路基頂面鋪設(shè)不同土工合成材料對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響試驗(yàn)分析

張 杰，孫志國

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院哈龍江分院)

1 試驗(yàn)方案簡(jiǎn)介

方案1——在土基頂面鋪設(shè)鋼絲纖維網(wǎng)，方案2——在土基頂面鋪設(shè)土工格柵，方案3——在土基頂面鋪設(shè)雙層不透水土工布。在加載測(cè)試位置所對(duì)應(yīng)的土基頂面(即土工合成材料底部)埋設(shè)壓力盒，以觀測(cè)土基頂面壓力隨荷載變化以及應(yīng)力消散情況。路面結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)示意圖

模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，土基頂面的模量控制在不超過30MPa。在土工合成材料鋪設(shè)完畢后，填土5cm，測(cè)試填土的回彈模量，并記錄加載過程中壓力的變化情況。在填土上鋪筑18cm的級(jí)配碎石，分三層攤鋪碾壓。每鋪設(shè)一層(6cm厚)均測(cè)試頂面回彈模量、塑性變形和壓力值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同土工合成材料對(duì)頂面回彈模量的影響

不同填土厚度下，鋪設(shè)鋼絲纖維網(wǎng)的各結(jié)構(gòu)層整體強(qiáng)度大于鋪設(shè)土工格柵和雙層不透水土工布時(shí)的各結(jié)構(gòu)層。但在填土厚度較薄(亦即上覆壓力較小)時(shí)，不論鋪設(shè)何種土工合成材料，對(duì)整體強(qiáng)度的改善并不明顯。因此，土工合成材料的鋪設(shè)應(yīng)選擇合適的層位，以確保土工合成材料承受足夠的上覆壓力。

三種不同試驗(yàn)方案的土工合成材料各填層頂面的回彈模量如表1所示，各試驗(yàn)方案中不同填層頂面的回彈模量變化曲線如圖2所示。

頂面回彈模量可充分反映各結(jié)構(gòu)層的整體強(qiáng)度，從測(cè)試結(jié)果的表1與圖2可以看出:各試驗(yàn)方案的不同土工合成材料對(duì)各填層頂面回彈模量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)由大到小排序?yàn)殇摻z纖維網(wǎng)、土工格柵、雙層不透水土工布。

2.2 不同土工合成材料對(duì)頂面塑性變形的影響

三種不同土工合成材料試驗(yàn)方案的一個(gè)共同點(diǎn)是隨著填土厚度的增加，測(cè)試頂面的塑性變形(不可恢復(fù)的變形)逐漸減小，厚度較小時(shí)變化幅度較大。

表1 不同土工合成材料各填層頂面回彈模量MPa

圖2 不同土工合成材料各填層頂面回彈模量變化曲線

鋼絲纖維網(wǎng)在填土厚度較小時(shí)(5cm)，塑性變形隨荷載水平呈曲線變化，而隨填土厚度的增加(11～23cm)，基本以直線的形式變化。這是由于鋼絲纖維網(wǎng)的縱向和橫向強(qiáng)度均較大，變形較小而引起的。

隨著填土厚度的增加，土工格柵抵抗變形的能力逐漸接近鋼絲纖維網(wǎng)，在適宜的填土厚度下，低水平荷載時(shí)，甚至要優(yōu)于鋼絲纖維網(wǎng)。但在較高的荷載水平下，較鋼絲纖維網(wǎng)仍有一定的差距。

總體而言，土工布在抵抗塑性變形方面作用較小。在抵抗塑性變形方面，鋼絲纖維網(wǎng)在較高的荷載水平下能夠發(fā)揮更大的優(yōu)越性，在較低的荷載水平下，土工格柵和鋼絲纖維網(wǎng)抵抗變形的能力相差不大。

三種不同土工合成材料試驗(yàn)方案在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的塑性變形如表2所示，各試驗(yàn)方案中不同填層頂面的塑性變形變化曲線如圖3所示。

表2 在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的塑性變形(0.01mm)

圖3 不同土工合成材料在0.3MPa荷載下各填層頂面塑性變形變化曲線

從表2和圖3中可以看出，在5cm填厚時(shí)，方案1頂面的塑性變形明顯小于方案2和方案3，其值為方案2的61％，方案3的34％左右。隨填厚的增加，方案1和方案2的頂面塑性變形的差別逐漸減小。填厚23cm時(shí)，方案1的塑性變形為方案2的82％，方案1的62％。這意味著，相對(duì)于土工格柵和土工布，鋼絲纖維網(wǎng)能夠有效地抑制基層頂面塑性變形;但這種抵抗塑性變形的效果隨著路面結(jié)構(gòu)厚度的增加而逐漸減弱。

從抵抗基層頂面的塑性變形的角度而言，在荷載水平較低時(shí)，土工格柵方案的性能和鋼絲纖維網(wǎng)方案相近，在較高的荷載水平下，鋼絲纖維網(wǎng)方案的性能要優(yōu)于土工格柵，這兩種方案均優(yōu)于鋪設(shè)雙層不透水土工布。

2.3 不同土工合成材料對(duì)頂面塑性變形的影響

不論在土基頂面鋪設(shè)何種土工合成材料，隨著填土厚度的增加土基頂面的壓應(yīng)力逐漸減小。但這種變化不是線性的，初期變化較大，后期較不明顯。

三種不同土工合成材料試驗(yàn)方案在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的壓力變化如表3所示，各試驗(yàn)方案中不同填層頂面的壓力變化曲線如圖4所示。

從表3和圖4中可以看出，在5cm填厚時(shí)，三種方案下土基頂面應(yīng)力的差別不是特別明顯，兩種方案的最大差異只有3％。隨著填厚的增加，這種差別逐漸增大，在填厚23cm時(shí)，鋼絲纖維網(wǎng)的應(yīng)力消散能力比土工布大10.7％，比土工格柵大4.3％。這也充分說明了鋼絲纖維網(wǎng)只有在上層能夠提供足夠大壓力的情況下才能充分發(fā)揮作用。從土基頂面的應(yīng)力消散情況看，在上層壓力較小的情況下，鋼絲纖維網(wǎng)并不能充分發(fā)揮作用。但隨著填層厚度的增加，鋼絲纖維網(wǎng)的應(yīng)力消散大于土工格柵，而土工格柵又大于雙層不透水土工布。

表3 不同土工合成材料在0.3MPa荷載作用下各填層頂面的壓力值

圖4 不同土工合成材料在0.3MPa荷載下各填層頂面壓力變化曲線

3 結(jié)語

通過室內(nèi)加載模擬試驗(yàn)，在路基頂面鋪設(shè)三種不同的土工合成材料對(duì)路基頂面的作用數(shù)據(jù)表明，在回彈模量、塑性變形、壓力消散三個(gè)方面，都說明鋪設(shè)鋼絲纖維網(wǎng)為最有利，而鋪設(shè)土工格柵次之，鋪設(shè)雙層不透水土工布排列第三位。

[1] 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 013-95)[M].北京:人民交通出版社，1996.

[2] 公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(JTJ 019-98)[M].北京:人民交通出版社1999.

[3] 公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ/T 060-98)[M].北京:人民交通出版社，1999.