近年来，土工合成材料在工程中的应用取得了突飞猛进的发展。本文将就土工合成的定义、分类、性能及其在道路工程领域的应用进行阐述。

关键词：土工合成材料  道路工程

0 概述

　　土工合成材料作为一种崭新的土工建筑材料，历时虽短，但发展较快。自50年代以来，土工合成材料在欧美诸国的许多工程中相继得到成功的应用。事实上，在土木工程中最早应用纤维织物可追溯到1926年美国南卡罗来纳州公路局将棉织帆布用于补强土体。但是，直至60年代中后期，非织造工艺和廉价的非机织织物才开始大量出现。1970年法国伐尔可鲁斯（Valcros）土坝的上游垫层和下游排水体，都采用了非机织土工织的垫层。目前，已出现八大系列产品，如：土工织物、土工格栅、土工网、土工席垫、土工薄膜、土工格室、土工复合材料以及有关新产品。土工合成材料不仅在道路工程领域，而且在水利、铁道、岩土等工程领域都到了广泛应用。

1 土工合成材料的定义、分类

　　有关土工合成材料的定义和分类方法比较多，《公路土工合成材料应用技术规范》（JTJ/T019—98）对土工合成材料的定义是：以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型产品，是岩土工程中应用的合成材料的总称。可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各结构层之间，具有加强、保护岩土或其它结构功能的一个新型工程材料。按照VSS端士公路专业人士联合会制定的瑞士标准（SN640550），土工合成材料的定义为：“与松软岩石和坚固岩石相接触，在建筑工程中所使用的透气的平面织物。”

    土工合成材料是由其基本合成材料纤维（包括长纤维、短纤维纱、单纱等）按照加热、化学、机械（连接、针刺）、缝纫等方法制成的织物系统。按照微观构造、化学成分可以相应分类。按照土工合成材料构造的分类，见表1，表2。

    土工合成材料分类          表1

    土工合成材料基本组成单位分类说明      表2

　　按照合成纤维的化学成分，目前国内外产量较多、应用量较大的合成纤维主要有六大类：聚酰胺（锦纶PA），聚酯（涤纶PET），聚丙烯（丙纶PP），聚氯乙烯（氯纶PVC），聚乙烯醇（维纶PVA），聚丙烯晴（晴纶PAN）。世界上许多国家应用于土工织物方面的合成纤维以涤沦、锦纶、晴纶三大合成纤维为主，其中尤其以涤沦发展最快。而欧美各国应用丙纶纤维较多，其次是涤纶、锦纶纤维。我国土工织物则以应涤纶、丙纶纤维主为，其次是锦纶纤维而氯纶、维纶、晴纶纤维应用较少。

　  还有另外一种方法是将土工合成材料按照不同的制造工艺分类，可将织物分为有纺、无纺、编织和复合织物四类。

　　1.1 有纺织物：由经线和纬线相互交织而成的织物，与日用布相似。根据经线和纬线的夹角不同，又可分为平纺织物（经纬线相互垂直）和斜纹织物。有纺织物的纱线，可由一种或多种纤维纺成。由单长丝纱线织成的有纺织物较薄，厚度约0.5mm；由复合长丝、交织纱线和扁丝束织成的有纺织物较厚，约3—5mm。

　　1.2 无纺织物：将纤维沿一定方式或随机地以某种方法相互结合而制成的织物。纤维之间相互结合的方法有：（1）化学粘合法：使用乳胶、橡胶、纤维素衍生物、合成树脂等粘合剂，将纤维相互粘结固定；（2）热粘合法，通过加热使部分纤维熔化，再使纤维相互粘合，这种织物一般较薄，厚度为0.5—1mm；（3）针刺粘合法，用许多带倒钩的针穿刺纤维网垫，使纤维相互纽结固定，成为整体平面状织物，所用纤维大多为短丝，这种织物一般较厚，约1—5mm。

　　1.3 纺织织物：由一股或多股纱线组成的线卷相互连锁而制成，又称“针织物”，其工艺如同织毛衣，使用单长丝和复合长丝。

    1.4 复合织物：将编织织物、有纺织物和无纺织物等重叠在一起，用粘合或针刺等方法使其相互织成加工而成的织物称为复合织物。

    目前几种主要的织物产品如表3。

    目前几种主要的织物     表3

2 土工合成材料的工程应用技术性能

　　土工合成材料之所以能在各项工程中得以广泛的应用，主要是由土工合成材料本身功能所决定的。土工合成材料是一种多功能的材料，主要功能有：滤层作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、保护作用。在实际工程应用时，往往是根据工程的实际需要，使其一种功能处于主导地位，而其它功能则起到辅助作用。另外常将有纺织物涂膜或无纺织物与塑料薄膜复事而制成复合土工膜，用于工程防渗方面。具体作用可以分述如下：

　　2.1 滤层作用

　　作为滤层材料必须具备两个条件，一是必须有良好的透水性能，当水流通过滤层后，水的流量不减小；二是必须有较多的孔隙，且孔径又比较小，以阻止土体内土颗粒的大量流失，防止产生土体破坏现象。

　　土工纳物完全具备上述两个条件，不仅驻有良好的透水、透气性能，而且有较小的孔径，孔径又可根据土的颗粒情况在制作时加以调整，因此当水流垂直织物平面方向流过时，可使大部分土颗粒不被水流带走，起到滤层作用。

　　滤层作用是土工织物的主要功能，被广泛地应用于水利、铁路、公路、建筑等各项工程中，特别是水利工程中用作堤、坝基础或边坡反滤层已极为普遍。在沙石料紧缺地区，用土工合成材料做反滤层，更显示出它的优越性。

　　有纺织物与无纺织物均可作滤层材料，而无纺织物，特别是针刺无纺织物过滤效果较好，在对强度要求不高的情况下，大多选用无纺织物作滤层。

　　2.2 排水作用

　　土工合成材料是良好的透水材料，无论是材料法向或水平向均具有较好的排水能力，能将土体内的水集聚到织物内部，形成排水通道，排出土体。土工合成材料现已广泛应用于土坝、路基、挡土墙建筑以及软土基础排水固结等方面。

　　2.3 隔离作用

　　将土工合成材料放在两种不同的材料之间或同一材料不同粒径之间以及土体表面与上部建筑结构之间，使其隔离开来，当受外部荷载作用时，虽然材料受力互相挤压，但由于土工合成材料在中间隔开，不仅使其相互混杂或流失，保持材料的整体结构和功能。

　　隔离用的土工合成材料必须有较高的强度来承受外部荷载作用，时而产生应力，保证结构的整体性。

　　土工合成材料隔离作用已广泛应用于铁路、公路路基、土石坝工程，软土基础处理以及河道整治工程。

　　2.4 土工合成材料可作为软弱地基的加固补强材料。由于土工合成材料具有较高的抗拉强度，将其埋置在土体之中，可增强地基的承载能力。同时可改善土体的整体受力条件，提高整体强度和建筑结构的稳定性。较多的应用于软弱地基处理、陡坡、挡土墙等边坡稳定方面。

　　用作加筋作用最多的土工合成材料类型是土工格栅。土工格栅呈网状结构，网孔尺寸大，节点厚度远大于网筋、肋条厚度，表面较土工织物粗糙。网筋粗，强度高，网孔不易断裂，抗冲击性强，从而抗尖石刺破能力强。而土工织物易被填料刺破，损坏织物结构，降低隔离及加固效果。因此，土工格栅受施工条件影响及被填料损坏的可能性较小。网孔尺寸稳定性好，对粗粒土有较强嵌锁作用及网孔对邻近填料形成的拱效应，增加了土工格栅与填料间的纵向剪切阻力。

　　2.5 防护作用

　　土工合成材料可以起到分散应力的作用。也可由一种物体传递到另一物体，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，从而起到对材料的防护作用。

　　土工合成材料的防护作用分两种情况：一是表面防护，即将土工合成材料放置于土体表面，保护土体不受外力影响、破坏；二是内部接触面保护，即是将土工合成材料置于两种材料之间，当一种标准受集中应力作用时，而不使另一种材料破坏。

　　主要应用于河道整治、护岸、护底工程，以及海岸防潮、道路坡面防护等工程方面。

　　2.6 防渗作用

　　将土工合成材料表面涂一层树脂或橡胶等防水材料，也可将土工合成材料于塑料薄膜复合在一起形成不透水防水材料即土工膜。

　　土工膜以薄型无纺布与薄膜复合较多，按工程需要可制成一布一膜、二布一膜、或三布二膜等，所选用无纺布与薄膜厚度也可按需要而定。

　　目前土工膜已广泛用于水利工程底堤、坝、水库中起防渗作用，可代替粘心土墙、防渗斜墙及防止库区渗漏等。同时也应用于渠道、蓄水池、污水池、游泳池、房屋建筑、地下建筑物、环境工程等方面，作为防渗、防漏、防潮材料。

3 土工合成材料在道路工程中的应用

　　3.1 路堤加筋和软弱地基处理

　　在软弱地基上修筑高填土路堤或堤坝，由于填土中的侧向土压力，使地基表面随水平剪应力，导致堤身向两侧位移，很容易造成堤身失稳。随着土工合成材料的不断开发利用，近年来利用土工合成材料加筋软弱地基的工程实践日益增多。对于这类加筋工程，通常是在堤身底部铺设单层或多层高模量的土工纳物、土工网、土工格栅、或土工垫等土工合成材料，来限制土基的侧向位移，以提高堤坝的稳定性，增加堤坝的填土高度，减少堤坝的下沉差异沉降量以及由此导致的堤面开裂。

　　3.2 台背路基填加筋

　　在桥涵、通道等横穿公路的构造物与构造物台背的路基填土之间，往往因为刚度悬殊而产生阶梯状不均匀沉降，引起“桥头跳车”现象发生。采用构造物台背回填土土工合成材料加筋，主要是利用土工合成材料与构造物之间的锚固力以及与回填土之间的嵌锁力和界面摩阻力，将结构物与回填土连为一体，以提高其整体性，减少两者之间不均匀沉降。但是在回填土中，采用土工合成材料加筋并不能提高地基底承载力，也不能有效地阻止地基的沉降。因此，只有当地基具有足够的承载力，在填土自重荷载与交通荷载的联合作用下，不致破坏而产生大的沉降时，土工合成材料加筋才会产生明显的效果。目前在工程试验中获得成功的试验桥台高度一般在4m—12m之间，故将土工合成材料加筋适宜的桥台高度定为5m—12m。

　　3.3 过滤与排水

　　土工合成材料可以单独或与其它材料配合，作为过滤体和排水体用于暗沟、渗沟、坡面防护等公路工程结构中。

　　3.4 路基防护

　　路基防护主要包括坡面防护和冲刷防护。坡面防护用于防护易受自然因素影响而破坏的土质或岩石边坡；冲刷防护用于防护水流对路基的冲刷与淘刷。

　　土质边坡可采用拉伸网草皮、固定草种布或网格固定撒种。岩石边坡防护可采用土工网或土工格栅。沿河路基可采用土工织物软体沉排、土工膜袋进行冲刷防护。土工合成材料应用于土质边坡最广泛的是拉伸网草皮。这种草皮可进行集中生产，可以任意切割、收卷，搬运方便，草根不易损坏，已广泛使用于游乐园、空地绿化及路基坡面防护，具有草种容易成活、美化环境、可防护雨水冲刷等优点。

　　3.5 路面裂缝防治

　　土工合成材料在道路路面工程中的应用主要是减少或降低反射裂缝的数量或程度，减少沥青路面的车辙。在半刚性基层沥青路面中还可适当提高基层的疲劳寿命，同时可以降低路面的车辙程度。

　　3.6 围堰加筋

　　在水利、桥梁、公路和铁路、市政、防汛等土建工程中，围堰是常用的结构形式，作为基坑开挖、截流、挡土等临时性或永久性围护结构，起到挡水、溢流和承载作用。作用在围堰结构上的荷载主要为侧向水、土压力、堰顶超载，结构自重等。其破坏形式为因回填材料抗剪强度不足而产生结构下滑坍塌，因摩擦阻力不足而产生的水平位移，以及因水渗流引起的局部失稳。

4 结束语

    土工合成材料在工程中的成功应用，解决了工程中长期存在的一些问题，并且增加了工程措施的多样性，其发展前景广阔。