浅谈土工合成材料在工程中的作用

浅谈土工合成材料在工程中的作用

作者：孙丽娇

来源：《世界家苑·学术》2018年第10期

摘要：土工合成材料是应用于岩土工程和土木工程建设的、以人工合成原料制成的各种产品。它可置于岩土或其他工程结构内部、表面或各结构层之间，具有加筋、防护、过滤、排水、隔离等功能。

关键词：土工合成；工程建设；防护

一、土工合成材料的定义与种类

土工合成材料--是以人工合成的聚合物为原料制成的各类型产品，是道路岩土工程中应用的合成材料的总称。土工合成材料的原材料是高分子聚合物。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。区别于天然材料。

土工合成材料的种类有：

1、土工膜：聚乙烯（PE）土工膜、聚氯乙烯（PVC）土工膜、氯化聚乙烯（CPE）土工膜。

2、土工织物：织造（机织、针织）、非织造（针刺、热粘结、化学粘结）。

3、土工复合材料：复合土工膜、复合土工织物、复合排水材料。

4、土工特种材料：土工格栅、土工带、土工网、土工模袋、土工网垫等。

土工合成材料应用时按照其在结构中发挥的主要作用进行选型和设计。

二、土工合成材料的作用

土工合成材料的应用非常广泛，主要用于岩土工程、环境土工、水利工程和铁路与公路交通工程等领域。在实际工程应用中，土工合成材料可以起到隔、加筋、排水、过滤、防护、防渗六大基本功能。

1、隔离作用

隔离是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料，以免相互混杂。如软土与填土的隔离，碎石于细粒土的隔离等。用于隔离的土工合成材料最多的是有纺和无纺土工织物。在过滤层要求不是很高的情况下，一般选用无纺织物作为过滤层。在岩土工程中，不同粒料层之间经常发生相互混杂现象，使各层失去应有的性能。将土工合成材料铺在不同粒料层之间，可以起隔离作用。如在软弱地基上铺设碎石粒料基层时，在层间铺设土工织物可有效地防止层间土料相互贯入和控制不均匀沉降。隔离功能往往不是单独存在的，它常与排水、防护功能联系在一起，难以截然分开。土工合成材料的隔离作用在公路、铁路软土路基中有很好的效果。

2、加筋作用

加筋是指在土中加入条带、纤维或网格等抗拉材料，依靠它改善土的力学性能，提高土的强度和稳定性的方法。常用的加筋材料有土工布、土工格栅。在道路施工中为保证在软土地基上修建的路堤满足整体性、稳定性要求就需采用土工合成材料，用土工布或者土工格栅来提高路堤稳定性。通过在路堤垫层采用土工格栅进行加筋，可以有效解决软土地基上路堤的问题。减少软土路基与构造物之间的不均匀沉降，提高路基的稳定性、防止软土地基和路堤的整体破坏、防止路堤沿土工合成材料表面发生滑移失稳。

土工合成材料的加筋效果在众多的土木工程中得到验证。对比不采取加筋的情况下，路堤填筑到设计高度之前，就会垮塌，也可能发生路堤和软土地基的整体破坏。而采取加筋措施之后，在整个路堤填筑施工期，安全系数都比较高，不会发生路堤破坏。

当然，在路堤垫层中使用土工合成材料加筋的效果有一定局限性，如难以有效地解决软土地基在路堤荷载下的过大沉降问题，而且当路堤高度较大时，仅仅一层加筋并不能保证路堤的稳定性。

3、排水作用

排水是利用某种材料或手段起到在土体中收集和输送液体的作用。针对工程施工过程中经常遇到的地下水的渗流引起土体的变形，甚至出现事故的情况。比如洪水季节水位猛涨，引起堤坝内外较大水位差，堤坝渗流伴随流土或流沙，造成堤坝变形，垮塌危险。雨水季节挡土墙后土体水位上升，如排水不畅，极易引起挡土墙破坏，引发滑坡或崩塌。再如隧道施工，渗水压力大，有坍塌掩埋等危险。因此，在土木、水利等行业进行工程建设和边坡灾害治理过程中，必须注意土体的问题。通过设置有效排水材料或排水系统，一方面，收集土体内的渗流，并通过排水材料顺利排出土体外；另一方面，在排水过程中应能阻止土粒流失，防止土体渗透变形。后一种作用就是土工合成材料的过滤功能。一般情况下，土工合成材料的排水和过滤作用是同时存在的。

常用的土工排水材料是无纺土工织物，无纺土工织物既有平面方向沿体内的排水能力，又能在垂直其平面方向起到过滤作用，可以比较好地兼顾排水和过滤两种功能。有时为了兼顾实际工作条件对材料的其他要求，如需要具备较高的抗损伤能力，可采用有纺土工织物。当对材料要求有比较高的排水能力时，还可采用排水板、排水网等土工复合排水材料。

4、过滤作用

过滤是土工织物的一项主要功能，它的作用往往是和排水作用相辅相成的。把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土壤粒通過。从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的多余的水或气体穿过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。把土工织物置于挟带有泥沙的流水之中，可以起拦截泥沙的作用。常用的过滤材料有土工织物。

5、防护作用

土工合成材料的防护作用在水利施工过过程中应用比较广泛，我们施工为了消减自然现象、环境影响和人类活动对土堤坡和岸坡造成的危害，需要采取适当的防护措施。传统的防护方法有利用柴排、石笼、抛石保护暗坡或打坡桩等。他们虽然也能起到护坡的良好作用，但耐久性较差，需要不间断维修。他们最重要的弱点，是材料放在被保护的土面上，不具备过滤的功能，受水流冲蚀和潮浪淘刷抽吸作用，被保护土颗粒容易被水流带走，导致剥蚀和坍塌。而土工织物质轻、耐腐、有柔性、整体性强、价格便宜、施工方法简单，它们在防护工程中的推广应用正在迅速发展。

6、防渗作用

防渗作用同防护作用一样都在水利工程中比较常见。作为防渗材料的土工布具有优越的透水性、过滤性、耐用性特点。同时具有抗穿刺强度高，摩擦系数大、耐老化性能好，适应环境温度范围大、优良的抗排水性能。在岩土工程中，防渗是指防止流体渗透流失的作用，增强结构的稳定性，以改善土体质量。也包括防止气体的挥发扩散。水利工程中要修建大量的挡水蓄水、引水和输水等建筑物，均有防渗、防漏的要求。利用土工合成材料中的弱透水材料可防止液体渗漏、气体挥发以保护环境或建筑物安全。

三、结束语

在土工材料实际应用中，它发挥的作用并不是单一的，有可能是两种或是几种共同作用。因其独特的力学性能使其用用非常广泛，在某些工程中应用土工合成材料，不仅可以减少造价，效果也优于其他材料。中国土工合成材料市场的潜在能力很大。随着工程建设的大规模发展，土工合成材料的推广应用必将在工程建设中得以迅速发挥，发挥巨大的经济效益和社会效益。