土工格柵在高速公路填挖過渡段的應用

嚴 剛

(江蘇南京地質工程勘察院,江蘇南京210041)

土工格柵在高速公路填挖過渡段的應用

嚴 剛

(江蘇南京地質工程勘察院,江蘇南京210041)

分析了土工格柵的獨特性能和應用機理,結合土工格柵在處治高速公路填挖過渡段不均勻沉降中的工程應用,論述其對減少填挖過渡段路基總體沉降和降低不均勻沉降作用。

土工格柵;填挖過渡段;沉降

0 引 言

我國高速公路的發展歷史還比較短,在此過程中也暴露了很多問題,路面破壞、路基沉降等影響到行車安全和舒適,同時也影響到行駛車輛本身的使用壽命,對經濟及社會都造成了一定的損害。

土工格柵是一種新型的土工合成材料。與其他土工合成材料相比,它具有獨特的性能與功效,因此,國外的道路工程中大量采用了土工格柵加筋路基路面。

近幾年,土工格柵在我國高速公路的建設中得到了廣泛的應用。加筋、防護、過濾、排水、隔離是土工格柵的基本使用功能,在高速公路的軟基處理、路基加筋、臺背回填、新老路相拼接、過濾排水、路基防護等方面得到了廣泛的應用。

1 土工格柵的性能

土工格柵是聚合物材料經過定向拉伸形成的具有開孔網格,較高強度的平面網狀材料。它以聚丙烯、高密度聚乙烯或者其他高分子聚合物為原料,加入一定量的抗紫外線輔助劑,經熱熔、擠出、拉伸等新工藝生產而成。它在制造過程中經過定向拉伸,使聚合物分子沿拉伸方向排列,加強了分子間的連接力,具有很高的抗拉強度、柔性、延展性和高抗疲勞性能,還具有很強的抗土和地下水的化學腐蝕性、耐霉性等特點。由于網眼的作用,它與顆粒材料間的聯鎖能力很強,并能制約顆粒材料的橫向移動。

2 土工格柵的功能

土工格柵所以能在各項工程中得以廣泛的應用,主要是由于土工格柵本身功能所決定的。根據土工格柵特性,其主要功能有隔離作用、加筋作用、保護作用。現分述如下。

2.1 隔離作用

將土工格柵放在兩種不同的材料之間或同一材料不同粒徑之間,以及土體表面與上部建筑結構之間,使其隔離開來。當受外部荷載作用時,雖然材料受力互相擠壓,但有土工格柵在中間隔開,可以保證材料不互相混雜或流失,從而保持材料的整體結構和功能(圖1)。隔離用的土工格柵必須有較高的強度來承受外部荷載作用時而產生的應力,保證結構的整體性。

2.2 加筋作用

土工格柵可作為軟弱地基的加固補強材料。由于土工格柵具有較高的抗拉強度,將其埋置在土體之中,可增強地基的承載能力,同時可改善土體的整體受力條件,提高整體強度和建筑結構的穩定性。較多地應用于軟弱地基處理、陡坡、擋土墻及邊坡穩定方面(圖2)。

圖1 土工格柵的隔離作用

圖2 土工格柵加筋

2.3 防護作用

土工格柵可以將比較集中的應力擴散予以減小,也可由一種物體傳遞到另一物體,使應力分解,防止土體受外力作用破壞,起到對材料的防護作用。亦即將土工格柵置于兩種材料之間,當一種材料受集中應力作用時,另一種材料不被破壞。

格柵與土壤顆粒之間具有獨特的相互作用,它是一種十分有效的加筋材料。由于這種材料具有良好的工程特性,土工格柵作為復合工程材料的一種在土木工程領域得以廣泛應用。

3 土工格柵應用的基本原理

利用土工格柵處理路基,以減少不均勻沉降的產生,首先應對加筋原理及其作用機理有一個清晰、全面的認識。土工格柵應用的基本原理一般可歸納為2種解釋,即摩擦加筋原理和準粘聚力原理。

3.1 摩擦加筋原理

摩擦加筋理論也稱為錨固理論。將加筋土視為錨固系統(圖3),墻體破壞會產生主動區與穩定區。破壞棱體ABC(主動區)的水平推力被穩定區筋土之間的摩阻力所平衡,整個土體的穩定性得以保證。現取加筋土中一微分段dL來進行分析(圖4)。

圖4 摩擦加筋原理

圖3 加筋土結構與受力分析

設由主動區土的水平推力在該微分段拉筋中引起的拉力為dT=T1-T2(假定拉力沿拉筋長度呈非均勻分布),壓住拉筋的土重為法向力N,土粒與拉筋之間的摩擦系數為f(f=tgφ),b為拉筋的寬度,如果

則筋-土之間就不會產生相互滑動。如果每一層拉筋均能滿足式(1)要求,則整個加筋土結構的內部穩定性即可得到保證,從而也就不會出現圖3所示的破裂面AB。

摩擦加筋理論由于概念明確、簡單,因此在高模量(如金屬帶加筋)加筋土的實際工程中得到較廣泛的應用。

3.2 準粘聚力原理

準粘聚力原理又稱為復合材料理論,填土與加筋結合為各向異性的復合材料。將加筋砂圓柱土樣與未加筋砂圓柱土樣進行三軸對比試驗可發現,如果未加筋砂土樣在σ1及σ3作用下達到極限平衡,那么加筋砂土同樣大小的σ1作用下就達不到極限平衡,而是處于彈性平衡狀態(圖5),這說明加筋土樣的強度提高了。

圖5 加筋砂與未加筋砂的應力圓分析

如果在試驗中對加筋砂土樣施以σ3并保持不變,則欲使試樣達到新的極限平衡勢必增大σ1至σ1f。根據庫侖-摩爾破壞準則,同時假定加筋前后土的φ值不變,則在新的極限平衡狀態下的數學表達式為:

式(2)中,σ1f為加筋土樣破壞時的最大主應力;σ3為作用于土樣側面的最小主應力;φ為未加筋砂的內摩阻角;c為加筋砂土樣的“準粘聚力”。

將式(2)與未加筋砂土樣極限平衡條件相比較,加筋砂土樣多了1項由c引起的承載力。

圖6所示加筋砂與未加筋砂的強度曲線完全平行,這說明式(2)假定加筋前后φ值不變是合理的;但加筋砂土地強度曲線不通過坐標原點而與縱坐標相截,其截距就是式(2)中的c,因此式(2)對加筋砂土是成立的。

圖6 加筋砂與未加筋砂的強度曲線

加筋砂土力學性能的改善是由于新的復合體(即加筋砂)具有某種“粘聚力”的緣故。這個“粘聚力”不是砂土原有的,而是加筋的結果。同時,在試驗中對土體施加的側限應力是σ3而不是(σ3+ Δ σ3),Δ σ3是加筋產生的,但在試驗結果中卻被“c”(粘聚力)代替了,c稱為“準粘聚力”,它反映了復合體本身的材料特性。

3.3 土性對土工格柵的影響

土與加筋材料接觸的表面糙度及嵌固性是發揮土工格柵加筋作用的主要條件,不同土與土工格柵表面相接觸表現出的力學性能不同。采用300mm直剪盒測定沿土工格柵與不同填料接觸面的直剪試驗(文獻7)結果表明:土顆粒表面越粗糙,內摩擦角越大,土工格柵加筋后效果越好。

表1 土工格柵與不同填料接觸面的抗剪強度

4 土工格柵在高速公路填挖過渡段的應用

某高速公路全線位于丘陵區,丘包群立,溝谷迂回,為盆地典型丘陵地形,全線路基填挖相間,軟土地基達54處,約13km長,填挖交界處較多,填挖過渡段路基的主要問題則由于不均勻沉降而引起,因此,對填挖過渡段的處治應重點放在解決沉降上。

為了評價土工格柵的使用效果,挖填段應用土工格柵進行處理,進行現場測試,取地基條件基本相同,路基填筑方式、路基填筑高度與填筑時間基本相近的段落進行比較,共選取了4個試驗段,8個觀測段面進行分析。

a.k94+805,填挖過渡段填方處93區頂部埋設2層土工格柵進行處理(段面A)。

b.k94+805,填挖過渡段填方處93區頂部不鋪土工格柵(段面B)。

c.k106+120,填挖過渡段填方處93區頂部埋設1層土工格柵進行處理(段面A)。

d.k106+120,填挖過渡段填方處93區頂部不鋪土工格柵(段面B)。

e.k101+365,填挖過渡段填方處93區頂部埋設3層土工格柵進行處理(段面A)。

f.k101+365,填挖過渡段填方處93區頂部不鋪土工格柵(段面B)。

g.k104+985,填挖過渡段填方處距93區頂部3m處埋設2層土工格柵段面A)。

h.k104+985,填挖過渡段填方處93區頂部不鋪土工格柵(段面B)。

圖7 填挖過渡段土工格柵布置圖

4.1 數據的測試

4.1.1 現場回彈模量檢測試驗 在現場,按《公路路基路面現場測試規程》(JTG E60—2008)中的承載法(T 0943—2008)進行,測試位置為95區頂部,各實體工程測試結果見表2。

另外,為探討4層土工格柵對提高路基回彈模量的影響,在k100(+600—+700)段路基93區的頂面同樣按實體工程中的埋設方式,埋設了4層土工格柵,在其95區頂面進行回彈模量測定,結果為57.7,相對于未埋設土工格柵的路基頂面回彈模量42.8而言,提高了34.8%。

從實體工程8個觀測段中的實測數據可知,土工格柵對減少路堤沉降從而削減填挖過渡路基的不均勻沉降效果明顯。各實體工程完工時、完工后100d、200d、300d的沉降量如表3、圖8、圖9、圖10、圖11。

4.1.2 沉降觀測

由表3、圖8、圖9、圖10、圖11可知,完工時埋設土工格柵的A斷面的沉降量比未埋設土工格柵的B斷面均要小。完工后隨著時間或行車荷載的影響,其埋設土工格柵的A斷面相對于B斷面沉降量的減少百分比將隨之增加,且埋設土工格柵的A斷面的沉降量在完工150d后變化遂即逐漸減小。

表2 實體工程剛度試驗結果

表3 實體工程完工后各時期的沉降值

圖8 段落a、b施工期沉降曲線

圖9 段落c、d施工期沉降曲線

圖10 段落e、f施工期沉降曲線

4.2 試驗數據分析

4.2.1 土工格柵層數對回彈模量的影響 通過現場試驗,在93區頂部埋設1層、2層、3層、4層土工格柵后,其95區頂面的回彈模量較未埋設的分別提高10.0%、21.8%、32.4%、34.8%(圖12),說明埋設土工格柵能提高路基回彈模量。對于埋設位置相同的情況,土工格柵埋設的層數越多效果越好。但是,當層數為4層時,回彈模量的提高量已不如3層時的提高量大。因此,從經濟角度來說,2層～3層是比較理想的選擇。

圖11 段落g、h施工期沉降曲線

圖12 土工格柵層數對95區頂面回彈模量的影響

4.2.2 土工格柵埋設位置對回彈模量的影響 在距93區頂面3m處埋設2層土工格柵后,其95區頂面的回彈模量提高7.9%。說明對于同為埋設2層的情況,由于埋設部位不同,效果則不同(圖13),埋設在93區頂部還可以取得較好效果。這與室內CBR值試驗的結果是一致的。

圖13 同層數(2層)土工格柵埋設位置不同對95區頂面模量的影響

4.2.3 土工格柵層數、埋設部位對沉降的影響 實體工程1、2、3為埋設土工格柵2層、1層、3層的對比試驗。根據觀測數據,可得出層數對減少沉降量百分比的影響(圖14)。

圖14 不同層數的土工格柵在不同時期對沉降的影響

圖14曲線表明,埋設2層～3層土工格柵,對減少沉降百分比的效果最好。

實體工程1和工程4埋設的土工格柵均為2層,但其位置不同,對沉降量的影響也不同,根據觀測數據,也可得出影響結果(圖15)。

圖15 同樣層數(2層)不同埋設位置在不同時期對沉降的影響

由圖15可以看出,同樣層數(2層)的土工格柵,其埋設位置不同,效果也就不同。埋設在93區頂面的實體工程2,其沉降量減少百分比始終比埋設在距93區頂面3m處的實體工程4的值要大。

5 與其他處理措施的經濟比較

為了使土工格柵在高速公路填挖過渡段的路基處理中得到應用推廣,現對土工格柵和其他處理措施進行經濟費用估價。為方便進行比較,處理段的長度為50m,處理寬度為12m。

5.1 高壓旋噴樁經濟費用估價

高壓旋噴樁51.43元/延長米,處理深度5m,樁間距1.0m,樁長總計約3 315延長米,費用約為170 490元;砂墊層136.94元/m3,砂墊層用砂量約360m3,費用約49 298元;施作粉噴樁費用總計約219 788元。

5.2 換填處理經濟費用估價

清除原地基廢料:18.65元/m3,清除數量約為1 916m3,費用合計約37 300元。回填適用性材料20.75元/m3,回填數量約6 839m3,費用合計約141 900元。換填處理費用加抽水及棄料用地費用約為180 281元。

5.3 土工格柵處理經濟費用估價

土工格柵16元/m3,共鋪3層,土工格柵使用總面積約為3 656m2,再加上其他輔助施工費用,總費用合計約86 828元,比高壓旋噴樁處理費用降低153%,比換填法處理費用降低108%,采用土工格柵具有明顯的經濟優越性。因此,為保證該段路基工程質量,同時為節約投資,根據以上經濟比較,對本段填挖過渡地基采用土工格柵處理措施較為適宜。

6 結 語

土工格柵作為一種新型的巖土工程材料,由于其具有良好的抗拉性能、耐久性強、穩定性好、施工方便、價格較低等特點,在進行路基處理時有很強的競爭力。結合某高速公路填挖過渡段在對4種不同埋設土工格柵情況的實體工程進行了沉降和現場回彈模量試驗,根據觀測的數據分析以及與其他處理方式進行經濟性比較,獲得以下結論。

①在93區埋設土工格柵能顯著減小路基的沉降變形。埋設1層、2層、3層土工格柵的路段比未設置土工格柵的路段分別減少5.6%、22.6%和26.5%的沉降值。

②埋設土工格柵路堤表面的回彈模量值較未埋設的要提高10%～32%。

③埋設土工格柵路堤,在完工后150d左右其沉降量隨時間推移,增長速率趨于穩定。

④土工格柵埋設在93區頂面的效果要好于埋設在距93區頂以下3m處的效果。

⑤增加埋設土工格柵的層數,盡管對減少變形仍然有效,但所起的作用有限。層數的選定一般在2層～3層,并應根據沉降控制目標和增加的費用進行比較后確定。

⑥與其他地基處理方式相比,土工格柵在高速公路填挖過渡段地基處理中具有良好的經濟性。

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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;編輯:侯鵬飛

嚴剛(1976—),男,工程師,碩士,主要從事巖土工程勘察工作.