土工格室在高速公路建設中的應用
發布時間：2010-01-14 共1頁
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，歐美等國家就開始了大量的研發工作，并經試驗和現場應用證明在提高一般填土承受動荷以及路基防護方面均有很大的功效。我國在九十年代初在吸收國外先進經驗的基礎上，開始了土工格室的開發研究工作，并在道路基床病害整治，固定松散介質的應用方面取得了重大突破。隨著人們對土工格室特性的進一步了解，已經發現其具有其它土工材料（土工布、土工膜、土工格柵、土工模袋、土工網等）不可替代的優勢，使其在諸多領域有著獨特的應用前景。
1、土工格室的特點
土工格室是一種采用高強度聚乙烯片材，經超聲波焊接等方法連接，展開后呈蜂窩狀的三維立體網格結構材料，屬于特種土工合成材料。在巖石工程中與土、砂、石等填料共同構成不同視粘聚力、不同加筋強度、不同深度的墊層。這些墊層可以根據工程的要求放置于需要的位置，用以加固公路的路基、邊坡防護、修建擋土墻等。其最大的特點是可以完成巖石工程中常規方法難以處理的多種疑難問題，如橋頭跳車、軟基沉陷、翻漿、塌方等。具有材質輕，耐磨損，耐老化，耐化學腐蝕，適用溫度范圍寬，拉伸強度高，剛性、韌性好，抗沖擊力強，尺寸相對穩定，運輸方便等特點。在施工中連接簡單易行，施工方法簡單，從而簡化了施工工序，提高了施工速度；并可以反復多次使用。
2、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注，還應從其基本原理說起。國外文獻中在描述其原理時稱其為“一種蜂窩狀三維限制系統，可以在很大范圍內顯著提高普通填充材料在承載和蟲蝕控制應用中的性能。”它的關鍵原理就是三維限制。大家都知道，當汽車行駛在沙漠上時，就會壓出兩道深深的轍印，被壓部分深深下陷，車轍兩側會高高隆起。后面的車輛如果繼續沿著車轍前進，沉陷部分會進一步下沉、隆起部分會進一步隆起，直到隆起部分蹭到了車底盤、沉陷的車轍埋沒了大半個輪子，進而無法前進。之所以如此，就是因為當外荷作用于地基表面時，依據普朗特爾理論和泰勒理論可知：在集中荷載的作用下，主動區1受壓下沉，并將力向兩側分解傳遞給過渡區2，過度區2又傳給被動區3，被動區就會毫無限制地發生形變而隆起。也就是說，載荷一旦作用于路基，在載荷的下方就會形成起契狀的主動區域，它又通過過渡區域進行擠壓，從而使被動區域發生隆起。也就是說，通過沿滑移線的剪切力和移動主動、過渡、被動三個區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到以上原理的真實過程，在軟基公路上也會找到這種的樣板，只不過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法避免其橫向移動。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期碾壓、振動力的作用下，材料向路基斷面兩側橫向位移不可否認是另外一個十分重要的原因。以我省各地各級公路為例，都有在該路的主行車道上可以明顯感覺到路面已經被壓出了一條“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烈于行駛在超車帶上的感覺，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。
工程中常規處理路基的方法無需贅述，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作用下發生移動的能力，因而工程中對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，就需要外購這些材料，購買材料的費用和運輸費用占去整個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情況下不能使用的材料，從而大幅度減少材料購置費用和運輸費用。為什么會這樣呢？土工格室承載情況示意：在集中載荷作用下，受力的主動區1依然會把所受的力傳遞給過渡區2，但由于格室壁的側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，抑制了過渡區2和被動區3的橫向移動傾向，從而使路基的承載能力得以提高。經過試驗，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區域移動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水平排水通道，可加快飽和土固結過程中空隙水壓力消散速度，從而加速土體的固結。總之，土工格室具有墊層、加筋、排水、調節應力及變形，提高土體抗滲能力的綜合功效。
3、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，整平施工場地，清除雜物。鋪設施工墊層并壓實，然后鋪設土工格室，鋪設中要盡量拉緊，不得有褟皺。及時用填料填充格室內并壓實，同時觀測格室變形和檢查密實度。最后修正邊坡完工。
4、土工格室在公路建設中的應用
4.1 沙漠筑路應用
早在1994年，西安公路學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研究所研制的土工格室，進行了沙漠筑路應用研究，重點研究了土工格室填充塔克拉瑪干沙漠筑路的主要設計參數——抗壓回彈模量。研究結果證明，所獲得的抗壓回彈模量達190∽210MPa，完全滿足路基設計要求，而且土工格室填沙結構層比天然砂礫結構層減薄約10cm，可以就近取材。1995年應用此項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筑路基墊層。所測得的路表彎沉值為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，說明格室固沙所獲得的整體強度明顯大于級配砂礫層的強度，而且所有層位的壓實度檢測都滿足規范要求。所節省的常規路基材料費用和運輸費用，使筑路成本降低50%，所使用的工期也比常規方法縮短60%.
4.2 軟基處理
1997年，遼河油田勘察設計院海洋工程研究院，在灘海潮間帶臨探道路進行了土工格室筑路試驗，更進一步證明了土工格室在解決沉降方面的獨到功效。該地區黃海高程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研究所生產的20cm高土工格室兩層，配合土工布作路基底層，下層格室內填粗砂、礫石，上層內填礦渣，兩邊用山皮石作路肩。經過潮水浸透自然沉降以后，無需碾壓即可行走大型重載翻斗車。經過四個多月、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、礦渣路面結構強度高、整體性好、荷載均勻擴散能力強的特點。從他們在這次試驗中所作的土工格室筑路與常規使用山皮石填海筑路兩種方案的經濟效益和社會效益分析中可知：使用山皮石筑路每公里造價在400∽500萬元之間，工期30∽40天，每公里需要3600個運輸臺班，每公里占地20萬m2 .而用土工格室（雙層）筑路，造價在100∽130萬元，工期7天左右，每公里運輸臺班310個，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、減少填料對海洋的污染，特別是具有養殖價格的灘涂地區，其環保、經濟效益更為可觀。
4.3 濕陷性黃土地區、高填方路基填挖連接段
與其它地域相比，我省公路方面應用此項新材料、新工藝相對落后。可喜的是2000年在連霍國道饞蘭高速公路、國道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沉降從而引起填挖結合部出現的裂縫，采取在填挖結合部強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題。經過實踐證明，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用范圍很廣，應用前景很好。
4.4 處理橋頭跳車
2001年，我省交通廳與長安大學公路學院合作完成科研項目，在連霍國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，每個橋頭處理面積需600∽800m2不等（橋的高低、圖紙、坡的長短不同），每平方米造價為26∽30元（使用土工格室規格不同）。使用土工格室可以省去大量灰土，工程綜合造價與常規方法處理橋頭跳車的造價相當，但效果和使用壽命成倍提高。
4.5控制沖蝕的應用：護坡、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，土工格室的另一個重要作用是控制沖蝕，而且在國外使用土工格室控制沖蝕的應用量絲毫不亞于承載應用。應用最多的有護坡、堤壩、擋土墻、防波堤岸等等。它的原理就是增加流動能力，減少毛溝侵蝕，防止水壓積聚、消除集中沖蝕。蜂窩限制結構可以固定填充材料，限制作用于其上的水壓，從而改善了流動能力。蜂窩壁使正常的排水可以進行，但卻控制了窩內的流動速度。如同千百個微型堤壩，將集中水流分散成均勻、舒緩的薄層水流。
5. 結語
今天，全國高速公路建設仍在高峰期，所經過地區的地質條件千差萬別，需要進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”問題和路基材料在荷載作用下側移、擠出的問題，嚴重影響著高速公路的使用壽命和安全。還有防護護坡，無論是用傳統的漿砌、干砌或水泥混凝土網格都無法阻擋雨水對其下面土層的破壞性侵蝕，致使高速公路的維護費用增加。如果使用土工格室護坡，配植根系發達的草種，既可固土護坡，又可綠化、保護生態環境，完全符合國家注重環保、建設綠色通道的要求。即使初期工程造價比傳統方式略高一些，但其延長公路使用壽命、減少維護成本以及環保、生態等方面的綜合經濟效益卻是功在當代、利在千秋。
