(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

土工合成材料通常指以人工合成或天然聚合物為原料制成的工程材料的總稱，與土、巖石等材料直接接觸。目前我國(guó)大量在建公路的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，環(huán)境條件惡劣，采用土工合成材料對(duì)公路不良填料路基進(jìn)行加固，可以有效提高路基的整體剛度、強(qiáng)度和承載能力，改善路基應(yīng)力分布狀態(tài)，延長(zhǎng)公路使用壽命，從而減少運(yùn)營(yíng)期病害和養(yǎng)護(hù)成本[1-3]。

在公路建設(shè)中使用土工合成材料始于20世紀(jì)70年代，由于土工合成材料在道路上的成功應(yīng)用，世界各地開(kāi)發(fā)了不同類型的土工合成材料，包括土工格柵、土工網(wǎng)、土工格室等，市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)。PALMEIRA和ANTUNES[4]指出利用土工合成材料進(jìn)行路基加固是控制路基變形的重要手段之一，同時(shí)有助于在一定的設(shè)計(jì)荷載下減少路基路面厚度。AHLRICH和TIDWEI[5]發(fā)現(xiàn)與高CBR土相比，對(duì)低CBR土進(jìn)行土工合成材料加固具有更高的效率，特別是在CBR值小于3的條件下。我國(guó)學(xué)者喻澤紅[6]分析了土與土工網(wǎng)的相互作用機(jī)理，指出在土體中合理布置土工網(wǎng)，可以明顯降低土中的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力，大大提高了土體的承載能力、抗變形能力和抗裂能力。朱湘[7]在考慮土體非線性本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)加筋路堤的受力性狀和破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，指出加筋可以減少路堤的均勻和不均勻沉降，并能增加路堤的穩(wěn)定性。曲向進(jìn)[8]討論了各類土工合成材料計(jì)算模型的適用范圍，對(duì)土工合成材料的使用效果進(jìn)行了量化，并利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證。錢勁松[9]運(yùn)用有限元方法對(duì)軟基路堤土工合成材料加固的作用和效果進(jìn)行了分析，指出土工格柵模量對(duì)加筋效果有顯著影響，且加筋位置靠近路堤底部時(shí)效率越高；同時(shí)證明了土工格柵能夠通過(guò)抗拉作用達(dá)到約束土體側(cè)向變形的目的，從而實(shí)現(xiàn)減小沉降的效果。陳炳初[10]提出一種新型的土工格室低路堤—?jiǎng)傂月访娼Y(jié)構(gòu)體系，即在路基上部設(shè)置由土工格室與其內(nèi)填料組成的加筋結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)體系可以有效擴(kuò)散上部傳來(lái)的交通荷載，讓路基內(nèi)部應(yīng)力更快地衰減，從而減少塑性區(qū)范圍。

土工合成材料對(duì)路基的加固作用主要通過(guò)與土顆粒相互嵌固和摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)，加固效果主要取決于材料剛度、孔徑大小等，同時(shí)與土工合成材料設(shè)置的位置有密切關(guān)系，而這方面的研究目前開(kāi)展較少。本文將選取玻璃纖維土工格柵、雙向拉伸塑料土工格柵和三維土工網(wǎng)3種材料，通過(guò)CBR試驗(yàn)對(duì)上述材料的加固效果進(jìn)行對(duì)比研究，探討土工合成材料類型和層數(shù)對(duì)CBR提高的影響，并嘗試獲取最佳的土工合成材料設(shè)置位置，為實(shí)際工程中的材料選型和設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土

本研究中使用的土從湖南省益陽(yáng)市某高速公路路基取土場(chǎng)獲得，土的級(jí)配曲線如圖1所示，土的基本物理性質(zhì)也在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)定，如表1所示。根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)[11]，試驗(yàn)用土屬于粉質(zhì)粘土。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical parameters of testing soil土種類最大干密度ρdmax/(g·cm-3)最優(yōu)含水率wopt/%液限wL/%塑限wP/%塑性指數(shù)Ip/%粉質(zhì)粘土1.8220.138.125.212.9

圖1 試驗(yàn)用土的級(jí)配曲線Figure 1 Grading curve of testing soil

1.2 試驗(yàn)用土工合成材料

土工合成材料具有多種幾何形態(tài)和聚合物成分，可滿足廣泛的應(yīng)用需求，實(shí)際工程中其選用還受到規(guī)格、耐久性、施工和成本的影響。在本研究中，選用了兩種類型的土工格柵和一種土工網(wǎng)進(jìn)行加固效果對(duì)比，土工合成材料樣品如圖2所示，各個(gè)土工合成材料的主要參數(shù)如表2所示。

(a) 玻璃纖維土工格柵 (b) 雙向塑料土工格柵

(c) 土工網(wǎng)

表2中，玻璃纖維土工格柵是以高強(qiáng)無(wú)堿玻璃纖維通過(guò)經(jīng)編工藝制成的網(wǎng)狀材料，表面經(jīng)過(guò)涂覆處理，具有經(jīng)、緯雙向很高的抗拉強(qiáng)度，并具有耐高溫、耐低寒、抗老化、耐腐蝕等優(yōu)良性能；雙向拉伸塑料土工格柵以聚丙烯為主要原材料，是通過(guò)擠壓、縱向拉伸、橫向拉伸等工序而制成的外觀近似正方形的網(wǎng)格狀材料。三維土工網(wǎng)是經(jīng)擠壓和雙向拉伸而形成的聚丙烯三維網(wǎng)墊，共有三層，層與層相互疊放。

表2 土工合成材料的主要參數(shù)Table 2 Main properties of geosynthetics土工合成材料材料網(wǎng)格大小/mm極限抗拉強(qiáng)度/(kN·m-1)屈服拉伸率/%玻璃纖維土工格柵高強(qiáng)無(wú)堿玻璃纖維12.7×12.7120×1203.0×3.0雙向拉伸塑料土工格柵聚丙烯30×3050×5013×16土工網(wǎng)(三層)聚丙烯7×93.8×1323×23

2 試驗(yàn)過(guò)程

加州承載比(CBR)是表征路基土承載能力的重要指標(biāo)，土工合成材料加固的一個(gè)重要作用即提高路基土CBR。本文將從CBR指標(biāo)角度研究土工合成材料的加固效果。從路基取土場(chǎng)取土后，首先將其進(jìn)行風(fēng)干、研磨，通過(guò)反復(fù)噴射蒸餾水潤(rùn)濕使其達(dá)到最優(yōu)含水率，用小鏟將土充分拌和至均勻狀態(tài)，然后裝儲(chǔ)存在密封塑料盒中使水分均勻分布，至少儲(chǔ)存48 h后進(jìn)行再將土倒入CBR試驗(yàn)?zāi)＞咧校瑢⑼凉ず铣刹牧锨懈畛芍睆铰孕∮贑BR模具直徑的圓盤形式(見(jiàn)圖3)，并設(shè)置在試樣的預(yù)定位置?？刂圃嚇拥膲簩?shí)度為93%，壓實(shí)土的干密度約為1.70 g/cm3。

圖3 加固層在CBR試驗(yàn)?zāi)＞咧蟹胖肍igure 3 Reinforcement layer placed in CBR mould

試樣的截面如圖4所示。單層土工合成材料分別設(shè)置在H/2(ξ=0.50)、H/3(ξ=0.33)、H/4(ξ=0.25)位置，其中H是CBR試樣的高度，為120 mm；雙層土工合成材料設(shè)置位置分別距離試樣的頂部和底部H/4(ξ=0.25、ξ’=0.25)。CBR試驗(yàn)過(guò)程參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[12]，加荷使貫入桿以1～1.25 mm/min的速度壓入試件，同時(shí)側(cè)記百分表的讀數(shù)，同時(shí)計(jì)算貫入度為2.5和5.0 mm時(shí)的CBR值。CBR的計(jì)算方法在此不做詳述。

圖4 土工合成材料在CBR試樣中的位置Figure 4 Geosynthetic materials position in CBR specimen

3 結(jié)果與探討

3.1 材料類型和層數(shù)的影響

圖5～圖7給出了土工合成材料單層加固條件下試樣的荷載—貫入度曲線，可以看出，土工合成材料可以有效提升路基粉質(zhì)粘土的CBR值。根據(jù)圖5(加固位置位于H/2)，在未加固時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別為1.26%和1.66%。當(dāng)采用玻纖土工格柵進(jìn)行加固時(shí)，CBR分別增加至1.79%和2.21%；當(dāng)采用三維土工網(wǎng)進(jìn)行加固時(shí)，CBR分別增加至2.16%和2.63%；當(dāng)采用塑料土工格柵進(jìn)行加固時(shí)，2.5 mm貫入度下CBR反而降低至1.19%而5.0 mm貫入度下CBR提升至1.76%?？傮w來(lái)看，采用三維土工網(wǎng)對(duì)CBR的提升效果最明顯。

根據(jù)圖6(加固位置位于H/3)，當(dāng)采用塑料土工格柵進(jìn)行加固時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別增加至1.41%和2.08%；當(dāng)采用三維土工網(wǎng)進(jìn)行加固時(shí)，CBR分別增加至1.30%和1.74%；當(dāng)采用玻纖土工格柵加固時(shí)，在2.5 mm貫入度下CBR值下降至1.19%而在5.0 mm貫入度下CBR增加至1.76%?？傮w來(lái)看，采用塑料土工格柵對(duì)CBR的提升效果最明顯。

圖5 ξ=H/2時(shí)的荷載 — 貫入度曲線 Figure 5 Load-penetration curve with ξ=H/2

圖6 ξ=H/3時(shí)的荷載 — 貫入度曲線Figure 6 Load-penetration curve with ξ=H/3

根據(jù)圖7(加固位置位于H/4)，當(dāng)采用三維土工網(wǎng)進(jìn)行加固時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別增加至1.34%和1.94%；而對(duì)于玻纖土工格柵和塑料土工格柵，在5.0 mm貫入度下CBR值同為2.03%左右，而在2.5 mm貫入度下CBR下降至1.19%和1.12%。

圖7 ξ = H/4時(shí)的荷載 — 貫入度曲線Figure 7 Load-penetration curve with ξ = H/4

圖8給出了土工合成材料雙層加固條件下試樣的荷載—貫入度曲線。當(dāng)采用雙層玻纖土工格柵加固時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別為1.86%和3.52%；當(dāng)采用雙層塑料土工格柵進(jìn)行加固時(shí)，CBR增加至3.72%和6.25%；當(dāng)采用三維土工網(wǎng)進(jìn)行加固時(shí)，CBR增加至4.16%和7.05%?？梢郧逦乜闯觯p層加固時(shí)，采用三維土工網(wǎng)的效果最好。

圖8 ξ=H/4和ξ’=H/4時(shí)的荷載 — 貫入度曲線Figure 8 Load-penetration curve with ξ=H/4 and ξ’=H/4

采用單層或雙層土工合成材料可以提升路基土承載能力的原因在于，土工合成材料與土顆粒具有一定嵌鎖和摩擦作用，可以對(duì)土顆粒的運(yùn)動(dòng)提供約束；此外，土工合成材料的張力改善了荷載傳遞分布，使垂直應(yīng)力分布更均勻，從而減小了土的貫入度和變形。

表3顯示了用3種土工合成材料加固土的CBR試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 340-2007)[11]，CBR最終值優(yōu)先選取貫入度為2.5 m時(shí)的CBR值，如果貫入度為5 m時(shí)的CBR大于2.5 mm時(shí)的CBR，則試驗(yàn)重做，如果結(jié)果仍然如此，則選用5 mm時(shí)的CBR。定義加固比為：

(1)

式中：CBRR為加固后的承載比;CBR為加固前的承載比。

從表中可以看出，無(wú)論類型和加固位置，土工合成材料的使用均可以使土的CBR值有相當(dāng)程度的增加。單層土工合成材料的加固比為1.05～1.58，雙層土工合成材料的加固比為2.12～4.25，CBR隨著加固層數(shù)的增加有顯著的提升，其中采用雙層三維土工網(wǎng)所發(fā)揮的加固作用最明顯。

表3 不同加固位置的加固效果比較Table 3 Results of CBR tests for different positions of geosynthetics土工合成材料類型土工格柵加固位置CBR/%加固后CBR增長(zhǎng)率/%加固比ηH/22.2133.131.33玻璃纖維土工格柵H/31.766.021.06H/42.0422.891.23雙層3.52112.052.12H/21.766.021.06雙向拉伸塑料土工格柵H/32.0825.301.25H/42.0422.891.23雙層6.25276.513.77H/22.6358.431.58土工網(wǎng)(3層)H/31.744.821.05H/41.9416.871.17雙層7.05324.704.25

3.2 加固位置的影響

圖9顯示了土工合成材料加固位置對(duì)加固比的影響?？梢钥闯觯瑔螌蛹庸虠l件下，當(dāng)ξ=H/2時(shí)，三維土工網(wǎng)的加固效果優(yōu)于其它兩種土工合成材料；當(dāng)ξ=H/3和ξ=H/4時(shí)，塑料土工格柵的加固效果更加明顯，可見(jiàn)，對(duì)于塑料土工格柵，適當(dāng)?shù)貙⒃O(shè)置位置靠近荷載，將更有助于發(fā)揮加固作用；而通過(guò)本室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，玻纖土工格柵加固效果與加固位置的關(guān)系尚不明確。采用雙層土工合成材料加固時(shí)，三維土工網(wǎng)和塑料土工格柵的加固效果明顯遠(yuǎn)高于玻纖土工格柵。

圖9 不同加固位置時(shí)的加固比Figure 9 Reinforcement ratio for various reinforcement positions

圖10顯示了不同單層加固位置下CBR的變化情況，可以看出，路基承載能力的增加很大程度上取決于土工合成材料的設(shè)置位置，為了獲得最佳的加固效果，土工合成材料應(yīng)放置在試樣的中上部，如果沒(méi)有設(shè)置在適當(dāng)?shù)奈恢茫庸绦Ч麑⒑懿?，如將土工合成材料設(shè)置在靠近試樣底部幾乎沒(méi)有任何加固效果(未加固時(shí)CBR為1.66%)。對(duì)于塑料土工格柵加固，設(shè)置的最佳位置應(yīng)為0.3H～0.36H；對(duì)于玻纖土工格柵加固和三維土工網(wǎng)加固，其最佳設(shè)置位置為0.41H～0.62H。因此，對(duì)于實(shí)際工程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定加固最佳位置以充分發(fā)揮土工合成材料的作用，最大限度地增加CBR是至關(guān)重要的。

圖10 加固位置的優(yōu)化Figure 10 Optimum of reinforcement position

4 結(jié)論

本研究的主要結(jié)論如下：

a.當(dāng)采用單層土工合成材料加固時(shí)，路基粉質(zhì)粘土的CBR值增加5%～60%，當(dāng)用雙層土工合成材料加固時(shí)，CBR增加112%～325%。無(wú)論土工合成的材料類型如何，雙層加固效果都遠(yuǎn)高于單層加固效果。

b.單層加固條件下，當(dāng)ξ=H/2時(shí)，三維土工網(wǎng)的加固效果優(yōu)于其它兩種土工合成材料；當(dāng)ξ=H/3和ξ=H/4時(shí)，塑料土工格柵的加固效果更加明顯，對(duì)于塑料土工格柵，適當(dāng)?shù)貙⒃O(shè)置位置靠近荷載，將更有助于發(fā)揮加固作用。采用雙層土工合成材料加固時(shí)，三維土工網(wǎng)和塑料土工格柵的加固效果明顯遠(yuǎn)高于玻纖土工格柵。

c.對(duì)于塑料土工格柵網(wǎng)格加固，加固的最佳位置為0.3H～0.36H，對(duì)于玻纖土工格柵加固層和三維土工網(wǎng)加固，加固的最佳位置為0.41H～0.62H。

d.影響土工合成材料加固效果的因素有：土工合成材料的類型、層數(shù)、加固位置等，尤其當(dāng)加固位置不恰當(dāng)時(shí)，加固效果將很差，實(shí)際工程中，有必要結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定土工合成材料加固的最佳方案。值得一提的是，本文研究結(jié)果是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的，有必要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。