蜂巢约束系统——当今最先进的土工合成材料集成应用方案

作者： 罗贞礼

来源：《新材料产业》 2012年第3期

本刊记者/罗贞礼

土工合成材料是岩土工程中应用的合成材料总称，传统的定义为：以人工合成的聚合物如塑料、化纤、合成橡胶等为原料制成的材料，可置于岩土或其他工程结构内部、表面或各结构层之间，具有加强、保护岩土或其他结构功能的一种新型工程材料。蜂巢约束系统，则是一种基于土工巢室技术在聚烯烃矩阵里以稳定的聚酯纤维纳米光纤（聚酯纤维或尼龙）为基础的高分子纳米合金新技术集成应用系统，是应对土壤强化土工技术而产生的新型土工合成材料应用系统，与常规建筑材料集成应用能全面解决土地稳定难题，并能进一步提高生态工程效率与减低环境保护成本，在水利、海港、公路、铁路、生态护坡、文化旅游景观、国家边境和海岛生态保护等各个领域，具有日益广泛的应用前景。

一、土工合成材料发展

土工合成材料种类很多，大体上可以分为4大类（土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料），可用于防渗、排水、过滤、加筋、隔离、防护等，在各种生态工程建设与修复领域具有质量轻、整体连续性好、适应性强、抗拉强度高、耐腐蚀性好等优点，被认为是继钢材、木材、水泥之后的第4大工程材料，并被誉为岩土工程领域的一次“革命”。1958年，为防止不均匀下沉，佛罗里达州将土工合成材料铺在海岸碎石护坡下垫层，是全世界最早的土工合成材料用于岩土工程的开始。随着生产的发展和技术的改进，土工合成材料的研究发展与应用得到了极大地推动。相关文章的刊发，更是标志着土工合成材料已经在岩土工程领域等确立了自己的地位。

目前，世界上已有100多个国家和地区在10万多个工程中采用了土工合成材料。在我国，土工合成材料应用开始于20世纪70年代末期，最早是采用聚丙烯编织布，主要应用于水利工程中，进行护岸或软体沉排护底。随着国外生产设备和技术的引进，以及理论研究的深入等，20世纪90年代以来，国内土工织物逐渐在重点大型工程中得到应用，并获得了较好的经济与社会效益，催生了一批生产厂家。但与世界先进国家相比，目前国内在现场观测、模型试验和理论研究方面还相对滞后，国产土工合成材料存在易老化等致命弱点。

在中国治理荒漠化基金会的支持下，为了改变我国土工合成材料的发展与应用落后现状，尽快落实李克强副总理的批示精神，国家发展和改革委员会、国土资源部联合发文（发改投资[2010]263号），经国家工商总局注册登记成立国内唯一的护坡工程专业公司——大地基业护坡工程有限责任公司，并被国家发展和改革委员会、国土资源部审定为国家级新型材料应用推广减灾工程公司，目前已获得了国家边海防委员会、国家发改委、国土资源部、水利部、环境保护局、中国人民解放军总参谋部、中国科学院、边境省市人民政府的明确支持。该公司已与美国、澳大利亚等多家世界最先进的专业公司和研究机构建立了战略合作伙伴关系，并引进了世界最先进的高分子土工合成材料技术与蜂巢约束系统系列产品，现已成为提升我国土工合成材料生产技术、引领生态环保与工程应用的行业佼佼者。

二、蜂巢约束系统主要特性

1.不断创新的蜂窝约束技术凸现了绿色低碳材料特性

蜂窝结构技术源于仿生学，具有以最少的材料实现最大的抗压和抗弯特点。蜂窝结构材料以满足材料的使用功能为前提，在满足材料使用要求的条件下，实现材料的最优化使用，最早应用于航空航天领域。与实体结构相比，蜂窝结构所使用的有效材料一般只有3%～5%左右，其余90%以上的空间均为空隙。因此，依靠蜂窝结构技术可以大幅度减少实体材料的使用量，并能提高各种材料的使用效率，达到资源节约和低碳减排的目的。

蜂巢约束系统中的蜂窝约束技术，最初是为几天到数周的软土路基重载车辆通行等短期军事应用而开发的。随着材料技术、产品性能、功能创新、工程方法的不断创新发展，蜂窝约束技术借助于新一代的高分子纳米合金技术，在保留其固有优势的同时，实现了长期化、民用化和工程化转变，是现今解决土壤稳定与加固难题的最先进、最成熟、最具效益的长期解决方案。与此同时，蜂巢约束系统还通过资源节约和材料的有效利用技术路径，较好地实现了“节材减碳”，从而凸现其绿色低碳材料特性，并为我国提出的碳减排强度目标提供新的切实可行的解决办法和技术方案。

2.标准规格与系统组件协同作用确保了产品的高质量特性

蜂巢约束系统的各种巢室尺寸和深度，一般由应用、难题和所需解决方案的详细情况而定。根据景观要求及地形地质条件，蜂巢格网防护体的具体设计形式主要有斜坡式、台阶式和直立式3种。蜂巢约束系统所具有的巢室规格、蜂巢约束系统标准规格与良好的系统组件协同作用（图1），可为客户提供最佳的解决方案和高质量产品，从而确保产品长期的抗蠕变、抗软化和抗应力开裂性，低热膨胀系数(CTE)，抗氧化，极端温度和紫外线暴晒等高质量特性。

需要强调指出的是，图1中标示的各种组件，它们对于满足工程需要、方便和加快施工的完整解决方案，具有非常重要的协同作用。在安装蜂巢约束系统过程中，“锚钎”组件可减少时间和材料成本，提高安装生产率且用料更少；“旋进器”使“锚钎”旋进安装简单、快速，并减少工人劳动强度；“加筋带”和“锚钎”阵列可提供额外的锚固以抵御下滑力和/或隆起力；“限制夹”在特定的负载传导节点上连接“加筋带”，形成一个负载传导机制；为更快搭接巢块而设计的“连键”，可减少承包商安装成本，且比钉书针连接更强3倍。

3.多个优点为解决挑战性的土地稳定难题提供了强势基础特性

蜂巢约束系统集成了土工布、防渗膜、土工格栅、土工网、土工袋等多种高分子合成土工材料单元，具有透水、保土、固土、改善负载性能、防冲蚀、节省土地资源、生态环保、便于施工及性价比高等9大优点。这些多重优点通过系统中相互连接的巢室所形成的高强度网络来限制和稳定土壤来体现，能显著地提高土壤性能，为解决负载支撑，边坡、河渠和岸线保护，以及植被挡土墙/土地固留等应用中具有挑战性的土地稳定难题，提供了强势的基础条件与经济有效的解决方案。

三、蜂巢约束系统主要应用

1.河渠保护

蜂巢约束系统为露天的河渠和水力设施提供了多种经济、灵活的保护方法，可为暴露在流量范围从低到高间歇性或连续性水流冲蚀下的河渠提供稳定性和保护（图2）。典型应用包括：洼地与排水明沟；暴雨导流或遏制；工艺水河渠或遏制；溢洪道/下泄槽/落差结构；涵洞排污口；间歇或连续/低到高流量的河渠。应用优势如下：

①由于蜂巢结构束缚，大大提高了骨料、抛石及植物等传统保护材料的水力性能；

②相比铰链模块系统，混凝土填充所形成的柔性且耐久的护甲式河渠衬砌成本更低；

③能够综合考虑当地的环保、生态与审美要求、最小预期流量以及相关水力应力等特定现场情况而设计；

④能够改变衬砌系统的表面粗糙度和水力效率，可控制水流；

⑤可以解决路基排水要求及内部结构潜在变形问题。

2.边坡与岸线保护

蜂巢约束系统能够约束边坡与岸线保护系统隔离，加强并束缚上部土层及填料，控制由水力和重力造成的坡体向下运动和滑移（图3）。典型应用包括：挖或填的路堤边坡；岸线保岸；桥台保护；雨水/废水泻湖；围堰及防洪堤；土工膜保护；垃圾填埋场衬砌及覆盖；坝面及溢洪道。应用优势如下：

①形成有效的边坡保护及对表土、植被和诸如沙子、砾石、更大岩石或石块等颗粒材料的结构限制；

②巢室填充混凝土，形成内置伸缩缝的柔性混凝土垫；

③在陡峭的边坡和堤岸，或有土工膜或硬土/岩石的表面阻止钎固时，集成加筋带形成额外的稳定性；④相比无侧限边坡，允许路堤更陡峭，以减少占用宝贵的土地空间。

3.挡土墙/土地强固

蜂巢约束系统分层叠砌时，成为一个经济挡土墙系统，满足项目特定的所有结构要求，能撷取雨水并控制地下水的蒸发（图4）。该系统允许施工灵活性，并通过完全植被化墙面给人以审美享受。外层巢室露出的填土所形成的水平露台，使植被能蓬勃生长。典型应用包括：生物工程墙；陡峭路堤；堤防及防洪堤保护；涵洞端墙；景观开发墙；植被覆盖的河渠结构；声障墙。应用优势如下：

①即使在软土环境，也能对抗由填料的质量和内摩擦力所产生的所有荷载，保持结构稳定性；

②当路基土壤可压缩或在难以进入的地点施工时，能适应现场挑战；

③用土黄色、绿色或其他特殊颜色的面板，可使墙体与任何环境融为一体。

4.负载支撑

蜂巢约束负载支撑系统（图5）能够稳定所选填料，并在3个关键领域为不稳定表面或基础难题提供经济的解决方案，包括：软弱土壤上的负载分布系统，铺装路面表面的基础稳定，无路面表面的表面稳定。典型应用包括：进场道路；透水、负载支撑的表面；路肩；多式联运/港口设施；运输/堆放场；需稳定的排水层；步道与人行道；铁轨道砟/底层道砟结构；沥青或模块路面的基础稳定；乘船坡道和浅水通道；扩展基础和管道保护。应用优势包括：显著、最大限度地减少车辙；横向分布负载并减少纵向挠度与路基接触应力；采用裸露骨料填充，减少暴雨径流并形成现场雨水羁留/滞留盆地。

四、蜂巢约束系统的应用成本分析蜂巢约束系统具有独特的生态功能、非常优越的透水性能、适应不同的地基条件、施工操作简单方便等特点，很显然，通过节约材料，提高材料的使用效率和研发新型蜂窝低碳材料，以及结合正在推行的节约能源、提高能效和发展新能源的战略，我国可以更加有效地进行蜂巢约束系统的国产化推广，另辟蹊径让绿色革命与蜂窝革命并举，以更加有效地控制碳排放量，更快地降低碳排放强度，加快实现“节能减排、节材减碳”的战略目标。

以大地基业护坡工程有限责任公司引进国外先进的CHBGeo（澳大利亚P R S公司生产）蜂巢约束系统为例，从产品名称和形态、应用理念、设计方法、产品标准及检测方法、材质、长期设计强度、热膨胀系数( C T E )、应用环境与寿命等多个方面，与现有国内产品比较，相关结果见表1，以使用C H B G e o土工巢室强化的规格为P R S 330*125-150的N e o w e b系统产品为例，其建设成本比未强化系统的更低（表2）。可见，蜂巢约束系统更具综合发展优势。

五、结语

如何把节约用地与绿色环保有机结合在工程设计中，是每位工程建设者面临的新课题，也是工程设计的发展方向。据相关方面统计，目前土工合成材料市场规模已经达到16亿m2，预计未来3年将以每年20%的速度增长。

其中，土工格栅目前市场规模3亿m2，未来3年的年增长率将达到18%；土工膜目前市场规模7.5亿m2，未来3年的增长率将达到20%。而蜂巢约束系统是典型的环境友好产品，其土工巢室独有的高分子合金技术与新型材料结构，拥有优异的稳定特性和节能特性，是对传统土工材料的升级与创新，具有良好的生态社会与经济综合效益；作为水泥、钢材无法替代的当今最先进的复合土工合成材料，既能在传统的水利、海港、公路、铁路等领域得到广泛应用，也能在新兴的城市文化休闲、屋顶绿化、地质灾害防治、生态修复工程、城乡建设与环保等多个领域中大展身手。随着蜂巢约束系统国产工程化技术的逐步成熟和规模化效应，该产品的成本将更具竞争力，市场应用前景也会更加光明。

10.3969/j.issn.1008-892X.2012.03.009

参考文献

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[3] http://www.prs-med.com/.

[4] 贾致荣，郭忠印.公路边坡生态防护的定量评价方法[J].水土保持与研究，2008，15(2)：262.