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土工格栅加筋土路基的现场对比试验研究

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：杜凯

[导读] 摘要：随着公路建设项目数量的不断增加，公路交通运输网络日臻完善，公路交通网络密度进一步增加。

        中铁七局集团西安铁路工程有限公司陕西西安 710000
        摘要：随着公路建设项目数量的不断增加，公路交通运输网络日臻完善，公路交通网络密度进一步增加。当前公路建设项目已全面向山区、临河等复杂地质条件区域推进，与常规路基相比，山区、临河段路基占比较高，给公路路基施工带来巨大困难。在公路工程中，所遇到的层一般为淤泥质土、泥炭及黏性土等几类，与常规土层相比，具有以下显著特性。为此，以路基结构为研究对象，重点分析了土工格栅加筋砂垫层结构在路基处治中的应用，并对比了在路堤处治过程中单层和加筋砂垫层结构的土工格栅应力变化特点及对比试验。
        关键词：土工格栅加筋砂垫层；路基；填筑
        1 公路路基特性及土工格栅加筋砂垫层处治现状
        1.1 公路路基特性分析
        （1）路基段是公路工程施工中的难点之一，如果处理不当将严重影响后期公路的承载能力和耐久性。天然含水率极高。处于自然状态下的基本均临近土体液限，绝大部分的天然含水率介于50%~100%范围内；较高的含水率导致土体孔隙被游离水占据，在外荷载作用下孔隙游离水无法起到的颗粒骨架支撑作用，其承载性能、固结能力均较差，故无法直接应用在公路工程项目中。
        （2）压力作用下的透水能力极低。由于中的淤泥质土和黏土含量较高，此类土体最容易被水附着，大量游离水附着在土体表面，增加了土体表面的密封性，透水能力下降；在外加荷载作用下，土体排水效率较差，影响了固结进程，增加了强化处治的工程量。
        （3）抗剪性能较差。土体抗剪强度主要依靠土体颗粒间的相互嵌锁形成，由于颗粒间被游离水浸透，颗粒间的嵌锁性能下降；在剪切荷载作用下，土体内摩擦力、相互黏聚力不足以抵消剪切力，进而引发剪切破坏。
        1.2 土工格栅加筋砂垫层处治现状分析
        作为土工合成材料中最常用的一种，土工格栅加筋砂垫层被广泛应用在公路路基的处治施工中，土工格栅加筋砂垫层本身属于复合结构，其由土工格栅和砂垫层组成，先将土工格栅均匀摊铺在路基上，依靠格栅的高抗拉强度和低应变特性约束地基的荷载变形，继续在土工格栅表面加铺砂垫层与土工格栅组成土工格栅加筋复合体结构，能够有效分散和均匀传递上部结构自重和车辆荷载，以提高路基的荷载稳定性和整体刚度。随着土工格栅加筋砂垫层应用技术的发展，为了提高组合体结构强度，部分工程技术人员拟对土工格栅施加预拉力，其技术原理与预应力钢筋混凝土梁结构类似，从而解决路基破坏状态下的土工格栅应变值低的问题，最大程度发挥土工格栅的后程抗拉强度。
        2 土工格栅加筋砂垫层填筑处治路基原理分析
        本文以公路路基处治工程中最常用的双层土工格栅土工格栅加筋砂垫层结构作为研究对象，拟分析其在路基处治中的主要原理。使用土工格栅作为土工格栅加筋砂垫层组合结构的，应在砂垫层上下均布设格栅结构，组成双层土工格栅加筋砂垫层组合结构，且砂垫层底部的土工格栅应与砂垫层可靠锚固，锚固搭接长度不能小于2m。从处治深度角度分析，土工格栅加筋砂垫层填筑处治技术适用于浅层工况，与深层、大范围处治施工相比，浅层处治技术的工程难度、施工成本更低，能够以较低的成本获取较好的处治效果。经土工格栅加筋砂垫层处治后的路基，在荷载作用下的横向位移明显减小，结构竖向及横向抗变形刚度显著提高，上部结构自重及车辆荷载在传递至路基的过程中经土工格栅加筋砂垫层作用后，荷载被均匀分散，均布荷载值对路基的变形沉降影响下降。在荷载作用下土工格栅与砂垫层依靠相互嵌锁后的摩阻力抵抗的横向变形，是路基横向刚度的主要贡献源；从竖向承载角度分析，公路路基竖向承载力主要由土体颗粒间的抗剪强度提供，在地基与填土路堤结构中增设土工格栅加筋砂垫层过渡段，能够明显控制荷载对路基的影响深度，土工格栅加筋砂垫层能够在路堤下方构筑一道可靠的刚性持力层，对于上部传递至路基的偏心荷载、冲击荷载能够被持力层转化为较低的均布荷载，起到集中应力扩散的作用。
        除了以上控制和分散作用外，土工格栅加筋砂垫层结构在控制路基沉降量和提高路基固结效率方面也有明显功效。通过试验研究发现，浅层路基荷载沉降值在土体总沉降量中占比较高，因此，妥善处治浅层路基对于控制路基的荷载总沉降量作用显著。经土工格栅加筋砂垫层处治的浅层结构，其扩散应力夹角增加，随着角度的增加，应力竖向分力值逐步减小，进而控制了持力层的总沉降值。此外，通过增设土工格栅加筋砂垫层结构，有助于提高路基的排水固结效率，如果填方路基直接与地基接触，在上部路基恒载和车辆活载的作用下，水分从路基侧面挤出，在孔隙自由水压力作用下，路基容易出现塑性大变形，影响路基的排水固结效果；土工格栅加筋砂垫层属于多孔结构，在荷载作用下，为路基提供了良好的排水通道，缓解了路基内的孔隙水压力，解决了路基出现塑性大变形的风险，极大地加速了路基的排水固结进程。
        3 土工格栅加筋砂垫层填筑处治路基试验分析
        3.1 路堤试验段荷载破坏特性分析
        以填方路堤结构为例，路基试验段的承载性能较差，相同荷载作用下的变形更明显，临界承载极限状态下的位移值较大，在较大侧向和竖向位移条件下，经夯实的路基填料出现开裂，土体颗粒之间的摩阻力无法平衡边坡滑动面的滑移力，路堤边坡随时可能出现滑塌病害。此外，在路基试验段增设由土工格栅和砂垫层组成的土工格栅加筋砂垫层，经现场试验对比发现，砂垫层有助于土工格栅抗拉性能的发挥，尤其能够提高土工格栅对路基的侧向变形控制能力。
        3.2 土工格栅加筋砂垫层填筑处治路基试验结果分析
        本文对比了单层土工格栅加筋砂垫层和双层土工格栅加筋砂垫层的试验结果，分析了不同土工格栅加筋砂垫层结构的处治效果。
        选用单层土工格栅加筋砂垫层结构，土工格栅加筋砂垫层组合结构中的单层土工格栅拉应力与路堤填筑高度呈明显的正相关关系，且土工格栅应力最大值集中出现在路堤边坡附近，与潜在路堤滑动面位置基本吻合。表1记录了随着路堤填筑高度的增加，对应的土工格栅工况变化情况。
        表1路堤填筑高度与土工格栅工况变化关系

        双层土工格栅加筋砂垫层结构的土工格栅应力变化趋势与单层土工格栅加筋砂垫层结构基本一致，但双层土工格栅加筋砂垫层结构的土工格栅应力变化不同步；在路堤填筑初期，受到施工扰动因素影响，土工格栅应力变化呈现无规律性，随着填筑高度的增加，填筑高度与土工格栅应力之间的正相关关系逐步明晰；与单层土工格栅加筋砂垫层结构一致，双层土工格栅加筋砂垫层的土工格栅拉应力最大值也集中在路堤边坡附近，且与路堤边坡破坏面吻合。
        结语
        工程上使用的土工格栅加筋砂垫层结构一般为土工格栅和砂垫层共同组成的复合结构，该结构在路基处治中的效果尤为明显，建议在公路浅层路基处治项目中推广应用土工格栅加筋砂垫层处治技术。
        参考文献：
        [1]龚勋华，彭晓平.浅析土工合成材料在路基中的应用[J].江西建材，2017（24）：173，175.
        [2]郭全元.公路软基处理中土工格栅加筋砂垫层应用的填筑试验[D].广州：华南理工大学，2013.
        [3]和秀岭.土工格栅加筋砂垫层在高速公路软基处理中的应用