市政项目路基工程中土工合成材料的应用分析

黄陈松

福建省鼎贤市政园林工程有限公司

1 引言

土工合成材料包括土工布、土工膜等多种类型，土工合成材料的主要材质包括塑料、纤维、橡胶等。土工合成材料通常铺设于土层中或者不同土层之间，起到排水、保温、加固等功能。随着市政道路建设的持续推进，土工合成材料在市政道路路基工程施工中的应用越来越多。现阶段，许多市政道路路基工作的路堤、台背、填筑与开挖交界处的加固都采用土工合成材料。例如，土工合成材料可以有效增强路堤的结构稳定性；有效约束路基填筑与开挖交界部位的土体，提高路基结构的整体稳定性。减少台背部位的土体侧向压力。

2 土工合成材料在路基中的作用

（1）强化加筋。土工布、土工膜等工合成材料的抗拉强度高。被铺设于地下时，可以有效分散土体应力，传递拉应力，提高土体弹性模量并有效约束土体横向位移，增加摩阻力，从而实现强化加筋作用。

（2）防渗透。根据项目要求，土工合成材料常按照一定比例组合使用土工布、土工膜，土工膜主要用于防渗。通常，土工合布或土工膜的表面覆盖有一层防水材料，例如树脂、橡胶，或者可以附加塑料薄膜从而组成不透水的防水土工合成材料，即土工膜。在市政道路路基的河岸边坡结构中使用防水防渗土工膜起到强化加筋以及防渗作用。

（3）保护。土工合成材料能够有效分散土体应力，还可以转移应力，防止应力过于集中导致土体结构不稳，从而实现保护作用。例如，市政道路路基工程中使用土工合成材料可以有效分散车辆荷载，防止路面因载荷过于集中而出现裂缝。

（4）过滤。在土地表面或相邻土层之间铺设土工布，可以有效阻止土壤颗粒通过，减缓土壤颗粒流失，但水或气体能渗透到土壤中，为避免孔隙压力过大影响土体结构稳定性。例如，在路基碎石排水渠部位可以将土工合成布或土工膜作为滤床，起到过滤作用。

（5）排水。土工合成材料多为多孔材料，可在土壤中形成排水通道，收集水分并缓慢地将水分沿着材料表面慢慢排出，例如较厚的针刺毡和多孔的复土工合成材料均可起到排水作用。

（6）隔离。土工合成材料可以将土体中的沙子、石头与地基或其他结构分开，避免其相互混合导致材料和结构的完整性丧失，也可以在土层间铺设土工合成材料，隔离各层土体，减少相互侵蚀和渗入，起到层间隔离作用，有效控制路基的不均匀沉降。

3 土工膜的拉力-位移试验

市政道路路基施工中土工膜的主要作用是承受拉力，基于此，需要着重研究土工膜承受的拉力与其位移之间的关系。

3.1 试验仪器

本次抗拉试验采用天惠TH5000-10B拉力试验机完成，其试验力峰值可达5500N；有效拉力测量范围啊100N～2500N；最小可测拉力为1N；夹具拉伸距离峰值为900mm，力量精度误差±0.5%。

3.2 试验研究内容

对土工膜承受的拉力与位移之间的关系进行测定，分析导致顺纹土工膜、逆纹土工膜变形破坏的拉力峰值。

3.3 条样法拉伸试验

（1）测试指标：两种土工膜的变形破坏拉伸强度以及延伸率。

（2）测试流程：①样品制备。根据拉力试验机夹具尺寸的不同，试样宽度55mm，长度为125mm，试样计量长度为105mm；②将夹具之间的初始距离设置为105mm；③用夹具固定样品，为便于对齐，在样品上以100mm的距离画两条垂直于拉伸方向的平行线，并尽可能将两条线贴近夹具边沿；④选择试验设备的满量程范围，设置样品能承受的最大拉力为试验设备量程的10%～90%，并设置好拉伸速度；⑤启动试验设备和记录仪进行试验，并记录试验数据，包括拉力大小、位移大小以及拉力-位移之间的关系曲线，直至样品断裂后停止设备运行，按照上述流程多次进行试验。

（3）抗拉强度相关计算公式：

式中：

Ts——抗拉强度，单位：kN∕m；

Pt——测量得到的拉力最大值，单位：kN；

B——样品的宽度，单位：m。

结合公式1可以通过下列公式计算延伸率：

式中：

εp——样品延伸率，单位：%；

Lo——样品的计量长度，单位：mm；

Lf——拉力最大时对应的样品长度，单位：mm。

4 土工膜的力学性能试验分析

选用厚度为2mm的高密度聚乙烯土工膜，作为试验样品进行拉伸试验，针对顺纹土工膜和逆纹土工膜开展窄长条拉伸试验。

4.1 顺纹形态拉力-位移变化曲线

（1）经试验检测并整理数据得出顺纹形态拉力-位移变化曲线见图1。

图1 土工膜顺纹形态拉伸-位移变化曲线

（2）从图1可以看出，土工膜的受力特性，0N～180N拉力作用下，拉力和位移之间存在线性关系，土工膜此时处于弹性状态，拉力越大，位移越大。（3）在180N～280N的拉力作用下，土工膜承受的拉力与其位移呈现非线性关系，此时土工膜逐渐从弹性状态过渡到塑性状态。（4）从位移变化来看，位移在125mm～255mm范围内变化时，位移变化过大将损坏土工膜结构，因为夹具的作用点上容易形成应力集中。因此，最大位移量的波动较大。（5）当土工膜开始施加承受拉力作用时，夹具的夹紧力很小，土工膜在加剧内滑动，所以初始阶段拉力-位移曲线斜率小，不能体现拉力和位移之间的真实规律：随着土工膜开始施加承受拉力的增加，夹具夹紧力增加，土工膜不再滑动，处于弹性变形状态。当超过土工膜的弹性变形极限时，位移显著增加，土工膜进行塑性变形状态。另外，从图1可以看出，土工膜的是屈服变形很小，因此可以参照强度其他材料产生一定塑性应变量（如0.5%）的应力大小作为土工膜的条件屈服强度。

4.2 逆纹形态拉力-位移变化曲线

（1）经试验检测并整理数据得出逆纹形态拉力-位移变化曲线（见图2）。（2）从图2中可以看出，土工膜的受力特性，当拉力在0N～200N范围内变化时，拉力与位移呈线性关系，此时拉力越大，位移越大。（3）拉力在200N～225N内变化时，土工膜的位移量快速增加，但曲线依然是线性变化。（4）拉力在225N～300N内变化时，土工膜的位移继续增大并发生短暂的屈服变形，接着很快进入塑性变形，而土工膜的位移过大导致超过800mm范围的结构损坏。

图2 土工膜逆纹形态拉力-位移变化曲线

5 结论

综上所述，土工膜是一种应用广泛的土工合成材料，可以与土体形成复合体，增加道路路基结构的承载力和抗剪强度，有效约束路基土体侧向位移。因此，在实际路基施工中应该合理选择土工合成材料，监测土工合成材料的性能指标，确保其满足路基施工要求，以确保路基施工质量。土工合成材料有六大主要功能，即抗渗、加固、保护、过滤、排水、绝缘。通过试验可知土工膜的屈服变形很小，通过比较顺纹土工膜与逆纹土工膜的拉伸试验结果，可以看出逆纹土工膜的位移最大值为顺纹土工膜的3～6倍，而最大断裂力方面，两者基本相等。