土工織物在軟土地基中的應用

陳強 朱躍昆

【江蘇省TRANBBS交通科學研究院　南京　210017】

摘　要：土工織物是巖土工程領域中一種新型建筑材料，在道路工程中被廣泛地應用于軟土處理。本文對土工織物的特性、應用、TRANBBS設計計算及工程應用概況進行了較詳細的闡述。
關鍵詞：土工織物　軟土地基　應用

1　概述
?　土工織物是巖土工程領域中一種新型建筑材料，是由聚合物形成的纖維制品的總稱。目前在道路工程中已被廣泛地應用于軟土地基處理中。
?　土工織物是工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，其出現(xiàn)已經(jīng)有100多年的歷史，但應用于土建工程則是30年代末才開始的。首先是將塑料薄膜作為防滲材料應用于水利工程。到50年代末，土工織物開始應用于海岸護坡工程。直到70年代末，隨著無紡織物的推廣，土工織物才以很快的速度發(fā)展起來，從而在巖土工程學科中形成一個重要的分支。1977年在法國巴黎舉行的第一次國際土工織物會議上，J.P.Giroud把它命名為“土工織物”(Geotextile)，并于1986年在維也納召開的第三屆國際土工織物會議上將它稱之為“巖土工程的一場革命”。
?　從60年代中期到70年代末，有紡織物開始在我國應用于河道、涵閘及防治路基翻漿冒泥等工程；80年代初，無紡織物開始在鐵路工程上試用；80年代中期，土工織物才在我國的水利、鐵路、公路、軍工、港口、建筑、礦冶和電力等領域逐漸推廣應用。
?　土工織物根據(jù)制造工藝不同，可分為有紡型土工織物、編織型土工織物、無紡型土工織物。

2　土工織物的特性
?　表征土工織物產(chǎn)品特性的主要指標包括：產(chǎn)品形態(tài)、物理性質、力學性質、水理性質、耐久性等。

2.1　產(chǎn)品形態(tài)
　　主要是指產(chǎn)品的材質及制造方法、寬度等。由于土工織物的原料都是由聚酰胺纖維(尼龍)、聚酯纖維(絳綸)、聚丙烯腈(腈綸)和聚丙烯纖維(丙綸)等高分子化合物(聚合物)經(jīng)加工后合成。因此土工織物產(chǎn)品因制造方法和用途不一，寬度和重量規(guī)格變化甚大，寬度可從幾厘米到十多米或更寬。

2.2　物理性質
?　表征物理性質的主要指標有單位面積質量、厚度、開孔尺寸及均勻性。單位面積質量通常是指土工織物每平方米的質量，通常每平方米的質量在0.1kg到1.0kg。應用于軟土地基處理中一般為數(shù)百克。開孔尺寸(等效孔徑)無紡型土工織物為0.05～0.5mm,編織型土工織物為0.1～1.0mm。

2.3　力學性質
?　表征力學性質的主要指標有抗拉強度、斷裂時延伸率、撕裂強度、穿透強度、握持抗拉強度、頂破強度、疲勞強度、徐變性、聚合物與土體間摩擦系數(shù)等。對于抗拉強度大部分常用的無紡型土工織物為10～30kN/m。高強度的為30～100kN/m,最常用的編織型土工織物為20～50kN/m,高強度的為50～100kN/m。個別的編織土工織物可達到100～1000kN/m。

2.4　水理性質
?　土工織物的水理性質主要用土工織物垂直向和水平向透水性來表征(即導水性)。大部分編織與熱粘型無紡土工織物的導水性甚小；針刺無紡型土工織物為10-6～10-5m?2/s；土工網(wǎng)為10?-?4～10?-?2m?2/s；土工塑料排水板(帶)為10?-?4～10?-?2m?2/s。

2.5　耐久性
?　土工織物的耐久性即抗老化、抗化學侵蝕性、抗生物侵蝕性、抗磨性、抗溫度、凍融及干濕變化性。抗老化是指高分子材料加工、貯存和使用過程中，由于受內(nèi)外因素影響，使其各種性能逐漸蛻化的現(xiàn)象。老化是一種不可逆的化學變化。主要表現(xiàn)在：(1)外觀變化，發(fā)粘、變硬、變脆等；(2)物理化學特征的變化，如比重、熔點、耐寒性和耐熱性等；(3)力學性能即抗拉強度、剪切強度、伸長率以及彈性等減小或喪失。? 〖HT5H〗3　土工織物的應用? 〖HT5SS〗土工織物應用于處理軟土地基主要有滲漏排水作用、對二種不同材料的隔離作用、網(wǎng)孔滲透過濾作用和利用土工織物的強度起加筋作用。

3.1　排水作用
?　利用某些內(nèi)部具有排水通道間(如盲溝、塑料排水板)土工纖維具有良好的三維透水性，使水能沿土工織物內(nèi)部的排水通道迅速排出，還可使水經(jīng)過土工織物的平面迅速沿水平方向排走。構成水平排水層，圖1、圖2所示為土工織物與其它排水材料(塑料排水板)共同構成的排水系統(tǒng)，可加速軟土地基的排水固結。土工聚合物用于建造無集水管間排水盲溝、鋪設時先在開挖好的槽內(nèi)鋪設土工織物，然后回填碎石，與碎石組成排水系統(tǒng)。 

圖1
圖2

3.2　隔離作用
?　利用土工織物的高抗拉性，抗撕裂性、良好的韌性、整體性和耐酸堿、耐生物侵蝕性能，將滲透性較土工織物大的兩種材料相互隔開，以發(fā)揮其各自的作用。這是軟土地基處理中較為重要的作用，其目的在于防止由于局部承載力喪失而造成的路基填土與軟弱地基相互混雜、補償?shù)鼗锌辜魪姸炔蛔悖乐褂纱丝赡軐е碌膱A孤滑動破壞，并可有效地加快工期，降低成本，減少路堤間不均勻沉降，又利于排水和加速土體固結。

3.3　過濾作用
?　有關研究資料表明，路基固結作用排出的水量是極其有限的。若在沒有水源補給的情況下，大致和固結沉降量相適應，如以每天下沉1厘米，每平方米面積排出的水量小于10升/天，只需要具有一定透水性的材料，完全能夠承擔起排水作用。目前常采用一層(或雙層)土工織 物處理軟土地基，這和傳統(tǒng)的砂礫墊層一樣，均可起到保護路基強度的作用。
?　具有相同孔徑尺寸的無紡土工織物和砂的滲透性大致相同。多數(shù)土工織物在單向滲流的作用下，在緊貼土工織物的土體中，發(fā)生細顆粒逐漸向濾層移動，同時還有部分顆粒通過土工織物表面被滲流帶走，遺留下較粗的顆粒。從而與濾層相鄰一定厚度的土層逐漸自然形成一個過濾帶和一個骨架網(wǎng)，阻止土粒的繼續(xù)流失，最后趨于穩(wěn)定平衡，亦即土工織物與其相鄰接觸部分土層共同形成一個完整的過濾系統(tǒng)。

3.4　加固地基
?　土工織物對軟土的加固作用主要體現(xiàn)在水平加筋上。復合地基中，在土工織物主要處于受拉狀態(tài)下，土工織物在產(chǎn)生拉伸應力的同時，對土體產(chǎn)生了一個類似于側向約束壓力的作用，使得復合土體具有較高的抗剪強度和變形模量。也就是說由于土工織物有較高的強度和韌性等力學特性，且能緊貼于地基表面，使其上部施加的荷載能均勻分布在地層中。當?shù)鼗赡墚a(chǎn)生剪切破壞時，鋪設的土工織物將阻止破壞面的出現(xiàn)，從而提高地基的承載力。當土工織物受到集中荷載作用時，在較大的荷載作用下，高彈性模量的土工織物受力后將產(chǎn)生一部分垂直分力，抵消部分荷載。

4　設計計算
?　在軟土地基路基底與填土之間鋪設土工織物，是目前道路工程中常用的淺層處治方法，特別是土工織物加砂墊層更為常用。這是由于土工織物具有較高的延伸率，從而可使上部負荷擴散，提高原地基承載力，并增加路基填土的穩(wěn)定性。另外鋪設土工織物后T

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RANBBS施工機械行駛方便，在填土預壓下還能起排水作用，從而加速排水固結和沉降穩(wěn)定。? 將具有一定剛度和抗拉力的土工織物鋪設在軟土地基表面，再在其上填筑一定厚度的砂墊層(砂土或礫石土)，這樣在路堤荷載的作用下產(chǎn)生沉降，同時在其周邊地基產(chǎn)生側向形變和部分隆起時，使路基底部的土工織物產(chǎn)生拉應力；而作用于土工織物與地基土間抗剪阻力就能相對地約束地基的位移；并且作用在土工織物上的拉力，也能起到支承荷載的作用。由上述可知，軟土地基在鋪設土工織物后地基極限承載力為以下三項之和，即為沒有鋪設土工織物時，原天然地基的極限承載力；在荷載作用下，地基的沉降使土工織物發(fā)生變形而承受拉力所產(chǎn)生的垂直分力；土工織物阻止隆起而產(chǎn)生的平衡鎮(zhèn)壓作用的效應。這就是Nishigate—Yamaoka法理論。土工織物加筋復合地基的板限承載力公式可表達為(簡化式)：
?　Pu=CN?c+2TSinθ／B+βTN?q／R
式中：C—土的內(nèi)聚力；
?　　Nc—地基承載力；
?　　T—土工織物的抗拉強度；
?　　θ—基礎邊緣與土工織物的傾斜角；
?　　B—地基底寬；
　　?β—地基形狀系數(shù)；
?　　Nq—復合地基承載力；
　　?R—地基變形當量半層。
?　實際上，上式中后二項為由于鋪設土工織物而提高的地基承載力。
?　土工織物作為路堤底面的墊層，除了能提高地基承載力和增加地基穩(wěn)定外，還有一個主要作用就是減少路基底部的差異沉降。一般情況下土工織物與砂墊層共同作為一層，這一層具有與路堤本身及軟土地基不同的剛度；通過這一墊層將路堤自身荷載傳遞到軟土地基中去，它既是軟土地基固結時的排水層，又是路堤的柔性筏基。使地基變形顯得均勻，基底中心最終沉降量比不鋪土工織物要小，施工速度加快，并且能較快地達到所需的固結度，提高地基承載力。

5　工程應用概況
?　南京機場高速公路位于河道發(fā)育的南京市以南地區(qū)古秦淮河，河道中沉積的淤泥質粘土(亞粘土)軟弱土層呈軟塑流型狀態(tài)，中等偏高～高壓縮性，允許承載力較低，軟土層埋深1～18m，層厚一般1.8～14m，對路基的沉降和穩(wěn)定有較大影響。其物理指標如表1所示。

軟土地基物理指標　　　　　　　表1

序號 層厚
(件) 物理力學指標 
W
(%) ν
(T/m3) e NL
(%) Wp
(%) Es
(MPa) C
(kPa) σ
(kPa) τ
(kPa) 
1 2～12.5 55.0 1.81 1.56 28.8 1.39 4.9 27.4 70.0 15 
2 3～14 33.8 1.89 0.992 12.0 1.32 7.82 11.1 90.0 20 
3 1.8～7.5 38.8 1.95 1.07 20.9 0.89 8.79 40.4 100.0 25 

　　其中有數(shù)段采用的處治方法是原地面摻5%灰土處理后，用5%灰土調(diào)拱鋪設土工織物，上面做40cm 5%灰土，再用素土填筑按正常路基施工。從南京機場高速公路所采用土工織物處理后來看。地基承載得到明顯提高。沉降和不均勻沉降得到有效的控制。經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)運營后沉降觀測表明。地基加固處理完全達到預期的目的。

參考文獻

1.南京水利科學研究院主編《土工合成材料測試手冊》
2.朱詩鰲編著《土工織物應用與計算》
3.全國土工合成材料TRANBBS技術協(xié)用網(wǎng)《全國第三層土工合成材料會議論文選集》
4.全國土工合成材料技術協(xié)作網(wǎng)《土工合成材料工程應用百例

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