路基路面论文

土工织物在路面结构层中的应用

摘要: 目前我国正在进行大规模的基础设施建设,对其进行研究和开发具有重要的现实意义和深远的历史意义。土工合成材料是极具生命力的新型土建工程材料,其应用已渗透到岩土工程和其它工程建设的各个角落。土工织物由于其良好的整体性、连续性和耐久性,用于路面结构中,具有隔离、防渗、加筋、过滤、排水作用,可以提高沥青面层的抗疲劳开裂、防止反射裂缝和抗变形能力,延长路面结构的使用寿命。针对土工织物在路面工程中的不同应用,概述了它们的作用、技术要求及其设计原理。

关键词:土工合成材料;土工织物;过滤;隔水；路面结构;工程建设

土工织物被广泛应用于建筑、公路、铁路、海岸防护等许多方面,在公路工程中,土工织物可发挥隔离、防渗、加筋、过滤排水、防护等作用。路面工程中使用的土工织物主要有无纺土工布、有纺土工布等,不同类型的土工织物,铺设于路面结构的不同位置,具有不同的作用,最常用的有以下三种方式:

①铺设于粒料底基层与路基土之间;

②铺设于沥青路面结构内;

③铺设于罩面层下。

1 土工织物的工程应用

1. 1 使用方式

1) 铺设于粒料底基层与路基土之间

此时,土工织物可起隔离与过滤作用。应采用较厚的无纺土工织物或由无纺织物与有纺织物组成的土工织物,能够有效地阻止细粒料由路基进入底基层。在铺设土工织物之前,先在路基上铺一层50 mm 厚的砂子,能够有效地提高土工织物的过滤性能。

2) 铺设于沥青路面结构内

土工织物铺设于沥青路面的基层和面层之间效果最好。路面的疲劳寿命随着土工织物的割线模量的提高而延长。

3) 铺设于罩面层下

摊铺沥青罩面层之前先将土工织物铺在已有的路面上。土工织物的使用除了延长疲劳寿命外,还能防止反射裂缝,另外,土工织物与粘层油结合后形成一层不透水层,具有良好的防水效果,可以阻止水从贯穿面层的裂缝渗透下去。通常在土工织物上要涂上足够的沥青或乳液,才能具有防渗性。

1. 2 施工要点

①清扫现场,清除表面植被与灰尘。

②对宽度大于3 mm 的裂缝进行填充,坑槽和尖锐不平整处用沥青砂填好或用规定材料完全覆盖,表面整平后才可以铺设土工织物。

③洒布沥青,采用乳化沥青等粘层油,沥青洒布量为1～1. 6 kg/ m2 。

④张开土工布,注意拉紧土工布,避免褶皱。用硬刷将沥青刷到土工织物上,应保证沥青刚好进入土工织物的空隙中。有褶皱的地方需要剪开,重新铺好。

2设计原理

2. 1 土工织物铺设于底基层与路基之间

在底基层,土工织物不仅为路面结构的组成部分,而且还具有排水作用,可截断竖向水流,减少对路基的损害。如果底基层材料渗透性差,排水效果不佳,可能产生水滞留在底基层底部和路基顶面之间。这样,在交通荷载动力作用下,底基层表面的毛细水与自由水产生较高的水压力,可降低路基强度,并使路基内的细集料进入底基层,这种泵吸作用最终导致底基层因细集料过多失去渗透性。底基层强度降低的同时,由于细集料含量的增加令弹性模量也降低,在结构内产生残余应力,底基层中增加的应力最终导致铺筑的粘结性材料过早破坏。

根据试验可以发现,在荷载作用下,当荷载循环次数增加到一定数量后, 底基层被污染，排水性能降低好几倍，底基层从排水到不排水的变化是由于它的渗透性丧失的缘故。如果底基层被填实,渗透性降低,就丧失了迅速排水的功能。

在底基层与路基之间采用合适的土工织物能够减少细集料的移动。如果土工织物网眼尺寸小到能够阻止细集料,那么泵吸作用通过的细集料才能够减少。但对于特定的土工织物测试发现,任何网眼尺寸都不能根除污染。。同网眼尺寸一样,过滤层厚度也影响过滤性,因为被压实后,过滤层的毛孔通道直径减小,导致材料渗透性降低。增加过滤层厚度可以提高底基层与路基间的接触压力,同时具有三向过滤效果。

2. 2 土工织物在路面结构中的使用

对于不同的路面结构,粘结材料的破坏机理不同。柔性路面由沥青混合料覆盖于无结合料的底基层组成。粘结层的破坏由车辙或疲劳造成,疲劳通常导致开裂从底部一直延伸到面层顶部。一旦裂缝暴露在道路表面,雨水便可以沿着裂缝进入底基层和路基。在动荷载作用下,底基层和路基很快遭到破坏。刚性路面虽不会有车辙破坏,但容易形成疲劳开裂。这些裂

缝进一步发展,水顺着裂缝流下,进入路基,导致路基强度降低,从而使路面产生更多的裂缝。

路面结构分层铺筑,疲劳破坏产生的裂缝通常由最底层的底部开始产生,竖向向上发展进入上层,最后裂缝延伸到路表,这种裂缝的产生被称为反射裂缝。在罩面以后,路面结构中依然会出现裂缝路面设计中,一般认为车辙的破坏与竖向变形的大小相关,车辙寿命一般不作为控制标准。若重视疲劳破坏,那么就必须限制粘结层的最大水平力,以防止裂缝的产生。使用土工织物,可延长路面疲劳寿命。

与大体积的混凝土和钢筋混凝土梁的抗裂性进行比较发现,在厚的路面结构基层中,即使使用最强硬的土工织物也没法达到使用钢筋的效果。因此,土工织物应设在路面结构中较高的位置,土工织物设置于面层与基层之间。在这个位置上,土工织物会有效阻止反射裂缝向上发展,并且能延长路面的使用寿命。这种铺设方法可用于新建道路和裂缝已延伸到路表的旧路罩面,其实际疲劳寿命大小与土工织物模量成正比。

在土工织物制作、沥青混合料高温摊铺前,需进行相关处理,否则,土工织物将发生收缩与拉伸,最终导致路表面开裂。

2. 3 土工织物用作罩面

原有路面上有裂缝存在,进行沥青罩面时,使用土工织物能阻止老路裂缝扩展到新铺罩面层,并能阻止水

的渗透。显然,如果土工织物中浸入了足够的粘结物,土工织物就可以起到隔水作用。为此,在铺土工织物前,在路表铺一层粘层油,如果土工织物没有浸透沥青,那么就达不到应有的使用效果。不管铺筑的面层是否加强,裂缝最终将扩展到路表面。如果土工织物

是可渗透的,一旦裂缝张开,水将很快进入。反之,如果土工织物不透水,将会阻止水的进入,直到土工织物自身破坏。土工织物的破坏通常是由于它不能承受通过裂缝两侧的竖向变形差。另外,在重铺的罩面中使用土工织物,使用效果过分依赖于土工织物与修整路面的粘结品质。

3 国内外土工织物的现状

土工合成材料的开发和使用已有几十年的历史。目前世界上已有100 多个国家和地区(包括发达国家和部分发展中国家和地区) 在很多个工程中采用了土工布。目前全球土工合成材料的发展与应用材料是,发达国家在产品种类、质量、应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国家快,尤以北美发展最快,欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利等西欧国家发展较快,亚洲主要是日本、马来西亚、韩国发展较快,国外产品类型、品种较多,规格齐全,以非织造型、合成型、复合型所占比例较大[3 ] 。

在我国,土工合成材料在岩土工程等领域的应用历史较短。最早应用的是土工膜,大约在20 世纪60 年代初期,用于渠道防渗;70 年代中期,在长江护岸和长江堤防中首次用织造型土工织物;80 年代初期,非织造

型土工织物开始应用于工程中;80 年代末,土工模袋首次引入工程应用。纵观土工合成材料30 多年的发展史,可将其应用历程大致分为三个阶段:80 年代中期以前的初创阶段;80 年代中期至90 年代中期的发展阶段和90 年代后期开始的逐渐成熟阶段[4 ] 。

我国早期的土工织物主要是机织和编织型的。国内生产和使用的非织造土工织物以涤纶短纤维针刺非织造织物为主,产品幅宽可达6 m ,生产厂家200 家左右(而国外的非织造土工织物多为纺粘法长丝针刺非织造布) ;以聚乙烯材料为主的土工网格,生产厂有10 多家,复合土工膜生产厂已有数十家。据不完全统计,目前我国生产各类土工合成材料的厂家约有400 多家,产量超过1 亿m[5 ] ,是亚洲最大的土工合成材料生产和应用大国。