土工格室的作用機理與工程應(yīng)用現(xiàn)狀

劉金萍，黃安榮，石文建

(貴州藍(lán)圖新材料股份有限公司)

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土工格室的作用機理與工程應(yīng)用現(xiàn)狀

劉金萍，黃安榮，石文建

(貴州藍(lán)圖新材料股份有限公司)

摘要：詳細(xì)介紹了土工格室的由來、分類、材料特性，以及土工格室作為加筋材料的作用機理以及現(xiàn)階段工程應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：土工格室；加筋材料；應(yīng)用

1概述

土工格室最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，作為一種新型的土工合成材料，以其優(yōu)異的性能迅速占據(jù)巖土工程應(yīng)用市場。土工格室是由聚合物寬條帶經(jīng)由強力焊接或鉚接鍵連接成的立體網(wǎng)狀物，在使用時張開并充填石或混凝土料，能夠構(gòu)成強大的側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)體。一方面根據(jù)土工格室的規(guī)格、高度、強度的不同，可以用于坡面防護、沖刷防護及基礎(chǔ)墊層。另一方面，從環(huán)保角度看，在土工格室結(jié)構(gòu)體上覆蓋綠色植物，不僅可以達(dá)到綠化效果，同時可實現(xiàn)水土保持，使得土工格室成為當(dāng)今社會不可多得的環(huán)保材料。

土工格室優(yōu)良的工程使用性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)土工格室具有較穩(wěn)定的化學(xué)性能，耐酸、耐堿，適用于不同的地質(zhì)環(huán)境。(2)土工格室可以分散幾種載荷，提高松軟地基承載力。(3)填充材料可就地取材，可縮疊便于運輸，大大降低工程成本。(4)在施工過程中土工格室的選擇較為靈活，可滿足不同的實際需要和環(huán)境美觀要求。

2土工格室分類

土工格室根據(jù)不同的施工要求，不同的現(xiàn)場使用條件，有不同的類型。國內(nèi)的土工格室發(fā)展主要經(jīng)歷了自發(fā)應(yīng)用、技術(shù)引進(jìn)、與國際接軌建立組織、步入標(biāo)準(zhǔn)化等四個時期。目前土工格室在我國的應(yīng)用范圍并不大，沒有形成規(guī)模，但是隨著國家對基礎(chǔ)工程建設(shè)的重視，環(huán)保安全的施工理念的貫徹，土工格室具有十分廣闊的應(yīng)用前景和較大經(jīng)濟價值。

在工程現(xiàn)場應(yīng)用的土工格室根據(jù)形態(tài)主要分為三類，如圖1所示。分別為(a)由土工格柵制備的格室，(b)穿孔片狀土工格室，(C)無穿孔柔性土工格室。(a)由土工格柵手工裝配構(gòu)成的穿孔土工格室。將土工格柵按照一定的長度和寬度裁剪，將其中部分卷曲，在工程現(xiàn)場利用金屬或塑料作為連接部件裝配合成。根據(jù)排布和連接方式不同，格室的形狀也不同，一般成V形或菱形。并且可根據(jù)使用的目的及要求，用不同強度和不同材料的土工格柵構(gòu)成不同規(guī)格的土工格室，在施工過程中靈活性較大。這種方法制備土工格室在工程中應(yīng)用較少。(b)蜂窩狀穿孔的片狀土工格室。有孔型土工格室可以提高土工材料與填充物的摩擦性能，同時孔的存在有利于側(cè)向排水。(c)由柔性薄片組成的無穿孔土工格室。每個格室都獨立的，有效防止了填充物側(cè)向移動。焊接點和薄片的高拉伸強度構(gòu)成了一個可以承載高強度的結(jié)構(gòu)，在其中添加泥土或其他材料時，可以作為鐵路、斜坡或車道的基層或基礎(chǔ)墊層。

3作用機理

土工格室的強度和模量較大，作為抗拉筋材加入到土體中構(gòu)成一種柔性結(jié)構(gòu)層。通過這一柔性墊層，可以達(dá)到充分分散上部集中載荷，減小地基壓應(yīng)力，限制水平和縱向的位移，提供較大的地基承載力。這種加固技術(shù)，主要是通過土工格室與加固體之間的相互作用達(dá)到加固作用。主要表現(xiàn)在三個方面如圖1所示。

圖1　土工格室作用機理

3.1　土工格室的傳遞載荷作用

在受力變形過程中，由于土工格室與土體的變形模量不同，兩者之間錯動的發(fā)生導(dǎo)致接觸面上產(chǎn)生相互摩擦作用。摩擦力使得縱向部分載荷經(jīng)由土工格室向外傳遞，從而達(dá)到減小地基壓力，提高地基承載力的目的。

3.2　土工格室對土體的側(cè)向約束作用

土工格室與土體摩擦力的存在，使得土工格室對格室外土體產(chǎn)生摩阻效應(yīng)，在一定的變形條件下，變形越大，摩阻效應(yīng)越強。從而對土體產(chǎn)生側(cè)向約束作用。另一方面，在土體被夯實或上部受到載荷時，格室壁承受由土體側(cè)向位移所產(chǎn)生的張力，對單元格室內(nèi)的土體產(chǎn)生一個緊箍作用，提供側(cè)向約束作用。

3.3　土工格室的網(wǎng)兜效應(yīng)

在土工格室中填入密實的填料后，土工格室與填料構(gòu)成一個高模量的復(fù)合體。在受到外力作用下，會形成一個凹曲面，形成網(wǎng)兜效應(yīng)，通過土工格室的拉伸變形來承載外力。其次，立體格室還起到一個力和位移的隔離作用。這種隔離作用在一定程度上提高了土體的整體性和連續(xù)均勻性，能很好地使應(yīng)力得到擴散、均化、該百年地基應(yīng)力場和應(yīng)變場作用，達(dá)到加固作用。

總的來看，土工格室的加固作用主要在這三個方面，哪種作用起主導(dǎo)作用隨著工程環(huán)境的不同有所不同。在一般地基條件下，主要是利用土工格室的側(cè)向約束力提高土體的強度和剛度、減小變形。而在軟弱地基上，土工格室的網(wǎng)兜和隔離效應(yīng)則發(fā)揮更大的作用。

4土工格室的工程應(yīng)用

4.1　軟土地基加固

我國地域遼闊，整體地質(zhì)情況復(fù)雜，軟土地基在我國站很大一部分區(qū)域。軟土是指濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的細(xì)粒土。軟土地基的性質(zhì)因地而異，因?qū)佣?，不可預(yù)見性大。由于軟土強度較低，壓縮性較大，容易產(chǎn)生地基破壞和過大的沉降或是不均勻沉降。在設(shè)計、施工過程中，稍有疏忽就會出現(xiàn)質(zhì)量事故。提高地基的承載力是土工格室最早的應(yīng)用領(lǐng)域。將土工格室鋪于軟土地基之上，在每個單元格室中填入顆粒排水材料(如碎石或砂礫)，以形成穩(wěn)定的墊層結(jié)構(gòu)。格室與填充物之間的摩擦力及限制力不僅提高了土體的圍壓，使之獲得“準(zhǔn)粘聚力”。還可以有效限制填料的橫向移動，分散上部荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，使不部分垂直力被轉(zhuǎn)化成向四周分散的側(cè)向力。由于單元格室的獨立性，相鄰格室的側(cè)向力大小相同，方向相反而相互抵消，在一定程度上降低了地基的實際負(fù)荷。當(dāng)格室側(cè)壁有斜紋、穿孔時，還可進(jìn)一步提高承載力。加速軟土排水固結(jié)，減少路基不均勻沉降。側(cè)壁的穿孔兼有排水、允許根系橫向發(fā)展的作用，同時減小材料的消耗。

我國利用土工格室加固地基早期主要在整治鐵路基床下沉外擠病害。經(jīng)過大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗分析，鋪設(shè)土工格室與基床換填方法相比，動應(yīng)力沿深度衰減很大，有效約束了軟弱基床的側(cè)向位移和擴散應(yīng)力，顯著改善了基床的動應(yīng)力分布。加固效果良好符合規(guī)范要求，且大大減少了工作量。

4.2　路基邊坡防護 沖刷防護

護坡是土工格室另一重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用土工格室固有的強度和韌性，土工格室將粘聚力小的填充料組成連續(xù)的單元體，使填充料的滾動摩擦轉(zhuǎn)換成個連續(xù)單元體之間的整體滑動摩擦，增加分散性填充料的穩(wěn)定性。并且可以在根石處設(shè)置枕梁，使護坡與根石基礎(chǔ)形成一個連續(xù)、統(tǒng)一的整體。不僅可以增加護坡的整體穩(wěn)定性，而且可以控制坡比，縮短坡長。將土工格室與薄型鋼纖維混凝土結(jié)合使用，不僅降低了工程造價，而且也使護坡形式向輕、巧、薄的方向發(fā)展。另一方面其獨特的立體結(jié)構(gòu)還具有一定的分割阻斷作用。特別是透水型的土工格室，可以促進(jìn)雨水的下滲，使雨水難以匯集形成地表徑流，一定程度上避免了因水或水流沖刷而產(chǎn)生潛溝、切溝等溝蝕產(chǎn)生?？刂?了坡面的坍塌，水流可以從格室側(cè)壁特設(shè)的孔眼排出避免形成暗流。另一方面，在土工格室上可以種植各種植物，不僅起到美化環(huán)境的作用，灌木植被發(fā)達(dá)的根系可以起到保護斜坡穩(wěn)定的作用，共建一個生態(tài)平衡系統(tǒng)，相互依存，共同作用，互為補充。這種方法同砌石防護相比，可節(jié)省造價約50%。

4.3　用于高速公路擴建

由土工格室的加固機理分析可知，土工格室可以很好地避免土方因載重過大而發(fā)生變形，大大提高路基的承載力。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是在沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)已建成的高速公路中，很大一部分已經(jīng)不能適應(yīng)交通量的增長和社會發(fā)展的需要，急需拓寬擴建。但是限制這一方面工程發(fā)展的主要因素有三點：(1)沿海經(jīng)濟發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)化程度高、征地十分困難。(2)原路堤與拓寬路堤之間存在沉降差異及地基承載力差異。(3)新舊結(jié)合面連接強度不高。而土工格室斷面型式具有斷面小、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理等優(yōu)點，其抗拉強度≥200 MPa，斷裂延伸率<15%。土工格室對填料的側(cè)向約束及向上的摩擦支撐力，可以與填料形成一個具有較大彎拉剛度與抗剪切強度的復(fù)合體。此復(fù)合體能夠部分隔離應(yīng)力和位移的傳遞，從而柔性過渡和協(xié)調(diào)不同路段的沉降差異。土工格室對局部荷載的網(wǎng)兜效應(yīng)及加筋作用對土中縱向應(yīng)力和剪應(yīng)力的降低，也對新舊結(jié)合面起到一個承接作用，消除了新舊路面的地質(zhì)差異?；谕凉じ袷业倪@些優(yōu)點，高強土工格室能較好地解決高速公路拓寬工程中可能出現(xiàn)的問題。但國內(nèi)應(yīng)用還處于試驗研究階段。

4.4　用于臺背填筑工程

隨著我國高速公路的建設(shè)與快速發(fā)展，已建公路在使用過程中逐漸暴露出一些問題。其中較為普遍的問題即橋梁后臺的搭板斷裂及不均勻沉降，這些問題不僅會導(dǎo)致橋頭跳車現(xiàn)象，而且會加速橋臺臺背、橋頭伸縮縫以及接縫路面的破壞。引起這些問題的主要原因有三點：(1)地基土質(zhì)不良，由于路基起伏較大，地下水位一般較高，在其上填筑路基產(chǎn)生的基底應(yīng)力相對較大易引起地基沉陷。(2)臺背填料因因存在孔隙，含有水分，在長期荷載作用下逐漸壓縮，產(chǎn)生壓縮沉降。(3)設(shè)計施工導(dǎo)致的路基沉降。為解決這一問題，利用土工格室加固層獨有的立體結(jié)構(gòu)以及本身較好剛度、整體性形成的柔性結(jié)構(gòu)層作為承重層。土工格室作為加筋材料，在外力和自重的作用下發(fā)生膨脹變形時，筋材對土體的約束應(yīng)力有效阻止了土體的伸延變形。在施工過程中，將土工格室鋪設(shè)在路橋過渡段，在橋臺和路堤的過渡段設(shè)置楔型加固區(qū)，一端固定在橋臺，另一端鋪設(shè)在路基上。這種鋪設(shè)結(jié)構(gòu)也能大幅度減小路堤自重的壓縮變形，而且通過從橋臺到路基的模量不斷改變，可以實現(xiàn)剛性橋臺與柔性路基模量的平穩(wěn)過渡，從而有效消除地基在施工后沉降變形的影響，消除過大的沉降差異，以達(dá)到平緩的沉降過渡，防止“橋頭跳車”土工格室處理填挖交界處路基的不均勻沉降問題，其原理與處理橋頭跳車異曲同工。

4.5　其他

土工格室的應(yīng)用還包括路基支擋工程、沙漠地區(qū)筑路等。我國早在98年就對土工格室用于支擋工程做了初步的嘗試。傳統(tǒng)金屬層面擋土墻結(jié)構(gòu)，由于焊接鋼筋或石籠的面層有表面不平，填土材料暴露、擋土易于受到環(huán)境的侵蝕，鋼筋銹蝕導(dǎo)致材料易受到破壞，使用壽命急劇縮短。采用土工格室建造擋土墻，將它作為一種加筋材料呈層狀水平埋置于土中，利用混凝土、木材或其他材料組成的預(yù)制件有效進(jìn)行遮蔽和保護，大大減少環(huán)境侵蝕造成的影響。土工格室的鋪設(shè)從上到下具有一定的角度。這種結(jié)構(gòu)不僅穩(wěn)定性好，而且還可以防止陡坡表面被雨水沖蝕。與傳統(tǒng)的混凝土擋土墻和重力式擋土墻相比，通過土工格室加筋的擋土墻具有眾多的優(yōu)點：施工簡潔快速，不需要大型施工設(shè)備及專業(yè)施工人員；占地面積少，一般不需要非常堅固的剛性基礎(chǔ)支撐；土工格室本身具備的柔軟性，能夠很好適應(yīng)不良地質(zhì)條件而引起的變形，其抗震能力也較剛性擋土墻好。綜合這些優(yōu)點，土工格室擋土墻與混凝土相比，造價降低50%以上。與圬土墻體相比，造價降低了15%~30%。其表面還可以種植花草，起到美化環(huán)境的作用。另一方面，因探礦、采油等工作的需要，經(jīng)常需要在沙漠地區(qū)筑路。由于沙漠特殊的地質(zhì)、地理環(huán)境，導(dǎo)致筑路材料匱乏，筑路困難成本很高。利用土工格室強大側(cè)限能力，對加固風(fēng)積砂獨特的優(yōu)勢，可以很好解決這一難題。在施工過程中將土工格室直接固定在砂基上，然后就地取材填入砂石，操作簡單效率極高。施工后的路面可滿足各種重型卡車長期使用。

5結(jié)語

土工格室作為一種新型的土工合成材料，作為一種新的土體穩(wěn)定和加固材料，在我國的發(fā)展時間相對來說比較短，但其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。國內(nèi)外科研和工程技術(shù)人員對于土工格室的研究主要是針對具體工程應(yīng)用進(jìn)行的一系列試驗研究和理論研究，并且非常有限，未能形成一個完整的體系。因此，對土工格室及其加固技術(shù)的研究，一方面可以解決土工格室在工程應(yīng)用中的一系列問題，加快土工格室本身體系的完善，制備出高強度，高性能不同規(guī)格的土工格室產(chǎn)品，使這項新技術(shù)得到發(fā)展；另一方面增強對土工格室應(yīng)用的了解，加大其推行力度，可大大提高工程質(zhì)量及施工效率，能產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益。目前為加快土工格室材料理論研究的完善及新技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外針對工程應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗研究和理論研究，充實和完善土工格室的理論體系，為制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

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收稿日期：2014-11-05

中圖分類號：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0017-02