土工格室在软土地基处理中的应用与研究

V ol 121　N o 14
公　路　交　通　科　技
2004年4月
JOURNA L OF HIGHWAY AND TRANSPORT ATION RESEARCH AND DEVE LOPMENT
文章编号:1002Ο0268(2004)04Ο0037Ο03
收稿日期:2003Ο03Ο04
作者简介:张胜(1968-),男,安徽合肥人,同济大学硕士研究生,高级工程师,主要从事道路岩土工程方面的工作1
土工格室在软土地基处理
中的应用与研究
张　胜,赵华宏
(安徽省公路勘测设计院,安徽　合肥　230041)
摘要:土工格室是近年来发展的一种新型土工合成材料,其工程性能优越,替代传统加筋材料,被广泛应用于现代土木工程领域,但目前工程经验不足,设计方法也不成熟。

本文介绍了土工格室在安徽省高等级公路软土地基处理中的应用情况,就其计算方法尝试采用有限元数值法计算,并提出两种单元处理模型。

关键词:高等级公路;软土地基;土工格室;加筋垫层中图分类号:U4121366 文献标识码:A
Study on Application of Cellular Geogrid System in Soft Ground Treatment
ZH ANG Sheng ,ZH AO Hua Οhong
(Highway Survey and Design Institute of Anhui Province ,Anhui Hefei 230041,China )
Abstract :The cellular geogrid system is new geosynthetics that have predominant engineering property ,instead of general rein forcement materials ,be widely applied in civil engineering currently 1Owing to lack of engineering experience ,there is no standard design method s o far 1This paper presents the application of the cellular geogrid system in expressway s oft ground treatment in Anhui province 1It attempts to compute its effect by the finite element method ,and puts forward tw o m odes of element m odel to simulate the cellular geogrid system 1K ey words :Expressway ;S oft ground ;Cellular geogrid system ;Rein forcement bedding
我国东南沿海、内陆省份甚至西南山区均有不同
成因的软土分布,软土路堤由于沉降、不均匀沉降大,路基稳定性差,容易引起路面开裂、路基失稳、桥头跳车等不良现象的发生,是目前高等级公路建设
中的一项重要研究课题[1～3]。

土工格室这一新型材料取代传统土工材料逐渐被人们用于软土地基处理中。

安徽省软土分布广泛,本文结合安徽省软土地区高等级公路建设经验,就土工格室在软土地基处理中的应用情况加以论述。

1　安徽省软土主要成因及工程地质特性
安徽省位于长江中下游,沿安庆、贵池、铜陵、
芜湖、马鞍山一线有条带状厚层软土分布。

具有典型的河漫滩相成因,软土成层情况较为复杂,成分不均一,走向和厚度变化较大,平面分布不规则,常成带
状、透镜状,间或与砂或泥炭互层,底部有砂层分
布。

物理力学性质及透水性较差,主要物理力学指标见表1。

长江河漫滩冲积相软土物理力学性质指标表1
项目
含水量(%)
湿密度(g Πcm 3)
天然孔隙比液性
指数
渗透系数(10-6cm Πs )
压缩
系数
(1ΠMPa )压缩模量(MPa )
十字板抗剪强度
(kPa )
河漫滩相3810～5914
1162～1178
11023～11676
1104～1196
011～516
0166～1173
1151～4144
2012～3212
2　土工格室工程性能211　作用机理
土工格室是用高密度聚乙烯片(H DPE ),经强力
焊接,成为蜂窝状结构,填充土石或混凝土,可构成强大侧向限制的大刚度结构体。

可用于加固地基、筑
路、边坡防护等工程。

土工格室用于软土地基处理,其作用机理与其它土工复合材料(土工布、土工网或格栅等)有所不同,土工格室是一种三维网格,除具有一般土工加筋材料的作用外,格室产生横向限制力及网格壁的摩阻力,这种机能可使填方不会被挤压进入松软地基中,并产生一种粘固及弹性的架桥作用,这种大刚度板结构可防止土方因载重变形,并可大大减小传至软土地基的附加应力。

当上部荷载不超过地基承载力极限值时,即使地基变形仍不影响上部结构本身的整体性。

土工格室加筋垫层,不仅起加筋作用,而其本身的土Ο梁作用机理形成一种大刚度板结构,增强地基的整体性,并有效降低传到天然地基土上的附加应力,从而提高垫层承载力,减小地基沉降及不均匀沉降。

试验表明加筋土垫层的应力扩散角大约为70°,普通垫层应力扩散角一般30°左右,当HΠB=015时,加筋垫层扩散应力范围可达4B。

土工格室加筋垫层的土Ο梁作用使土体一定深度内竖向附加应力有所减小,使应力在断面上分布更均匀,这样不但减小了路堤中线的沉降量,还减少了路堤底面的不均匀沉降,据研究路基中线沉降量可降低10%～15%。

212　施工工艺
土工格室大面积铺设应保证其整体性,一般接头采用对接,片材采用特制的连接件连接拉紧,铺设完毕后,一般人工向土工格室内填筑中粗砂或级配碎石并密实,再在土工格室上再铺5cm厚的砂垫层,然后再填土,从两边向中间进行,先用推土机压实,然后压路机碾压。

其施工工序:整平场地→铺幅放样→与前幅边缘对接并用连接件连接→端头锚固→填筑中粗砂或碎石→满铺5cm厚砂垫层→填土。

3　设计方法
土工格室加筋垫层设计方法基本与普通垫层设计内容相同,包括垫层承载力设计、垫层厚度、宽度、整体稳定性验算以及变形复核等[4]。

311　承载力计算
土工格室加筋垫层承载力设计计算目前全国还没有统一计算方法,一般有经验法、查表法及公式计算法几种,但土工格室加筋垫层与普通垫层略有不同,采用应力扩散角法其应力扩散角应合理取值。

按承载力公式计算时,普通垫层承载力计算公式见(1)式,加筋垫层承载力公式见(2)式,其余计算方法可参见有关规范规程。

P=cN CζC+qN qζq+015γBNγζγ(1)
P=2τ+cN CζC+qN qζq+015γBNγζγ(2)式中,P为极限承载力;c为粘聚力;q为附加荷载
(q=γ
q
D q);γq为格室内土的容重;D q为格室高度;γ为破坏区土的容重;B为所施加压力系统的宽度;
τ为土工格室与其间土的抗剪强度(τ=σ
h
tanδ);σh
为格室内的均应力(σ
h
=pK a);K a为主动土压力系
数;δ为土与格室墙体间的摩擦角;N
C
、N
q
、Nγ为
承载力系数(与土的内摩擦角有关);ζ
C、
ζ
q、
ζγ为形状系数。

312　稳定性验算
边坡稳定是路基设计的关键,验算方法分极限平衡理论法和有限元法两大类,一般常用前者。

极限平衡理论法具体要根据软土厚度、路基填土高度及其物理力学性质等因素加以分析,找出潜在滑动破坏面,依据不同的破坏形式进行计算,加筋材料的作用相当于增加一个抗拉力,而这个抗拉力就是筋材克服摩阻力所发挥的强度,同时要考虑筋材对潜在滑动面的影响。

作者认为用这种方法计算土工格室加筋处理路堤稳定性不太妥当,因为土工格室是一种三维网格,与其中的密实填料共同形成一种板结构,其不仅能发挥水平向摩阻力作用外,还能分担扩散竖向作用力,因而建立合理的模型单元用有限元法进行分析比较符合土工格室的作用机理。

以下就作者初步尝试的两种模型处理方法加以简介,以供同行探讨。

模型1:节理单元。

目前国内外已提出多种节理单元模型,最先是为研究岩体结构力学,模拟岩体软弱结构面而提出的,最早提出而又使用最广泛的是古德曼(G oodman)节理单元[5],是一种假想的无厚面结构,但其能传递压力及摩阻力,见图1(a)。

土工格室为软土路堤的一相对强结构面,但其作用机理一致,土工格室垫层传递扩散垂向土压力,并依靠摩阻力发挥侧限作用,因而将土工格室及其周围一定厚度范围内的填料抽象为节理单元进行模拟。

其刚度矩阵依据增量理论用变刚度法求得,其余同一般有限元计
算。

节理单元材料参变量有:k
s为切向应力刚度, kNΠm;k n为法向应力刚度,kNΠm;γ为容重(格室+填料得复合容重)kNΠm3;c为格室与填料之间的
粘聚力,kPa;<为格室壁与填料之间的摩擦角;v
m 为容许相对变形量,m。

其单元刚度矩阵
[k]e=t∫
lΠ2
-lΠ2
[B]T[k e][B]d x(3)
模型2:板单元+接触面单元。

由于土工格室的
公路交通科技　2004年　第4期
土Ο梁作用机理形成一种大刚度板结构,在进行有限
元模拟时将土工格室单独作一层板单元实体见图1(b ),而其与上下填料间的作用关系用节理面单元模拟。

板单元刚度矩阵不再赘述。

图1　土工格室单元模型
两种处理模型均概念明确,操作简单,适于数值
模拟计算。

模型1通过节理单元模拟筋材的拉拔作用力,但侧限作用发挥强度是随着应力场变化而改变的,与传统分析法相比更进一步。

模型2相对模型1处理复杂,但边界明确,力学参数简单,且更符合土工格室的板梁作用机理。

4　应用范围及条件
结合试验路工程经验及其它省份成功工程经验,安徽省多条高等级公路及大量的路网工程的软土地基处理都推广使用土工格室进行处理。

使用形式可分为浅层处理、路面加固、加筋换填及组合型,见图2。

土工格室的具体应用依据软土厚度、工程地质特性及构造物规模综合选用。

图2　土工格室处理软土地基的几种形式
411　老路加宽处理
工程地质条件相对稍差,通过计算分析不需要进
行深层地基处理,为控制新老路不均匀沉降(老路沉降基本完成),设计采用垫层加筋方案。

垫层设计厚度一般为30cm ,垫层材料用碎石,垫层中设置20cm 高土工格室加筋处理,且土工格室伸入老路基不小于2m 。

为减少路面纵向裂缝的产生,沿路面纵向在路面结构层下老路基与新路基结合处铺设一层土工格室,宽度为3m ,伸入新老路基各115m ,可以有效的协调新、老路结合处的路面变形,从而减少路面纵向
裂缝的产生。

412　小型构造物
工程地质条件相对稍差,地基承载力较低,设计采用换填处理方案。

一般圆管涵基础以下换填110m 厚碎石垫层,箱涵基础以下换填115m 厚碎石垫层;并在垫层底铺设20cm 高土工格室装碎石回填、压实,当软土较差时,可在垫层中设数层双向土工格栅加筋处理。

土工格室换填加筋处理可迅速提高地基承载力,并减小涵底不均匀沉降。

413　桥坡段浅层处理桥坡段由于不均匀沉降引起桥头跳车,历来很受人们重视,但处理方法不能一概而论,当桥头段软土厚度较薄或仅夹薄层软土且台背填土不是很高(H <5m ),应用土工格室垫层浅层处理,并设置柔性加筋桥台以控制不均匀沉降。

414　一般路段浅层处理
使用土工格室加筋垫层处理的一般路段,分为两种情况,一种是路基设计填土高度很小,原地面以上很快进入九五区,且地基有薄层软土分布(难以清理);一种是路基填土较高,而地基软土层较薄,易发生浅层滑移路段。

试验路证明,对低填方路段,加铺土工格室垫层,能满足九五区压实度、施工工艺及路堤强度等要求,有效解决了软土段低填方路堤压实度问题。

通过土工格室垫层增强上部结构整体性及在荷载作用下的抗变形性,减小地基附加应力及附加沉降,提高路堤整体稳定性。

415　沟塘路段
江南水网密布,公路建设经常穿压沟塘湖泊,塘底一般有厚层软土分布,可采用搅拌桩桩顶铺土工格室垫层处理或单独采用垫层处理,桩顶垫层加铺土工格室可减少搅拌桩数量。

使用土工格室加筋处理,充分发挥其大刚度板结构作用,可增加上部结构整体性,防止土方因载重发生过大变形,并可迅速提高地基承载力,大大减小传至软土地基的附加应力,减小地基工后沉降及不均匀沉降,同时大大改善填料性质,提高坡体的稳定性,对于新老路堤也大大减少了自身的变形差异。

软土地基处理情况各异,土工格室垫层的选择使用应对各工况具体详细分析,以能充分发挥土工格室的优势作用,同时满足公路设计使用标准。

5　结论
(1)扩散应力,迅速提高垫层承载力。

使用土工格室加筋垫层,使其形成一种大刚度(下转第46页)
土工格室在软土地基处理中的应用与研究　张　胜等
年至2000年13年期间基本稳定,沿线路两端较少向外扩展。

B线方案需穿越P煤矿中部塌陷积水区和J 煤矿东部塌陷积水区,跨越塌陷积水区的总长度达518412m。

其中该线路方案所穿越的P煤矿塌陷积水区自1994年至2000年期间已逐步稳定,很少沿线向外扩展,而穿越的J煤矿塌陷积水区在1994年至2000年期间仍向北部扩展,可能还会继续扩大,将对线路产生不利影响。

由于在遥感影像上提取塌陷积水区的主要依据是塌陷区的地面积水。

根据现场调查,水面比地面低015～110m左右,显然积水区比实际塌陷区面积小,所以分析得到的塌陷积水区扩展面积以及线路跨越塌陷积水区的长度都比实际塌陷区数字小。

在塌陷积水区扩展分析中,虽然所使用的遥感影像都是9月份图像,在时相上具有相似性,但由于时间跨度大,年气象条件差异也大,所以塌陷积水区分布和扩展数据,都需要根据这期间实际水文和气象观测数据来进行校正。

在塌陷积水区遥感分析中,所使用的遥感图像分辨率较低,影响了分析结果的准确性,在后续线路详细设计中,可以使用现势性好的高分辨率遥感图像如IK ONOS(1m)或航空摄影影像。

3　结论
(1)在高速公路特殊路段的工程可行性研究中,运用RS和GIS技术来分析煤矿采空塌陷区的分布、扩展规律,大大提高了工作效率,节省了工程费用。

提高可行性研究阶段成果的质量,是高速公路特殊路段工程可行性研究中的一个有效技术手段。

(2)在运用RS和GIS技术中,必须充分考虑和分析相关的地质资料,要多技术、多手段综合分析。

(3)在具体分析应用过程中,要选取有典型代表性的自然现象,充分利用RS和G RS技术的优势,对这些信息进行深入的分析和处理,这样才能得到科学准确的结论。

(4)RS和GIS技术在高速公路建设中有非常广阔的应用前景,虽然目前国内在高速公路建设领域的应用还处于初步阶段,但鉴于该方法的科学性、实用性和经济性,在类似工程中可普遍采用。

参考文献:
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(上接第39页)板结构,提高垫层本身承载力,并将上部荷载应力扩散到更大范围。

(2)减小地基沉降及不均匀沉降。

土工格室加筋垫层整体性增强,加筋垫层的土Ο梁作用使土体一定深度内竖向附加应力有所减小,使应力在断面上分布更均匀,以减小不均匀沉降量,特别对新老路拓宽段能发挥有效作用。

(3)土工格室的施工应保证格室内填土的压实,为此,填料最好为粗骨料,且要有良好的级配,最大粒径不超过5cm。

土工格室比较适合于浅薄层软土地基的加固,对于深厚层软土地基(有硬壳层)当填土较高时,应适当延长预压时间,以减小工后沉降。

(4)土工格室为近年来新研制的土工复合材料,土工格室加筋垫层的作用机理、设计方法等有待于进一步深入研究。

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