土工合成材料在工程中的应用

2010-08-15齐影辉

黑龙江交通科技 2010年6期

齐影辉

(河北路桥集团有限公司)

1 土工合成材料的分类

土工合成材料是以人工合成的高分子聚合物为原料制成的各种类型产品,它置于土体内部、表面或各层土体之间,具有加强、保护土体作用或其他结构功能,是一种新型工程材料,也是岩土工程中应用的合成材料的总称。

土工合成材料大体可以分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料四大类,土工织物包括有纺和无纺织物;土工膜包括沥青土工膜和聚合物土工膜;特种土工合成材料包括土工格栅、土工膜袋、玻纤网、土工网、土工垫、土工格室及超轻型合成材料;复合型土工合成材料包括复合土工膜和复合排水材。

2 土工合成材料的应用

2.1 过滤作用与排水作用

把土工织物置于土体表面或相邻土层之间,可以有效地阻止颗粒的通过,从而防止由于土颗粒流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体通过织物自由排出,以免由于孔隙水压力升高而造成土体失稳的不利后果。

土工合成材料可单独或与其他材料配合,作为过滤体、排水体用于暗沟、渗沟、坡面防护、支档结构壁墙后排水,软基路堤地基表面排水垫层,处理翻浆冒泥和季节性冰冻土的导流沟等。较厚的针刺无纺织物和具有多孔隙的复合型土工合成材料多可以起到排水作用,在土体中形成排水通道,把土中的水分汇集起来,并沿着材料的平面排出,增强土体的水稳定性和抗冻性。

2.2 隔离作用

路面结构在经过一定次数的行车荷载作用后,与土基接触的基层底面会因剪应力的作用而产生微裂缝,这时往往会发生两种情况:一是路基土被抽吸到基层中,削弱基层材料的刚度;二是基层被逐渐压入土基中,失去路面结构的完整性。土工合成材料的隔离作用是在土基强度相对较弱时所发挥的主要功能。在土基强度较高时,土工合成材料的隔离作用依赖于基层材料的类型、荷载的大小与作用次数。

作为隔离层的土工合成材料必须满足以下要求:一方面要能够隔离两种不同粒径的材料,维持结构层厚度;另一方面要有足够的强度,以承受荷载引起的应力或变形。除此之外还要保证一定的反滤、排水能力。基础和填料的不均匀性往往引起局部应力集中,要求隔离土层用的土工合成材料具有足够的抗拉强度,维持自身的连续和完整性,不会被刺破和发生撕裂。

表面粗糙且有良好渗透性的土工织物常用作隔离层。土工织物和土工膜都可以起到隔离作用,即把两种不同粒径的填料与其他结构分隔开来,从而保持材料和结构各自的完整性,或避免发生土质流失现象。这种功能用于公路路基与地基之间、土石混合坝、石笼及沙袋与软土地基之间的隔离等。

2.3 加筋作用

土工合成材料铺设入土体内可以承担土体应力,增大土体的模量,传递拉应力,限制土体侧向位移,提高土体及相关建筑的稳定性。土工织物、土工膜、土工网及一些特种或复合型土工合成材料均具有加筋作用。土工合成材料的加筋主要应用于垂直的挡土墙和桥台、陡坡工程、治理滑坡工程、软土地基上的填土工程。

在上述工程应用中,土中的加筋主要承受土体自重和土体几何形变产生的应力。

土工合成材料在上述工程应用中,所起的作用是不同的。在前三种工程应用中,加筋必须在整个结构的使用年限内稳定有效地工作;而对软土地基上的路堤加筋结构,加筋的存在只是增加了在填土过程中和填土结束后,地基软土的固结期内结构的稳定性。在地基的强度随固结度的增加而不断提高的过程中,加筋增加结构稳定性的作用将越来越小。

土工合成材料的加筋作用可以改善路面结构层的应力分布。其外在表现就是减薄路面层厚度,减小车辙,防止裂缝反射,延长使用寿命。土工合成材料加筋作用机理较复杂,目前比较一致的看法是加筋有侧限作用、拉力加劲、薄膜效应三种作用机理。

(1)侧限作用。

作用在道路上的荷载对粒料产生横向推挤,使粒料有横向移动的趋势。土工合成材料通过摩阻和嵌锁作用力,对粒料进行锚固,限制粒料横向移动。

(2)拉力加筋。

土工合成材料与路面结构层的相互摩阻和嵌锁,使得结构层材料相当于受到了一个围压,从而提高了整体刚度。在土基强度软弱的条件下,由于位于土基顶面的加筋承担了部分剪应力,使得地基承载力得以提高。

(3)薄膜效应。

道路变形使土工合成材料拉伸,产生张拉力,张拉力的竖向合力可以承担部分竖向荷载。土工合成材料的薄膜效应可以降低对土基的强度要求,或者使得面层的厚度减薄而不影响总体承载力。薄膜效应的发挥与土工合成材料的埋置深度有关,埋深太浅土工合成材料可能会因承受拉力过大而损伤,埋深过大则加筋效果难以体现出来。

2.4 排水与反滤作用

(1)渗透性准则。

排水方式有沿织物平面排水和垂直织物排水两种形式。在考虑土工织物的渗透性要求时,一般要求织物的渗透性应大于临近结构层的渗透性,但是由于随时间的流逝土工织物不可避免地要有一定的淤堵,因而要求织物的渗透性应为结构层的若干倍。如果路面各结构层压实良好,也可适当降低对织物渗透性的要求。

(2)反滤准则。

反滤的目的是截留细粒土,维持结构的稳定性。如果土工织物的孔隙满足一定条件,则不但可以允许水流通过,而且可以锁住细粒。静荷载作用下,可将土工织物的孔径与颗粒的粒径联系起来,建立选择标准。

(3)淤堵准则。

淤堵会降低织物的渗透性,但不会因为过度淤堵而丧失排水能力。

2.5 防护作用

许多土工合成材料均可对土体起到防护作用,特别是河水、雨水等对路基的冲刷。土质边坡防护可使用拉伸网草皮、固定草种布或网格固定撒种。岩石边坡防护可采用土工网或土工格栅。沿河路基可使用土工织布软体沉排、土工膜袋进行冲刷防护。

2.6 路面反射裂缝防治

道路结构的裂缝大致可以分为由于温度和湿度变化产生的温度裂缝和重复荷载作用下的疲劳裂缝两种。通常的维修方法是在原来裂缝路面上加铺沥青罩面层。但是使用一段时间后,原有的裂缝会反射到新铺的沥青面层上,这一过程比预期要快。为了防止裂缝较快的反射,只能采用较厚的沥青层。采用土工合成材料可以有效防治路面反射裂缝,土工合成材料最早在路面结构中的应用也始于此。反射裂缝防治是土工合成材料加筋、隔离、排水等方面综合作用的结果。但需注意的是土工合成材料对于防治疲劳裂缝效果很好,而对于温度裂缝效果往往不明显,应避免在大雨和冻融地区使用。现有路面结构强度、损坏情况也影响土工合成材料使用效果,应先对道路进行强度评价和修复。