公路工程地基加固技术

公路工程地基加固技术 1、土工合成纤维加固土结构 墙体、桥台以及桥墩采用土工合成纤维格栅和板材加固土层支撑公路结构，因为其成本低、 不易受腐蚀以及耐用等，在二十世纪九十年代得已广泛推广运用。如同其它地基加固技术快速推 广一样，土工合成纤维加固土结构技术是先有推广运用后有技术指南推出的，鼓励对一些技术问 题的进行有意义的辩论，如加固层的竖向间隔，连接问题，压实情况，面板裂缝，填加土技术规 格，抗震反应，淘蚀保护，预应变必备条件以及最佳应用情况。确定最佳基础高度比例也是必 要的，包括有关限制和设计标准，以及侧向载荷阻力因素等。 美国联邦公路局（FHWA）制订了内部工作人员计划,解答一些未答复的问题，此项计划的第 一阶段涉及实尺桥梁持力桥墩的施工，不包括用聚合物土工布、路基砾石、以及普通家庭建筑炉 渣块（见图29）。在特纳-费尔班克公路研究中心(TFHRC)校园内修建了桥墩，便于施工监督和研 究测试的监测，该桥墩是在加固土基础上建造的，加固基础安置在天然边坡下约一米的位置。 图29 土工合成纤维织物加固土持力桥墩 同时还修建一组模型桥墩，用来补充实尺试验结果。这些桥墩较小，建起来要快得多，比原 型更容易进行破坏试验，为研究人员提供了难得的参数，以评价某些变化对整体性能的影响。另 一组原型实尺试验和几个大型实尺结构试验计划在1999年施工期进行。 1.1 实尺桥墩项目 已建大桥持力桥墩高5.4m，桥墩基础3.6m4.8m，为保持内部锥体效果美感，故顶部面积较 小。桥墩全部安装了仪器用以监测载荷、垂直沉降、侧向变形、内部蠕变以及加固土工布的应变。 面板下加了薄薄一层混凝土平整垫层以保证正常施工以及在桥墩面板平整排列。在持力基础顶部 以及面板周围安置六个混凝土反应垫，每个反应垫用四个钢杆锚固，钢杆可延伸至桥墩整高度， 固定在位于桥墩顶部、与底部反应垫匹配的的六个对应的垫子上。钢杆与内部土体分开，排除了 钢杆的垂直加固影响。测试时需要利用反应垫和连接钢杆来施加挤压荷载，目的是不影响桥墩的 正常功能。采用Amoco（美国石油公司）制造的高强度机织聚丙烯土工合成纤维织物（#2044）来 增加级配良好的砾石材料的强度，维吉尼亚公路基本都是采用的这种砾石。炉渣块干铺，既可作 为一种施工方式，又能在压实操作时作为砂砾层的护面。每层块体砾石层均加入了土工布，除块 体层之间的土工布重叠外，没有明显的连接部分。不要用胶和连接销将土工布固定在块体上。在 桥墩施工到中段时安置顶部反应垫，并将反应垫梁连接在钢杆上，用重型载荷千斤顶挤压或预加 应力于复合土体。利用顶部和侧面的拉压传感器、线性可变差动变压器和激光测量装置监测挤压 过程的应力和应变反应。预置应变可消除施工后期大部分预计沉降，提高加固土体的复合特性， 因为复合特性的关键是土的密度以及土工布和压实土之间的粘结连接。 加固板之间的垂直间隔起很大的作用，因为当间隔距离太大时，复合特性将会大大降低。进 行模型试验进一步研究最佳间隔结果，同时对面板的影响进行了分析。除面板美观、土的混合、 侵蚀控制、以及压实时采用的建筑模板外，块体很有可能对加固体的复合特性产生较大的影响。 反应垫尺寸大小和钢杆数量是比较关键的，其关键程度甚至超过在桥墩中段施工过程中（或 桥墩施工到三分之一时）及桥墩最后完工时需施加足够的预应变。加入额外的反作用力，为作载 荷研究试验提供足够的承载力。如果不考虑预置应变对保证承载力和沉降控制的重要性，则不需 要任何钢杆和反应垫了，对于这种设计，如果不作载荷破坏测试，只需了解预置应变情况，则只 需要约一半的有效承载力。 桥墩最高处施工时，桥墩又要承受应变，进行同样的应力和应变测量，加上在桥墩上半部四 层土工布层中进行蠕变和应变测量。四层土工布中每层安装了21个电阻应变片，每层土工布测得 的应变结果均相同，表明桥墩表面载荷均匀。接下来的载荷试验中桥墩载荷要比预置应变高得多 （但低于完全破坏载荷），以测定这种特殊复合材料的承载力和沉降值的上限。当出现严重的裂 纹、折皱以及面板块体位移时，停止加载，非加载和位移前的测量结果表明该系统的坚固程度和 支撑沉重的桥体负荷而不产生大的变形的程度。为了保护结构用于其它测试，没有采用最大荷载 条件。然而，所有的坍塌破坏载荷试验都是在以下将要讨论的小型模型上进行的。 美国联邦公路局（FHWA）手册机械加固土墙与加劲土边坡设计施工指南中建议，该种结构 形式的桥的载荷不要超过200kPa（2.1 tsf），这种荷载情况下，桥的性能会非常好，侧向变形和 垂直沉降非常小，块体没有裂纹或其它危险信号，在手册规定限度内既是在高载荷时其性能仍保 持良好，且其连接强度似乎也存在什么问题，通过土体与土工布之间的摩擦粘结形成连接，无需 采用胶或坚固件来增强连接，试验结果表明无需任何东西。由于加劲土体固结，作用于土和土工 布块体的垂直挤压力象是要产生一种曵力作用于块体，当曵阻力达到较高水平时，就会产生压缩 裂缝，不过这种情况下相反不会影响连接。 全部试验都非常成功，增加我们对该种结构的认识，它是目前最安全的、足以支撑公路桥的 结构，特别是在偏远地区，那里运输混凝土和钢铁到建桥现场成本较高，且调动重型设备较困难。 这种设计理念也是地震多发区的较好的选择，因为砾石加固层可充当震区地面运动与桥梁上部结 构之间的缓冲力减震器。（33） 1.2 模型研究 在特纳-费尔班克公路研究中心（TFHRC）大学校园的另一地方还建了一些用于做破坏试验的 小型原型桥模型，这些模型均采用相同的块体建造。该模型是按原型基底高度的 0.5的比例建造的， 采用同样的砾石材料，少数模型则按不同的垂直间距采用了土工合成纤维加固材料以便研究超载 情况下间距对复合土体性能的影响，同时还对不同间距情况下强度较小的土工布进行了试验。 （33） 1.3 腐蚀与经久性 加固土结构的主要设计原理之一就是在土/水环境下加固成份的腐蚀性和经久性。在美国，建 造加固土结构早期，所选材料几乎全部涉及到金属、无论是条形或格栅结构，镀锌钢使用情况最 好，随后采用的铝材和不锈钢，由于性能较差，均没有推广下去。担心镀锌钢的抗腐蚀性问题， 一些工程师们提出尝试用土工合成纤维聚合物材料作加固材料，然而，不久还是出现了同样的抗 经久性问题，因为缺乏有关其降解要素方面的信息，如在地面以下土/空气/水环境下可能发生的 水解和氧化现象。 为了协助工程师们设计新的方案和评价现有的墙，美国联邦公路局（FHWA）大学完成了一系 列的繁重的研究工作，调查与加固土结构设计寿命有关的金属材料加固成份中的抗腐蚀潜能以及 聚合材料的降解作用。经久性研究包括确定在土壤环境下分解程度的主要经久因素的分析。另一 主题，如安装损坏、生物和环境侵袭以及蠕变破坏，也在研究范围内。 提交的两份报告描述了腐蚀过程，并为评价镀层钢或非镀层钢加固材料的势腐蚀损害提出了 指导意见和标准。利用PR远程电化测量设备监测器监测腐蚀潜在性能、新建或已有墙的基底或镀 锌钢加固层的腐蚀率。用PR 监测器（图30）测量腐蚀界面的极化阻力（PR），因为腐蚀率与PR 监测器成反比（图34、35）。 本次研究还发表了几份报告，“应用于公路的土工合成纤维织物的经久性”，该文章描述水 解和氧化降解过程、安装损坏形态以及聚合物加固的蠕变关系等，这些报告，加上其它正在出版 中的总结性报告，为设计使用寿命预测时计算合理的强度换算系数提供了指导和测试规程。 （36、37、38）。以下将讨论其中的一些重要发现。 以迄今掌握的数据为依据，大多数土工合成纤维织物产品具有临界加固所需的经久性，特别 是在相对中性土壤环境下。在恶劣的环境条件下，则降解速率相当大。综合土工合成纤维织物使 用寿命预测解析模型，制订了土工合成纤维织物长期耐久性性能试验（如：烘炉老化和浸水试验） 的试验规程。 试验规程中的各种变化值一般是针对以化学特征为主的聚合物的，具体参阅土工合成纤维织 物，这种土工织物严重影响试验结果，或者说，使试验结果难以解释，因此，大家达成一致修改 试验规程，修改工作已完成。规程的修改对解释文献中提出的数据比较和使用为什么比较难有帮 助。 从为更好地说明试验规程所做出的努力看，广泛用于工业的初步标准化试验以及QC/QA规程 已经制订，这意味着具备了形成试验产业化的能力，以完成将来有可能被推荐用来评价土工合成 织物耐久性的试验，同时还具备了研究怎样完成试验并保证质量的意见的能力。 识别影响土工合成纤维织物降解速率的聚合物和土的环境因素以及可用来评价和量化这些因 素的试验。本次研究还确定马上开发土工合成纤维织物使用寿命预测模型，特别关于将现场土环 境与试验室环境相结合。美国联邦公路局（FHWA）技术应用办公室编写了一份技术转让报告，有 助于从业者执行新的指南（39）。为加快本研究成果的实施，交通运输管理委员会（TRB） （A2K07）提交的一项即独立又相关联的成果被用来编制框架，该项成果还有助于识别土工合成纤 维织物耐久性方面的真正需要所在，从而制订确定土工合成纤维织物长期强度的相关的操作规程 准则。 该项研究与已经采用土工合成纤维织物的部分工程团体，在产业界、特别是在聚合物研究 专家及供应商中创造了一个促进交通改善的环境，这有助于土工合成纤维织物业更好了解那些已 经使用土工合成纤维织物的人们对耐久性方面的需要，从而有助于土工合成纤维织物用户知道该 问什么问题、切实从产业界了解到什么。产业界与土工合成纤维织物用户之间的团队精神从而得 到了发扬，这是前所未有的。 2、永久性地层锚杆（锚定） 永久性地层锚定墙系统，常常被称作锚定挡墙，利用锚定在地面的拉伸部件支撑土层挡土结 构，或稳定滑坡。这些挡土墙修建在从顶部向下的开挖基坑上，其它公路用途包括在已有桥梁下 的一端斜面被移动以拓宽道路时的桥台基础托换和对因为刻蚀作用引起恶化的现有土持力结构的 加固，或者为承受增量的荷载。 临时地层锚杆是引进到美国的第一个系统，用来支撑修建永久性设施时开挖的基坑，由于其 既经济又安全，不久就得到了人们的广泛认同，并逐步广为人们推广使用，成为人们长期采用的 方法。经济导致这种临时支撑方法被淘汰，并减少了对道路用地因素的考虑，通过取消那些杂乱 无序排满细小支撑的狭窄开挖工作区来提高安全。 永久性地层锚杆是相对较新的岩土工程基本原理，被那些推广自己设计和安装方法的专业承 包人广泛推广。这些方法中，许多为私人所有或为家传。SHA设计条款就是地层锚杆承包人提出的， 由于不必要的保守和限制，增加了施工成本。 开始时，因为对合理的设计程序、施工方法以及有资料证明的性能经验缺少感性认识，引起 了部分公路工程师的很大的关注。根据需要，美国联邦公路局（FHWA）的研究人员从研究合同开 始研究试验条件下该项技术的状况，观察典型载荷条件下的应力与变形，然后，利用研究结果制 订一本工程指南综合手册和一本计算机化设计程序。 在伊利诺斯州立大学有四座模型试验墙（2米高，5米宽），均安装了测试仪器，做破坏性试 验（图31）以检验研究初期出版的以文献研究和分析试验为依据的初步指南，并使之更精炼。得 克萨斯州A&M大学的NGES研究室也建了一座实尺墙（10米高，60米长），墙的一侧装了一排带有重 型立柱的锚杆，而另一侧则装了两排带有小型立柱的锚杆，并在邻近的TAMJJ粘土场附近对垂直安 装的实尺地层锚杆进行了抗拔试验。 图31 大模型地层锚杆试验墙 图32 TAMU大学NGES研究室实尺地层锚杆试验墙 3、土钉法 土钉法是土持力方法，它结合快速原位加固和喷射混凝土来支撑基坑、小山坡、降水基坑和 路堤陡坡。土钉法结构可在较小的空间内自上而下施工，无需临时支撑，无需立柱，不会给墙体 造成破坏，给交通和施工带来的影响也很小，用小型简易轻便式设备将土钉结构安装在粘性粒状 土或相对非均质土中，启动时间短，可遥控。土钉墙常常是解决有关抢修、靠近用地线的垂直基 坑、钻探成本较高的工程、以及限制性工程等问题的最有效方法。用于常规工程时，它比挡土墙 结构施工更快，更经济。 作为提高土的总体稳定性的原位加固技术，土钉法通常是利用钢筋棍（土钉）钻入和灌入地 层的方法来进行施工的，有时也可用其他具有抗拉伸、抗压缩、抗剪应力的金属管或金属棒。在 设计结构中置入相对较多数量的土钉，将土加固成稳定体，支撑其背后的非加固土，在某种程度 上类似于重力墙。土钉法结构需要将内部和外部设计稳定，外部稳定要求设计结构质量具有足够 的防滑、防倾覆以及防承压破坏安全系数。 为证明结构内部稳定性，大多数工程师均采用极限平衡分析法计算临界破坏面的驱动力和阻 力。随着土钉法的推广和运用，FHWA（美国联邦公路局）在许多土钉法结构安装了仪器，进行广 泛的模型试验，并彻底分析原型墙，结果证明，当前设计是较经济的，且较好控制。 垂直开挖施工一般从浅基坑着手，基坑高度根据土的临时堆放能力来确定，通常约为2米， 接下来是给基坑喷射混凝土和置入土钉，这些步骤一完成，再在第一排土钉以下挖槽，反复重复 上述步骤直至达到所要求的位置。排水就是清除从喷射混凝土墙来的水，当土钉工程作为挡土墙 时，施工程序也相同，只是土钉法多加了排水程序，主要是为了防止土钉腐蚀。 非侵蚀地层环境下，单独灌浆可达到满意的防腐效果。而在侵蚀较强的土层中灌浆，则钢钉 形成环氧涂层，增加抗腐蚀能力。大多数土钉应用中，混凝土表层单独进行施工是相当经济的， 且在审美观上和结构上好于喷射混凝土饰面。 尽管土钉法从欧洲引进到美国，并附有是相应具有帮助的工程指南，但仍然存在一些较大的 问题，涉及性状机理、破坏方式、耐久性、面板设计以及抗震性状等。为应用土钉技术稳定公路 边坡和基坑，着手开始了一系列研究来制订综合技术指南，计算机设计程序的开发也是本次研究 一个重要的目标。 进行分析研究和物理试验，评价设计参数，如土的类别、适合土钉加固的非坚硬岩石、加固 土钉的类别、尺寸和定位、证明稳定性的设计公式、内部抗拔阻力以及变形等。还要确定耐久性， 开发程序，为抗腐蚀性和结构永久性提供保证。进行实验室试验，证明预测和设计参数选择的合 理性。现场试验是在实尺结构上完成的，以验证实验室试验与分析结果（42）。图33所示为康柏 兰德窄长隧道工程中安置在试验墙上的装有仪器的土钉。 土 钉 法 研 究 项 目 过 程 中 ,与 法 国 研 究 人 员 合 作 扩 大 到 整 理 调 查 成 果 ,该 合 作 项 目 叫 “Clouterre”， 法语叫“土钉”。作为“Cloutterre”协议的组成部分，FHWA（美国联邦公路局）同意将工作重 点放在抗震性状、野外性能监测、研究质量数据库的开发、以及面板设计研究等研究上，法国方 则把工作重心放在不同类型土中土钉结构的工程性状于分析上，包括系统性状和结构位移。法国 研究人员还负责可用设计方法和特殊载荷条件的临界评价，如冻结作用以及桥墩出现的超负荷现 象。 图33 Cumberland Gap 现场装有仪器的土钉的安装 一场由国家科学基础协会联合发起的题为“土钉挡土墙结构的抗震分析”的研究轰轰烈烈地 开始了，旨在评价动力载荷下土钉墙的反应及可能的破坏机理。运用组成后地震观测、离心试验 和数值分析的积分法完成对这些墙的动力载荷性状的有限元分析及评价。研究人员开发了一些测 试程序以建立以动力土钉相互作用为特征的可靠的设计参数，并将动力载荷计算值对最大土钉力 产生位置和强度的作用的分析过程公式化。 运用美国联邦公路局（FHWA）先期完成的系列实验室模型试验和实尺现场试验评价土钉法设 计和施工程序中土的参数以及加固参数，利用现有程序的数据分析和评价编制用来稳定土切坡的 土钉法的设计与施工临时指南。 单项研究工作中，为推广合适的面板/连接设计，特别是在地震活动频繁的地区，美国联邦公 路局（FHWA）投资“土钉墙面板测试”项目，以确定极限使用寿命。研究期间，采用的面板设计 方法比较保守，所以希望本次研究允许采用较薄的面板，以便节约施工成本。也