土工合成材料在道路工程中的應(yīng)用

宋 琿

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

土工合成材料是一種土木工程材料，具有重量輕、耐腐蝕、施工簡(jiǎn)便和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，多用于道路工程。最常用的包括土工織物（織造和非織造）、土工格柵（雙軸和多軸）、土工格室、土工網(wǎng)（或土工復(fù)合排水產(chǎn)品）、土工膜和土工復(fù)合材料。其主要功能是：分離、加固、過(guò)濾、排水、防水和保護(hù)。

國(guó)外對(duì)土工合成材料的研究起步較早，1950年代開(kāi)始有國(guó)外學(xué)者采用人工聚合物制作土工格柵；1970年代土工合成材料主要用以改善軟土路基土壤的性能；1980年代開(kāi)始，土工合成材料被用于道路表面，改善路面基礎(chǔ)的性能及防止反射裂縫。到1980年代末，玻璃纖維格柵興起。現(xiàn)階段研究表明，玻璃纖維土工格柵、特種金屬網(wǎng)格和鐵絲網(wǎng)對(duì)路面防治反射裂縫效果顯著[1]，近年來(lái)典型路面結(jié)構(gòu)與交通荷載發(fā)生了變化，測(cè)試技術(shù)不斷發(fā)展，2016年，國(guó)外的Gonzalez-Torre[2]和Nejad[3]經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，在瀝青面層中設(shè)置土工合成材料能有效延緩反射裂縫；Correia和Zornberg[4]研究表明，土工合成材料能有效降低瀝青面層的應(yīng)變。公路工程中常使用土工格柵來(lái)加固路基和基層，現(xiàn)有研究表明土工格柵能有效改善路面的剛度和穩(wěn)定性，并減少車轍[5-6]。本文重點(diǎn)分析土工合成材料力學(xué)性能以及對(duì)道路性能的提升。

1 土工合成材料的分類

土工合成材料有5種基本類型[7]：土工布（織物）、土工膜、土工格柵、土工格室和土工復(fù)合材料。不同類型的土工合成材料可以滿足不同的工程需求。具體的材料組成及功能見(jiàn)表1所示。

表1 土工合成材料一覽表

1.1 土工格柵

土工格柵縱向和橫向均勻分布矩形孔，主要由聚丙烯、聚乙烯、聚酯或聚酯涂層組成。聚酯土工格柵是柔性的，并且其接合處是經(jīng)過(guò)編織、針織或激光黏合，通常使用PVC或丙烯酸樹(shù)脂涂層來(lái)保護(hù)，避免其結(jié)構(gòu)損壞；聚丙烯和聚乙烯土工格柵是剛性的，能夠拉伸且連接處帶有內(nèi)助。此外，土工格柵還可以按照抵抗荷載方向的個(gè)數(shù)進(jìn)行分類，單軸土工格柵只能抵抗一個(gè)方向上的荷載，通常應(yīng)用于墻面和斜坡；雙軸土工格柵可以抵抗相互垂直的兩個(gè)方向上的荷載，通常是路面基礎(chǔ)加固的首選。

1.2 土工織物

土工織物是由紡織材料制成的可滲透土工合成材料。土工織物的聚合物組成為：聚丙烯（約85%）、聚酯（約12%）、聚乙烯（約2%）和聚酰胺（約1%）。土工織物種類繁多，且新型產(chǎn)品層出不窮。國(guó)內(nèi)根據(jù)《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTG/TD 32-2012）對(duì)土工織物進(jìn)行了簡(jiǎn)單實(shí)用的分類[8]。

1.3 土工格室

土工格室是蜂窩狀的三維結(jié)構(gòu)，可以減少土壤顆粒的橫向移動(dòng)，填充在里面的土壤結(jié)構(gòu)緊湊。土工格室通常由聚合物制造而成，柔韌性好，類似于高密度聚乙烯（HDPE）。土工格室在建造運(yùn)河、堤壩、擋土墻、鐵路和道路等領(lǐng)域都有應(yīng)用，在公路工程中，土工格室可以用來(lái)加固基層，形成剛性板，減少傳遞到路基上的垂直應(yīng)力。

1.4 土工膜

土工膜是另一大類土工合成材料，是以相對(duì)較薄的聚合材料與無(wú)紡布復(fù)合而成的土工防滲材料，主要用于液體或固體儲(chǔ)存設(shè)施的防滲，包括所有類型的垃圾填埋場(chǎng)、水庫(kù)、運(yùn)河和其他圍護(hù)設(shè)施。因此，其主要功能是作為液體屏障。然而其應(yīng)用的范圍廣泛，除了環(huán)境領(lǐng)域，在巖土、交通、水力工程方面的應(yīng)用也在迅速增長(zhǎng)。

1.5 土工復(fù)合材料

土工復(fù)合材料由工廠生產(chǎn)單元中的土工織物、土工格柵、土工網(wǎng)和土工膜組合而成，土工復(fù)合材料由于其組成靈活，故其功能強(qiáng)大，包含了前文列出的土工合成材料的全部功能（分離、加固、過(guò)濾、排水和密封）。

2 土工合成材料的力學(xué)作用機(jī)理

2.1 土工合成材料在瀝青層中力學(xué)作用機(jī)理

土工合成材料對(duì)瀝青層性能主要有防裂與增強(qiáng)兩方面的作用[9-11]。

2.1.1 增強(qiáng)作用

增強(qiáng)瀝青層的抗剪切和抗拉強(qiáng)度，以減少永久變形（車轍）和不均勻變形。

2.1.2 防裂作用

土工合成材料可以吸收應(yīng)力或應(yīng)變，延緩反射裂縫和疲勞開(kāi)裂?？琢钤芠12]從力學(xué)角度分析了土工合成材料的延緩反射裂縫的作用，認(rèn)為玻璃纖維格柵在半剛性基層瀝青路面延緩反射裂縫的機(jī)理如下：

（1）延遲初期裂縫的產(chǎn)生。網(wǎng)肋為初始載荷提供支撐點(diǎn)和錨定點(diǎn)，起到應(yīng)力傳遞的作用，從而增加瀝青層層底的抗拉伸能力，吸收層間大部分水平張力，從而延緩了裂縫的萌生。

（2）分散應(yīng)力，使裂縫分散發(fā)展。土工合成材料將瀝青層內(nèi)各種因素產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)散開(kāi)，增大了受力面，即便出現(xiàn)裂縫也是小裂縫。

（3）提高了瀝青層的韌性，土工合成材料在被拉斷前都會(huì)保持作用。

另外，沈化榮從裂縫擴(kuò)展率角度分析了土工合成材料延緩反射裂縫的作用[13]。

2.2 土工夾層的力學(xué)作用機(jī)理

土工合成材料作為夾層使用時(shí)，最主要的作用機(jī)理是“橋聯(lián)作用”，即將瀝青加鋪層與舊路面黏結(jié)成一個(gè)整體，有效緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使裂縫擴(kuò)展方向偏離豎向，從而延緩瀝青路面的疲勞壽命[14]。

2.2.1 層間黏結(jié)強(qiáng)度理論

當(dāng)土工合成材料作為夾層使用時(shí)，其主要功能是黏結(jié)舊水泥混凝土路面和新加鋪的瀝青層，使之成為一個(gè)復(fù)合體，主要作用是緩解反射裂縫。此時(shí)路面主要破壞形式是剪切破壞，這種破壞模式相當(dāng)復(fù)雜，影響因素很多，可以簡(jiǎn)化問(wèn)題，通過(guò)摩爾-庫(kù)倫理論進(jìn)行應(yīng)力分析，其表達(dá)式如下：

式中：τm——層間實(shí)際剪切應(yīng)力，MPa；

τ——黏結(jié)層抗剪強(qiáng)度，MPa；

c——黏層油黏聚力，MPa；

σ——土工合成材料黏結(jié)層法向正應(yīng)力；

φ——土工合成材料黏結(jié)層內(nèi)摩擦角。

土工合成材料夾層的內(nèi)摩擦角和黏聚力通過(guò)剪切試驗(yàn)獲得，通過(guò)對(duì)夾層施加不同的正應(yīng)力得到摩爾應(yīng)力圓，再由摩爾應(yīng)力圓得到摩爾-庫(kù)倫應(yīng)力包絡(luò)線（抗壓強(qiáng)度曲線），曲線與橫縱坐標(biāo)的交點(diǎn)值分別為摩擦角和黏聚力。

2.2.2 層間黏結(jié)系數(shù)

層間黏結(jié)情況對(duì)加鋪路面的力學(xué)性能影響重大，因此作為評(píng)估夾層黏結(jié)情況的層間黏結(jié)系數(shù)意義重大。層間黏結(jié)系數(shù)由古德曼模型結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定系數(shù)得到[15]，表達(dá)式如下：

式中：k——層間黏結(jié)系數(shù)，MPa/m；

F——豎向力，N；

A——面積為常數(shù)，等于0.005m2；

S——界面剪切位移，m；

2.3 土工加筋基層的力學(xué)作用機(jī)理

瀝青路面上的交通荷載會(huì)從面層傳遞到下面的結(jié)構(gòu)層，路面在荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，應(yīng)力分布呈錐形，使荷載在結(jié)構(gòu)層中的分布比實(shí)際輪胎足跡更大，從而有效消散車輪荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，為了控制瀝青路面關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變值，在常用的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層時(shí)，規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)是無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力和瀝青混合料層永久變形量。前者主要是為了防止重復(fù)交通荷載作用下的疲勞開(kāi)裂，后者主要是防止瀝青路面使用壽命期間的應(yīng)力累加而發(fā)生的永久變形。

根據(jù)Yoder和Witczak(1975)的觀點(diǎn)，瀝青面層主要是提供一個(gè)基礎(chǔ)厚度，使路基頂面的垂直應(yīng)力減小到不發(fā)生路面變形破壞的標(biāo)準(zhǔn)值。

Perkins等人[16]（1999）認(rèn)為土工合成材料改善路面性能主要通過(guò)以下三種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：（1）側(cè)向約束；（2）增加承載力；（3）土工合成材料放置在基層與路基之間時(shí)產(chǎn)生的張力效應(yīng)。

2.3.1 橫向約束

Bender和Barenberg（1978）認(rèn)為在瀝青路面中土工合成材料的橫向約束可以起到加固作用。Perkins指出這種橫向約束是通過(guò)土工合成材料與粗骨料之間的界面摩擦構(gòu)成的，這層界面同時(shí)還起到抗剪作用。總的來(lái)說(shuō)，基層底部的骨料在交通荷載作用下具有橫向移動(dòng)的傾向，會(huì)產(chǎn)生界面處的剪切應(yīng)力，而在這層界面處設(shè)置土工合成材料，則可以將剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)化為施加在土工合成材料上的拉伸應(yīng)力。并且土工合成材料具有高拉伸剛度，能起到限制橫向拉伸應(yīng)變的作用。此外，還要求基層集料、土基顆粒與土工格柵孔之間要有適當(dāng)?shù)目臻g，才能產(chǎn)生良好的摩擦力。

2.3.2 增加承載力

由于土工合成材料的存在，潛在的破壞面會(huì)發(fā)生在更高的層位，即在土工合成材料層之上的、抗剪強(qiáng)度較高的層面上，此時(shí)土工合成材料可以提供豎向的限制，使路基頂部的應(yīng)力重新分布，減少傳遞到路基的剪切應(yīng)力，從而達(dá)到增加承載力的目的。

2.3.3 張力效應(yīng)

土工合成材料發(fā)生垂直變形時(shí)會(huì)形成凹形的張力網(wǎng)，而張力網(wǎng)能減少傳遞到路基上的垂直應(yīng)力，延緩進(jìn)一步破壞，但是發(fā)生這種效應(yīng)需要車轍發(fā)展到一定深度。通常隨著土工合成材料剛度的降低，張力網(wǎng)具有更大的變形能力，因此為了使張力效應(yīng)更好地發(fā)揮作用，Barksdale認(rèn)為路基的CBR應(yīng)小于3%。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，具有高抗拉強(qiáng)度的新型土工合成材料在道路中的應(yīng)用，不僅能提高工程的質(zhì)量，更能大大減小綜合造價(jià)。為了更好應(yīng)用土工合成材料，需要對(duì)其使用性能及路面適用性進(jìn)行深入探究。通過(guò)對(duì)土工合成材料在路面中的作用分類和力學(xué)作用機(jī)理的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析表明，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)還沒(méi)有存在量化土工合成材料路用性能的指標(biāo)，因此，未來(lái)應(yīng)建立考慮土工增強(qiáng)作用的瀝青路面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。