什么是土工材料？
發(fā)布時間：2021-11-13
一、 概述
土工材料作為一種建筑材料，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(lǐng)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(guān)的新產(chǎn)品。
有關(guān)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(shù)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。可置于巖土或其它工程結(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(shù)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，見下表
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，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?，F(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造成影響。由土工布、防水板組成的防水層鋪設(shè)在隧道襯砌背后，與其他防排水設(shè)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
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(shè)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
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**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**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(shè)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(shè)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，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(chǔ)挖除，進行片石換填并用碎石填實空隙，換填層上設(shè)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(shè)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，**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?，F(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(shè)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，**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**基層**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(shè)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(guān)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**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(shè)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。
