塑料土工格柵在路基加固中的應(yīng)用

周冠卿

中國水利水電第十一工程局有限公司 河南 鄭州 450000

1 工程及產(chǎn)品概況

塑料土工格柵是一種以高分子聚合物為主要原料,經(jīng)過拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物網(wǎng)材。按制造時(shí)拉伸方向一般分為單向拉伸土工格柵(TGDG系列)和雙向拉伸土工格柵(TGSG系列)。它是在擠壓制出的聚合物板材(原料多為聚丙烯或高密度聚乙烯)上沖孔,然后在加熱條件下施行定向拉伸。單向拉伸格柵只沿板材長度方向拉伸制成,而雙向拉伸格柵則是繼續(xù)將單向拉伸的格柵再在與其長度垂直的方向拉伸制成。經(jīng)雙向定向拉伸后,它的縱、橫向抗拉強(qiáng)度均勻,且具有良好的延性、抗拉性和耐腐蝕性。塑料土工格柵埋設(shè)在土壤、瀝青、泥沙等介質(zhì)時(shí),土工格柵各節(jié)點(diǎn)及肋條為荷載的傳遞提供了一系列的承載點(diǎn)和錨固點(diǎn)。當(dāng)土工格柵受到介質(zhì)的作用時(shí),土工格柵通過微小位移即可獲得足夠大的應(yīng)力,而不僅僅只依靠土工格柵表面與介質(zhì)間的摩擦作用,而且還通過網(wǎng)格與介質(zhì)之間的互相嚙合及互鎖作用來獲得更大的應(yīng)力。由此構(gòu)成一個(gè)高效應(yīng)力傳遞與反應(yīng)機(jī)制,從而發(fā)揮了土工格柵最大的抗拉效果。由于土工格柵在制造中聚合物的高分子會(huì)隨加熱延伸過程而重新排列定向,加強(qiáng)了分子鏈間的聯(lián)結(jié)力,達(dá)到了提高其強(qiáng)度的目的。其延伸率只有原板材的10%～15%。如果在土工格柵中加入炭黑等抗老化材料,可使其具有較好的耐酸、耐堿、耐腐蝕和抗老化等耐久性能。

2 性能特點(diǎn)

土工格柵主要具有以下性能特點(diǎn):

(1)應(yīng)力伸長率小,對基礎(chǔ)具有很好的穩(wěn)固作用,整體結(jié)構(gòu)性強(qiáng),節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高。

(2)土工格柵具有一定的剛度,從而使上面的負(fù)荷得到擴(kuò)散,提高了基礎(chǔ)的承載能力。

(3)由于土工格柵的抗拉強(qiáng)度大,拉伸強(qiáng)度范圍在25-110kn/m,它的存在可增加基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,即提高抗拉強(qiáng)度。

(4)長時(shí)間持續(xù)荷載作用下不變形,耐蠕變性能好。

(5)摩擦系數(shù)大(大多在0.8左右),網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完全融入土層,增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

(6)由于格柵網(wǎng)眼的存在制約了顆粒材料的橫向移動(dòng),形成了良好的嵌鎖作用。

(7)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,抗土埋、抗腐蝕性能好。耐酸、堿、鹽溶液;耐汽油、柴油等有機(jī)溶劑的侵蝕,不能被水分解。

(8)質(zhì)輕柔軟,便于運(yùn)輸,施工簡捷方便;耐老化,承受荷載使用壽命可達(dá)120年以上。

3 產(chǎn)品規(guī)格及技術(shù)指標(biāo)

(1)單向拉伸土工格柵單向拉伸土工格柵是一種以高分子聚合物為主要原料,加入一定的防紫外線、抗老化助劑,經(jīng)過單向拉伸使原來分布散亂的鏈形分子重新定向排列呈線性狀態(tài),經(jīng)擠出壓成薄板再?zèng)_規(guī)則孔網(wǎng),然后縱向拉伸而成的高強(qiáng)度土工材料。這種過程中使高分子成定向線性狀態(tài)并形成分布均勻、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高的長橢圓形網(wǎng)狀整體性結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量,抗拉強(qiáng)度達(dá)到100-200Mpa,接近低碳鋼的水平,大大優(yōu)于傳統(tǒng)的或現(xiàn)有的加筋材料,特別是此類產(chǎn)品更具有超國際水平的(伸長率在2%—5%)拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。給土壤提供了理想的力承擔(dān)和擴(kuò)散的連鎖系統(tǒng)。

(2)雙向拉伸土工格柵。

雙向拉伸土工格柵是一種在制造過程中對分子結(jié)構(gòu)沿縱、橫向重新排列的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料,其縱橫向均具備相當(dāng)大的拉伸強(qiáng)度,這種結(jié)構(gòu)在土壤中同樣也能提供一個(gè)更為有效的力的承擔(dān)和擴(kuò)散的理想的連鎖系統(tǒng),主要用于加固軟弱及復(fù)雜土基層、面層和鐵道道床。各種規(guī)格雙向土工格柵技術(shù)指標(biāo)見下表1。

表1 雙向拉伸高密度聚丙烯土工格柵

4 塑料土工格柵施工程序及要點(diǎn)

土工格柵夾于土層中間,形成復(fù)合土體結(jié)構(gòu),在土體重量和活荷的作用下,土工格柵和周邊土體之間聯(lián)結(jié)摩擦,提高了土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性,摩擦加筋沉降量小的一端相當(dāng)于錨固端,沉降量大的一端相當(dāng)于自由端,自由端下沉?xí)r的剪切破壞受土工格柵的約束,企圖土工格柵從錨固端拉出,而錨固端被其上面土層的重力作用下,對土工格柵產(chǎn)生摩擦力,阻止自由端下沉。從而使土體得到更高的整體穩(wěn)定性。本次路基加固處理所用的塑料土工格柵是TGSG50-50型,延伸率為5%,其縱、橫向抗拉強(qiáng)度均為50k N/m雙向土工格柵,網(wǎng)孔尺寸為50mm×50mm,幅寬為6m,幅長為80m。雙向塑格柵具有延伸率低、剛度大、施工方便、加筋處治的效果好等優(yōu)點(diǎn),一方面在橫向上加筋處治的,另外在縱向上也能有效協(xié)調(diào)路基的差異沉降,相同條件下,應(yīng)變比塑料格柵小很多,能有效發(fā)揮土工格柵協(xié)調(diào)變形的作用;現(xiàn)場適應(yīng)性好。雙向土工格柵屬大網(wǎng)孔結(jié)構(gòu),對路基的平整度和尖銳填料具有很強(qiáng)的適用性,而且每卷長度為80m左右,施工方便;結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高,凸結(jié)點(diǎn)式鋼雙向格柵,結(jié)點(diǎn)連接牢固,不容易撕裂、損壞,能充分發(fā)揮土工格柵增強(qiáng)路基整體性、協(xié)調(diào)變形的作用。分別在路基填筑厚度30cm、60cm、90cm處(將格柵設(shè)置在與路基封頂位置相距20厘米的位置)分別鋪設(shè)土工格柵(雙向拉伸高密度聚乙烯土工格柵TGSG50-50),以確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。鋪好土工格柵后,機(jī)械開始鋪設(shè)回填料,及時(shí)完成碾壓,避免長期暴曬。然后采用裝載機(jī)運(yùn)料、推土機(jī)整平、振動(dòng)碾碾壓。施工順序從兩邊向中間推進(jìn),碾壓自兩邊向中間進(jìn)行,壓實(shí)度符合設(shè)計(jì)要求。杜絕一切施工車輛和施工機(jī)械行駛或停放在已鋪好的土工格柵上,施工中隨時(shí)檢查土工格柵的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)有折損、刺破、撕裂等損壞時(shí),視程度修補(bǔ)或更換。

4.1 技術(shù)要求

①素土含水率適中,且內(nèi)摩擦角￠≮30。,必要時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場土工試驗(yàn)。

②填料中不能有尖銳棱角、垃圾、雜質(zhì)、雜物等有損土工格柵的物品。

③填料最大粒徑不得大于100mm,應(yīng)小于設(shè)計(jì)要求,同時(shí)做好基坑的防水、排水措施。

④路基填筑厚度為30cm/60cm/90cm處分別鋪設(shè)塑料土工格柵,且每層土工格柵接縫處錯(cuò)開搭接,采用基床式鋪設(shè)。

4.2 施工方法

(1)首先精確放出回填邊線,為了保證基礎(chǔ)寬度,每側(cè)各加寬0.5m,把晾曬好的素土進(jìn)行回填后,采用18T振動(dòng)碾靜壓兩遍,振動(dòng)碾壓六遍,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)格柵的使用效果與基礎(chǔ)面的處理情況密切相關(guān),在鋪設(shè)前必須將基面上可能影響格柵與底層結(jié)合強(qiáng)度的物質(zhì)如油脂、封層料、水漬、污物等徹底清除干凈,使鋪設(shè)表面清潔干燥。如基面有積水時(shí),應(yīng)待基面干燥后再進(jìn)行鋪設(shè)。

(3)鋪設(shè)土工格柵時(shí),在平整壓實(shí)的場地上,基面應(yīng)較為平整,在壓實(shí)度滿足要求的土層上按照設(shè)計(jì)寬度鋪設(shè)土工格柵,用插釘固定,鋪設(shè)的格柵主要受力方向要求通長無接頭。攤鋪拉直、平順,緊貼土層,無扭曲、褶皺現(xiàn)象,不得重疊。土工格柵主要受力方向不宜設(shè)置接頭縫。各層土工格柵的兩端進(jìn)行固定,保持一定的松緊度,表面嚴(yán)禁有碎、塊石等堅(jiān)硬凸出物,局部起伏差不得大于5cm。相鄰的兩幅土工格柵需搭接0.15m。確保鋼塑土工格柵縱向極限拉力在60KN/M以上,橫向極限拉力在20KN/M以上,伸長率必須控制在5%以下。

(4)土工格柵按照設(shè)鋪設(shè)定位后,需要及時(shí)進(jìn)行填土覆蓋操作。幅與幅之間的連接人工采用專用卡具固定,層與層之間應(yīng)錯(cuò)縫。大面積鋪設(shè)后,要整體調(diào)整平直度,使格柵在土中為繃直受力狀態(tài)。順道路軸線方向的搭接寬度不小于15cm,按適當(dāng)距離,起點(diǎn)用“U”型釘固定,防止填土?xí)r位移。

(6)素土碾壓,在含水率適中的條件下,采用18T振動(dòng)碾開始碾壓,靜壓2遍,振動(dòng)碾壓6遍。碾壓機(jī)械應(yīng)采用進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓,每層壓實(shí)后,采取環(huán)刀法取樣做壓實(shí)度試驗(yàn),壓實(shí)度不應(yīng)小于0.96。

(7)第二層,第三次土工格柵施工方法同第一層一樣。在第一層土工格柵的基礎(chǔ)上,填筑60cm素土壓實(shí)后,開始鋪設(shè)第二次土工格柵,填筑要求同第一層一樣,最后再完成60cm素土回填壓實(shí)后,開始鋪設(shè)第三層土工格柵,三層土工格柵采用基床式鋪設(shè)。

5 施工中的注意事項(xiàng)

(1)材料保管塑料土工格柵是一種土工合成材料,遇紫外線易老化,故格柵應(yīng)堆放在通風(fēng)遮光的室內(nèi);堆放的時(shí)間累計(jì)不超過3個(gè)月,否則必須重新檢測;鋪設(shè)時(shí)應(yīng)注意縮短太陽光直接照射的時(shí)間,施工時(shí)暴露的總時(shí)間以一個(gè)班為宜,同時(shí)做好防火工作;不同型號的土工格柵應(yīng)分開堆放,并應(yīng)在格柵上標(biāo)出各自不同的明顯標(biāo)記,以防止混用。

(2)質(zhì)量管理在選擇原材料時(shí),必須有出廠合格證明,進(jìn)入現(xiàn)場的格柵,必須進(jìn)行試驗(yàn),各性能指標(biāo)均合格后方可施工。一般應(yīng)選擇有正規(guī)資質(zhì)的大型土工格柵廠家,同時(shí)要求廠家提供格柵長期蠕變斷裂強(qiáng)度指標(biāo)(包括10℃、20℃、30℃下60年、120年的長期蠕變斷裂強(qiáng)度)、比較具體的抗老化性能指標(biāo)、最小炭黑含量(不小于2%),以及檢測機(jī)構(gòu)的合格鑒定。

(3)鋪設(shè)土工格柵為避免塑料土工格柵在施工中受到損傷,嚴(yán)禁機(jī)械在土工格柵上行走,機(jī)械與土工格柵之間應(yīng)保持30cm厚的回填層,在鄰近結(jié)構(gòu)面的2m范圍內(nèi),建議用18T振動(dòng)碾壓實(shí)填土。填土過程中應(yīng)用插釘或土石固定,防止土工格柵移動(dòng)。

(4)格柵填工

在批次為720,學(xué)習(xí)率為0.03的實(shí)驗(yàn)條件下,對網(wǎng)絡(luò)輸入步長問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以RMSE作為評價(jià)指標(biāo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在鋪設(shè)完成的土工格柵上繼續(xù)填筑路基時(shí),將拌合好的填料攤鋪時(shí),應(yīng)先提鏟高推將土工格柵全部覆蓋后再按松鋪厚度推攤,輔以人工清撿硬質(zhì)塊料,以防土工格柵扭曲,移位。

(5)施工質(zhì)量檢驗(yàn)

在路基回填加固施工結(jié)束之后,需要對填土沉降情況進(jìn)行觀測,沉降降觀測通常是基于沉降管進(jìn)行,即在沒做橋臺設(shè)兩根沉降管,同時(shí)將沉降布設(shè)量。

6 土工格柵的使用效果

(1)增加了底板的穩(wěn)定性,有效防止滑移、沉陷等現(xiàn)象的發(fā)生。另一方面,使其上部施加的荷載能均勻分布在地層中。也就是說,在地基在上的荷載作用下可能產(chǎn)生底板混凝土破壞時(shí),土工格柵將阻止破壞現(xiàn)象的發(fā)生,從而提高地基的承載力。當(dāng)土工格柵受到集中應(yīng)力作用時(shí),高彈性模量的土工格柵受力后將產(chǎn)生垂直分力,分散和抵消部分荷載,有效提高地基承載力,這一效果能有效提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

(2)有效提高地基承載力,通常在未經(jīng)處理的軟基礎(chǔ)上填筑素土,在一定的施工范圍內(nèi),都會(huì)出現(xiàn)不同程度的“彈簧”狀態(tài),填土難于壓實(shí),平整度差。經(jīng)鋪設(shè)土工格柵后,由于其約束作用,填料易于壓實(shí),表面平整。(3)土工格柵在提高地基承載力和增加地基穩(wěn)定的同時(shí),對不均勻的沉降有調(diào)節(jié)作用,能較快的減少基礎(chǔ)的沉降差異。土工格柵和素土共同構(gòu)成比素土強(qiáng)度大得多的復(fù)合墊層,對上部施加的荷載起到重新分布的作用。強(qiáng)度大、蠕變小、適應(yīng)各類環(huán)境土壤。

(4)能有效的提高加筋承載面的嵌鎖、咬合作用、極大程度的增強(qiáng)地基的承載力、有效的約束土體的側(cè)向位移,增強(qiáng)地基穩(wěn)固性能。與傳統(tǒng)格柵相比更具有強(qiáng)度大、承載力強(qiáng)、抗腐蝕、防老化、摩擦系數(shù)大、孔眼均勻、施工方便、使用壽命長等特點(diǎn)。能有效的避免在施工過程中被機(jī)具碾壓、破壞而造成的施工損傷。

結(jié)束語

塑料土工格柵是目前國內(nèi)一種比較新的土工建筑材料,它具有拉伸強(qiáng)度高(>100KN/m,延伸率小于百分之十五),尺寸穩(wěn)定性好,耐腐蝕,抗老化(設(shè)計(jì)使用壽命120年,地下)等特性,已廣泛用于險(xiǎn)坡防護(hù)、松軟地基處理、加筋土擋墻工程及一些高承載力的結(jié)構(gòu)中,是建筑行業(yè)中具有劃時(shí)代意義的新型材料。隨著施工工藝的日趨成熟,塑料土工格柵用于軟基礎(chǔ)加固防護(hù),格柵和素土材料融合在一起,可有效地分配荷載,防止基礎(chǔ)沉陷和混凝土底板變形,提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,承受更大的變荷。嚴(yán)格控制壓實(shí)度是保證基礎(chǔ)回填成功的關(guān)鍵,為保證施工及運(yùn)營階段的安全性和穩(wěn)定性,并減小混凝土沉降,必須采取措施對基底進(jìn)行加固。在實(shí)際操作過程中,土工格柵施工質(zhì)量的好壞對今后的使用效果有著很大影響。因此,加強(qiáng)材料質(zhì)量控制、提高施工人員質(zhì)量意識顯得尤為重要。