土工合成材料鋪設(shè)損傷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

摘 要：土工合成材料的鋪設(shè)損傷是工程中廣泛關(guān)注的問題，文章總結(jié)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和國(guó)外研究成果，并結(jié)合工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出了結(jié)論：鋪設(shè)過程的機(jī)械損傷是導(dǎo)致土工合成材料強(qiáng)度降低的主要原因，針對(duì)鋪設(shè)損傷所造成的強(qiáng)度降低指標(biāo)的研究具有重要實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：土工合成材料；鋪設(shè)損傷；強(qiáng)度折減系數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

土工合成材料鋪設(shè)損傷是加筋土工程中廣為關(guān)注的問題，國(guó)外研究結(jié)果表明：在路堤加筋工程中，壓實(shí)機(jī)械的碾壓是導(dǎo)致土工合成材料強(qiáng)度降低的主要因素之一，相對(duì)于國(guó)外的深入研究，國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域的研究工作較少，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐的研究成果更為缺乏，而隨著國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路建設(shè)的不斷深入，公路穿越的不良地基也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致土工合成材料用量急劇增加。因此，對(duì)土工合成材料鋪設(shè)損傷進(jìn)行研究，已成為工程建設(shè)的一項(xiàng)迫切需求。本文依托某高速公路擴(kuò)建工程，對(duì)土工合成材料鋪設(shè)損傷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，從而為土工合成材料鋪設(shè)損傷研究提供了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)于進(jìn)一步深入研究以及工程實(shí)踐，都具有重要的實(shí)際意義和參考價(jià)值。

1 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在某高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)選擇一塊15m×4.5m的平坦的場(chǎng)地，去除表層雜草及腐殖土，用施工機(jī)械整平并用重型壓路機(jī)（本試驗(yàn)采用徐州工程機(jī)械廠生產(chǎn)的18t光輪壓路機(jī)）碾壓4～6遍，以前后兩次的碾壓不再出現(xiàn)明顯輪跡為止。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路堤施工所確定的松鋪系數(shù)，在壓實(shí)好的場(chǎng)地上用路基填筑材料鋪筑一定厚度的填料并壓實(shí)至30cm厚的下臥層，然后用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，在碾壓初始不斷用人工來找平，下臥層的施工完全按照現(xiàn)行《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF10-2006）進(jìn)行。

將事先裁好的土工布和土工格柵按試驗(yàn)方案要求平鋪在已碾壓好的下臥層上，試樣的裁剪嚴(yán)格按照現(xiàn)行《公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E50-2006）進(jìn)行。并用人工在上面鋪筑一定厚度的同一種填料，不同厚度之間保留0.5m的過度段，試驗(yàn)段兩側(cè)填料各寬出土工合成材料1m，以保證合成材料上面填料的壓實(shí)度。本試驗(yàn)采用壓實(shí)后10cm、20cm和30cm的不同對(duì)比厚度。鋪筑完畢后進(jìn)行壓實(shí)，然后用灌砂法測(cè)定碾壓后的壓實(shí)度，所有的碾壓和試驗(yàn)方法皆按現(xiàn)行有關(guān)公路技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。除地基外，下臥層及上層填料的壓實(shí)度皆保證93%且最低碾壓次數(shù)不低于10次。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)試驗(yàn)路段碾壓前照片

本次試驗(yàn)共用兩種填料，分別為礫類土（粗顆粒為花崗巖）和砂類土（粗顆粒為砂巖）。每種填料各做了壓實(shí)后10cm、20cm、30cm三種不同鋪設(shè)厚度的對(duì)比試驗(yàn)，共做了5個(gè)不同廠家的 12塊試樣。除土工織物的每塊尺寸均為1.2m×1.2m外，其他幾種土工格柵的鋪設(shè)用試樣尺寸分別為：A土工格柵0.8m×1.6m，B土工格柵的尺寸約為1m×1.8m，C土工格柵的尺寸為2.4m×3.6m。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段碾壓后情況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了解碾壓后土體顆粒粒徑變化，用四分法取試驗(yàn)前后不同碾壓厚度的礫類土各100kg左右進(jìn)行篩分試驗(yàn)，表1給出了砂巖砂類土的物理指標(biāo)，表2給出了花崗巖礫類土篩分后D50的變化值，圖3則給出了花崗巖礫類土未碾壓前及碾壓后的篩分曲線。

圖3 花崗巖礫類土篩分試驗(yàn)曲線

由表2可以看出花崗巖礫類土經(jīng)碾壓后D50迅速降低，鋪設(shè)厚度越小，D50降低的也越小，30厚填料經(jīng)碾壓后，D50下降了近一半，由此可以看出，土工合成材料在碾壓過程中所承受損傷也將相當(dāng)嚴(yán)重，圖4為試驗(yàn)后塑料土工格柵照片。

圖4 30cm花崗巖礫類土下B土工格柵

壓實(shí)后10cm厚礫類土下的塑料土工格柵，掘出后共有7根斷肋，占整個(gè)肋數(shù)的21.8%，并有超過一半的粘結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)滑動(dòng)脫落；壓實(shí)后20cm厚花崗巖礫類土下的塑料土工格柵，亦有近一半的接點(diǎn)遭到破壞，但未發(fā)現(xiàn)斷肋，這說明20cm以上礫類土的填筑厚度對(duì)土工格柵有較好的保護(hù)作用，但由此造成的損傷仍很明顯；壓實(shí)后30cm厚礫類土填料下的塑料土工格柵，亦未發(fā)現(xiàn)因碾壓而造成的斷肋現(xiàn)象，但遭到破壞的接點(diǎn)數(shù)亦近1/3，在此種填料和厚度下鋪設(shè)的兩塊土工織物，上層表面明顯的搓松起毛，特別是規(guī)格為250g/m2的土工織物，上表面破壞更為明顯，粗估其強(qiáng)度降低有一半左右，但與下臥層相接觸的下表面卻仍非常光滑，幾乎未有什么改變，由此可見下臥層的光滑和平整對(duì)于土工合成材料的鋪設(shè)損傷具有一定影響。同時(shí)，這兩塊土工織物經(jīng)鋪設(shè)碾壓后各有多處孔洞，比較嚴(yán)重的一塊有明顯10多處較大的孔洞。在30cm厚砂巖砂類土下鋪設(shè)的塑料土工格柵，外表無明顯變化，既無斷肋也無結(jié)點(diǎn)破壞。在該類填料下鋪設(shè)的兩塊土工織物，其下表面變化不大，但上表面亦被搓動(dòng)起毛，這顯然會(huì)對(duì)土工織物的強(qiáng)度造成影響。由此可見，即便在土工合成材料上面鋪筑30cm厚的砂類土，其損傷情況亦比較明顯。在10cm和20cm厚砂巖砂類土下鋪設(shè)的塑料土工格柵，亦未發(fā)現(xiàn)斷肋或結(jié)點(diǎn)破壞，由此可見，填料的顆粒大小和硬度對(duì)土工合成材料鋪設(shè)損傷具有一定影響。

將鋪設(shè)前后的土工合成材料進(jìn)行寬條樣拉伸，其中塑料土工格柵亦應(yīng)用20cm的夾具，所得拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。

注：強(qiáng)度折減系數(shù)為原始試樣最大拉伸強(qiáng)度與鋪設(shè)損傷后試樣的最大拉伸強(qiáng)度比值。

由表3可以看出，兩種土工織物在砂巖砂類土下的強(qiáng)度折減系數(shù)都在1.5左右，而在花崗巖礫類土下的強(qiáng)度折減系數(shù)都大于2.0，亦即鋪設(shè)后最大拉伸強(qiáng)度損失了50%以上，由此可見，鋪設(shè)損傷對(duì)土工合成材料強(qiáng)度降低的影響非常顯著。

針對(duì)單向粘結(jié)式C塑料土工格柵CATTDG40，現(xiàn)場(chǎng)還用花崗巖礫類土和砂巖砂類土做了壓實(shí)后10cm、20cm和30cm三種不同厚度的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)所得的強(qiáng)度折減系數(shù)見表4。

由上表可以看出，當(dāng)填料壓實(shí)后厚度為10cm時(shí)，試驗(yàn)用土工合成材料強(qiáng)度降低極為明顯，這說明過薄的填料鋪設(shè)厚度會(huì)對(duì)土工合成材料產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，國(guó)外研究結(jié)果表明：土工合成材料上面覆蓋15cm厚的填料松鋪厚度是施工時(shí)的最低鋪設(shè)厚度，虛鋪厚度低于此值，土工合成材料鋪設(shè)損傷后強(qiáng)度將急劇下降。本次現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)用18t重型振動(dòng)壓路機(jī)，對(duì)以上兩種填料的有效壓實(shí)厚度皆在30cm左右，故當(dāng)填料的鋪設(shè)厚度在20cm左右時(shí)，塑料土工格柵仍承受了較大的鋪設(shè)損傷。由此可見：在路堤加筋工程中，當(dāng)填料的鋪設(shè)厚度在壓實(shí)機(jī)械有效壓實(shí)厚度附近時(shí)，不僅可有效利用壓實(shí)機(jī)械，而且對(duì)降低土工合成材料的鋪設(shè)損傷具有重要意義，過薄的碾壓層厚不僅會(huì)導(dǎo)致施工機(jī)械的浪費(fèi)，而且對(duì)土工合成材料的強(qiáng)度保持也不利。

3 結(jié)語(yǔ)

通過土工合成材料鋪設(shè)損傷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性，也證明本文所得出的土工合成材料鋪設(shè)損傷折減系數(shù)建議值獲得了工程實(shí)踐驗(yàn)證，該系數(shù)具有可推廣性和工程實(shí)用性。同時(shí)通過對(duì)不同鋪設(shè)厚度的現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)損傷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析表明，過薄的填料鋪設(shè)厚度會(huì)對(duì)土工合成材料造成過大鋪設(shè)損傷，在加筋土工程施工中，根據(jù)填料和壓實(shí)機(jī)具類型合理確定出填料的有效攤鋪厚度，不僅可充分發(fā)揮壓實(shí)機(jī)具的有效性能，而且對(duì)于避免土工合成材料遭受過大的鋪設(shè)損傷具有重要意義。

在路堤加筋工程中，壓實(shí)機(jī)械的碾壓是導(dǎo)致土工合成材料強(qiáng)度降低的主要因素之一，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家通過研究發(fā)現(xiàn)，土工合成材料的最不利狀態(tài)是在施工鋪設(shè)階段，如果土工合成材料經(jīng)受得了施工鋪設(shè)過程中引起的應(yīng)力，那么也就能經(jīng)受使用階段的應(yīng)力。由此可以看出鋪設(shè)損傷對(duì)土工合成材料工程應(yīng)用有著重要的影響。試驗(yàn)結(jié)果不僅證明了鋪設(shè)損傷是導(dǎo)致土工合成材料強(qiáng)度降低的一個(gè)主要影響因素，同時(shí)也土工鋪設(shè)損傷的研究提供了重要的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 包承綱.土工合成材料應(yīng)用原理與工程實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[2] 王正宏.ASTM有關(guān)土工合成材料的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，兼述我國(guó)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[A].2009.

[3] 交通運(yùn)輸部.公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 唐頌，鄧衛(wèi)東.土工合成材料蠕變老化及鋪設(shè)損傷試驗(yàn)研究綜述[J].公路交通技術(shù)，2004（1）.

[5] 蔣文凱，阮志新，鄧衛(wèi)東，等.土工格柵強(qiáng)度損傷特性的試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2006，3（30）.