土工格室的作用機理與工程應用現狀

劉金萍，黃安榮，石文建

(貴州藍圖新材料股份有限公司)

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土工格室的作用機理與工程應用現狀

劉金萍，黃安榮，石文建

(貴州藍圖新材料股份有限公司)

摘要：詳細介紹了土工格室的由來、分類、材料特性，以及土工格室作為加筋材料的作用機理以及現階段工程應用現狀。

關鍵詞：土工格室；加筋材料；應用

1概述

土工格室最早出現于20世紀80年代，作為一種新型的土工合成材料，以其優異的性能迅速占據巖土工程應用市場。土工格室是由聚合物寬條帶經由強力焊接或鉚接鍵連接成的立體網狀物，在使用時張開并充填石或混凝土料，能夠構成強大的側向限制和大剛度的結構體。一方面根據土工格室的規格、高度、強度的不同，可以用于坡面防護、沖刷防護及基礎墊層。另一方面，從環保角度看，在土工格室結構體上覆蓋綠色植物，不僅可以達到綠化效果，同時可實現水土保持，使得土工格室成為當今社會不可多得的環保材料。

土工格室優良的工程使用性能主要體現在以下幾個方面：(1)土工格室具有較穩定的化學性能，耐酸、耐堿，適用于不同的地質環境。(2)土工格室可以分散幾種載荷，提高松軟地基承載力。(3)填充材料可就地取材，可縮疊便于運輸，大大降低工程成本。(4)在施工過程中土工格室的選擇較為靈活，可滿足不同的實際需要和環境美觀要求。

2土工格室分類

土工格室根據不同的施工要求，不同的現場使用條件，有不同的類型。國內的土工格室發展主要經歷了自發應用、技術引進、與國際接軌建立組織、步入標準化等四個時期。目前土工格室在我國的應用范圍并不大，沒有形成規模，但是隨著國家對基礎工程建設的重視，環保安全的施工理念的貫徹，土工格室具有十分廣闊的應用前景和較大經濟價值。

在工程現場應用的土工格室根據形態主要分為三類，如圖1所示。分別為(a)由土工格柵制備的格室，(b)穿孔片狀土工格室，(C)無穿孔柔性土工格室。(a)由土工格柵手工裝配構成的穿孔土工格室。將土工格柵按照一定的長度和寬度裁剪，將其中部分卷曲，在工程現場利用金屬或塑料作為連接部件裝配合成。根據排布和連接方式不同，格室的形狀也不同，一般成V形或菱形。并且可根據使用的目的及要求，用不同強度和不同材料的土工格柵構成不同規格的土工格室，在施工過程中靈活性較大。這種方法制備土工格室在工程中應用較少。(b)蜂窩狀穿孔的片狀土工格室。有孔型土工格室可以提高土工材料與填充物的摩擦性能，同時孔的存在有利于側向排水。(c)由柔性薄片組成的無穿孔土工格室。每個格室都獨立的，有效防止了填充物側向移動。焊接點和薄片的高拉伸強度構成了一個可以承載高強度的結構，在其中添加泥土或其他材料時，可以作為鐵路、斜坡或車道的基層或基礎墊層。

3作用機理

土工格室的強度和模量較大，作為抗拉筋材加入到土體中構成一種柔性結構層。通過這一柔性墊層，可以達到充分分散上部集中載荷，減小地基壓應力，限制水平和縱向的位移，提供較大的地基承載力。這種加固技術，主要是通過土工格室與加固體之間的相互作用達到加固作用。主要表現在三個方面如圖1所示。

圖1　土工格室作用機理

3.1　土工格室的傳遞載荷作用

在受力變形過程中，由于土工格室與土體的變形模量不同，兩者之間錯動的發生導致接觸面上產生相互摩擦作用。摩擦力使得縱向部分載荷經由土工格室向外傳遞，從而達到減小地基壓力，提高地基承載力的目的。

3.2　土工格室對土體的側向約束作用

土工格室與土體摩擦力的存在，使得土工格室對格室外土體產生摩阻效應，在一定的變形條件下，變形越大，摩阻效應越強。從而對土體產生側向約束作用。另一方面，在土體被夯實或上部受到載荷時，格室壁承受由土體側向位移所產生的張力，對單元格室內的土體產生一個緊箍作用，提供側向約束作用。

3.3　土工格室的網兜效應

在土工格室中填入密實的填料后，土工格室與填料構成一個高模量的復合體。在受到外力作用下，會形成一個凹曲面，形成網兜效應，通過土工格室的拉伸變形來承載外力。其次，立體格室還起到一個力和位移的隔離作用。這種隔離作用在一定程度上提高了土體的整體性和連續均勻性，能很好地使應力得到擴散、均化、該百年地基應力場和應變場作用，達到加固作用。

總的來看，土工格室的加固作用主要在這三個方面，哪種作用起主導作用隨著工程環境的不同有所不同。在一般地基條件下，主要是利用土工格室的側向約束力提高土體的強度和剛度、減小變形。而在軟弱地基上，土工格室的網兜和隔離效應則發揮更大的作用。

4土工格室的工程應用

4.1　軟土地基加固

我國地域遼闊，整體地質情況復雜，軟土地基在我國站很大一部分區域。軟土是指濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的細粒土。軟土地基的性質因地而異，因層而異，不可預見性大。由于軟土強度較低，壓縮性較大，容易產生地基破壞和過大的沉降或是不均勻沉降。在設計、施工過程中，稍有疏忽就會出現質量事故。提高地基的承載力是土工格室最早的應用領域。將土工格室鋪于軟土地基之上，在每個單元格室中填入顆粒排水材料(如碎石或砂礫)，以形成穩定的墊層結構。格室與填充物之間的摩擦力及限制力不僅提高了土體的圍壓，使之獲得“準粘聚力”。還可以有效限制填料的橫向移動，分散上部荷載產生的應力，使不部分垂直力被轉化成向四周分散的側向力。由于單元格室的獨立性，相鄰格室的側向力大小相同，方向相反而相互抵消，在一定程度上降低了地基的實際負荷。當格室側壁有斜紋、穿孔時，還可進一步提高承載力。加速軟土排水固結，減少路基不均勻沉降。側壁的穿孔兼有排水、允許根系橫向發展的作用，同時減小材料的消耗。

我國利用土工格室加固地基早期主要在整治鐵路基床下沉外擠病害。經過大量的室內和現場試驗分析，鋪設土工格室與基床換填方法相比，動應力沿深度衰減很大，有效約束了軟弱基床的側向位移和擴散應力，顯著改善了基床的動應力分布。加固效果良好符合規范要求，且大大減少了工作量。

4.2　路基邊坡防護 沖刷防護

護坡是土工格室另一重要的應用領域，利用土工格室固有的強度和韌性，土工格室將粘聚力小的填充料組成連續的單元體，使填充料的滾動摩擦轉換成個連續單元體之間的整體滑動摩擦，增加分散性填充料的穩定性。并且可以在根石處設置枕梁，使護坡與根石基礎形成一個連續、統一的整體。不僅可以增加護坡的整體穩定性，而且可以控制坡比，縮短坡長。將土工格室與薄型鋼纖維混凝土結合使用，不僅降低了工程造價，而且也使護坡形式向輕、巧、薄的方向發展。另一方面其獨特的立體結構還具有一定的分割阻斷作用。特別是透水型的土工格室，可以促進雨水的下滲，使雨水難以匯集形成地表徑流，一定程度上避免了因水或水流沖刷而產生潛溝、切溝等溝蝕產生。控制 了坡面的坍塌，水流可以從格室側壁特設的孔眼排出避免形成暗流。另一方面，在土工格室上可以種植各種植物，不僅起到美化環境的作用，灌木植被發達的根系可以起到保護斜坡穩定的作用，共建一個生態平衡系統，相互依存，共同作用，互為補充。這種方法同砌石防護相比，可節省造價約50%。

4.3　用于高速公路擴建

由土工格室的加固機理分析可知，土工格室可以很好地避免土方因載重過大而發生變形，大大提高路基的承載力。隨著國民經濟的快速發展，特別是在沿海經濟發達地區已建成的高速公路中，很大一部分已經不能適應交通量的增長和社會發展的需要，急需拓寬擴建。但是限制這一方面工程發展的主要因素有三點：(1)沿海經濟發達、城鎮化程度高、征地十分困難。(2)原路堤與拓寬路堤之間存在沉降差異及地基承載力差異。(3)新舊結合面連接強度不高。而土工格室斷面型式具有斷面小、結構安全、經濟合理等優點，其抗拉強度≥200 MPa，斷裂延伸率<15%。土工格室對填料的側向約束及向上的摩擦支撐力，可以與填料形成一個具有較大彎拉剛度與抗剪切強度的復合體。此復合體能夠部分隔離應力和位移的傳遞，從而柔性過渡和協調不同路段的沉降差異。土工格室對局部荷載的網兜效應及加筋作用對土中縱向應力和剪應力的降低，也對新舊結合面起到一個承接作用，消除了新舊路面的地質差異。基于土工格室的這些優點，高強土工格室能較好地解決高速公路拓寬工程中可能出現的問題。但國內應用還處于試驗研究階段。

4.4　用于臺背填筑工程

隨著我國高速公路的建設與快速發展，已建公路在使用過程中逐漸暴露出一些問題。其中較為普遍的問題即橋梁后臺的搭板斷裂及不均勻沉降，這些問題不僅會導致橋頭跳車現象，而且會加速橋臺臺背、橋頭伸縮縫以及接縫路面的破壞。引起這些問題的主要原因有三點：(1)地基土質不良，由于路基起伏較大，地下水位一般較高，在其上填筑路基產生的基底應力相對較大易引起地基沉陷。(2)臺背填料因因存在孔隙，含有水分，在長期荷載作用下逐漸壓縮，產生壓縮沉降。(3)設計施工導致的路基沉降。為解決這一問題，利用土工格室加固層獨有的立體結構以及本身較好剛度、整體性形成的柔性結構層作為承重層。土工格室作為加筋材料，在外力和自重的作用下發生膨脹變形時，筋材對土體的約束應力有效阻止了土體的伸延變形。在施工過程中，將土工格室鋪設在路橋過渡段，在橋臺和路堤的過渡段設置楔型加固區，一端固定在橋臺，另一端鋪設在路基上。這種鋪設結構也能大幅度減小路堤自重的壓縮變形，而且通過從橋臺到路基的模量不斷改變，可以實現剛性橋臺與柔性路基模量的平穩過渡，從而有效消除地基在施工后沉降變形的影響，消除過大的沉降差異，以達到平緩的沉降過渡，防止“橋頭跳車”土工格室處理填挖交界處路基的不均勻沉降問題，其原理與處理橋頭跳車異曲同工。

4.5　其他

土工格室的應用還包括路基支擋工程、沙漠地區筑路等。我國早在98年就對土工格室用于支擋工程做了初步的嘗試。傳統金屬層面擋土墻結構，由于焊接鋼筋或石籠的面層有表面不平，填土材料暴露、擋土易于受到環境的侵蝕，鋼筋銹蝕導致材料易受到破壞，使用壽命急劇縮短。采用土工格室建造擋土墻，將它作為一種加筋材料呈層狀水平埋置于土中，利用混凝土、木材或其他材料組成的預制件有效進行遮蔽和保護，大大減少環境侵蝕造成的影響。土工格室的鋪設從上到下具有一定的角度。這種結構不僅穩定性好，而且還可以防止陡坡表面被雨水沖蝕。與傳統的混凝土擋土墻和重力式擋土墻相比，通過土工格室加筋的擋土墻具有眾多的優點：施工簡潔快速，不需要大型施工設備及專業施工人員；占地面積少，一般不需要非常堅固的剛性基礎支撐；土工格室本身具備的柔軟性，能夠很好適應不良地質條件而引起的變形，其抗震能力也較剛性擋土墻好。綜合這些優點，土工格室擋土墻與混凝土相比，造價降低50%以上。與圬土墻體相比，造價降低了15%~30%。其表面還可以種植花草，起到美化環境的作用。另一方面，因探礦、采油等工作的需要，經常需要在沙漠地區筑路。由于沙漠特殊的地質、地理環境，導致筑路材料匱乏，筑路困難成本很高。利用土工格室強大側限能力，對加固風積砂獨特的優勢，可以很好解決這一難題。在施工過程中將土工格室直接固定在砂基上，然后就地取材填入砂石，操作簡單效率極高。施工后的路面可滿足各種重型卡車長期使用。

5結語

土工格室作為一種新型的土工合成材料，作為一種新的土體穩定和加固材料，在我國的發展時間相對來說比較短，但其應用領域非常廣泛。國內外科研和工程技術人員對于土工格室的研究主要是針對具體工程應用進行的一系列試驗研究和理論研究，并且非常有限，未能形成一個完整的體系。因此，對土工格室及其加固技術的研究，一方面可以解決土工格室在工程應用中的一系列問題，加快土工格室本身體系的完善，制備出高強度，高性能不同規格的土工格室產品，使這項新技術得到發展；另一方面增強對土工格室應用的了解，加大其推行力度，可大大提高工程質量及施工效率，能產生巨大的社會經濟效益。目前為加快土工格室材料理論研究的完善及新技術的發展，國內外針對工程應用進行了大量的試驗研究和理論研究，充實和完善土工格室的理論體系，為制定相應的技術標準提供科學依據。

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收稿日期：2014-11-05

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0017-02