路基頂面鋪設不同土工合成材料對路面結構的影響試驗分析

張 杰，孫志國

(黑龍江省公路勘察設計院哈龍江分院)

1 試驗方案簡介

方案1——在土基頂面鋪設鋼絲纖維網，方案2——在土基頂面鋪設土工格柵，方案3——在土基頂面鋪設雙層不透水土工布。在加載測試位置所對應的土基頂面(即土工合成材料底部)埋設壓力盒，以觀測土基頂面壓力隨荷載變化以及應力消散情況。路面結構示意如圖1所示。

圖1 試驗路結構示意圖

模擬現場情況，土基頂面的模量控制在不超過30MPa。在土工合成材料鋪設完畢后，填土5cm，測試填土的回彈模量，并記錄加載過程中壓力的變化情況。在填土上鋪筑18cm的級配碎石，分三層攤鋪碾壓。每鋪設一層(6cm厚)均測試頂面回彈模量、塑性變形和壓力值。

2 試驗結果分析

2.1 不同土工合成材料對頂面回彈模量的影響

不同填土厚度下，鋪設鋼絲纖維網的各結構層整體強度大于鋪設土工格柵和雙層不透水土工布時的各結構層。但在填土厚度較薄(亦即上覆壓力較小)時，不論鋪設何種土工合成材料，對整體強度的改善并不明顯。因此，土工合成材料的鋪設應選擇合適的層位，以確保土工合成材料承受足夠的上覆壓力。

三種不同試驗方案的土工合成材料各填層頂面的回彈模量如表1所示，各試驗方案中不同填層頂面的回彈模量變化曲線如圖2所示。

頂面回彈模量可充分反映各結構層的整體強度，從測試結果的表1與圖2可以看出:各試驗方案的不同土工合成材料對各填層頂面回彈模量增長的貢獻由大到小排序為鋼絲纖維網、土工格柵、雙層不透水土工布。

2.2 不同土工合成材料對頂面塑性變形的影響

三種不同土工合成材料試驗方案的一個共同點是隨著填土厚度的增加，測試頂面的塑性變形(不可恢復的變形)逐漸減小，厚度較小時變化幅度較大。

表1 不同土工合成材料各填層頂面回彈模量MPa

圖2 不同土工合成材料各填層頂面回彈模量變化曲線

鋼絲纖維網在填土厚度較小時(5cm)，塑性變形隨荷載水平呈曲線變化，而隨填土厚度的增加(11～23cm)，基本以直線的形式變化。這是由于鋼絲纖維網的縱向和橫向強度均較大，變形較小而引起的。

隨著填土厚度的增加，土工格柵抵抗變形的能力逐漸接近鋼絲纖維網，在適宜的填土厚度下，低水平荷載時，甚至要優于鋼絲纖維網。但在較高的荷載水平下，較鋼絲纖維網仍有一定的差距。

總體而言，土工布在抵抗塑性變形方面作用較小。在抵抗塑性變形方面，鋼絲纖維網在較高的荷載水平下能夠發揮更大的優越性，在較低的荷載水平下，土工格柵和鋼絲纖維網抵抗變形的能力相差不大。

三種不同土工合成材料試驗方案在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的塑性變形如表2所示，各試驗方案中不同填層頂面的塑性變形變化曲線如圖3所示。

表2 在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的塑性變形(0.01mm)

圖3 不同土工合成材料在0.3MPa荷載下各填層頂面塑性變形變化曲線

從表2和圖3中可以看出，在5cm填厚時，方案1頂面的塑性變形明顯小于方案2和方案3，其值為方案2的61％，方案3的34％左右。隨填厚的增加，方案1和方案2的頂面塑性變形的差別逐漸減小。填厚23cm時，方案1的塑性變形為方案2的82％，方案1的62％。這意味著，相對于土工格柵和土工布，鋼絲纖維網能夠有效地抑制基層頂面塑性變形;但這種抵抗塑性變形的效果隨著路面結構厚度的增加而逐漸減弱。

從抵抗基層頂面的塑性變形的角度而言，在荷載水平較低時，土工格柵方案的性能和鋼絲纖維網方案相近，在較高的荷載水平下，鋼絲纖維網方案的性能要優于土工格柵，這兩種方案均優于鋪設雙層不透水土工布。

2.3 不同土工合成材料對頂面塑性變形的影響

不論在土基頂面鋪設何種土工合成材料，隨著填土厚度的增加土基頂面的壓應力逐漸減小。但這種變化不是線性的，初期變化較大，后期較不明顯。

三種不同土工合成材料試驗方案在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的壓力變化如表3所示，各試驗方案中不同填層頂面的壓力變化曲線如圖4所示。

從表3和圖4中可以看出，在5cm填厚時，三種方案下土基頂面應力的差別不是特別明顯，兩種方案的最大差異只有3％。隨著填厚的增加，這種差別逐漸增大，在填厚23cm時，鋼絲纖維網的應力消散能力比土工布大10.7％，比土工格柵大4.3％。這也充分說明了鋼絲纖維網只有在上層能夠提供足夠大壓力的情況下才能充分發揮作用。從土基頂面的應力消散情況看，在上層壓力較小的情況下，鋼絲纖維網并不能充分發揮作用。但隨著填層厚度的增加，鋼絲纖維網的應力消散大于土工格柵，而土工格柵又大于雙層不透水土工布。

表3 不同土工合成材料在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的壓力值

圖4 不同土工合成材料在0.3MPa荷載下各填層頂面壓力變化曲線

3 結語

通過室內加載模擬試驗，在路基頂面鋪設三種不同的土工合成材料對路基頂面的作用數據表明，在回彈模量、塑性變形、壓力消散三個方面，都說明鋪設鋼絲纖維網為最有利，而鋪設土工格柵次之，鋪設雙層不透水土工布排列第三位。

[1] 公路路基設計規范(JTJ 013-95)[M].北京:人民交通出版社，1996.

[2] 公路土工合成材料應用技術規范(JTJ 019-98)[M].北京:人民交通出版社1999.

[3] 公路土工合成材料試驗規程(JTJ/T 060-98)[M].北京:人民交通出版社，1999.