土工合成材料在道路工程中的应用

宋 珲

（西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

土工合成材料是一种土木工程材料，具有重量轻、耐腐蚀、施工简便和耐久性好等优点，多用于道路工程。最常用的包括土工织物（织造和非织造）、土工格栅（双轴和多轴）、土工格室、土工网（或土工复合排水产品）、土工膜和土工复合材料。其主要功能是：分离、加固、过滤、排水、防水和保护。

国外对土工合成材料的研究起步较早，1950年代开始有国外学者采用人工聚合物制作土工格栅；1970年代土工合成材料主要用以改善软土路基土壤的性能；1980年代开始，土工合成材料被用于道路表面，改善路面基础的性能及防止反射裂缝。到1980年代末，玻璃纤维格栅兴起。现阶段研究表明，玻璃纤维土工格栅、特种金属网格和铁丝网对路面防治反射裂缝效果显著[1]，近年来典型路面结构与交通荷载发生了变化，测试技术不断发展，2016年，国外的Gonzalez-Torre[2]和Nejad[3]经过室内试验研究表明，在沥青面层中设置土工合成材料能有效延缓反射裂缝；Correia和Zornberg[4]研究表明，土工合成材料能有效降低沥青面层的应变。公路工程中常使用土工格栅来加固路基和基层，现有研究表明土工格栅能有效改善路面的刚度和稳定性，并减少车辙[5-6]。本文重点分析土工合成材料力学性能以及对道路性能的提升。

1 土工合成材料的分类

土工合成材料有5种基本类型[7]：土工布（织物）、土工膜、土工格栅、土工格室和土工复合材料。不同类型的土工合成材料可以满足不同的工程需求。具体的材料组成及功能见表1所示。

表1 土工合成材料一览表

1.1 土工格栅

土工格栅纵向和横向均匀分布矩形孔，主要由聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚酯涂层组成。聚酯土工格栅是柔性的，并且其接合处是经过编织、针织或激光黏合，通常使用PVC或丙烯酸树脂涂层来保护，避免其结构损坏；聚丙烯和聚乙烯土工格栅是刚性的，能够拉伸且连接处带有内助。此外，土工格栅还可以按照抵抗荷载方向的个数进行分类，单轴土工格栅只能抵抗一个方向上的荷载，通常应用于墙面和斜坡；双轴土工格栅可以抵抗相互垂直的两个方向上的荷载，通常是路面基础加固的首选。

1.2 土工织物

土工织物是由纺织材料制成的可渗透土工合成材料。土工织物的聚合物组成为：聚丙烯（约85%）、聚酯（约12%）、聚乙烯（约2%）和聚酰胺（约1%）。土工织物种类繁多，且新型产品层出不穷。国内根据《公路土工合成材料应用技术规范》（JTG/TD 32-2012）对土工织物进行了简单实用的分类[8]。

1.3 土工格室

土工格室是蜂窝状的三维结构，可以减少土壤颗粒的横向移动，填充在里面的土壤结构紧凑。土工格室通常由聚合物制造而成，柔韧性好，类似于高密度聚乙烯（HDPE）。土工格室在建造运河、堤坝、挡土墙、铁路和道路等领域都有应用，在公路工程中，土工格室可以用来加固基层，形成刚性板，减少传递到路基上的垂直应力。

1.4 土工膜

土工膜是另一大类土工合成材料，是以相对较薄的聚合材料与无纺布复合而成的土工防渗材料，主要用于液体或固体储存设施的防渗，包括所有类型的垃圾填埋场、水库、运河和其他围护设施。因此，其主要功能是作为液体屏障。然而其应用的范围广泛，除了环境领域，在岩土、交通、水力工程方面的应用也在迅速增长。

1.5 土工复合材料

土工复合材料由工厂生产单元中的土工织物、土工格栅、土工网和土工膜组合而成，土工复合材料由于其组成灵活，故其功能强大，包含了前文列出的土工合成材料的全部功能（分离、加固、过滤、排水和密封）。

2 土工合成材料的力学作用机理

2.1 土工合成材料在沥青层中力学作用机理

土工合成材料对沥青层性能主要有防裂与增强两方面的作用[9-11]。

2.1.1 增强作用

增强沥青层的抗剪切和抗拉强度，以减少永久变形（车辙）和不均匀变形。

2.1.2 防裂作用

土工合成材料可以吸收应力或应变，延缓反射裂缝和疲劳开裂。孔令云[12]从力学角度分析了土工合成材料的延缓反射裂缝的作用，认为玻璃纤维格栅在半刚性基层沥青路面延缓反射裂缝的机理如下：

（1）延迟初期裂缝的产生。网肋为初始载荷提供支撑点和锚定点，起到应力传递的作用，从而增加沥青层层底的抗拉伸能力，吸收层间大部分水平张力，从而延缓了裂缝的萌生。

（2）分散应力，使裂缝分散发展。土工合成材料将沥青层内各种因素产生的应力扩散开，增大了受力面，即便出现裂缝也是小裂缝。

（3）提高了沥青层的韧性，土工合成材料在被拉断前都会保持作用。

另外，沈化荣从裂缝扩展率角度分析了土工合成材料延缓反射裂缝的作用[13]。

2.2 土工夹层的力学作用机理

土工合成材料作为夹层使用时，最主要的作用机理是“桥联作用”，即将沥青加铺层与旧路面黏结成一个整体，有效缓解裂缝尖端的应力集中现象，使裂缝扩展方向偏离竖向，从而延缓沥青路面的疲劳寿命[14]。

2.2.1 层间黏结强度理论

当土工合成材料作为夹层使用时，其主要功能是黏结旧水泥混凝土路面和新加铺的沥青层，使之成为一个复合体，主要作用是缓解反射裂缝。此时路面主要破坏形式是剪切破坏，这种破坏模式相当复杂，影响因素很多，可以简化问题，通过摩尔-库伦理论进行应力分析，其表达式如下：

式中：τm——层间实际剪切应力，MPa；

τ——黏结层抗剪强度，MPa；

c——黏层油黏聚力，MPa；

σ——土工合成材料黏结层法向正应力；

φ——土工合成材料黏结层内摩擦角。

土工合成材料夹层的内摩擦角和黏聚力通过剪切试验获得，通过对夹层施加不同的正应力得到摩尔应力圆，再由摩尔应力圆得到摩尔-库伦应力包络线（抗压强度曲线），曲线与横纵坐标的交点值分别为摩擦角和黏聚力。

2.2.2 层间黏结系数

层间黏结情况对加铺路面的力学性能影响重大，因此作为评估夹层黏结情况的层间黏结系数意义重大。层间黏结系数由古德曼模型结合室内试验确定系数得到[15]，表达式如下：

式中：k——层间黏结系数，MPa/m；

F——竖向力，N；

A——面积为常数，等于0.005m2；

S——界面剪切位移，m；

2.3 土工加筋基层的力学作用机理

沥青路面上的交通荷载会从面层传递到下面的结构层，路面在荷载的作用下会产生弯曲变形，应力分布呈锥形，使荷载在结构层中的分布比实际轮胎足迹更大，从而有效消散车轮荷载所产生的应力。因此，为了控制沥青路面关键点的应变值，在常用的无机结合料稳定类基层时，规范规定的设计指标是无机结合料稳定层层底拉应力和沥青混合料层永久变形量。前者主要是为了防止重复交通荷载作用下的疲劳开裂，后者主要是防止沥青路面使用寿命期间的应力累加而发生的永久变形。

根据Yoder和Witczak(1975)的观点，沥青面层主要是提供一个基础厚度，使路基顶面的垂直应力减小到不发生路面变形破坏的标准值。

Perkins等人[16]（1999）认为土工合成材料改善路面性能主要通过以下三种机制实现：（1）侧向约束；（2）增加承载力；（3）土工合成材料放置在基层与路基之间时产生的张力效应。

2.3.1 横向约束

Bender和Barenberg（1978）认为在沥青路面中土工合成材料的横向约束可以起到加固作用。Perkins指出这种横向约束是通过土工合成材料与粗骨料之间的界面摩擦构成的，这层界面同时还起到抗剪作用。总的来说，基层底部的骨料在交通荷载作用下具有横向移动的倾向，会产生界面处的剪切应力，而在这层界面处设置土工合成材料，则可以将剪切应力转化为施加在土工合成材料上的拉伸应力。并且土工合成材料具有高拉伸刚度，能起到限制横向拉伸应变的作用。此外，还要求基层集料、土基颗粒与土工格栅孔之间要有适当的空间，才能产生良好的摩擦力。

2.3.2 增加承载力

由于土工合成材料的存在，潜在的破坏面会发生在更高的层位，即在土工合成材料层之上的、抗剪强度较高的层面上，此时土工合成材料可以提供竖向的限制，使路基顶部的应力重新分布，减少传递到路基的剪切应力，从而达到增加承载力的目的。

2.3.3 张力效应

土工合成材料发生垂直变形时会形成凹形的张力网，而张力网能减少传递到路基上的垂直应力，延缓进一步破坏，但是发生这种效应需要车辙发展到一定深度。通常随着土工合成材料刚度的降低，张力网具有更大的变形能力，因此为了使张力效应更好地发挥作用，Barksdale认为路基的CBR应小于3%。

3 结束语

综上所述，具有高抗拉强度的新型土工合成材料在道路中的应用，不仅能提高工程的质量，更能大大减小综合造价。为了更好应用土工合成材料，需要对其使用性能及路面适用性进行深入探究。通过对土工合成材料在路面中的作用分类和力学作用机理的研究进展进行总结分析表明，现阶段国内还没有存在量化土工合成材料路用性能的指标，因此，未来应建立考虑土工增强作用的沥青路面性能评价指标。