土工格栅在高速公路填挖过渡段的应用

严 刚

(江苏南京地质工程勘察院,江苏南京210041)

土工格栅在高速公路填挖过渡段的应用

严 刚

(江苏南京地质工程勘察院,江苏南京210041)

分析了土工格栅的独特性能和应用机理,结合土工格栅在处治高速公路填挖过渡段不均匀沉降中的工程应用,论述其对减少填挖过渡段路基总体沉降和降低不均匀沉降作用。

土工格栅;填挖过渡段;沉降

0 引 言

我国高速公路的发展历史还比较短,在此过程中也暴露了很多问题,路面破坏、路基沉降等影响到行车安全和舒适,同时也影响到行驶车辆本身的使用寿命,对经济及社会都造成了一定的损害。

土工格栅是一种新型的土工合成材料。与其他土工合成材料相比,它具有独特的性能与功效,因此,国外的道路工程中大量采用了土工格栅加筋路基路面。

近几年,土工格栅在我国高速公路的建设中得到了广泛的应用。加筋、防护、过滤、排水、隔离是土工格栅的基本使用功能,在高速公路的软基处理、路基加筋、台背回填、新老路相拼接、过滤排水、路基防护等方面得到了广泛的应用。

1 土工格栅的性能

土工格栅是聚合物材料经过定向拉伸形成的具有开孔网格,较高强度的平面网状材料。它以聚丙烯、高密度聚乙烯或者其他高分子聚合物为原料,加入一定量的抗紫外线辅助剂,经热熔、挤出、拉伸等新工艺生产而成。它在制造过程中经过定向拉伸,使聚合物分子沿拉伸方向排列,加强了分子间的连接力,具有很高的抗拉强度、柔性、延展性和高抗疲劳性能,还具有很强的抗土和地下水的化学腐蚀性、耐霉性等特点。由于网眼的作用,它与颗粒材料间的联锁能力很强,并能制约颗粒材料的横向移动。

2 土工格栅的功能

土工格栅所以能在各项工程中得以广泛的应用,主要是由于土工格栅本身功能所决定的。根据土工格栅特性,其主要功能有隔离作用、加筋作用、保护作用。现分述如下。

2.1 隔离作用

将土工格栅放在两种不同的材料之间或同一材料不同粒径之间,以及土体表面与上部建筑结构之间,使其隔离开来。当受外部荷载作用时,虽然材料受力互相挤压,但有土工格栅在中间隔开,可以保证材料不互相混杂或流失,从而保持材料的整体结构和功能(图1)。隔离用的土工格栅必须有较高的强度来承受外部荷载作用时而产生的应力,保证结构的整体性。

2.2 加筋作用

土工格栅可作为软弱地基的加固补强材料。由于土工格栅具有较高的抗拉强度,将其埋置在土体之中,可增强地基的承载能力,同时可改善土体的整体受力条件,提高整体强度和建筑结构的稳定性。较多地应用于软弱地基处理、陡坡、挡土墙及边坡稳定方面(图2)。

图1 土工格栅的隔离作用

图2 土工格栅加筋

2.3 防护作用

土工格栅可以将比较集中的应力扩散予以减小,也可由一种物体传递到另一物体,使应力分解,防止土体受外力作用破坏,起到对材料的防护作用。亦即将土工格栅置于两种材料之间,当一种材料受集中应力作用时,另一种材料不被破坏。

格栅与土壤颗粒之间具有独特的相互作用,它是一种十分有效的加筋材料。由于这种材料具有良好的工程特性,土工格栅作为复合工程材料的一种在土木工程领域得以广泛应用。

3 土工格栅应用的基本原理

利用土工格栅处理路基,以减少不均匀沉降的产生,首先应对加筋原理及其作用机理有一个清晰、全面的认识。土工格栅应用的基本原理一般可归纳为2种解释,即摩擦加筋原理和准粘聚力原理。

3.1 摩擦加筋原理

摩擦加筋理论也称为锚固理论。将加筋土视为锚固系统(图3),墙体破坏会产生主动区与稳定区。破坏棱体ABC(主动区)的水平推力被稳定区筋土之间的摩阻力所平衡,整个土体的稳定性得以保证。现取加筋土中一微分段dL来进行分析(图4)。

图4 摩擦加筋原理

图3 加筋土结构与受力分析

设由主动区土的水平推力在该微分段拉筋中引起的拉力为dT=T1-T2(假定拉力沿拉筋长度呈非均匀分布),压住拉筋的土重为法向力N,土粒与拉筋之间的摩擦系数为f(f=tgφ),b为拉筋的宽度,如果

则筋-土之间就不会产生相互滑动。如果每一层拉筋均能满足式(1)要求,则整个加筋土结构的内部稳定性即可得到保证,从而也就不会出现图3所示的破裂面AB。

摩擦加筋理论由于概念明确、简单,因此在高模量(如金属带加筋)加筋土的实际工程中得到较广泛的应用。

3.2 准粘聚力原理

准粘聚力原理又称为复合材料理论,填土与加筋结合为各向异性的复合材料。将加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样进行三轴对比试验可发现,如果未加筋砂土样在σ1及σ3作用下达到极限平衡,那么加筋砂土同样大小的σ1作用下就达不到极限平衡,而是处于弹性平衡状态(图5),这说明加筋土样的强度提高了。

图5 加筋砂与未加筋砂的应力圆分析

如果在试验中对加筋砂土样施以σ3并保持不变,则欲使试样达到新的极限平衡势必增大σ1至σ1f。根据库仑-摩尔破坏准则,同时假定加筋前后土的φ值不变,则在新的极限平衡状态下的数学表达式为:

式(2)中,σ1f为加筋土样破坏时的最大主应力;σ3为作用于土样侧面的最小主应力;φ为未加筋砂的内摩阻角;c为加筋砂土样的“准粘聚力”。

将式(2)与未加筋砂土样极限平衡条件相比较,加筋砂土样多了1项由c引起的承载力。

图6所示加筋砂与未加筋砂的强度曲线完全平行,这说明式(2)假定加筋前后φ值不变是合理的;但加筋砂土地强度曲线不通过坐标原点而与纵坐标相截,其截距就是式(2)中的c,因此式(2)对加筋砂土是成立的。

图6 加筋砂与未加筋砂的强度曲线

加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合体(即加筋砂)具有某种“粘聚力”的缘故。这个“粘聚力”不是砂土原有的,而是加筋的结果。同时,在试验中对土体施加的侧限应力是σ3而不是(σ3+ Δ σ3),Δ σ3是加筋产生的,但在试验结果中却被“c”(粘聚力)代替了,c称为“准粘聚力”,它反映了复合体本身的材料特性。

3.3 土性对土工格栅的影响

土与加筋材料接触的表面糙度及嵌固性是发挥土工格栅加筋作用的主要条件,不同土与土工格栅表面相接触表现出的力学性能不同。采用300mm直剪盒测定沿土工格栅与不同填料接触面的直剪试验(文献7)结果表明:土颗粒表面越粗糙,内摩擦角越大,土工格栅加筋后效果越好。

表1 土工格栅与不同填料接触面的抗剪强度

4 土工格栅在高速公路填挖过渡段的应用

某高速公路全线位于丘陵区,丘包群立,沟谷迂回,为盆地典型丘陵地形,全线路基填挖相间,软土地基达54处,约13km长,填挖交界处较多,填挖过渡段路基的主要问题则由于不均匀沉降而引起,因此,对填挖过渡段的处治应重点放在解决沉降上。

为了评价土工格栅的使用效果,挖填段应用土工格栅进行处理,进行现场测试,取地基条件基本相同,路基填筑方式、路基填筑高度与填筑时间基本相近的段落进行比较,共选取了4个试验段,8个观测段面进行分析。

a.k94+805,填挖过渡段填方处93区顶部埋设2层土工格栅进行处理(段面A)。

b.k94+805,填挖过渡段填方处93区顶部不铺土工格栅(段面B)。

c.k106+120,填挖过渡段填方处93区顶部埋设1层土工格栅进行处理(段面A)。

d.k106+120,填挖过渡段填方处93区顶部不铺土工格栅(段面B)。

e.k101+365,填挖过渡段填方处93区顶部埋设3层土工格栅进行处理(段面A)。

f.k101+365,填挖过渡段填方处93区顶部不铺土工格栅(段面B)。

g.k104+985,填挖过渡段填方处距93区顶部3m处埋设2层土工格栅段面A)。

h.k104+985,填挖过渡段填方处93区顶部不铺土工格栅(段面B)。

图7 填挖过渡段土工格栅布置图

4.1 数据的测试

4.1.1 现场回弹模量检测试验 在现场,按《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)中的承载法(T 0943—2008)进行,测试位置为95区顶部,各实体工程测试结果见表2。

另外,为探讨4层土工格栅对提高路基回弹模量的影响,在k100(+600—+700)段路基93区的顶面同样按实体工程中的埋设方式,埋设了4层土工格栅,在其95区顶面进行回弹模量测定,结果为57.7,相对于未埋设土工格栅的路基顶面回弹模量42.8而言,提高了34.8%。

从实体工程8个观测段中的实测数据可知,土工格栅对减少路堤沉降从而削减填挖过渡路基的不均匀沉降效果明显。各实体工程完工时、完工后100d、200d、300d的沉降量如表3、图8、图9、图10、图11。

4.1.2 沉降观测

由表3、图8、图9、图10、图11可知,完工时埋设土工格栅的A断面的沉降量比未埋设土工格栅的B断面均要小。完工后随着时间或行车荷载的影响,其埋设土工格栅的A断面相对于B断面沉降量的减少百分比将随之增加,且埋设土工格栅的A断面的沉降量在完工150d后变化遂即逐渐减小。

表2 实体工程刚度试验结果

表3 实体工程完工后各时期的沉降值

图8 段落a、b施工期沉降曲线

图9 段落c、d施工期沉降曲线

图10 段落e、f施工期沉降曲线

4.2 试验数据分析

4.2.1 土工格栅层数对回弹模量的影响 通过现场试验,在93区顶部埋设1层、2层、3层、4层土工格栅后,其95区顶面的回弹模量较未埋设的分别提高10.0%、21.8%、32.4%、34.8%(图12),说明埋设土工格栅能提高路基回弹模量。对于埋设位置相同的情况,土工格栅埋设的层数越多效果越好。但是,当层数为4层时,回弹模量的提高量已不如3层时的提高量大。因此,从经济角度来说,2层～3层是比较理想的选择。

图11 段落g、h施工期沉降曲线

图12 土工格栅层数对95区顶面回弹模量的影响

4.2.2 土工格栅埋设位置对回弹模量的影响 在距93区顶面3m处埋设2层土工格栅后,其95区顶面的回弹模量提高7.9%。说明对于同为埋设2层的情况,由于埋设部位不同,效果则不同(图13),埋设在93区顶部还可以取得较好效果。这与室内CBR值试验的结果是一致的。

图13 同层数(2层)土工格栅埋设位置不同对95区顶面模量的影响

4.2.3 土工格栅层数、埋设部位对沉降的影响 实体工程1、2、3为埋设土工格栅2层、1层、3层的对比试验。根据观测数据,可得出层数对减少沉降量百分比的影响(图14)。

图14 不同层数的土工格栅在不同时期对沉降的影响

图14曲线表明,埋设2层～3层土工格栅,对减少沉降百分比的效果最好。

实体工程1和工程4埋设的土工格栅均为2层,但其位置不同,对沉降量的影响也不同,根据观测数据,也可得出影响结果(图15)。

图15 同样层数(2层)不同埋设位置在不同时期对沉降的影响

由图15可以看出,同样层数(2层)的土工格栅,其埋设位置不同,效果也就不同。埋设在93区顶面的实体工程2,其沉降量减少百分比始终比埋设在距93区顶面3m处的实体工程4的值要大。

5 与其他处理措施的经济比较

为了使土工格栅在高速公路填挖过渡段的路基处理中得到应用推广,现对土工格栅和其他处理措施进行经济费用估价。为方便进行比较,处理段的长度为50m,处理宽度为12m。

5.1 高压旋喷桩经济费用估价

高压旋喷桩51.43元/延长米,处理深度5m,桩间距1.0m,桩长总计约3 315延长米,费用约为170 490元;砂垫层136.94元/m3,砂垫层用砂量约360m3,费用约49 298元;施作粉喷桩费用总计约219 788元。

5.2 换填处理经济费用估价

清除原地基废料:18.65元/m3,清除数量约为1 916m3,费用合计约37 300元。回填适用性材料20.75元/m3,回填数量约6 839m3,费用合计约141 900元。换填处理费用加抽水及弃料用地费用约为180 281元。

5.3 土工格栅处理经济费用估价

土工格栅16元/m3,共铺3层,土工格栅使用总面积约为3 656m2,再加上其他辅助施工费用,总费用合计约86 828元,比高压旋喷桩处理费用降低153%,比换填法处理费用降低108%,采用土工格栅具有明显的经济优越性。因此,为保证该段路基工程质量,同时为节约投资,根据以上经济比较,对本段填挖过渡地基采用土工格栅处理措施较为适宜。

6 结 语

土工格栅作为一种新型的岩土工程材料,由于其具有良好的抗拉性能、耐久性强、稳定性好、施工方便、价格较低等特点,在进行路基处理时有很强的竞争力。结合某高速公路填挖过渡段在对4种不同埋设土工格栅情况的实体工程进行了沉降和现场回弹模量试验,根据观测的数据分析以及与其他处理方式进行经济性比较,获得以下结论。

①在93区埋设土工格栅能显著减小路基的沉降变形。埋设1层、2层、3层土工格栅的路段比未设置土工格栅的路段分别减少5.6%、22.6%和26.5%的沉降值。

②埋设土工格栅路堤表面的回弹模量值较未埋设的要提高10%～32%。

③埋设土工格栅路堤,在完工后150d左右其沉降量随时间推移,增长速率趋于稳定。

④土工格栅埋设在93区顶面的效果要好于埋设在距93区顶以下3m处的效果。

⑤增加埋设土工格栅的层数,尽管对减少变形仍然有效,但所起的作用有限。层数的选定一般在2层～3层,并应根据沉降控制目标和增加的费用进行比较后确定。

⑥与其他地基处理方式相比,土工格栅在高速公路填挖过渡段地基处理中具有良好的经济性。

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Application of geogrid on cut-fill transition zone in highway construction

Yan Gang
(Nanjing Geological Engineering Exploration Institute,Nanjing 210041,China)

Geogrid was a kind of advanced geotextile.Comparedwith other composite geotextiles,itwasof special behavior and function and widely used in foreign countries to strengthen the subgrade and pavement of the highway.Combined with the application on treating the differential settlement in the cut-fill transition zone of the highway,the author analyzed the specialperfor mance and application theory of geogrid and dealtwith the effecton reducing the total settlementof the cut-fill transition zone and lowering the differential settlement.

Geogrid;Cut-fill transition zone;Settlement

book=3,ebook=192

P642.26;TU478

A

1674-3636(2010)03-0307-07

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.307

2009-09-08;

2010-05-11;编辑:侯鹏飞

严刚(1976—),男,工程师,硕士,主要从事岩土工程勘察工作.