塑料廢棄物在土質路基加固中的應用與試驗

何 璐 付書印 劉 超

（濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250031）

新型公路網的建設面臨著材料來源、材料質量、路基土強度等很多問題[1]。路基土強度是導致路面破壞的原因之一，因此為提高土質路基的性能，工程中常在路基土中添加石灰、硅酸鹽水泥和粉煤灰等膠凝劑，并使用天然纖維或合成纖維提供約束來加固土壤[2]。利用土工合成材料加固路基土是改變路基性質的有效方法。與未經處理的土壤路基相比，采用土工合成材料加固路基土，可以減少路面層的厚度，從而節約成本[3]。

本文以公路工程為研究對象，通過采用壓實試驗、無側限壓縮試驗和CBR試驗，對比分析了塑料廢棄物制備的土工格柵和土工格室對路基強度狀況的影響。力求對塑料廢棄物進行再利用，通過材料的再利用來解決與環境有關的問題。

1 材料和試驗研究

1.1 材料

1.1.1 土質信息

結合工程特點，在施工現場對土壤特性樣品進行選取，從深1.5m的位置選取土樣，并以3m為間隔，隨機在另外3個不同的位置進行取樣，將取得的全部土樣均勻地混合在一起，對黏土層土樣的工程性能進行了分析。將選取的土壤特性樣品用于室內試驗研究，土壤的基本物理性質見表1，其粒徑分布曲線如圖1所示。

表1 試驗土壤的基本物理性質

圖1 試驗土壤粒徑分布曲線

1.1.2 土工合成材料

本文主要以土工格柵和土工格室作為土工合成材料，對其進行研究。

土工格柵分為塑料土工格柵、鋼塑土工格柵、玻璃纖維土工格柵和聚酯經編滌綸土工格柵。塑料土工格柵是通過塑料拉伸形成的方形或長方形聚合物網，在塑料土工格柵制造過程中，聚合物會隨著加熱延伸過程重新排列，加強分子鏈間的連接力，從而達到提高強度的目的。

土工格室是一種三維網狀格室結構，其具有伸縮自如的特點，在運輸過程中可以收縮，施工時可以重新舒張成網狀，填入相應的松散材料后，可以形成較強側向位移限制和較大剛度的結構體，主要用于穩定公路和鐵路的路基。

1.1.3 塑料廢棄物

本文用城市垃圾中難以自行降解的塑料水瓶（聚酯-聚對苯二甲酸乙二醇酯）制備土工格柵和土工格室，土工格柵是將塑料水瓶融化后，制成寬15mm的條狀結構，將條狀結構粘貼在一起，形成孔徑15mm×30mm的土工格柵。土工格柵是將塑料水瓶融化后，制成孔尺寸為20mm×10mm的土工格室。土工格柵和土工格室的尺寸與室內試驗的相同，直徑為15cm。

1.2 試驗研究

本文通過壓實試驗、無側限壓縮試驗和CBR試驗，對比分析了塑料廢棄物制備的土工格柵和土工格室對路基強度狀況的影響。

1.2.1 壓實試驗

本文通過采用普氏擊實試驗測定試驗土樣的最大干密度和含水率的關系，從而確定試驗土樣的最大干密度和對應的最佳含水率。

將壓實機平穩放置，將壓實機氣缸與底座連接，并在壓實機氣缸內壁均勻涂上薄層潤滑油，將3kg～6kg的混合土樣分層裝入壓實機氣缸進行壓實。在壓實測試過程中，土樣逐層填充，共分為3層，每層擊實25次。當不同層加載樣品時，每層樣品的高度應相等，并對兩層交界處的土壤表面進行刨削。壓實后，樣品在實心圓筒頂部的高度應＜6mm。

試驗土壤的壓實曲線如圖2所示，可以看出，土壤的最大干密度為1.68g/cm3，對應的土壤最佳含水率為18.1%。

圖2 試驗土壤的壓實曲線

1.2.2 無側限壓縮試驗

當利用無側限壓縮試驗對土樣受壓進行試驗時，3個主應力只有一個不為0的特例，無側限壓縮試驗可以測試土體的無側限抗壓強度和土壤的黏結力。將圓柱形土樣放入無側限壓縮儀中進行加載，記錄試驗土壤在壓應力和對應的壓應變，繪制應力-應變曲線如圖3所示。可以看出，當路基土的軸向壓應變為0.82時，對應的抗壓強度最大（122.6kPa）。

圖3 試驗土壤的應力-應變曲線

1.2.3 承載比試驗

在本次研究中，將試驗土樣風干后搗碎，土樣的最大粒徑控制在25mm內。分別制備非加筋土樣、放置塑料土工格柵的土樣和放置塑料土工格室的土樣。根據《公路土工試驗規程》（JTJ 051—93）的標準對制備好的土樣進行承載比（CBR）試驗。用四分法將土樣分層九份，根據上述壓實試驗的結果，按照18.1%的最佳含水率進行加水燜樣24h。將燜好的試樣按照3層法進行擊實，擊實后的土樣高出筒高1mm～2mm，修平土樣后稱重。將土樣在水中浸泡72h，取出進行貫入試驗，貫入桿初始荷載為0kN，以1.25mm/min的速率進行加載。

在承載比試驗中，廢舊塑料土工格柵（PWG）和廢舊塑料土工格室（PWE）分別放置在距承載比模具頂部3cm、6cm和9cm的高度。

2 測試結果與討論

將廢舊塑料土工格柵（PWG）和廢舊塑料土工格柵（PWE）分別放置在距承載比模具頂部不同高度，對非加筋土和帶有廢舊塑料的加固土進行承載比試驗，繪制載荷與貫入量的關系曲線。

2.1 廢舊塑料土工格柵作為加固材料的效果

廢舊塑料土工格柵加固的路基土荷載-貫入量曲線如圖4所示。從圖中可以看出，PWG形式的加筋土比非加筋土的承載能力更強。可能是由于塑料廢舊土工格柵的功能與傳統土工格柵相同，因此，塑料廢棄物可以用作路基土的加固材料。承載比試驗結果表明，隨著PWG距模具頂部的高度降低，土的特性也隨之發生變化。土樣的承載能力隨著PWG距模具頂部高度呈先增后減的變化。與非加筋土相比，當PWG距頂部高度3cm和9cm時，土體承載力增加緩慢，但當PWG距頂部6cm時，土體承載力顯著增加。因此，當PWG距承載比模具頂部6cm時對路基土加固最有效。

圖4 廢舊塑料土工格柵加固的路基土荷載-貫入量曲線

2.2 廢舊塑料土工格室作為加固材料的效果

廢舊塑料土工格室加固的路基土荷載-貫入量曲線如圖5所示。可以看出，PWE形式的加筋土也表現出與PWG相同的行為，與非加筋土相比，添加PWE明顯使路基土的承載能力增加。但是，PWE形式的加筋土載荷與貫入行為跟PWG不同。當距離為9cm時，非加筋土路基土的承載能力顯著提高，當距離為6cm和3cm時，路基土承載能力下降。因此，當距承載比模具頂部9cm時，PWE對路基土加固最有效。

圖5 廢舊塑料土工格室加固的路基土荷載-貫入量曲線

2.3 PWG與PWE在土壤中的加固效果對比

從圖5和圖6得知，當PWG距承載比模具頂部6cm時，路基土的承載力最大，為2.49kN，當PWE距承載比模具頂部9cm時，路基土的承載力最大，為3.76kN，因此，PWE作為路基土加固材料，承載能力更強。

圖6 距承載比模具頂部不同高度處路基土的承載比變化

承載比（CBR）是表示路基土強度的參數。距CBR模具頂部不同高度處路基土的CBR值變化如圖6所示。可以看出，PWE作為加固材料的CBR值在所有高度上均大于PWG。與非加筋土相比，當加固高度為9cm時，PWE的CBR值增加了252%，而PWG僅增加了20%。當加固高度為6cm和3cm時，PWE的CBR值分別增加了171%和73%。當PWE距CBR模具頂部9cm時最佳。與非加筋土相比，當加固高度為6cm和3cm時，PWG的CBR值分別增加了146%和12%，因此當PWG距CBR模具頂部6cm時最佳。

從上述結果可知，當PWG和PWE在特定高度（6cm和9cm）時，路基土的CBR值顯著提高。在CBR試驗中，柱塞作為基礎，其寬度為5cm。考慮基礎下方剪切區深度小于基礎寬度，從剪切區來看，PWG的承載比在高度為6cm處有效。由于其三維結構，因此PWE有效高度為9cm。土工格室式的加固機制對土體提供全方位約束，可以避免荷載作用下的土體橫向擴散。土工格室層將荷載傳遞給下層，可以形成土壤復合體系，從而增加土體的承載力。

2.4 承載比指數（CBRI）的變化

可以通過承載比指數（CBRI）來表現CBR值的變化。CBRI為加筋土CBR值與非加筋土CBR值的比值。PWE在距離CBR模具頂部9cm處的CBRI最大（3.49）。PWG在距離CBR模具頂部6cm處的CBRI最大（2.42）。與PWG相比，PWE的CBRI隨高度變化而變。

2.5 PWG和PWE在現場的應用

PWG和PWE對路基土中的的承載力變化影響很大，因此，PWG和PWE可有效提高路基承載力。在研究中，土工合成材料寬度（Wg）與基礎寬度（Wf）之比為3（Wg/Wf=15/5=3），因此可根據基礎寬度選擇適當的加固尺寸。

3 結論

本文以塑料廢棄物為原料制備了土工格柵和土工格室，通過試驗分析路基土的含水率和抗壓強度。將制備的土工格柵和土工格室放置在距承載比模具頂部不同高度的位置，對非加筋土和加筋土進行了承載比（CBR）試驗，觀察了荷載對灌入深度的變化規律，研究結果如下。1）通過壓實試驗可知，路基土的最大干密度為1.68g/cm3，對應的土壤最佳含水率為18.1%。通過無側限壓縮試驗可知，當路基土的軸向壓應變為0.82時，對應的抗壓強度最大（122.6kPa）。2）與非加筋土相比，用塑料廢棄物制備的土工格柵（PWG）和土工格室（PWE）加固土壤，顯著提高了土體的承載能力，塑料廢棄物可以作為一種土工合成材料用于改善路基土壤。3）PWE在距離CBR模具頂部9cm處的CBRI最大（3.49）。PWG在距離CBR模具頂部6cm處的CBRI最大（2.42）。與PWG相比，PWE的CBRI隨高度的變化較為明顯。將PWG和PWE放置在路基土特定深度下可提高加固效果。