土工合成材料在风积沙路基中的应用
(锡乌铁路有限责任公司，内蒙古 锡林浩特 026000)
摘 要： 文章根据笔者多年来的工作经验，提出了利用土工合成材料来解决风积沙路基 的施工难题，供同行参考借鉴。
关键词：土工合成材料；风积沙；应用
中图分类号：TU53∶U213.1 文献标识码：A 文 章编号：1007—6921(2009)22—0080—03
土工合成材料是土木工程应用合成材料的总称。它是以人工合成的聚合物（如塑料、化纤、 合成橡胶等）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加 强或保护土体的作用。土工合成材料在土木、水力、交通、铁道和环境工程中得到广泛的应 用，起到排水反滤、防渗、加筋、隔离、防护和减载等作用。这些作用是以不同的形式的产 品来实现的，例如，土工织物用于滤层、隔离和防护；土工网和三维植被网垫用于排水和坡 面的稳定；土工格栅、条带和有纺或编织土工织物用于加筋、土工膜用于防渗等。合理利用 土工合成材料的各种特性，可有效地解决各种各样的风积沙路基的施工难题。
1 土工合成材料的种类
土工合成材料种类繁多，根据加工制造工艺的不同，大致可分为4种，即土工织物、土 工膜、土工复合材料和土工特种材料。
1.1 土工织物
土工织物为透水性土工合成材料。土工织物的制造一般要经过2个步骤：首先把聚合物原料 加工成丝、短纤维、纱或条带，然后再制成平面结构的土工织物。土工织物按制造方法分为 针织型、无纺或非织造型和机织或有纺型3类。目前，无纺土工织物在土木工程中应用比较 广泛。
1.2 土工膜
土工膜是以各种高分子聚合物为原材料而制成的一种基本不透水的膜或薄片。根据原材料不 同，可分为聚合物土工膜和沥青土工膜两大类。为了适应工程应用中不同强度和变形的需要 ，两类中又各有不加筋和加筋两种。
1.3 土工复合材料
土工织物、土工膜和某些特种土工合成材料，以其两种或两种以上的土工材料互相结合起来 ，成为土工复合材料。土工复合材料可将不同构成材料的性质结合起来，更好地满足具体工 程的需要，能起到多种功能的作用。
1.4 土工特种材料
土工特种材料是为工程特定需要而生产的产品，品种非常多，现选择几种主要产品说明如下 。
1.4.1 土工格栅。土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔 的板材。
1.4.2 土工网。土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面 结构材料。常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。
1.4.3 土工模袋。土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋内充填混凝土或水泥砂浆， 凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。
1.4.4 土工格室。土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。 可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。
1.4.5 土工管及土工包。土工管、土工包是用经防老化处理的高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，可有效地护岸 和用于崩岸抢险，或利用其堆筑堤防，解决疏浚弃土的放置难题。
2 土工合成材料的工程特性
土工合成材料的特性是多方面的，主要包括物理特性、力学特性、水力特性和耐久性。
2.1 物理特性
2.1.1 厚度。土工合成材料厚度用mm表示，厚度变化对织物的孔隙率、透水性和过滤性等水力特性有很大 的影响。
2.1.2 单位面积质量。单位面积质量为单位面积土工合成材料具有的质量，它反映材料多方面的性能，如抗拉强度 、顶破强度等力学性能以及孔隙率、渗透性等水力学性能。通常以g/m2表示，是土工合成 材料的主要物理性能之一。
2.2 力学特性
反映土工合成材料力学特性的指标主要有拉伸特性及抗拉强度、撕裂强度、顶破强度、刺破 强度、穿透强度及握持强度等。
2.2.1 拉伸特性及抗拉强度。土工合成材料是柔性材料，大多通过其抗拉强度来承受荷载以发挥工程作用，因此抗拉强度 及其应变是土工合成材料的主要特性指标。
2.2.2 握持强度。土工织物承受集中力的现象普遍存在，握持强度是反映其分散集中力的能力。
2.2.3 撕裂强度。土工织物和土工膜在铺设和使用过程中，常常会有不同程度的破损。撕裂强度反映了试样抵 抗扩大破损裂口的能力，可评价不同土工织物和土工膜被扩大破损程度的难易，是土工合成 材料应用中的重要力学指标。
2.2.4 顶破强度、刺破强度及穿透强度。
顶破强度是反映土工织物及土工膜抵抗垂直织物平面的法向压力的能力；刺破强度是反映土 工织物或土工膜抵抗小面积集中荷载的能力；穿透强度是评价土工织物或土工膜抵御穿透的 能力。
2.3 水力特性
主要包括两方面：①透水与导水能力；②阻止颗粒流失的能力。这些特性涉及土工合成 材料的孔隙率、孔径大小与分布情况、渗透特性等。土工织物的渗透特性是其重要水力学特 性之一。
2.4 耐久性
土工合成材料的耐久性主要是指对紫外线辐射、温度变化、化学与生物侵蚀、干湿变化、冻 融变化和机械磨损等外界因素变化的抵御能力，材料的耐久性主要与聚合物的类型及添加剂 的性质有关。
3 土工合成材料的功能
土工合成材料具有多方面的功能，总的说来可归纳为六类，即过滤作用、排水作用、隔离作 用、防渗作用、防护作用以及加筋作用。
3.1 过滤作用
把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过。从而防止由于土颗 粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体通过织物自由排出，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。
3.2 排水作用
有些土工合成材料可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着材料的平面排 出体外。较厚的针刺型无纺织物和某些具有较多孔隙的复合型土工合成材料都可以起排水作 用。
3.3 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，使它们不互相混杂。例如 将碎石和细粒土隔离，软土和填土之间隔离等等。
3.4 防渗作用
土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物的安 全。它们可用于土石坝和库区的防渗，渠道防渗，隧道和涵管周围防渗，防止各类大型液体 容器或水池的渗漏和蒸发，屋顶防漏，用于修筑施工围堰等。
3.5 防护作用
多种土工合成材料对土体或水面，可起防护作用。它们主要用于防止河岸或海岸被冲刷，防 止垃圾、废料或废液污染地下水或散发臭味，防止水面蒸发或空气中灰尘污染水面，防止土 体冻害等。
3.6 加筋作用
很多土工合成材料埋在土体中，可以分布土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制 土体侧向位移；还可以增加土体和其他材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性 ，土工织物、土工格栅、土工网及一些特种或复合型的土工合成材料，都具有加筋作用。它 们可用于加强软弱地基，加强边坡稳定性，用作挡土墙回填土中的加筋或锚固挡土墙的面板 ，修筑包裹式挡土墙或桥台，加固柔性路面、防止反射裂缝的发展等。
4 风积沙的工程特性
4.1 容重
干容重一般为1.4g/cm3，湿容重大约为1.5g/cm3。压实后风积沙的最大干密度 可达到1.8～2.0g/cm3。为天然状态下密度的1.2～1.4倍，故其由松散状态到密实状态的 压实过程较短。
4.2 天然含水量
风积沙的天然含水量很低，最低的地方不足1%，最大含水量一般也不超过5%。
4.3 微粒性
风积沙的颗粒属于细沙，沙粒组成为天然不良级配。
4.4 非塑性
风积沙的粉粘粒含量很少，表面活性很低，松散无聚性，具有明显的非塑性 ，所以成型困难，而且成型后的抗剪性能也较差。
4.5 非亲水性
沙粒表面对水几乎没有物理吸附作用，最大吸水率不足1%，一般都在0附近。
4.6 非湿陷状态
沙颗粒遇水后能保持原有骨架结构性质，水稳性好。
4.7 压实特性
由于风积沙无粘聚性，振动压实可以使颗粒重新排列，获得较大的压实度 。当含水量接近饱和时，沙层中存在大量的受重力影响的自由水，此时除了振动本身的作用 ，水也将沿着孔隙向外排出，对沙颗粒也产生一个作用力使其位移，这种综合作用的结果， 将使沙层获得较大的压实度。
5 土工合成材料在风积沙路基中的应用
利用土工合成材料的工程特性，用作风积沙路基的土体加筋时，可以给土体提供抗拉强度， 改善土工结构的整体受力条件，增强地基的承载能力，提高结构的稳定性。这种作用的主要 机理有：①增强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；②扩散应力，由于垫层刚度增大 的影响，扩大了荷载扩散的范围，使应力均匀分布；③约束作用，既约束下卧风积沙地基 的侧向变形。因此，加筋法是处理风积沙路基的主要方法。
5.1 土工合成材料加筋法原理分析
土体一般具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低，如果在土体中加筋，以筋材为抗拉构件， 与土产生互相摩擦作用，限制其上下土体及土体的侧向变形，等效于给土体施加了侧压力增 量，从而增强土体内部的强度和整体性，提高土体的抗剪度。筋土间相互作用的基本原理可 归纳为两大类：①准粘聚力原理；②摩擦加筋原理。
5.2 土工合成材料加筋法在风积沙路基中的应用
这种方法就是在风积沙路基基底与填料间或填料与填料间按一定间距铺一层土工合成材料。 由于土工合成材料有较高的延展性，从而可使上部荷载得到扩散，提高原地基的承载力，并 使填料增加稳定性。
5.2.1 风积沙地基加固处理。在风积沙地基与填料支架铺设一层或多层具有一定刚度和抗拉力的土工织物，其上填筑一定 厚度的砂垫层，然后在填筑路堤，可加速风积沙地基的排水固结和沉降稳定。此外，在路基 沉降时产生挠曲变形，使路基底部的土工聚合物上的拉力，也能起到支承荷载的作用。同时 由于这种土工合成材料具有较高的延伸率，从而可使上部荷载扩散，提高了原地基承载力， 增加了路堤的稳定性。
5.2.2 路堤加筋。土工合成材料作为路堤加筋作用时，它除了可以提高地基承载力和增加了路堤的稳定性以外 ，最主要的作用就是减少堤底的差异沉降。通过路堤加筋，土工合成材料与路堤的砂垫层共 同作为一层，这一层把路堤和风积沙地基不同的刚度结合起来，通过这一层将堤身荷载传递 到软土地基中去，起到固结排水作用和稳定作用。
5.2.3 台背路基填土加筋。主要是利用土工合成材料的土工网或者土工格栅在台背高度5.0m～10.0m间进行台背路 基填土 加筋，以达到减少路基与构造物之间的不均匀沉降。台背填料应具有良好的水稳定性和压实 性能。
6 结论
《铁路路基土工合成材料应用技术规范》自发布实施以来，有力促进了铁路土工合成材料的 应用，路基工程质量得到了质的提高。但由于设计理论的相对滞后，土工合成材料生产厂家 众多，产品质量参差不齐，技术规范有关条款不易操作等诸多原因，限制了进一步的推广应 用。在下一步规范修订时，应在如下方面予以考虑完善。①增加土工合成材料生产原料的技术要求，分不同地区、不同的应用条件提出相应产品技 术指标。对作为重要受力构件的材料（如加筋土挡土墙拉筋带），要增加蠕变强度等指标。②各类结构、构筑物的计算理论和方法要在规范中明确和进一步细化；随着工程实践的积 累，宜增加高墙（如单级超过10 m的加筋土挡土墙）、包裹式加筋土挡土墙、加陡边坡加筋 路堤、土工格室加固软基等计算方法。③补充新型土工合成材料，如经编土工格栅、立体植被网、双向拉伸土工格栅的应用条件 和技术要求。④吸收近年来土工合成材料应用的成功经验和教训，进一步完善设计和施工质量检验条款 。⑤实践证明，基床铺设隔断材料（如复合土工膜）宜全断面满铺。⑥参照国标和其他标准，统一材料名称，制定较详细的技术指标、检验（测）项目和标准 。
土工合成材料在工程应用中有着极为突出的优势，原来不能利用的淤泥、沙土、碎石等采用 土工合成材料后都能变成坚固的路基和挡墙，无需开山取石取土修建，有效地保护了自然生 态环境，防止了水土流失和山体滑坡。随着科技的不断发展土工合成材料的用途将不断延伸 。
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