浅谈土工合成材料在土建工程领域中的实际应用

浅谈土工合成材料在土建工程领域中的实际应用

黄康娇

身份证号码： 44080419930411****

摘要：土工合成材料作为多功能材料广泛用于土木、水利、环境、交通、市政等工程。土工合成材料具体指用于土建工程中的各种人工合成纤维材料的总称，后拓展为用于土建工程中的所有人工合成制备的材料的总称。土工合成材料的品种种类庞杂，但均是以聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯塑料和聚酰胺等高分子聚合物原材料合成。同时，按照使用目的的不同，土工合成材料也可以制备成许许多多具有不同结构形式的产品。土工合成材料与单纯的聚合物的区别在于，其具备了最终聚合物的产品特点，而这些特点也是实际土建工程应用中所关注的。基于此，本文主要对土工合成材料在土建工程领域中的实际应用进行浅谈，详情如下。

关键词：土工合成材料；土建工程；实际应用

引言

土工合成材料是以人工合成的聚合物为原材料，通过不同工艺加工而成的不同产品，可以有效防止地基间的不均匀沉降、减小搭接处纵向裂缝产生的可能，延长建筑的使用寿命；施工方便、快速、经济、对环境污染小。

1土工合成材料的分类

（1）土工织物，俗称也叫土工布，具体指用于土建工程中的一种布状复合材料，具有施工方便、轻重量、耐腐蚀等使用特点，在施工过程中，具有卓越的防紫外老化特征。（2）土工膜，一般为沥青膜和聚合物膜两种，具有良好的防水、耐老化以及抗渗水特性，同时，具有很强的随环境变形的能力。（3）土工特种材料，具体指常规土工织物以及土工膜外，最新研制的一些具有特殊性能的新型土工合成材料。一般有土工膜袋子、土工网垫、聚苯乙烯塑料和土工网。其中，土工膜袋子是一种由合成纤维制成的两层口袋状材料，在保护土坡以及其他的土地基体处理的土建工程中有广泛的应用。土工网是一种由合成的高分子材料制备而成的网状材料，在软基路面加固、保护土坡和植草等土建工程领域有广泛的使用前景。土工网垫是一种特殊的三维结构聚合材料，主要由合成材料组成，在防冲蚀以及保土等土建工程等方向具有广泛的应用。聚苯乙烯塑料在铁路路基上得到广泛的应用，一般作为填料使用，质量轻、抗压强度高且吸水率较低。（4）复合土工织物，一般由上述几种土工合成材料随机组合混合而成。因此，土工复合材料也具备了各种单一土工合成材料的综合性能，可以能满足各种各样土建工程的需求，能发挥出多种土工合成材料的功能作用。

2土工合成材料在土建工程领域中的实际应用

2.1土工合成材料约束桩计算推导

2.1.1桩身强度计算

在地基处理中，土工合成材料制成的碎石桩满足条件:碎石桩的约束作用由材料的约束力和地基对材料造成的侧压提供，在此基础上，以莫尔－库仑理论推导出碎石桩的桩身强度，建立了土木合成材料约束碎石桩模型。

2.1.2由桩身强度确定单桩极限承载力

传统的承载力公式没有考虑到桩身强度的影响，在把桩身强度纳入考虑范围推导单桩极限承载力公式中，作出以下两个假定:(1)假定地基土对土工材料碎石桩的切向作用和作用在桩身竖向应力互不干扰;(2)作用在土工合成材料碎石桩土上的荷载是均布分布在桩身的。土工合成材料碎石桩在地基处理中，周边土体对桩的约束力由两部分构成:土体自重的应力和上覆荷载引起对桩身附加应力产生的侧向应力。由此得到碎石桩受到周围土体对其的侧向约束力为:

σ_c=K₀(σ_sz+σ_z)

式中:σ_c代表周围土体对土工合成碎石桩的侧向约束应力，且满足σ_c=P_sh，kPa;K0代表周围土体对碎石桩的侧压力系数;σ_sz代表土体对碎石桩的自重应力，kPa;σz代表上覆荷载对碎石桩的附加应力，k_Pa。对碎石桩进行受力分析，探究碎石桩周围土体和上部载荷对碎石桩的附加应力，以P_p、P_s分别表示两种情况对桩的附加应力，桩土应力比n=P_p/P_s。将桩身载荷按等效圆方式进行处理划分，由于桩身所受土体对其约束力是P_s造成的，那么单独一根桩所受载荷仅为以等效圆的半径r_e所均匀分布的荷载P_s。总之，在考虑了周围土体对桩身约束作用，桩身本身的强度和材料本身内部情形，对桩体所能承受的极限承载力进行计算，推导出不同深度z情况下，土工合成材料碎石桩受到材料应力的关系通过推导得到深度与土工合成材料碎石桩受到材料应力的关系和材料拉力沿深度的分布规律。由此可对需要在不同深度下的碎石桩进行强度优化，对不同情况下的材料优化，达到最大化的经济效应。

2.2新旧路基衔接处理

新旧路基衔接处理需要利用Ⅳ级及以上的土工格栅，JTG/TD32—2012《公路土工合成材料应用技术规范》要求道路桥梁工程新旧路基衔接用土工格栅纵向标称抗拉强度伸长率应在13.0%以下，每延米极限抗拉强度纵横向应超过100kN/m，纵横向2.0%伸长率拉伸、焊接极限剥离力则应分别大于55kN/m、30N。依据上述要求，检测者可以利用专业的延伸率检验机、极限拉力试验机进行检测。需要注意的是，若单向塑料土工格栅应用于长时期受力加筋工程，检测者应对其蠕变性能进行实验，即依据BSENISO10319∶2015《土工织物宽条拉伸试验》的相关方法，在室温下测试样品的拉伸强度。此外，在进行蠕变测试时，通过记录10.0%土工格栅的蠕变强度表征时间进行施加荷载、土工格栅拉伸强度比值的计算。

2.3倾斜面板加筋挡墙筋材拉力分析

面板的倾角对潜在滑移面处筋材拉力的大小是有影响的。在填土、筋材、墙高、面板形式、挡墙荷载完全相同的条件下,随着面板倾角的增大,筋材拉力逐渐减小。在国内外的很多设计规范中,倾角α≤20°的加筋土结构归类为挡墙,当α>20°时,一般按加筋土边坡进行设计。加筋土挡墙墙面最大倾角约为20°。国内外的大多数设计规程建议,当α>10°时,在强度极限条件下倾角对筋材拉力的影响可以采用库仑土压力的水平分量予以考虑。但是,在正常工作荷载作用下,填土的强度往往未完全发挥,而库仑土压力理论采用填土的摩擦角计算土压力系数。此外,加拿大加筋土专家Bathurst团队基于监测结果,提出了一种基于统计分析的面板倾角影响计算方法,并将其应用于该团队提出的K刚度法中。应用该方法得到的筋材拉力随着面板倾角的增大而降低,但降低的幅度不大。现行的大多数设计规程采用库仑土压力水平分量考虑倾角对筋材拉力的影响，传统库仑土压力理论基于楔形体受力平衡分析,作用在支挡结构上的土压力方向取决于墙背与填土的摩擦角,这与加筋土挡墙存在一定区别。在不考虑面板对筋材内力影响的条件下,倾斜面板加筋土挡墙在正常工作荷载作用下,筋材拉力保持水平状态。

结语

迄今为止，土工合成材料作为一种创新型材料，随着科技的不断进步，本身也在不断地发展，在传统的土建工程中得到了十分广泛的应用。总的来说，土工合成材料不仅适用于各种土建工程，同时可以显著提高工程的品质和降低维护成本。迄今为止的实践中，各类土工材料迅速发展，品种多样，也出现了各种新颖的土工材料。相应的，国内外对于土工材料的品质要求越来越高，在国内外都形成了典型的测试标准。但是，在土工材料的发展过程中，也存在一定的问题，这也为未来多元化和复合型土工材料的发展方向提出了更高的要求。

参考文献

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