土工格室在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

　　土工格室作為一種新型的合成材料，在八十年代末九十年代初，歐美等國(guó)家就開始了大量的研發(fā)工作，并經(jīng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明在提高一般填土承受動(dòng)荷以及路基防護(hù)方面均有很大的功效。我國(guó)在九十年代初在吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開始了土工格室的開發(fā)研究工作，并在道路基床病害整治，固定松散介質(zhì)的應(yīng)用方面取得了重大突破。隨著人們對(duì)土工格室特性的進(jìn)一步了解，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有其它土工材料(土工布、土工膜、土工格柵、土工模袋、土工網(wǎng)等)不可替代的優(yōu)勢(shì)，使其在諸多領(lǐng)域有著獨(dú)特的應(yīng)用前景。

　　1、土工格室的特點(diǎn)

　　土工格室是一種采用高強(qiáng)度聚乙烯片材，經(jīng)超聲波焊接等方法連接，展開后呈蜂窩狀的三維立體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)材料，屬于特種土工合成材料。在巖石工程中與土、砂、石等填料共同構(gòu)成不同視粘聚力、不同加筋強(qiáng)度、不同深度的墊層。這些墊層可以根據(jù)工程的要求放置于需要的位置，用以加固公路的路基、邊坡防護(hù)、修建擋土墻等。其最大的特點(diǎn)是可以完成巖石工程中常規(guī)方法難以處理的多種疑難問題，如橋頭跳車、軟基沉陷、翻漿、塌方等。具有材質(zhì)輕，耐磨損，耐老化，耐化學(xué)腐蝕，適用溫度范圍寬，拉伸強(qiáng)度高，剛性、韌性好，抗沖擊力強(qiáng)，尺寸相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)輸方便等特點(diǎn)。在施工中連接簡(jiǎn)單易行，施工方法簡(jiǎn)單，從而簡(jiǎn)化了施工工序，提高了施工速度;并可以反復(fù)多次使用。

　　2、土工格室的基本原理

　　土工格室之所以具有卓越功效而受到工程界的關(guān)注，還應(yīng)從其基本原理說(shuō)起。國(guó)外文獻(xiàn)中在描述其原理時(shí)稱其為“一種蜂窩狀三維限制系統(tǒng)，可以在很大范圍內(nèi)顯著提高普通填充材料在承載和蟲蝕控制應(yīng)用中的性能?！彼年P(guān)鍵原理就是三維限制。大家都知道，當(dāng)汽車行駛在沙漠上時(shí)，就會(huì)壓出兩道深深的轍印，被壓部分深深下陷，車轍兩側(cè)會(huì)高高隆起。后面的車輛如果繼續(xù)沿著車轍前進(jìn)，沉陷部分會(huì)進(jìn)一步下沉、隆起部分會(huì)進(jìn)一步隆起，直到隆起部分蹭到了車底盤、沉陷的車轍埋沒了大半個(gè)輪子，進(jìn)而無(wú)法前進(jìn)。之所以如此，就是因?yàn)楫?dāng)外荷作用于地基表面時(shí)，依據(jù)普朗特爾理論和泰勒理論可知：在集中荷載的作用下，主動(dòng)區(qū)1受壓下沉，并將力向兩側(cè)分解傳遞給過渡區(qū)2，過度區(qū)2又傳給被動(dòng)區(qū)3，被動(dòng)區(qū)就會(huì)毫無(wú)限制地發(fā)生形變而隆起。也就是說(shuō)，載荷一旦作用于路基，在載荷的下方就會(huì)形成起契狀的主動(dòng)區(qū)域，它又通過過渡區(qū)域進(jìn)行擠壓，從而使被動(dòng)區(qū)域發(fā)生隆起。也就是說(shuō)，通過沿滑移線的剪切力和移動(dòng)主動(dòng)、過渡、被動(dòng)三個(gè)區(qū)域的力決定了地基的承載能力。不僅在沙基地上可以十分明顯的體會(huì)到以上原理的真實(shí)過程，在軟基公路上也會(huì)找到這種的樣板，只不過其形成的速率較之在砂上的變化慢些罷了。即使較好的路基材料也仍然無(wú)法避免其橫向移動(dòng)。一般的高速公路路基都高出地面好幾米，吸水翻漿不太容易，但長(zhǎng)期沉降依然存在。究其原因，雨水?透、材料流失、基地下沉是其中部分原因，路基路面在車輪荷載長(zhǎng)期碾壓、振動(dòng)力的作用下，材料向路基斷面兩側(cè)橫向位移不可否認(rèn)是另外一個(gè)十分重要的原因。以我省各地各級(jí)公路為例，都有在該路的主行車道上可以明顯感覺到路面已經(jīng)被壓出了一條“S”型溝狀帶。部分高速公路也不例外，汽車行駛在行車道上的顛簸明顯強(qiáng)烈于行駛在超車帶上的感覺，在道橋連接段尤為明顯(俗稱“橋頭跳車”)。這種溝狀路基沉降就是路基材料橫向滑移的典型。

　　工程中常規(guī)處理路基的方法無(wú)需贅述，其目的就是提高地基材料的抗剪力和摩擦力，減少或延緩地基材料在荷載的壓力或震動(dòng)作用下發(fā)生移動(dòng)的能力，因而工程中對(duì)材料的要求必然有許多苛刻的限制，如果不能就近獲取所需材料，就需要外購(gòu)這些材料，購(gòu)買材料的費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用占去整個(gè)工程成本的很大部分。而使用土工格室就可以就地或就近取材，甚至可以使用在常規(guī)情況下不能使用的材料，從而大幅度減少材料購(gòu)置費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用。為什么會(huì)這樣呢?土工格室承載情況示意：在集中載荷作用下，受力的主動(dòng)區(qū)1依然會(huì)把所受的力傳遞給過渡區(qū)2，但由于格室壁的側(cè)向限制和相鄰格室的反作用力，以及填料與格室壁的摩擦力所形成橫向阻力，抑制了過渡區(qū)2和被動(dòng)區(qū)3的橫向移動(dòng)傾向，從而使路基的承載能力得以提高。經(jīng)過試驗(yàn)，在格室的限制作用下，中密砂的表觀粘聚力可以增加三十幾倍。很顯然，如果能增加路基材料的抗剪力或抑制三個(gè)區(qū)域移動(dòng)就可以取得提高地基承載力的效果，這就是土工格室的限制原理。

　　大多情況下格室內(nèi)充填砂礫或碎石等非粘性材料，因此，土工格室加固層又是一個(gè)水平排水通道，可加快飽和土固結(jié)過程中空隙水壓力消散速度，從而加速土體的固結(jié)?？傊凉じ袷揖哂袎|層、加筋、排水、調(diào)節(jié)應(yīng)力及變形，提高土體抗?jié)B能力的綜合功效。

　　3、土工格室的施工方法

　　土工格室作為一種新型的土工合成材料。施工快捷、方便、省力，整平施工場(chǎng)地，清除雜物。鋪設(shè)施工墊層并壓實(shí)，然后鋪設(shè)土工格室，鋪設(shè)中要盡量拉緊，不得有?皺。及時(shí)用填料填充格室內(nèi)并壓實(shí)，同時(shí)觀測(cè)格室變形和檢查密實(shí)度。最后修正邊坡完工。

　　4、土工格室在公路建設(shè)中的應(yīng)用

　　4.1 沙漠筑路應(yīng)用

　　早在1994年，西安公路學(xué)院與華北石油管理局筑路工程公司合作，使用華北石油管理局橡膠制品暨防腐技術(shù)研究所研制的土工格室，進(jìn)行了沙漠筑路應(yīng)用研究，重點(diǎn)研究了土工格室填充塔克拉瑪干沙漠筑路的主要設(shè)計(jì)參數(shù)――抗壓回彈模量。研究結(jié)果證明，所獲得的抗壓回彈模量達(dá)190∽210MPa，完全滿足路基設(shè)計(jì)要求，而且土工格室填沙結(jié)構(gòu)層比天然砂礫結(jié)構(gòu)層減薄約10cm，可以就近取材。1995年應(yīng)用此項(xiàng)研究在塔里木沙漠永主性石油公路塔中四∽民豐南段10Km的線路上全面使用土工格室填沙法構(gòu)筑路基墊層。所測(cè)得的路表彎沉值為49∽64，均小于允許彎沉值(允許彎沉值為80)，回彈模量為206.19∽273.97MPa，平均值為239.58MPa，說(shuō)明格室固沙所獲得的整體強(qiáng)度明顯大于級(jí)配砂礫層的強(qiáng)度，而且所有層位的壓實(shí)度檢測(cè)都滿足規(guī)范要求。所節(jié)省的常規(guī)路基材料費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用，使筑路成本降低50%，所使用的工期也比常規(guī)方法縮短60%.

　　4.2 軟基處理

　　1997年，遼河油田勘察設(shè)計(jì)院海洋工程研究院，在灘海潮間帶臨探道路進(jìn)行了土工格室筑路試驗(yàn)，更進(jìn)一步證明了土工格室在解決沉降方面的獨(dú)到功效。該地區(qū)黃海高程1m以上，漲潮水深近1m，地基承載力僅110MPa，上有10cm以上的淤泥。他們采用華北石油管理局橡膠制品暨防腐技術(shù)研究所生產(chǎn)的20cm高土工格室兩層，配合土工布作路基底層，下層格室內(nèi)填粗砂、礫石，上層內(nèi)填礦渣，兩邊用山皮石作路肩。經(jīng)過潮水浸透自然沉降以后，無(wú)需碾壓即可行走大型重載翻斗車。經(jīng)過四個(gè)多月、每日近百車次(單車重量15t∽30t)的碾壓和每天兩次潮水的沖刷，整體沉降不足10cm，而且基本停止繼續(xù)沉降，平均彎沉值113.3(允許彎沉值143)，反映了格室、礦渣路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、整體性好、荷載均勻擴(kuò)散能力強(qiáng)的特點(diǎn)。從他們?cè)谶@次試驗(yàn)中所作的土工格室筑路與常規(guī)使用山皮石填海筑路兩種方案的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析中可知：使用山皮石筑路每公里造價(jià)在400∽500萬(wàn)元之間，工期30∽40天，每公里需要3600個(gè)運(yùn)輸臺(tái)班，每公里占地20萬(wàn)m2 .而用土工格室(雙層)筑路，造價(jià)在100∽130萬(wàn)元，工期7天左右，每公里運(yùn)輸臺(tái)班310個(gè)，每公里占地近7000m2.兩者差距之大令人驚嘆。減少車輛行駛污染、減少石料用量、減少填料對(duì)海洋的污染，特別是具有養(yǎng)殖價(jià)格的灘涂地區(qū)，其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。

　　4.3 濕陷性黃土地區(qū)、高填方路基填挖連接段

　　與其它地域相比，我省公路方面應(yīng)用此項(xiàng)新材料、新工藝相對(duì)落后?？上驳氖?000年在連霍國(guó)道饞蘭高速公路、國(guó)道109線白蘭高速公路的施工中，為了克服高填方路堤濕陷性黃土固結(jié)沉降從而引起填挖結(jié)合部出現(xiàn)的裂縫，采取在填挖結(jié)合部強(qiáng)夯加鋪土工格室的處理措施，解決挖填連接段路基不同速率沉降層的銜接問題。經(jīng)過實(shí)踐證明，其效果非常明顯。2002年，蘭臨高速公路、尹中高速公路均屬粉性土壤，干旱缺水，因此，均采用在路面底基層或底基層下墊層加鋪土工格室，處理挖填連接段、半挖半填段差異沉降，效果明顯?？梢姡凉じ袷以诠分械膽?yīng)用范圍很廣，應(yīng)用前景很好。

　　4.4 處理橋頭跳車

　　2001年，我省交通廳與長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院合作完成科研項(xiàng)目，在連霍國(guó)道古浪至永昌高速公路全線橋梁均采用土工格室制作差異沉降過渡段，專門治理“橋頭跳車”的通病。由于全線粉性土、砂性土居多，使用了10cm(高)×40cm土工格室，每個(gè)橋頭處理面積需600∽800m2不等(橋的高低、圖紙、坡的長(zhǎng)短不同)，每平方米造價(jià)為26∽30元(使用土工格室規(guī)格不同)。使用土工格室可以省去大量灰土，工程綜合造價(jià)與常規(guī)方法處理橋頭跳車的造價(jià)相當(dāng)，但效果和使用壽命成倍提高。

　　4.5控制沖蝕的應(yīng)用：護(hù)坡、堤壩

　　以上所舉的這些例證多是利用土工格室提高承載能力。其實(shí)，土工格室的另一個(gè)重要作用是控制沖蝕，而且在國(guó)外使用土工格室控制沖蝕的應(yīng)用量絲毫不亞于承載應(yīng)用。應(yīng)用最多的有護(hù)坡、堤壩、擋土墻、防波堤岸等等。它的原理就是增加流動(dòng)能力，減少毛溝侵蝕，防止水壓積聚、消除集中沖蝕。蜂窩限制結(jié)構(gòu)可以固定填充材料，限制作用于其上的水壓，從而改善了流動(dòng)能力。蜂窩壁使正常的排水可以進(jìn)行，但卻控制了窩內(nèi)的流動(dòng)速度。如同千百個(gè)微型堤壩，將集中水流分散成均勻、舒緩的薄層水流。

　　5. 結(jié)語(yǔ)

　　今天，全國(guó)高速公路建設(shè)仍在高峰期，所經(jīng)過地區(qū)的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，需要進(jìn)行大量的挖填段銜接，還有許多的道橋連接處。這些都是高速公路建設(shè)中比較難以處理的難題，雖然以前也有許多處理方法，但效果并不理想，尤其是道橋連接處的“橋頭跳車”問題和路基材料在荷載作用下側(cè)移、擠出的問題，嚴(yán)重影響著高速公路的使用壽命和安全。還有防護(hù)護(hù)坡，無(wú)論是用傳統(tǒng)的漿砌、干砌或水泥混凝土網(wǎng)格都無(wú)法阻擋雨水對(duì)其下面土層的破壞性侵蝕，致使高速公路的維護(hù)費(fèi)用增加。如果使用土工格室護(hù)坡，配植根系發(fā)達(dá)的草種，既可固土護(hù)坡，又可綠化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，完全符合國(guó)家注重環(huán)保、建設(shè)綠色通道的要求。即使初期工程造價(jià)比傳統(tǒng)方式略高一些，但其延長(zhǎng)公路使用壽命、減少維護(hù)成本以及環(huán)保、生態(tài)等方面的綜合經(jīng)濟(jì)效益卻是功在當(dāng)代、利在千秋。

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