閆冬

摘要：土工合成材料在公路中的應(yīng)用日趨廣泛，在處理軟弱地基、排水、路基護(hù)坡、加筋擋土墻，特別是在治理橋頭跳車方面都有很成功的應(yīng)用。其最大特點(diǎn)是可以完成巖土工程中常規(guī)方法難以處理的多種疑難問(wèn)題，如橋頭跳車、軟基沉陷、翻漿、塌方等。實(shí)踐證明土工格室與其它土工合成材料相比是一種新型的、具有更多的優(yōu)越性、實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格適宜、應(yīng)用效果很好的公路建設(shè)新材料。

關(guān)鍵詞：土工格室 高速公路 軟基處理 橋頭跳車 應(yīng)用

0 前言

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(méi)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(guò)渡區(qū)2，過(guò)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(guò)過(guò)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(guò)沿滑移線的剪切力和移動(dòng)主動(dòng)、過(guò)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(guò)程，在軟基公路上也會(huì)找到這種的樣板，只不過(guò)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，雨水滲透、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(jué)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(jué)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中空隙水壓力消散速度，從而加速土體的固結(jié)。總之，土工格室具有墊層、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。

2 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，不得有褟皺。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。

3 土工格室在公路建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 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%。

3.2 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(guò)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(guò)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。

3.3 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，西北地區(qū)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(wèn)題。經(jīng)過(guò)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。可見，土工格室在公路中的應(yīng)用范圍很廣，應(yīng)用前景很好。

3.4 處理橋頭跳車

2001年，蘭州交通廳與長(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(guò)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。

3.5 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。

4. 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(guò)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(wèn)題和路基材料在荷載作用下側(cè)移、擠出的問(wèn)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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