塑料土工格栅在路基加固中的应用

周冠卿

中国水利水电第十一工程局有限公司 河南 郑州 450000

1 工程及产品概况

塑料土工格栅是一种以高分子聚合物为主要原料,经过拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物网材。按制造时拉伸方向一般分为单向拉伸土工格栅(TGDG系列)和双向拉伸土工格栅(TGSG系列)。它是在挤压制出的聚合物板材(原料多为聚丙烯或高密度聚乙烯)上冲孔,然后在加热条件下施行定向拉伸。单向拉伸格栅只沿板材长度方向拉伸制成,而双向拉伸格栅则是继续将单向拉伸的格栅再在与其长度垂直的方向拉伸制成。经双向定向拉伸后,它的纵、横向抗拉强度均匀,且具有良好的延性、抗拉性和耐腐蚀性。塑料土工格栅埋设在土壤、沥青、泥沙等介质时,土工格栅各节点及肋条为荷载的传递提供了一系列的承载点和锚固点。当土工格栅受到介质的作用时,土工格栅通过微小位移即可获得足够大的应力,而不仅仅只依靠土工格栅表面与介质间的摩擦作用,而且还通过网格与介质之间的互相啮合及互锁作用来获得更大的应力。由此构成一个高效应力传递与反应机制,从而发挥了土工格栅最大的抗拉效果。由于土工格栅在制造中聚合物的高分子会随加热延伸过程而重新排列定向,加强了分子链间的联结力,达到了提高其强度的目的。其延伸率只有原板材的10%～15%。如果在土工格栅中加入炭黑等抗老化材料,可使其具有较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀和抗老化等耐久性能。

2 性能特点

土工格栅主要具有以下性能特点:

(1)应力伸长率小,对基础具有很好的稳固作用,整体结构性强,节点强度高。

(2)土工格栅具有一定的刚度,从而使上面的负荷得到扩散,提高了基础的承载能力。

(3)由于土工格栅的抗拉强度大,拉伸强度范围在25-110kn/m,它的存在可增加基础的稳定性,即提高抗拉强度。

(4)长时间持续荷载作用下不变形,耐蠕变性能好。

(5)摩擦系数大(大多在0.8左右),网状结构完全融入土层,增强了结构的稳定性能。

(6)由于格栅网眼的存在制约了颗粒材料的横向移动,形成了良好的嵌锁作用。

(7)物理化学性质稳定,抗土埋、抗腐蚀性能好。耐酸、碱、盐溶液;耐汽油、柴油等有机溶剂的侵蚀,不能被水分解。

(8)质轻柔软,便于运输,施工简捷方便;耐老化,承受荷载使用寿命可达120年以上。

3 产品规格及技术指标

(1)单向拉伸土工格栅单向拉伸土工格栅是一种以高分子聚合物为主要原料,加入一定的防紫外线、抗老化助剂,经过单向拉伸使原来分布散乱的链形分子重新定向排列呈线性状态,经挤出压成薄板再冲规则孔网,然后纵向拉伸而成的高强度土工材料。这种过程中使高分子成定向线性状态并形成分布均匀、节点强度高的长椭圆形网状整体性结构。此种结构具有相当高的拉伸强度和拉伸模量,抗拉强度达到100-200Mpa,接近低碳钢的水平,大大优于传统的或现有的加筋材料,特别是此类产品更具有超国际水平的(伸长率在2%—5%)拉伸强度和拉伸模量。给土壤提供了理想的力承担和扩散的连锁系统。

(2)双向拉伸土工格栅。

双向拉伸土工格栅是一种在制造过程中对分子结构沿纵、横向重新排列的高强度结构材料,其纵横向均具备相当大的拉伸强度,这种结构在土壤中同样也能提供一个更为有效的力的承担和扩散的理想的连锁系统,主要用于加固软弱及复杂土基层、面层和铁道道床。各种规格双向土工格栅技术指标见下表1。

表1 双向拉伸高密度聚丙烯土工格栅

4 塑料土工格栅施工程序及要点

土工格栅夹于土层中间,形成复合土体结构,在土体重量和活荷的作用下,土工格栅和周边土体之间联结摩擦,提高了土体强度和稳定性,摩擦加筋沉降量小的一端相当于锚固端,沉降量大的一端相当于自由端,自由端下沉时的剪切破坏受土工格栅的约束,企图土工格栅从锚固端拉出,而锚固端被其上面土层的重力作用下,对土工格栅产生摩擦力,阻止自由端下沉。从而使土体得到更高的整体稳定性。本次路基加固处理所用的塑料土工格栅是TGSG50-50型,延伸率为5%,其纵、横向抗拉强度均为50k N/m双向土工格栅,网孔尺寸为50mm×50mm,幅宽为6m,幅长为80m。双向塑格栅具有延伸率低、刚度大、施工方便、加筋处治的效果好等优点,一方面在横向上加筋处治的,另外在纵向上也能有效协调路基的差异沉降,相同条件下,应变比塑料格栅小很多,能有效发挥土工格栅协调变形的作用;现场适应性好。双向土工格栅属大网孔结构,对路基的平整度和尖锐填料具有很强的适用性,而且每卷长度为80m左右,施工方便;结点强度高,凸结点式钢双向格栅,结点连接牢固,不容易撕裂、损坏,能充分发挥土工格栅增强路基整体性、协调变形的作用。分别在路基填筑厚度30cm、60cm、90cm处(将格栅设置在与路基封顶位置相距20厘米的位置)分别铺设土工格栅(双向拉伸高密度聚乙烯土工格栅TGSG50-50),以确保基础的稳定性。铺好土工格栅后,机械开始铺设回填料,及时完成碾压,避免长期暴晒。然后采用装载机运料、推土机整平、振动碾碾压。施工顺序从两边向中间推进,碾压自两边向中间进行,压实度符合设计要求。杜绝一切施工车辆和施工机械行驶或停放在已铺好的土工格栅上,施工中随时检查土工格栅的质量,发现有折损、刺破、撕裂等损坏时,视程度修补或更换。

4.1 技术要求

①素土含水率适中,且内摩擦角￠≮30。,必要时进行现场土工试验。

②填料中不能有尖锐棱角、垃圾、杂质、杂物等有损土工格栅的物品。

③填料最大粒径不得大于100mm,应小于设计要求,同时做好基坑的防水、排水措施。

④路基填筑厚度为30cm/60cm/90cm处分别铺设塑料土工格栅,且每层土工格栅接缝处错开搭接,采用基床式铺设。

4.2 施工方法

(1)首先精确放出回填边线,为了保证基础宽度,每侧各加宽0.5m,把晾晒好的素土进行回填后,采用18T振动碾静压两遍,振动碾压六遍,不平整的地方人工配合整平,清除表面不合格的土并排除地表水。

(2)格栅的使用效果与基础面的处理情况密切相关,在铺设前必须将基面上可能影响格栅与底层结合强度的物质如油脂、封层料、水渍、污物等彻底清除干净,使铺设表面清洁干燥。如基面有积水时,应待基面干燥后再进行铺设。

(3)铺设土工格栅时,在平整压实的场地上,基面应较为平整,在压实度满足要求的土层上按照设计宽度铺设土工格栅,用插钉固定,铺设的格栅主要受力方向要求通长无接头。摊铺拉直、平顺,紧贴土层,无扭曲、褶皱现象,不得重叠。土工格栅主要受力方向不宜设置接头缝。各层土工格栅的两端进行固定,保持一定的松紧度,表面严禁有碎、块石等坚硬凸出物,局部起伏差不得大于5cm。相邻的两幅土工格栅需搭接0.15m。确保钢塑土工格栅纵向极限拉力在60KN/M以上,横向极限拉力在20KN/M以上,伸长率必须控制在5%以下。

(4)土工格栅按照设铺设定位后,需要及时进行填土覆盖操作。幅与幅之间的连接人工采用专用卡具固定,层与层之间应错缝。大面积铺设后,要整体调整平直度,使格栅在土中为绷直受力状态。顺道路轴线方向的搭接宽度不小于15cm,按适当距离,起点用“U”型钉固定,防止填土时位移。

(6)素土碾压,在含水率适中的条件下,采用18T振动碾开始碾压,静压2遍,振动碾压6遍。碾压机械应采用进退错距法碾压,每层压实后,采取环刀法取样做压实度试验,压实度不应小于0.96。

(7)第二层,第三次土工格栅施工方法同第一层一样。在第一层土工格栅的基础上,填筑60cm素土压实后,开始铺设第二次土工格栅,填筑要求同第一层一样,最后再完成60cm素土回填压实后,开始铺设第三层土工格栅,三层土工格栅采用基床式铺设。

5 施工中的注意事项

(1)材料保管塑料土工格栅是一种土工合成材料,遇紫外线易老化,故格栅应堆放在通风遮光的室内;堆放的时间累计不超过3个月,否则必须重新检测;铺设时应注意缩短太阳光直接照射的时间,施工时暴露的总时间以一个班为宜,同时做好防火工作;不同型号的土工格栅应分开堆放,并应在格栅上标出各自不同的明显标记,以防止混用。

(2)质量管理在选择原材料时,必须有出厂合格证明,进入现场的格栅,必须进行试验,各性能指标均合格后方可施工。一般应选择有正规资质的大型土工格栅厂家,同时要求厂家提供格栅长期蠕变断裂强度指标(包括10℃、20℃、30℃下60年、120年的长期蠕变断裂强度)、比较具体的抗老化性能指标、最小炭黑含量(不小于2%),以及检测机构的合格鉴定。

(3)铺设土工格栅为避免塑料土工格栅在施工中受到损伤,严禁机械在土工格栅上行走,机械与土工格栅之间应保持30cm厚的回填层,在邻近结构面的2m范围内,建议用18T振动碾压实填土。填土过程中应用插钉或土石固定,防止土工格栅移动。

(4)格栅填工

在批次为720,学习率为0.03的实验条件下,对网络输入步长问题进行实验,以RMSE作为评价指标,实验结果如表2所示。

在铺设完成的土工格栅上继续填筑路基时,将拌合好的填料摊铺时,应先提铲高推将土工格栅全部覆盖后再按松铺厚度推摊,辅以人工清捡硬质块料,以防土工格栅扭曲,移位。

(5)施工质量检验

在路基回填加固施工结束之后,需要对填土沉降情况进行观测,沉降降观测通常是基于沉降管进行,即在没做桥台设两根沉降管,同时将沉降布设量。

6 土工格栅的使用效果

(1)增加了底板的稳定性,有效防止滑移、沉陷等现象的发生。另一方面,使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。也就是说,在地基在上的荷载作用下可能产生底板混凝土破坏时,土工格栅将阻止破坏现象的发生,从而提高地基的承载力。当土工格栅受到集中应力作用时,高弹性模量的土工格栅受力后将产生垂直分力,分散和抵消部分荷载,有效提高地基承载力,这一效果能有效提高基础的稳定性。

(2)有效提高地基承载力,通常在未经处理的软基础上填筑素土,在一定的施工范围内,都会出现不同程度的“弹簧”状态,填土难于压实,平整度差。经铺设土工格栅后,由于其约束作用,填料易于压实,表面平整。(3)土工格栅在提高地基承载力和增加地基稳定的同时,对不均匀的沉降有调节作用,能较快的减少基础的沉降差异。土工格栅和素土共同构成比素土强度大得多的复合垫层,对上部施加的荷载起到重新分布的作用。强度大、蠕变小、适应各类环境土壤。

(4)能有效的提高加筋承载面的嵌锁、咬合作用、极大程度的增强地基的承载力、有效的约束土体的侧向位移,增强地基稳固性能。与传统格栅相比更具有强度大、承载力强、抗腐蚀、防老化、摩擦系数大、孔眼均匀、施工方便、使用寿命长等特点。能有效的避免在施工过程中被机具碾压、破坏而造成的施工损伤。

结束语

塑料土工格栅是目前国内一种比较新的土工建筑材料,它具有拉伸强度高(>100KN/m,延伸率小于百分之十五),尺寸稳定性好,耐腐蚀,抗老化(设计使用寿命120年,地下)等特性,已广泛用于险坡防护、松软地基处理、加筋土挡墙工程及一些高承载力的结构中,是建筑行业中具有划时代意义的新型材料。随着施工工艺的日趋成熟,塑料土工格栅用于软基础加固防护,格栅和素土材料融合在一起,可有效地分配荷载,防止基础沉陷和混凝土底板变形,提高基础的稳定性,承受更大的变荷。严格控制压实度是保证基础回填成功的关键,为保证施工及运营阶段的安全性和稳定性,并减小混凝土沉降,必须采取措施对基底进行加固。在实际操作过程中,土工格栅施工质量的好坏对今后的使用效果有着很大影响。因此,加强材料质量控制、提高施工人员质量意识显得尤为重要。