材料，起到良好的隔离效果。1.2.4防护作用。在实际的土建工程应用中，应用一些典型的土工合成类材料，可以有效改善工程体中的应力，防止应力过大破坏土建工程建筑。此外，也可以起到隔绝水与土建工程土体的作用，减少水的冲刷量，防止土体散失。典型的应用场景包括在公路建设工程中使用土工膜、土工网和土工织物等防止裂纹拓展，减少水体渗透率。这种防护作用，在护岸、沿海岸防潮、坡面防护等都有广泛的应用。1.2.5防渗作用。传统的薄膜类土工合成材料，在隧道管理、公路路基抗渗水处理等土建工程中能够显著改善周围环境和保护工程建筑安全、防止液体渗透等。例如：在垃圾填埋厂中常用的滤液排出系统，采用高密度聚乙烯膜和土工合成材料膨润土垫以防止垃圾废液渗透。1.2.6加筋作用。对于传统的土工合成材料，由于其一般为聚合物材料，因此具有较高的拉伸强度。将这种材料填充于土建材料内部，能够显著增大整体的强度模量，拓散建筑物内部应力，减少沉降，改善土建工程整体的受力条件，增加建筑物稳定性并提升整体的承载能力。例如：预先设置的加筋土挡墙在地震灾害中起到了良好的防护作用，该技术在现有的防护土建工程中被广泛采用[8-10]。土工材料在实际土建工程中应用时，往往存在多种功能的复合，并不单单起到一种效果。为了满足不同土建工程不同材料的功能要求，IGS国际土工合成材料学会等组织提出了相对权威的土工合成材料的使用规范和技术指标，具体如图1所示[11-13]。

2土工合成材料在土建工程中的应用实例

土工合成材料在土建工程中具有十分广泛的应用，在调研土工合成材料在国内外土建工程中的应用现状后，选取了两种典型应用案例进行详细分析叙述。

2.1土工格栅网在城市道路护坡工程中的应用

修建1994年的萧山市通惠路，由于地理位置特殊，两边高耸陡立的侧坡经常发生落石的现象，稳定性很差。由于此路段边坡起伏很大，并且还有悬挂的松散岩石、石英砂和风化的岩屑存在，通车以后经常发生石块坠落的现象，给通过的来往行车造成了很大的安全隐患。因此，为解决该问题，也尝试过对两侧的边坡进行治理改善。考虑到通惠路作为城市道路，在保证安全通行的前提下，还需要保持美观的景观特性。在结合护坡治理技术规范JTJ/T019-98的前提下，采用土工格栅网对通惠路两边侧坡进行覆盖式防护治理。在整个防护工程中，使用的高强度格栅为丹阳鼎泰生产的LG0241格栅，其主要成分为聚丙烯，尺寸为4m×100m，网孔尺寸为0.3cm×40m，其相应的技术标准见表2。具体施工过程如下：首先，在两侧边坡顶部边沿处和底部边沿处固定一排d=22mm的锚杆，施工的间隙采用0.7m，对于松散的区域，追加锚杆数量。固定锚杆架设好以后，检查侧坡岩体，去除松动的岩石和滚石，排出潜在的风险。随后，从上到下铺设格栅，在上侧锚定后，用尼龙绳牵引至崖底固定，格栅下方过程尽量缓慢，从而保证土工格栅能与坡面尽可能贴合，增加格栅与锚杆的固定密度。同时，需要及时对格栅的方位进行调整，以保证最紧密贴合。悬挂完人工格栅网后，通过人工吊篮进行土钉加固作业。三到四人为一组，将人工格栅压紧贴合崖坡后，通过d=15mm的螺纹钢固定加固。施工时采用梅花工艺，增加搭接处的土钉密度。土工格栅在陡峭边坡的防护中具有重要的实用意义，能够在保证边坡稳定的前提下保证城市绿化景观，适用于城市路边边坡治理。

2.2土工织物在路基排水养护工程中的应用

2004年开始选址修建的武汉火车站部分路段由于排水设施老化，高降雨量季节经常出现水淹火车轨床的现象，一方面会影响路基的维护保养，另一方面也会造成一定的安全隐患。因此，为解决该问题，尝试对现有的排水设施进行养护修理。考虑到火车站沿线的使用频率很高，在保证安全通行的前提下，还需要保持维修保养后的轨道的稳定性。在结合治理技术规范JTG5410-2020的前提下，采用土工织物对铁路路基两侧排水管进行包裹式防护治理。在整个治理工程中，使用的土工织物为山东锦祥有限公司生产的SDJX-TGB01土工布，其主要成分为聚酯材料，尺寸为6m×100m，厚度为1mm，使用规格为600g/m3。具体实施过程如下：首先，挖设渗沟时，需要及时清理沟壁表面突出的石块等杂物，整平表面后复核沟槽标高。其次，在需要保护的道基上铺设土工织物时，需要将织物与道基紧密贴合，不宜拉得过紧，应当保持松弛有度并尽量保持表面没有褶皱。在土工织物铺设完毕后，采用粘接的方式连接不同段的土工织物，保持宽度大于100mm。在上述土工织物铺设完成后，需要及时铺设覆盖层。土工织物在铁路道基的排水养护工程中具有重要的实用意义，能够在保证道基结构稳定的前提下排出道基内部多余的水分，适用于城市铁路道基的养护。

3存在问题与展望

虽然土工合成材料在土建工程中已经有了大量的应用，但是调研文献发现，其在使用过程中也存在一些亟待解决的问题[14-17]：(1)需要进一步提升原材料基本性能，开发新型土工合成材料。目前，土工合成材料中所用的高分子原材料还存在不耐老化、易受侵蚀和蠕变性高等问题，为应对不同的使用环境，结合上述问题开发新型的土工合成材料是十分必要的。(2)在保证材料生产数量的前提下，对出厂的土工材料的质量和规格仍需要进一步加强。(3)虽然土工材料在土建工程中的应用已经十分广泛，但是理论研究、机理分析和模拟分析相关的研究还较少，需要进一步改善。对于这种合成材料的深层次作用机理、材料本征特性、破坏原理和边界条件还需进一步研究。(4)对已经在土建工程中使用的土工材料检查保养的工作需要进一步加强，相关工作的报道较少。(5)现有的一些土工材料成本需要进一步降低，以满足节能环保的大环境。目前，国内土工材料发展的大趋势是所有产品向复合型和系列型产品发展，偏向于大中型工程与长久性土建工程应用方向进阶。相应的，对此过程中机理研究、相应的测试手段和施工的工艺要求也在不断提升，

4结语

迄今为止，土工合成材料作为一种创新型材料，随着科技的不断进步，本身也在不断地发展，在传统的土建工程中得到了十分广泛的应用。总的来说，土工合成材料不仅适用于各种土建工程，同时可以显著提高工程的品质和降低维护成本。迄今为止的实践中，各类土工材料迅速发展，品种多样，也出现了各种新颖的土工材料。相应的，国内外对于土工材料的品质要求越来越高，在国内外都形成了典型的测试标准。但是，在土工材料的发展过程中，也存在一定的问题，这也为未来多元化和复合型土工材料的发展方向提出了更高的要求。

作者:霍军 单位:中煤科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司