王成祥

(山西中交翼侯高速公路有限公司　翼城　043500)

土工格柵在處治軟土路基變形中的應(yīng)用研究

王成祥

(山西中交翼侯高速公路有限公司翼城043500)

摘要為研究土工格柵對(duì)公路軟土路基變形影響的工作性狀，依托山西某高速公路工程，采用土工格柵和土工布作為不同加筋材料與非加筋土進(jìn)行試驗(yàn)路施工及工后監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，相對(duì)無筋土，土工格柵降低軟土路基的沉降位移最大值可達(dá)11%，側(cè)向位移值減小約51%；加筋材料的不同對(duì)變形的發(fā)展也有差異；同時(shí)，土工格柵有利于路基斷面均勻受力，提高路基穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞軟土路基土工格柵位移

我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始引用加筋工技術(shù)，以土工格柵為加筋材料在公路工程中使用頻繁；與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土工格柵的工作機(jī)理等進(jìn)行了有益探索。施建勇[1]等進(jìn)行了土工格柵加筋擋墻的試驗(yàn)研究與有限元建模分析對(duì)比，結(jié)果表明計(jì)算機(jī)建模與試驗(yàn)結(jié)果吻合，為進(jìn)一步研究土工格柵的加固機(jī)理作出有益論證；周志剛等[2]通過對(duì)土工格柵與周間土的直接剪切作用研究，以非線性本構(gòu)關(guān)系建模分析，提出了雙曲線模型；李運(yùn)成等[3]以9種不同墊層模型進(jìn)行靜荷載加載，對(duì)加筋碎石墊層進(jìn)行研究，為復(fù)合地基中加筋墊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。隨著化學(xué)高分子行業(yè)的快速發(fā)展和道路施工工藝的不斷進(jìn)步，土工格柵的使用性狀也在不斷改進(jìn)。

本文依托山西某高速公路工程，通過對(duì)路基施工及工后使用的監(jiān)測(cè)分析，研究當(dāng)前土工格柵材料對(duì)軟土路基變形的影響作用規(guī)律，為土工格柵在今后公路工程處理軟土路基問題的合理應(yīng)用提供參考。

1工程概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)為山西某公路軟基路段，全長(zhǎng)535.3 m，兩側(cè)分別為農(nóng)田和小溪，整條線路橫向軟土厚度變化小，縱向厚度變化差異大，軟土層大致范圍在5~13 m，地基承載力20~50 kPa，全路段不均勻分布。路基填高為4.5 m，從上到下依次為路基填土、土工格柵、砂墊層、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，本次試驗(yàn)路段的左路堤地質(zhì)剖面見圖1。

圖1　路堤地質(zhì)剖面圖

本試驗(yàn)路段代表性土性指標(biāo)見表1。根據(jù)指標(biāo)，本次試驗(yàn)路段為典型的軟土路基。

表1　土的物理力學(xué)指標(biāo)

2處治方案

本次方案以土工材料和土工格柵層數(shù)為工況條件，對(duì)路堤底部鋪設(shè)土工格柵、土工布和不放土工合成材料3種情況進(jìn)行對(duì)比，研究土工格柵對(duì)路基變形的影響效果。

2.1　施工處治工序

軟土路基施工處治工序如下：①軟基范圍劃定，并進(jìn)行地基清底；然后，在試驗(yàn)段地表上先鋪一層30 cm的砂礫墊層，加快固結(jié)排水作用；②在墊層上平鋪一層土工格柵，保持格柵的輕微張拉狀態(tài)和平整度，可通過人工張拉和布釘方式固定土工格柵于墊層上，避免皺褶，待鋪設(shè)至靠近邊坡35 cm處向上回折格柵形成端頭；最后及時(shí)回填，分層攤鋪、碾壓。

對(duì)工程采用的土工格柵與土工布進(jìn)行原材料檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。測(cè)試表明，土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度大于土工布的強(qiáng)度，延伸率比土工布小2%，在工作區(qū)所能承受荷載的土工格柵占優(yōu)，與周邊土的摩擦系數(shù)大于土工布，有利于更充分發(fā)揮加筋作用，土工格柵的整體材料性能比土工布更具優(yōu)勢(shì)。

表2　土工材料主要技術(shù)指標(biāo)

2.2　施工注意事項(xiàng)

(1) 在施工過程中，應(yīng)及時(shí)回填，避免土工材料受到暴曬影響工作性狀。

(2) 分層填筑厚度不能超過設(shè)計(jì)要求。

(3) 天氣炎熱時(shí)，回填土的含水量應(yīng)稍大于最佳含水量，保證壓實(shí)效果。

(4) 采用灌沙法檢測(cè)各層壓實(shí)度滿足規(guī)范要求后，才能進(jìn)行上一層的攤鋪、碾壓。

(5) 土工布與土工格柵鋪設(shè)時(shí)必須保證表面平整，側(cè)面搭邊寬度不得低于30 cm。

3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與效果評(píng)價(jià)

3.1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

施工監(jiān)測(cè)以100 m為間距布置監(jiān)測(cè)儀表，遇到軟土厚度變化大的路段適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)斷面。試驗(yàn)通過在路基中心、路肩放置沉降板監(jiān)測(cè)路基的沉降變形，在路基坡腳及坡腳外區(qū)域放置斜側(cè)管監(jiān)測(cè)坡腳的側(cè)向位移。

根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB 33/T 904-2013)要求和施工監(jiān)測(cè)參考[4-5]，本方案擬在路堤逐層填筑完成時(shí)每2 h收集一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，48 h后每3天 1次，1個(gè)月后按每周1次進(jìn)行路基位移的數(shù)據(jù)采集。在施工部分路段中采取土工材料為加筋材料，通過比較無筋土和加筋土的沉降變形和側(cè)向位移發(fā)展，觀測(cè)加筋材料在軟土路基問題處理中的影響作用規(guī)律；并對(duì)比土工格柵與土工布不同試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同土工材料處理軟土路基的差異影響，研究土工格柵在處理軟基中的工作性能。本次施工監(jiān)測(cè)過程以不影響道路施工質(zhì)量和進(jìn)度為原則，結(jié)合公路施工要求進(jìn)行[6]。

3.2　土工格柵對(duì)路基沉降變形的影響

根據(jù)檢測(cè)儀表采集的路基沉降數(shù)據(jù)，繪制地基沉降與時(shí)間關(guān)系曲線見圖2。結(jié)果表明，在土工格柵試驗(yàn)段，沉降變形值最小，位移值大小關(guān)系：S格柵>S布>S無筋。加筋土改善了土體的受力特性，圖3為莫爾圓與抗剪強(qiáng)度包線的關(guān)系，加筋作用提高了路堤的粘聚力和摩阻力，加筋土抗剪切強(qiáng)度大于無筋土。

圖2　地基沉降位移與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖3　莫爾圓與抗剪強(qiáng)度包線的關(guān)系

數(shù)據(jù)表明，在59 d之前，2種土工合成材料的沉降差值較小，但無筋土豎向位移發(fā)展速率一直大于加筋土，且沉降變形差值越來越大。從166 d開始至320 d，無筋土與加筋土的沉降差逐漸穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，最大差值約27 cm，隨著路堤填土固結(jié)排水等影響，位移發(fā)展差值下降，但加筋作用仍比較顯著；土工格柵在106 d開始與土工布復(fù)合土的沉降差值增加，穩(wěn)定在約11 cm附近。由此可見，使用土工合成材料加筋的路堤，與無筋土相比沉降變形下降明顯，無筋土和加筋復(fù)合土的沉降差值最大可達(dá)13%左右。加筋作用提高了路堤的粘聚力和摩阻力，加筋土抗剪切強(qiáng)度大于無筋土，提高了路堤底部的整體剛度，能有效約束路堤對(duì)地基土沉降位移的影響，土工格柵的抗拉強(qiáng)度和承載力等比土工布高，在約束地基沉降位移上有較好的優(yōu)勢(shì)。而且，試驗(yàn)段數(shù)據(jù)表明，土基工后恢復(fù)后，加筋土與無筋土的變形差值成鼓狀變形發(fā)展，沉降差值的最大值出現(xiàn)在路基土穩(wěn)定之前。

根據(jù)路基斷面檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)繪制路基彎沉關(guān)系見圖4。曲線表明，路基沉降趨勢(shì)大致為盆狀變形，加筋土在提高路基承載力，降低沉降變形同時(shí)，并未改變路基整體的沉降變形趨勢(shì)，加筋作用使路基底部增加一層硬質(zhì)殼板，提高了路基的整體剛度，所以在豎向變形最大值上相對(duì)無筋土有明顯減小，靠近路基中心處的差異變形達(dá)到最大，無筋土和加筋土的沉降值為234 mm和207 mm,差值約13%。同時(shí)，硬質(zhì)殼板的剛度大，能夠高效擴(kuò)散路基上部傳遞的荷載，由底部整體受力，增加路基抗剪切破壞的強(qiáng)度，提高了整體穩(wěn)定性。

圖4　路基斷面彎沉值關(guān)系曲線

3.3　土工格柵對(duì)路基側(cè)向位移的影響

試驗(yàn)通過斜側(cè)管采集的位移數(shù)據(jù)將不同加筋材料和無筋土變形曲線加以繪制，見圖5。結(jié)果表明，將土工合成材料作為加筋材料的復(fù)合土側(cè)向位移比無筋土的側(cè)向位移小，從路堤底部開始向下，加筋土對(duì)側(cè)向位移的約束作用就十分顯著，遠(yuǎn)小于無筋土的側(cè)向位移量，且在地基下2~7 m范圍內(nèi)的位移差值較大，格柵與無筋土作用影響的位移值分別為230 mm和347 mm，最大差值約51%，7 m以下的側(cè)向位移差值逐漸減小至幾乎重合，說明加筋土的土體約束范圍有限，超過這個(gè)限制，地基的側(cè)向位移受到加筋的作用效果并不明顯，根據(jù)圣維南原理，路基施工僅會(huì)影響一定深度以內(nèi)的地層；同時(shí)，土工格柵的位移發(fā)展比土工布小。

圖5　地基深度與位移變化關(guān)系曲線

土工格柵主要通過內(nèi)摩阻力和粘聚力對(duì)路堤產(chǎn)生約束力。其中，粘聚力是由土粒之間的電分子引力和土中化合物的膠結(jié)作用而形成的，內(nèi)摩阻力主要是依靠土間粒子摩擦和連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力產(chǎn)生，格柵與周間土的摩擦力與填土位移方向相反[7]。因此，在一定地基深度內(nèi)使用加筋土對(duì)地基側(cè)向位移有明顯約束作用，不同土工材料對(duì)填土側(cè)向位移的約束幅值不同，土工格柵憑借其材料性能優(yōu)勢(shì)， 有效改善了軟基側(cè)向變形問題。

3.4　土工格柵層數(shù)對(duì)路基沉降位移的影響

在部分試驗(yàn)段，本方案采取平鋪單層和2層土工格柵作為對(duì)比，得到了沉降數(shù)據(jù)，圖6為加筋層數(shù)對(duì)地基沉降變形的影響曲線。通過圖6曲線比較單層和2層土工格柵的路基沉降位移，2層布置曲線大致上延1層格柵曲線走勢(shì)，在106 d之前2層格柵的沉降值與1層沉降值并未有明顯差異；從106 d開始至309 d，2層土工格柵與1層的沉降差值增大至一個(gè)穩(wěn)定值，約8 cm左右；待時(shí)間加長(zhǎng)，2層格柵的沉降逐漸與1層土工格柵沉降幾乎重合。說明，相對(duì)1層格柵布置，增加土工格柵的層數(shù)，在前期對(duì)路基沉降位移約束有一定的提高，但隨著路堤的沉降進(jìn)一步發(fā)展，增加格柵層數(shù)并未對(duì)土體的豎向約束有明顯提高。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，可為公路工程軟基處理問題中土工格柵的合理布置提供借鑒。

圖6　加筋層數(shù)對(duì)地基沉降變形的影響曲線

4結(jié)語

(1) 土工格柵能有效減小地基沉降變形，峰值約13%，側(cè)向位移的發(fā)展約束可達(dá)51%，格柵改善了路基的整體受力特性，提高了穩(wěn)定性。

(2) 加筋土有利于應(yīng)力的均勻分布，提高路堤的整體抗剪切破壞能力，減小不均勻沉降的發(fā)生幾率。

(3) 不同的材料會(huì)產(chǎn)生不同的工作性狀，土工格柵比土工布對(duì)土體的位移和變形等都具有更明顯的約束。

(4) 工格柵加筋層數(shù)在試驗(yàn)條件下，對(duì)路堤變形影響差異成鼓狀發(fā)展，最終影響小。

參考文獻(xiàn)

[1]施建勇,孫鈞,李永盛.土工織物加筋機(jī)理的研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，24(4)：32-37.

[2]周志剛，鄭健龍，張起森，等.Netlon土工格柵與土界面性能的研究[J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(3)：34-39.

[3]李運(yùn)成,彭振斌,何杰.剛性基礎(chǔ)下土工格柵加筋碎石墊層變形特性試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，45(9)：3244-3248.

[4]JTG/T D31-02-2013公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2013.

[5]衛(wèi)功保，呂鑫焱.軟土路堤沉降的施工監(jiān)測(cè)與分析[J].交通科技，2003(3)：65-66.

[6]JTG F10-2006公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[7]郭萬林,任俊明.加筋路堤在汾離高速公路中的應(yīng)用[J].山西交通科技,2005(S1):78-80.

Research on the Geogrids to Control the Deformation of Soft Foundation

WangChengxiang

(Shanxi CCCC Yihou Expressway Co., Ltd., Yicheng 043500, China)

Abstract：To research the working performance of the geogrids on soft foundation, a test of engineering in field has been made. The test includes the construction and monitoring of the reinforced subgrade and the common subgrade. The results show that the application of the reinforced composite has a significant effect on constraining the horizontal and vertical displacement of soft foundation. The maximum displacement of the subgrade is about 11%, and the lateral displacement value is about 51%. The deformation of soft foundation will be different if different material is used in subgrade. The use of the grids is also helpful for the stressed uniformly of the subgrade section.

Key words:soft foundation; geogrids; displacement

收稿日期：2015-09-25

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.033