加筋土的作用機理及其在公路工程中的應用

沈慧萍

將土工合成材料應用于加筋土工程,該項技術在我國應用是從20世紀80年代初開始,如:京津塘高速公路等。20世紀90年代中期開始,國產的土工合成材料種類迅速增多,產品也逐漸系列化,同時加上國家加大基礎設施的投資,加筋土工程得到了較大的發展,目前已廣泛應用于水利工程、港航工程、公路工程等各個領域。

1加筋土的概念

土工合成材料的主要功能之一——加筋功能是指將土工合成材料鋪設于土中形成加筋土,形成復合體結構,從而使整個結構系統的力學性能得到較大改善。土體本身具有一定的抗壓和抗剪強度,而其抗拉強度卻很低,將適當的筋材摻入或鋪設于土中后,可以擴散土體所受的力,傳遞拉應力,限制土體的側向移動,從而可以提高土與周圍建筑物的結構穩定性。

2加筋土的機理

將筋材沿主應變方向鋪設來提高土體的抗拉強度,其原理與在混凝土中加入鋼筋的類似,土與筋材形成復合體,共同承擔外力,筋材與土體的相互作用是其抗拉強度增加的主要原因。根據工程實踐可知,加入筋材以后的松砂可保持一定的高度和直立狀態而不倒塌,這說明加筋土的力學性能與穩定性與加筋前相比,都得到了較大的改善。

到目前為止,對筋材與土體之間相互作用原理的解釋大致可總結為兩類:一是摩擦加筋原理;二是準粘聚力原理或似粘聚力原理。

試驗發現:加筋土的抗剪強度包絡線是呈雙直線的,轉折點對應壓力即為臨界周圍壓力。臨界周圍壓力的大小和加筋土界面的摩擦抗剪強度以及筋材的抗拉強度有關:筋材與土體之間界面的摩擦抗剪強度越大,臨界周圍壓力越小。(1)當周圍壓力小于臨界周圍壓力時,加筋土的破壞形式是筋土相對滑動破壞,這主要是由于筋材的摩擦角增加提高了加筋土的抗剪強度;(2)當周圍壓力大于臨界周圍壓力時,加筋土的破壞形式為筋材拉斷破壞,這主要是由于粘聚力的增加使得加筋土抗剪強度得到了提高。

3加筋土在公路工程中的應用

3.1 路堤加筋

當在路堤中加入筋材,路堤的整體穩定性可以得到提高,并且其不均勻沉降有所減小并得到控制,因此加筋土在路堤中得到了較為廣泛的應用。其工作原理是利用筋材具有抗拉能力,通過土與加筋材料之間的摩擦力,限制土體的側向移動從而提高路堤的穩定性,路堤的整體性得到提高,均勻分散荷載,減小不均勻沉降。在工程中,主要采用土工格柵、土工織物、土工網等土工合成材料作為路堤加筋的筋材,這些土工合成材料應該具有足夠的抗拉強度,具有較高的刺破強度、頂破強度等特性。只有填方壓實度良好時,筋材與土體之間才具有足夠的摩擦力,才能最大發揮其加筋效果。因此在施工中,應加強路堤的壓實,使得填方路堤得到充分壓實,以保證加筋土的加筋效果。

3.2 軟土地基處理

軟土具有天然含水量大、可壓縮性高、承載能力低的特點,因此在軟土地基上修建公路,必須對其進行加固處理。采用土工合成材料對墊層和路堤下部加筋處理,不但可以提高路堤的穩定性,還可以改變其力學性能,因此進行軟基處理時會經常采用加筋土技術。將土工合成材料設置在路堤底部,除了具有上述的加筋效果外,還兼有過濾、排水、隔離等多種功能。筋材應在路基全寬范圍內滿鋪,并且將其鋪設于排水墊層之上,同時盡可能設置于路堤底部。

3.3 路面加筋

將加筋技術應用于路面工程中,主要由于其可以減少或延緩反射裂縫的數量,減少瀝青路面的車轍等優點,且在半剛性基層瀝青路面中基層的疲勞壽命還可得到適當的提高。瀝青路面加筋是利用筋材的抗拉強度和抗拉模量較大來阻止裂縫向路面延伸。目前主要選擇土工織物和玻纖網等土工合成材料應用于瀝青路面加筋的,這些選用的筋材必須具備強度高,延伸率小,同時要求材料耐高溫,否則材料的性能會在高溫攤鋪瀝青混凝土時發生明顯變化。

3.4 加筋土擋土墻

在公路工程中,路基擋土墻、加筋土橋臺以及護坡工程等是加筋土擋土墻的主要應用形式。墻面板、填料、筋材這三部分組合而成形成加筋土擋土墻。在加筋土擋土墻結構中,其作用機理是由于填料自重和外力能共同產生側壓力,墻面板由于受側壓力的作用,通過面板上連接件將此側壓力傳遞給筋材,該力有將筋材從填料中拉出的趨勢,而筋材又被填料與筋材之間的摩擦力阻止。由此可見填料和筋材由于摩擦力的存在從而被聯結起來,加上墻面板,即形成一重力式擋土墻。

加筋土擋土墻結構的特點:(1)施工中可以預先制作面板和筋材,從而使加筋擋土墻的施工變得簡便、快速,可以節省勞力和縮短工期;(2)加筋土擋土墻是一種很好的抗震結構物,主要是由于其結構物柔性,能夠適應地基輕微的變形;(3)加筋土擋土墻同時具有節約用地,造型美觀的特點;(4)加筋擋土墻的造價比較低;(5)加筋土擋土墻的安全性能較好。

4結語

加筋土的效果不僅和筋土界面的摩擦特性有關,同時還與加筋材料的層數或間距、布置、強度和剛度等多種因素有關。一般認為加筋的間距越小,筋土界面的摩擦強度越高,加筋效果越顯著。在一定的范圍內,抗剪強度隨著加筋層數的增加而近似線性增加,但超過某一加筋層數后,抗剪強度不再有明顯的增加。

用于加筋土工程中的土工合成材料非常廣泛,新型材料在不斷的推出,加筋土的應用領域在不斷擴展,其應用是一項不斷發展完善的新技術。但是加筋土的實踐應用和理論計算方法并不是同步發展的。有些加筋土應用技術有著較豐富的經驗,且建立了一套相對成熟的設計計算方法;但還是有很多經實踐應用反映出有較好的加筋技術,但其基本理論研究還不夠成熟,目前完整的設計計算方法還沒有建立起來。所有在今后的設計、研究及施工應用中,需要通過不斷的實踐經驗總結和理論研究,來進一步提高和完善。

參考文獻

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