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一、 概述
土工材料作為一種建筑材料，最先在50年代應用于歐美國家的各種工程中，到60年代中后期，由于非織造工藝和廉價的非機織織物的出現(xiàn)，促進了土工材料的普遍應用于各工程領域，如：公路、鐵路、水利、綠化以及巖土等工程。隨著對其研究的深入，目前土工產(chǎn)品已發(fā)展到八個系列：土工布、土工格柵、土工網(wǎng)、土工席墊、土工薄膜、土工格室、土工復合材料以及其它有關的新產(chǎn)品。
有關土工材料的定義世界各國不盡相同，我國《公路土工合成材料應用技術規(guī)范》(JTJ/T019-98)對土工材料的定義是：以人工合成的聚合物為原料制成的各種類型產(chǎn)品，是巖土工程中應用的合成材料的總稱?？芍糜趲r土或其它工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各結(jié)構(gòu)層之間，具有加強、保護巖土或其它結(jié)構(gòu)功能的一個新型工程材料。而按照瑞士公路專業(yè)聯(lián)合會制定的瑞士標準(SN640550)，土工合成材料的定義是：與松軟巖石和堅固巖石相接觸，在建筑工程中所使用的透氣的平面織物。
二、 土工材料的分類及技術性能
土工材料是由其基本合成材料纖維(長纖維、短纖維紗、單紗等)按照化學、縫紉等方法制成的織物系統(tǒng)。它的分類可以根據(jù)其微觀構(gòu)造或化學成份分類
按照合成纖維的化學成份，制作土工材料的纖維主要有六類：錦綸(PVA)、滌綸(PET)、丙綸(PP)、氯綸(PVC)、維綸(PVA)、晴綸(PAN)。我國目前生產(chǎn)的土工材料以滌綸、丙綸纖維為主，其次是錦綸，其它種類應用較少。按照制造工藝的不同，也可將土工材料分為有紡、無紡、編織和復合織物四類。有紡織物和編織織物是按照一定工藝紡織而成;無紡織物是利用化學粘合方法制成;復合織物是將上述三種織物重迭起來，用粘合或針刺等方法加工而成的織物。
土工材料能在多項工程中得到廣泛的應用，不僅得益于其簡單的制造工藝和低廉的價格，最主要的是它的多種功能：過濾功能、排水功能、隔離功能、加強功能、保護功能等。實際施工應用中，根據(jù)工程的不同需要，可使用一種或幾種土工材料來達到工程要求的目的。現(xiàn)在也有將有紡織物涂膜或利用無紡物與塑料薄膜制成復合土工膜，而用于防滲工程。
三、 土工材料在實際中的應用
1、 隧道襯砌防水層應用土工布
高速公路的隧道施工，對于襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水的治理，是非常重視的，因為隧道襯砌斷面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，不僅使其外觀受到影響，長期作用下，更使襯砌結(jié)構(gòu)遭到破壞，失去自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且大量地下水積存后，流到路面上會對行車安全造成影響。由土工布、防水板組成的防水層鋪設在隧道襯砌背后，與其他防排水設施一道防止圍巖裂隙水、巖溶水等地下水侵蝕襯砌結(jié)構(gòu)，對其造成破壞。土工布在這里發(fā)揮其隔離保護功能，避免防水板直接與尖銳圍巖表面接觸，遭到破壞，從而失去防水效能。同時，由于它的排水功能，它在襯砌背形成了一道水流動的通道，避免了地下水集中于一處，造成局部水頭壓力過大，破壞隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力平衡，失去穩(wěn)定性
因為實際使用效果好，制作工藝簡易，造價低廉，所以近幾年修建的高速公路隧道中這一結(jié)構(gòu)應用普遍。以云南省為例，近幾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條隧道，均是設計的防水板—土工布結(jié)構(gòu)的防水層。
2、 填方路基應用土工格柵
土工材料應用于高填方加筋土路基?，F(xiàn)階段用于加筋的土工材料類型多為土工格柵，由于土工格柵呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔尺寸較大，節(jié)點厚度大于網(wǎng)筋、肋條厚度。網(wǎng)筋強度高，網(wǎng)孔不易斷裂，抗沖擊力強，能防止被粗糙填料刺破。而土工格柵的網(wǎng)孔尺寸穩(wěn)定性好，對填料有較強嵌鎖作用并可對臨近填料形成“拱效應”，增加了其與填料間的縱向剪切阻力。
由于土工格柵與填料之間的相互作用的存在，改善了土體的整體受力條件，提高了填方土體的整體強度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。將其應用到高填方路基中，可以加大填方土體的坡度和填方高度，不僅減少了填料用量，而且節(jié)約土地占用面積。正在建設中的云南省安楚高速公路5合同段內(nèi)，設計施工一段高填方路基，填土高度達到15~20米，如按傳統(tǒng)施工方法，不采用土工格柵進行加筋，土體坡比一般設計為1：1.5;而現(xiàn)在設計為加筋土路基，坡比增大為1：0.50，這樣每修建一延米高速公路，減少占地面積近40%，同時工程投資相應減少。對于我國這樣人均耕地資源較少的國家，加筋土路基的應用意義非常大。
在路基填挖方結(jié)合處、橋涵、通道等橫穿公路的構(gòu)造物以及構(gòu)造物臺背的路基填土施工中，應用土工格柵加筋也得到非常廣泛。這種情況下，主要是利用它與構(gòu)造物之間的錨固力以及與回填土之間的嵌鎖力和界面摩阻力，將原土體或構(gòu)造物與回填土連為一體，以提高其整體性，減少兩者之間的不均勻沉降 “橋頭跳車”現(xiàn)象，就是由于這種不同材料間的不均勻沉降引起的。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載力，也不能有效的阻止地基的沉降。因此，只有當?shù)鼗哂凶銐虻某休d力，在填土自重載荷與交通載荷的聯(lián)合作用下，不致破壞而產(chǎn)生大的沉降時，土工材料加筋才會產(chǎn)生明顯效果。目前，在我國工程試驗中獲得成功的試驗構(gòu)造物高度一般在4m~12m之間，故將土工材料加筋的適宜的構(gòu)造物高度定為5m~12m較為合理。
3、 土工材料處理軟弱土地基
在軟弱地基上修筑高填土路基，由于填土中的側(cè)向土壓力，使地基表面隨水平剪應力移動，導致路基土體向兩側(cè)位移，造成土體失穩(wěn)。這一直是困擾高速公路設計和施工的一個難點，處理起來費工費時，而實際效果難以達到預期效果。隨著土工材料的不斷開發(fā)利用，近年來利用土工材料加強軟弱土地基的工程日益增多，通常是在路基底部鋪設單層或多層高模量的土工織物、土工網(wǎng)、土工格柵等土工材料，來限制土體的側(cè)向位移，以提高路基穩(wěn)定性，減少路基下沉的差異沉降量。
安楚高速公路5合同段中，處理軟土地基使用的土工材料除上面提到的幾種外，重點使用了土工格室這種新型土工材料，它的基本施工工藝如下：將原軟土基礎挖除，進行片石換填并用碎石填實空隙，換填層上設置高度為20cm的HDPE土工格室，土工格室的抗拉強度≥0.57kN/5cm(1mm厚);焊縫抗撕裂強度≥1KN(20cm)。土工格室內(nèi)部用砂礫石填筑，其上鋪筑50cm碎石墊層，進行壓實，并鋪設單向土工布將碎石墊層與上層填料隔離。這樣處理后的地基，利用土工格室的三維結(jié)構(gòu)限制了填料的側(cè)向位移，提高了路基的穩(wěn)定性。較之于二維結(jié)構(gòu)的土工格柵，土工格室作為軟弱土地基的加固補強材料，使豎向填料之間結(jié)合起來，更能承受填料自身載荷及外部載荷的作用力。現(xiàn)經(jīng)過路基試通車的檢驗后，由土工格室處理過的這段軟弱土高填方路基沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。
4、 土工材料用于路基防護
土工材料可以起到分散應力作用，也可以將應力由一種物體傳遞到另一種物體，使應力分解，防止土體受外力作用破壞，從而起到防護作用。土工材料可在兩種情況下起到防護作用：表面防護：將土工材料放置于土體表面，保護土體不受外力影響、破壞;內(nèi)部接觸防護：將土工材料置于兩種材料之間，當一種材料受集中應力作用時，而不使另一種材料破壞。利用它的這一性能，在高速公路路基防護中，土工材料得到廣泛應用。
路基防護主要包括坡面防護和沖刷防護，坡面防護用于防護易受自然因素影響而破壞的土質(zhì)或巖石邊坡;沖刷防護用于防護水流對路基的沖刷與淘刷。
土工材料應用于路基邊坡防護可采用土工網(wǎng)或土工格柵，經(jīng)人工鋪設后，用U型釘固定，再進行植草。土工材料防止了雨水對邊坡的沖蝕，利于植物的生長。實際施工中，可用網(wǎng)格護坡或框架結(jié)構(gòu)護坡與土工格柵相結(jié)合，并植草綠化。
5、 其它應用
除上述幾種應用外，土工材料還可以應用于路面整治，防治路面反射裂縫，延緩其發(fā)生和發(fā)展，在半剛性基層瀝青路面中還可適當提高基層疲勞壽命，降低路面車轍程度。
在路基的盲溝排水、支擋結(jié)構(gòu)的墻背排水、路面層間排水和邊緣排水中，應用土工布等土工材料可起到過濾作用。
橋梁施工，圍堰是常用的結(jié)構(gòu)形式，作為墩、臺基坑開挖、截流、擋土等臨時性或永久性圍護結(jié)構(gòu)，應用土工材料制作圍堰可防止因回填材料抗剪強度不足而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)下滑坍塌、摩擦力不足而產(chǎn)生水平位移、因水流滲入引起局部不穩(wěn)等危險情況的發(fā)生。
此外，也可應用土工材料構(gòu)筑加筋土擋墻，這種新型擋墻結(jié)構(gòu)已有取代傳統(tǒng)擋墻的趨勢。
四、 土工材料應用的發(fā)展
世界其它國家，如美國、歐洲等國家，應用土工材料的時間較長，應用范圍更加廣泛，相對應的研究也更加深入。這些國家現(xiàn)在注重于研究土工材料的特性研究，包括相應的特性試驗方法研究;土工材料與土或結(jié)構(gòu)的相互作用特性研究;應用土工材料的結(jié)構(gòu)的相應設計計算方法、施工要求的研究;以及應用以后的整體特性和效果的研究。
我國相應的研究工作有所滯后，相關的施工規(guī)范內(nèi)容對施工指導直接性不強。將土工材料應用在公路工程環(huán)境保護、公路養(yǎng)護以及道路修復方面的情況還不是很多，土工材料與錨固方法結(jié)合加固挖方邊坡以及加筋土擋墻的應用也屬于新開發(fā)的應用項目，但應用的普及速度很快。
五、 結(jié)束語
土工材料在工程中的成功應用，既解決了工程中長期存在的一些問題，也增加了工程施工工藝的多樣性，并且比傳統(tǒng)工藝節(jié)省了資源。它的發(fā)展前景廣闊，在云南省近幾年設計修建的幾條高速公路中都大量應用了各種形式的土工材料。作為施工單位，我們應密切注意土工材料的研究、應用以及發(fā)展方向，并相應的改進施工工藝，適應新型材料應用的需要。