黃陳松

福建省鼎賢市政園林工程有限公司

1 引言

土工合成材料包括土工布、土工膜等多種類型，土工合成材料的主要材質(zhì)包括塑料、纖維、橡膠等。土工合成材料通常鋪設(shè)于土層中或者不同土層之間，起到排水、保溫、加固等功能。隨著市政道路建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，土工合成材料在市政道路路基工程施工中的應(yīng)用越來越多?，F(xiàn)階段，許多市政道路路基工作的路堤、臺背、填筑與開挖交界處的加固都采用土工合成材料。例如，土工合成材料可以有效增強(qiáng)路堤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；有效約束路基填筑與開挖交界部位的土體，提高路基結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。減少臺背部位的土體側(cè)向壓力。

2 土工合成材料在路基中的作用

（1）強(qiáng)化加筋。土工布、土工膜等工合成材料的抗拉強(qiáng)度高。被鋪設(shè)于地下時，可以有效分散土體應(yīng)力，傳遞拉應(yīng)力，提高土體彈性模量并有效約束土體橫向位移，增加摩阻力，從而實現(xiàn)強(qiáng)化加筋作用。

（2）防滲透。根據(jù)項目要求，土工合成材料常按照一定比例組合使用土工布、土工膜，土工膜主要用于防滲。通常，土工合布或土工膜的表面覆蓋有一層防水材料，例如樹脂、橡膠，或者可以附加塑料薄膜從而組成不透水的防水土工合成材料，即土工膜。在市政道路路基的河岸邊坡結(jié)構(gòu)中使用防水防滲土工膜起到強(qiáng)化加筋以及防滲作用。

（3）保護(hù)。土工合成材料能夠有效分散土體應(yīng)力，還可以轉(zhuǎn)移應(yīng)力，防止應(yīng)力過于集中導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，從而實現(xiàn)保護(hù)作用。例如，市政道路路基工程中使用土工合成材料可以有效分散車輛荷載，防止路面因載荷過于集中而出現(xiàn)裂縫。

（4）過濾。在土地表面或相鄰?fù)翆又g鋪設(shè)土工布，可以有效阻止土壤顆粒通過，減緩?fù)寥李w粒流失，但水或氣體能滲透到土壤中，為避免孔隙壓力過大影響土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，在路基碎石排水渠部位可以將土工合成布或土工膜作為濾床，起到過濾作用。

（5）排水。土工合成材料多為多孔材料，可在土壤中形成排水通道，收集水分并緩慢地將水分沿著材料表面慢慢排出，例如較厚的針刺氈和多孔的復(fù)土工合成材料均可起到排水作用。

（6）隔離。土工合成材料可以將土體中的沙子、石頭與地基或其他結(jié)構(gòu)分開，避免其相互混合導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)的完整性喪失，也可以在土層間鋪設(shè)土工合成材料，隔離各層土體，減少相互侵蝕和滲入，起到層間隔離作用，有效控制路基的不均勻沉降。

3 土工膜的拉力-位移試驗

市政道路路基施工中土工膜的主要作用是承受拉力，基于此，需要著重研究土工膜承受的拉力與其位移之間的關(guān)系。

3.1 試驗儀器

本次抗拉試驗采用天惠TH5000-10B拉力試驗機(jī)完成，其試驗力峰值可達(dá)5500N；有效拉力測量范圍啊100N～2500N；最小可測拉力為1N；夾具拉伸距離峰值為900mm，力量精度誤差±0.5%。

3.2 試驗研究內(nèi)容

對土工膜承受的拉力與位移之間的關(guān)系進(jìn)行測定，分析導(dǎo)致順紋土工膜、逆紋土工膜變形破壞的拉力峰值。

3.3 條樣法拉伸試驗

（1）測試指標(biāo)：兩種土工膜的變形破壞拉伸強(qiáng)度以及延伸率。

（2）測試流程：①樣品制備。根據(jù)拉力試驗機(jī)夾具尺寸的不同，試樣寬度55mm，長度為125mm，試樣計量長度為105mm；②將夾具之間的初始距離設(shè)置為105mm；③用夾具固定樣品，為便于對齊，在樣品上以100mm的距離畫兩條垂直于拉伸方向的平行線，并盡可能將兩條線貼近夾具邊沿；④選擇試驗設(shè)備的滿量程范圍，設(shè)置樣品能承受的最大拉力為試驗設(shè)備量程的10%～90%，并設(shè)置好拉伸速度；⑤啟動試驗設(shè)備和記錄儀進(jìn)行試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)，包括拉力大小、位移大小以及拉力-位移之間的關(guān)系曲線，直至樣品斷裂后停止設(shè)備運(yùn)行，按照上述流程多次進(jìn)行試驗。

（3）抗拉強(qiáng)度相關(guān)計算公式：

式中：

Ts——抗拉強(qiáng)度，單位：kN∕m；

Pt——測量得到的拉力最大值，單位：kN；

B——樣品的寬度，單位：m。

結(jié)合公式1可以通過下列公式計算延伸率：

式中：

εp——樣品延伸率，單位：%；

Lo——樣品的計量長度，單位：mm；

Lf——拉力最大時對應(yīng)的樣品長度，單位：mm。

4 土工膜的力學(xué)性能試驗分析

選用厚度為2mm的高密度聚乙烯土工膜，作為試驗樣品進(jìn)行拉伸試驗，針對順紋土工膜和逆紋土工膜開展窄長條拉伸試驗。

4.1 順紋形態(tài)拉力-位移變化曲線

（1）經(jīng)試驗檢測并整理數(shù)據(jù)得出順紋形態(tài)拉力-位移變化曲線見圖1。

圖1 土工膜順紋形態(tài)拉伸-位移變化曲線

（2）從圖1可以看出，土工膜的受力特性，0N～180N拉力作用下，拉力和位移之間存在線性關(guān)系，土工膜此時處于彈性狀態(tài)，拉力越大，位移越大。（3）在180N～280N的拉力作用下，土工膜承受的拉力與其位移呈現(xiàn)非線性關(guān)系，此時土工膜逐漸從彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)。（4）從位移變化來看，位移在125mm～255mm范圍內(nèi)變化時，位移變化過大將損壞土工膜結(jié)構(gòu)，因為夾具的作用點上容易形成應(yīng)力集中。因此，最大位移量的波動較大。（5）當(dāng)土工膜開始施加承受拉力作用時，夾具的夾緊力很小，土工膜在加劇內(nèi)滑動，所以初始階段拉力-位移曲線斜率小，不能體現(xiàn)拉力和位移之間的真實規(guī)律：隨著土工膜開始施加承受拉力的增加，夾具夾緊力增加，土工膜不再滑動，處于彈性變形狀態(tài)。當(dāng)超過土工膜的彈性變形極限時，位移顯著增加，土工膜進(jìn)行塑性變形狀態(tài)。另外，從圖1可以看出，土工膜的是屈服變形很小，因此可以參照強(qiáng)度其他材料產(chǎn)生一定塑性應(yīng)變量（如0.5%）的應(yīng)力大小作為土工膜的條件屈服強(qiáng)度。

4.2 逆紋形態(tài)拉力-位移變化曲線

（1）經(jīng)試驗檢測并整理數(shù)據(jù)得出逆紋形態(tài)拉力-位移變化曲線（見圖2）。（2）從圖2中可以看出，土工膜的受力特性，當(dāng)拉力在0N～200N范圍內(nèi)變化時，拉力與位移呈線性關(guān)系，此時拉力越大，位移越大。（3）拉力在200N～225N內(nèi)變化時，土工膜的位移量快速增加，但曲線依然是線性變化。（4）拉力在225N～300N內(nèi)變化時，土工膜的位移繼續(xù)增大并發(fā)生短暫的屈服變形，接著很快進(jìn)入塑性變形，而土工膜的位移過大導(dǎo)致超過800mm范圍的結(jié)構(gòu)損壞。

圖2 土工膜逆紋形態(tài)拉力-位移變化曲線

5 結(jié)論

綜上所述，土工膜是一種應(yīng)用廣泛的土工合成材料，可以與土體形成復(fù)合體，增加道路路基結(jié)構(gòu)的承載力和抗剪強(qiáng)度，有效約束路基土體側(cè)向位移。因此，在實際路基施工中應(yīng)該合理選擇土工合成材料，監(jiān)測土工合成材料的性能指標(biāo)，確保其滿足路基施工要求，以確保路基施工質(zhì)量。土工合成材料有六大主要功能，即抗?jié)B、加固、保護(hù)、過濾、排水、絕緣。通過試驗可知土工膜的屈服變形很小，通過比較順紋土工膜與逆紋土工膜的拉伸試驗結(jié)果，可以看出逆紋土工膜的位移最大值為順紋土工膜的3～6倍，而最大斷裂力方面，兩者基本相等。