浅析土工合成材料在软土路基中的应用

浅析土工合成材料在软土路基中的应用 龚勋华 彭晓平 上高县城乡规划管理局 上高县城乡规划建设局 摘 要： 软土具有高含水量、高空隙比、透水性差、抗剪强度低、流变性显著等不良工程性质, 一直以来都是公路建设中的一大技术难题。本文概述了土工合成材料的分类、加固原理及其在工程中的应用情况, 并指出了应用土工合成材料时应注意的些许问题, 为相关研究人员提供借鉴。关键词： 土工合成材料; 软土路基; 加固原理; 稳定性; 随着国家“一带一路”计划的出台, 对我国的铁路和公路等建设也提出了较高的要求。目前, 在软土路基处理方面, 土工合成材料占据重要地位, 特别是高速铁路加筋土路堤, 其工后沉降的严格控制, 给软土路基的处理提出了新的机遇和挑战1。将土工合成材料运用于铁路和公路等工程建设中, 可以显著提高地基承载力和稳定性, 从而减少我国日益严重的公路病害问题。本文主要对软土路基的概念、特征和土工合成材料的分类、加固原理及工程应用等进行了阐述。实践证明, 土工合成材料的运用, 不仅提高了软土路基的强度, 而且可以有效的减少施工成本, 提高经济效益。1 软土路基的概念及特征随着国家公路建设的大力发展, 施工过程中经常会遇到各种复杂的地质条件, 尤其是一些特殊路基, 使得施工难度增大, 软土路基就是其中一种。软土一般是淤泥、泥质粉土的简称, 广泛分布在我国沿海、水库及江河湖泊等处。软土路基主要有软黏性土、淤泥质土和泥炭质土等几类, 主要有以下几个特征: (1) 高含水量和高空隙比。经研究表明, 软土天然含水量较高, 一般大于 30%, 严重的甚至超过 100%, 接近或大于液限;空隙比一般大于 1, 绝大多数在 1-2 之间, 直接影响土的压缩、渗透、固结等特性; (2) 高压缩性。由于软土中水分较高、空隙比大, 导致土颗粒结构极不稳定, 受到外界作用容易产生严重压缩, 且压缩性一般与液限成正相关; (3) 透水性差。一般软土中所含黏粒和有机物质较高, 黏粒具有亲水性, 导致软土层的透水性较差, 渗透系数大多在 10-10cm/s之间。因此, 在外荷载作用下, 土体内排水条件不良, 土体固结缓慢, 不利于土体强度的提高, 从而加大了软土路基的施工难度; (4) 抗剪强度低。在外荷载作用下, 土层有条件排水固结时, 有效应力提高, 土体抗剪强度增加;反之, 不排水剪切时, 内摩擦角基本为零, 粘聚力约 10k Pa, 土体的剪切强度随剪切变形增加而骤减; (5) 触变性和流变性显著。软土在被扰动之前因已固结一段时间有一定强度, 但一经扰动, 强度迅速骤降, 甚至出现流动性, 后随时间增加强度逐渐恢复;流变性主要表现在两个方面, 一是外荷载不变, 土体变形随时间增加而增加, 二是外荷载不变, 土体抗剪强度随时间增加而降低。基于以上软土的特性可知, 软土路基建成后, 沉降时间漫长, 总沉降量和不均匀沉降会很大, 严重威胁行车安全, 必须采取相应处理措施, 提高路基强度和减小变形, 以满足实际工程要求。2 土工合成材料的加固原理及工程应用我国土工合成材料的应用起步较晚, 最早是以土工膜为代表运用于水利工程中。近几十年来, 土工合成材料在我国逐渐慢慢成熟, 广泛用于水利、铁路、公路、大坝等工程领域2。土工合成材料是由多种材料合成的新型岩土工程材料, 具有强度高、耐腐蚀、质轻、易于施工等优点, 将该材料放于土体之间, 能有效的加强或保护土体。目前可将土工合成材料分为四类:土工膜、土工织物、特种土工合成材料和复合土工合成材料3。其中土工膜和土工织物分别属不透水和透水材料;特种土工合成材料一般由土工膜和土工织物以外材料研制而成;复合土工合成材料由两种或两种以上的材料复合而成。根据其使用功能及目的, 土工合成材料在软土路基中主要起到排水作用、隔离作用、加筋作用、防渗作用、抗震作用等。2.1 排水作用为了降低土中含水量和控制土中水位, 工程中往往需要在土中设置一些排水材料。一般来说, 处理方法就是将土工布或土工织物等材料分层埋于路基中, 在土体中形成一条专门的排水通道, 由此将水汇集并引出路基, 加速土体固结, 加之该处理还可避免材料之间的相互混合而污染带来的影响, 从而有效提高了路基的强度和稳定性。但单独使用土工合成材料其排水能力有限, 需与其他排水材料或排水结构相结合, 方可达到较为满意的效果。此外, 相比传统的排水通道, 路基加筋后土体结构中受力区域得到改善, 缩短了施工工期, 从而减少了工作量。例如某公路工程, 考虑到实际路基地质情况, 采用了某公司生产的三种土工布 (渗透系数较高) , 且在其上铺厚 10cm 的竹排, 用机器碾压近千次, 发现土工布无一损坏, 事实证明, 该土工材料的应用, 不仅提高了路基的强度, 而且大大降低了施工成本和工作量, 取得了满意的结果4。2.2 隔离作用土工织物具有抗拉、耐腐蚀、连续性和柔韧性好等特点, 在外力和各种环境作用下基本不会损坏, 而公路施工过程复杂, 常涉及到不同粒径的砂石材料。隔离就是将土工织物放置在两种不同土层材料之间, 防止互相影响, 既保存了材料各自结构的完整性, 又有效避免了流土等现象, 还保护了基层土质, 从而确保了整个结构的安全。土工织物的隔离作用在软土路基中起到了关键作用, 主要目的是避免路基填土因受力造成不均匀沉降过大而与软土地基相混合, 有效提高了地基的抗剪强度, 并防止可能出现的滑动破坏。2.3 加筋作用土工合成材料能起到加筋作用主要是因为其良好的抗拉性能。在公路施工过程中, 通常是将土工织物或土工格栅按照一定的方式置于土体中, 增强其与土体之间的摩擦力, 并控制了土体的侧向位移。当结构受荷载时, 加筋料起到传递拉应力作用, 同时扩散土体应力, 有效提高了土体的抗剪强度, 不均匀沉降得到改善, 从而保证了整个路基的稳定性。如京沪高速铁路某试验段的测试1, 为了严格控制沉降, 采用桩-网结构, 并以土工网-加筋垫层辅之, 如图 1 所示, 桩顶沉降 (S1) 、两桩间土面沉降 (S2) 和四桩间土面沉降 (S3) 差异不明显, 并且短时间内达到稳定, 桩和桩之间的不均匀沉降得到了有效控制。图 1 桩网结构路堤地面沉降图 下载原图2.4 防渗作用防渗的目的主要是解决水体在各种工程结构中的渗漏问题。土工膜因防渗性能好、施工方便、造价低等特点, 在公路工程、大坝防渗工程和垃圾填埋场中应用最为广泛。在一些土质不良区域, 如膨胀土和湿陷性黄土地区, 可在路基边沟和中央分隔带处用土工膜进行防渗处理, 避免了沟渠中的水流出, 同时阻止地下水渗入路基, 防止出现道路的冻融翻浆等不良现象。北京 2008 年奥运水上公园比赛场地项目1, 该项目水平防渗面积达 695876m。因北京水资源紧缺, 其防渗问题最为关键, 经反复勘察和论证, 最终决定采用土工膜进行防渗, 取得了相当好的效果, 在北京很具有代表性。又如某垃圾填埋场5, 占地面积 9万 m, 为了保证场地的防渗效果和保护环境, 采用了加拿大锁码公司生产的厚1.5mm 光面 HDPE 土工膜, 取得了较好的经济效益。2.5 抗震作用相比混凝土, 土要软弱得多;比起钢筋, 土工格栅要柔软得多。看似柔软的土工材料, 却有着良好的抗震性能, 在桥台、挡土墙、填方路基等中占有一席之地。究其原因是加筋土结构相对柔软, 可允许应变较大, 加之变形模量低, 产生较大应变时结构内力并不高, 此外其阻尼比也较高, 可以有效吸收能量, 故而能在地震作用下而不破坏。如 2008 年汶川地震, 震后, 研究人员6对国道 G213都江堰映秀段加筋路基进行了调查, 结果表明, 在强震作用下大多数未加筋路堤发生了浅层边坡坍塌, 极少数发生了路面错落的本体滑坡, 但所有的路堤均未出现沿基础面的滑动, 而土工格栅加筋路堤则基本未受到地震的破坏。3 应用土工合成材料时存在的问题(1) 抗拉强度的判别标准。实际工程中, 大多数是利用土工合成材料的抗拉强度以发挥其工程作用。一般土工合成材料的拉力与伸长量成正相关, 且无明显的屈服阶段, 设计时往往选最大拉力来计算其抗拉强度, 但有些材料并非如此。此外, 工程中往往需要考虑材料在限制位移内仍有一定的强度, 而并非断裂时的强度, 因为位移过大将影响结构的安全使用。所以, 如何正确选择土工材料的抗拉强度有待进一步研究。(2) 渗透系数的确定。土工膜是土工合成材料中具有代表性的防渗材料, 其渗透系数的确定至关重要, 但土工膜的渗透系数很小, 一般很难测定, 加之材料本身的缺陷、取样方法及仪器限制等原因, 对于一般常规的渗透仪来说难度较大。(3) 缺乏完善的施工规范。例如, 土工合成材料与界面土体共同工作时, 由于接触面的不规则、土体颗粒大小不一及土体局部变形较大等因素, 在高水头作用下有可能会被刺破而失去其作用。4 结语通过对土工合成材料在软土路基中的加固原理分析及其工程应用情况, 可知在处理软土路基时, 采用土工合成材料可以明显提高地基承载力、减小总的沉降量和不均匀沉降, 同时还可缩短工期和降低成本, 值得在同类工程中推广。但土工合成材料的运用时间较短, 仍缺乏一定理论和经验, 需要研究者们不断去试验分析和完善相关理论, 以期提高其应用的科学性, 从而有效的指导设计和施工。参考文献1郑刚, 龚晓南, 谢永利, 等.地基处理技术发展综述J.土木工程学报, 2012 (2) :127-146. 2刘雄伟.土工合成材料在公路工程中的应用J.交通世界, 2016 (19) :54-55. 3刘宗耀.土工合成材料工程应用手册M.北京:中国建筑工业出版社, 1994. 4赵春红.土工合成材料在公路工程中的应用J.工程建设与设计, 2015 (3) :55-57. 5刘顺隆.垃圾填埋场的 HDPE 土工膜防渗技术J.资源节约与环保, 2015 (8) :38. 6王建, 姚令侃, 陈强.汶川地震路堤成灾模式及土工格栅加筋变形控制研究J.岩石力学与工程学报, 2010, 29 (增 1) :3387-3394.