（安全技术及工程专业论文）土工格栅在拓宽路堤中的减沉防裂效果研究.pdf

中南大学硕士学位论文 层土体的拉应力，起到了应力隔离作用。 4 对土工格栅加筋土体的力学特性研究发现，在相同法向应力作 用下，防裂效果与铺设土工材料的层数成正比，与土工材料埋设深度 成反比；板结的改良土对土工格栅抗拔效果最好，砂土嵌固作用的抗 拔效果次之，素土的抗裂效果最差。 关键词：土工合成材料，加筋土，土工格栅，旧路拓宽，有限元分析， 界面力学 i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y , t h e r o a dt r a f f i cf r e i g h tv o l u m eh a sb e e nr a p i d l yi n c r e a s e d ，n o wm a n gh i g h w a y s ，t w a i nc l a s s r o a d sa n dt h i r dc l a s sr o a d st m 伍ca r es a t u r a t i o n , n e e dd e t e r i o r a t e dr o a dw i d e n i n ga n d r o a dr e c o n s t r u c t i o n i nt h ed e t e r i o r a t e dr o a dw i d e n i n ga n dr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t , h o w t om a k es r l r en e wr o a d b e da n do l dr o a d b e d , e s p e c i a l l yt h e b i g s e t t l e m e n t c h a r a e t 商s t i cn o th a p p e nt ot h en e wa n do l dr o a d b e do ns o f ts o i l ，t ol i g h t e na n da v o i d t h ed i s t o r t i o n 、锄z ei nr o a ds u r f a c e i ti st h ep r o b l e mw on e e dt os o l v e t os o l v et h e s e p r o b l e m s , t h eg o o da n de c o n o m yw a yi st ot a k ei nr e a s o nb e d r o a dc o n f i g u r a t i o n , s t r e n g t h e nt h el a n d s e a p eo r i e n t a t i o nr e l a t i o no ft h en e wa n do l dr o a d b e d , m f l k eb o t h o f t h ew h o l ec o m b i n ec a p a b i l i t ya r es t r o n g g e o s y n t h e t i c sa r ew i d e l yu s e di no u rc o u n t r yr o a dp r o j e c ti nr e c e n ty e a r s ， e s p e c i a l l yi nt h e d e t e r i o r a t e dr o a dw i d e n i n go ns o f ts o i l , t a k eg e o s y n t h e t i c s ( f o r e x a m p l e ：g e o g r i d s ) ，t h eo n es i d ed e p e n do nt e n s i l es t r e n g t ho fg e n s y n t h e t i c st o i n c r e a s et h ec o n f i g u r a t i o na f f i l i a t i o no ft h ew i d e n i n gp a r ta n do l dr o a d b e d , m a k e e m b a n k m e n th a v ee n o u g hi n t e g r i t y ；t h eo t h e rs i d ec a l ld i s t i n c t n e s sr e d u c et h en e w l y a n do l dr o a d b e ds e t t l e m e n tc h 棚麓c t e r i s t i c b u tt h er e i n f o r c e m e n ts o i lm e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i cb yg e o s y n t h e t i e s ，a n dg e o s y n t h e t i c sm e c h a n i c sf u n c t i o ni ns o i li n t e r f a c e i n v e s t i g a t i o na r cl i m i t e d n 圮p a p e rh a v er e a dm u c hl i t e r a t u r ec o n t a c tw i t ha n a l y s i st o m a n yd e t e r i o r a t e dr e a dw i d e n i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n , u s i n gf i n i te l e m e n ta n a l y s i st o s t a b i l i t yo fr e i n f o r c e m e n te m b a n k m e n t , t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dt h eg e o s y n t h e t i c s d e s i g nb l u ep r i n tf o rc o a c ht h ed e t e r i o r a t e dr o a dw i d e n i n ga n dr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t a r e ru s ei nt h ep r a c t i c ea r ep r o v e di sg o o d t a k et h ea d v a n c e da p p a r a t u su s e di nt h e p r o j e c th a dh i g hp r e c i s i o n , d i r e c t n e s so b s e r v a t i o nt h ed i s t o r t i o no ft h eg e o g r i d sa n d s o i ls e t t l e m e 此a f t e rm e c h a n i c sc a l c u l a t ea n ds i m u l a t et oo b s e r v a t i o nr e s u l t , g e tt h e m e c h a n i c ef u n c t i o nm l ea n dp r e v e n tc r a c km e c h a n i s mf o r g e n g r i di n s o i l 、 c a l c a r e o u s n e s si m p r o v es o i l 、m a c a d a ms o i l n l ep a p e ri n v e s t i g a t i o nc o n t e n ti n c l u d er e i n f o r c e m e n tg e o g r i d sp r o j e c tc o n d i t i o n a n a l y s i si ne x p e r i m e n t a t i o nr o a d ；g e o s y n t h e t i c sc h a r a c t e r i s t i c i n1 0 a du s e ；t h e m e c h a n i c se f f e c to ft h eg o e s y n t h e t i c sa n ds o i l ；u s i n gf l a cf i n i te l e m e n ta n a l y s i s s o f t a r et od e s i g no fr e i n f o r c e m e n te m b a n k m e n t ；t a k ea n a l y s i st oa p p a r a t u si nt h e l o c a l eo b s e r v a t i o nr e s u l t n 他i n n o v a t i o np r o d u c t i o no f t h ep a p e r ： 1 t 0u s et h ee x p e r i m e n t a t i o ni nh o u s ei n v e s t i g a t et h em a i nc h a r a c t e r i s t i co f r e i n f o r c e m e n tg e o 鲥d st ot h er o a d ，a r ei n t e n s i t yc h a s 砸c r i s t i c 、d r a w i n gc h a r a c t e r i s t i c a n de n d u r ec a p a b i l i t y , c o m p a r et h o s ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hp a r t i c u l a ra n a l y s i s 2 w eg e tf u n c t i o nm e c h a n i s mo f g o e s y n t h e t i c si ns o rs o i l ，t e r r e n eg r a i n j o s t l ei n g r i d d i n gc a nf o r mm a c h i n eo c c l u d ef u n c t i o n , g r i d d i n gm a k es u p e r a b u n d a n c em o i s t u r e i nt o r th a v ei n f i l t r a t ea n de v a n e s c ef u n c t i o n , g r i d d i n gg e ts o rs o i lg r a i nd i s p l a c e m e n t h a v er e s t r i c t i o nf u n c t i o na r ct h em a i nf u n c t i o no fg o e s y n t h e t i c sr e d u c ea s y m m e t r y s e t t l e m e n to ns o f ts o i l 3 g e o s y n t h e f i c sc o n t a c te m b a n k m e n tf i l l i n gi n t e r f a c ef u n c t i o nm e c h a n i c s m 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n , g e o g r i dn e ts u l f a c 沱r u bs o i lc a np r o d u c ep u l l t os o i l ，t o n eu pt h e i n t e r 】g r i yo fe m b a n k m e n tc o m b i n es u r f a c er e s i s tc u ta b i l i t y , g e o s y n t h e f i c sh a v er e s i s t p u l la b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c , r e d u c e n e we m h a n k m e ma s y m m e t r ys e r l e m e 越t o s u p e r s t r a t u ms o i lp u l ls 坟e 锚p r o d u c et h es 虹e 嚣i n s u l a t i o nf u n c t i o n 4 ，g e tt h er e s e a r c hm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i cg e o g r i dr e i n f o r c e m e n ts o i l ，i nt h e s a m ev e r t i c a ls t l 龄s f u n c t i o n , p r e v e n tc m c k e f f e c th a v ed i r e c tr a t i o 诵t hl a y g e o s y n t h e t i c sa m o u n t , h a v ei n v e r s er a t i ow i t hg e o s y n t h e t i c sl a yp r o f u n d i t y ；h a r d e n i m p r o v es o i lh a v et h eb e s tg e o g r i dd r a w i n ge f f e c t , s a n d ys o i le m b e dd r a w i n ge f f e c ti s w o r s e ，c l a y h a v et h ew o r s te f f e c tp r e v e n tc r a c k k e yw o r d s ：g e o s y n t h e t i c s ，r e i n f o r c e m e n ts o i l ，o e o 鲥d s ，d e t e r i o r a t e d r o a d w i d e n i n g ，f i n i te l e m e n ta n a l y s i s ，i n t e r f a c em e c h a n i c s i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 国内外研究概况 第一章绪论 土工合成材料的开发和使用已有几十年的历史。1 9 2 6 年，美国最早用棉织物 加固公路路面；2 0 世纪3 0 年代末或4 0 年代初，聚氯乙烯薄膜应用于工的防渗； 5 0 年代末期，r j b a r r e t t 在美国佛罗里达洲利用聚氯乙烯织物作为海岸块石护坡的 垫层；1 9 5 6 1 9 5 7 年著名的荷兰三角亳l f f 工程用机织工织物加固防海潮大坝；2 0 世纪6 0 年代，合成纤维土工织物在美国、欧洲和日本逐渐推广。但是其生产技术 主要是机织型的，主要用于护岸防冲等工程，机织土工织物的强度高，但价格也较 高，反滤、排水功能差，限制了它的发展。非织造布的应用给土工积物带来了新的 生命，它的特点是把纤维做成多方向的或任意排列使得其性能上各向同性，非织造 型土工积物在2 0 世纪6 0 年代末期开始应用于欧洲，7 0 年代从欧洲传到了世界各 地。到7 0 年代土工合成材料的应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。高性能的 原料赋予产品高的强度与耐用性，先进的生产工艺赋予产品良好的功能，使其应用 范围不断扩大，特别是近2 0 年来，由于非织造针刺法，纺粘法工艺的推广。产品成本 低，而且具有良好的化学物理性能和水工性能，使非织造土工织物的应用飞速地发 展起来。目前世界上已有1 0 0 多个国家和地区( 包括发达国家和部分发展中国家和 地区) 在1 0 万多个工程中采用了土工布。据统计，全世界目前合成纤维土工布年耗 量约4 0 万t ，其中美国最多，达l o 万t 。土工合成材料已经成为继钢材、水泥、木材 之后的第4 种新型建筑材料。目前全球土工合成材料的发展与应用状况是，发达国 家在产品种类、质量、应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国家快， 尤以北美发展最快，欧洲则以德国、法国、荷兰、意大利等西欧国家发展较快，亚 洲主要是日本、马来西亚、韩国发展较快，国外产品类型、品种较多，规格齐全， 以非织造型、合成型、复合型所占比例较大。 随着使用范围的不断扩大【”，土工合成材料的生产和应用技术也在迅速地提 高，使其逐渐形成- - n 新的边缘性学科。它以岩土力学为基础，与石油化学工程 和纺织工程有密切联系，应用于土建工程的各个领域。1 9 7 7 年在法国巴黎召开第 一届国际土工织物会议，随后几届会议分别于1 9 8 2 年在美国拉斯维加斯。1 9 8 6 年在奥地利维也纳，1 9 9 0 年在海牙，1 9 9 4 年在新加坡，1 9 9 8 年在美国亚特兰大举 行。1 9 8 3 年成立了国际土工织物学会( i n t e r n a t i o n a lg e o t e 妯ks o c i e t y 简称i g s ) 。其 后，出现了一些关于土工合成材料的期刊、杂志和时事通讯，这些都标志着土工 合成材料作为一种新材料在岩土工程领域确立了自己的地位与诧同时，国外制 定和不断补充关于土工合成材料试验和应用的标准，例如国际标准化组织( 1 s o ) 、 中南大学硕士学位论文第一章绪论 美国( a s t m ) 、英i 虽( b s i ) 、法国0 吓) 、德国( d i n ) 、日本( j i s ) 、和澳大利亚( a s ) 等。这些都大大促进了这一新材料、新技术的迅速发展。 在我国，土工合成材料在岩土工程等领域的应用历史较短。最早应用的是土 工膜，大约在2 0 世纪6 0 年代初期，用于渠道防渗；7 0 年代中期，在长江护岸和长 江堤防中首次用织造型土工织物，利用土工合成材料作为土的加筋材料，7 0 年 代还不太普及，进入8 0 年代才迅速推广。初期多用于散粒状土，如砂、砂砾石、 粉质土等，最近开始应用于粘性土。加筋材料初期多为土工织物，1 9 8 1 年铁路 部门采用美国、英国的无纺织物，首先用于路基垫层，解决路基翻浆冒泥问题。 8 0 年代中后期是我国土工织物生产应用发展最为迅速的阶段，产品的品种、数 量、质量方面有很大的发展，其应用的数量、范围、技术水平等方面发展也很快。 进入9 0 年代以来，由于土工织物所具有的功能和特性以及在工程中的实际应用 效果，引起全国各行各业的极大兴趣。水电、铁路、交通、海港、建筑、冶金、 公路等部门、科研单位、大专院校都投入了开发和研究，并在多项工程中以不同 的目的应用了土工织物，取得了显著的经济效益。随着理论研究的深入，测试技 术、设计水平、施工方法的不断提高，土工织物开始在一些大型工程、重点工程 中得以应用，并获得较好的经济效益和社会效益。 在加筋路基的研究方面，s h u l d a 和e h a n d r a 将平面应变问题转化为一维问题， 以线性弹簧模拟软土地基，土工织物上下的砂垫层假定为p a s t e r n a k 剪切层，其 主要缺点在于忽略了弹簧间的相互作用，尽管相互作用不强。 y i nj i a n h u a 2 j 利用双曲线弹簧代表软土，推导了由该弹簧支撑的土工织物加 筋路基的一维非线性模型，考虑了路基土与土工织物的协调变形。该模型数学形 式采用两个非线性二阶常微分方程组，分析了非线性弹簧参数对加筋路基的沉降 和土工织物拉力的影响。 y o g r a j a h ，i 3 1 运用剑桥大学开发的有限元程序c r i s p ，模拟了土工织物受拉 拔状态下的应力应变情况，分析了应力和应变沿织物纵向的分布情况。 自7 0 年代开始，有限元法在国内逐渐被广泛应用于岩土工程，随后用于大 坝围堰的高边坡受力及变形分析，模拟基坑开挖、地基填土时周围应力场变形情 况，收到良好的效果。在众多学者专家的努力下，有限元法己经成功地应用于路 基及软土地基处理的模拟，包括复合地基中的桩基以及土工合成材料加筋地基， 计算结果与实际情况能较好的符合，得出了一些有益的结论。 福州大学徐少曼【4 】，洪昌华运用自编的有限元程序g r e n l f ，对土工织物加 筋堤坝软基进行了非线性分析，土工本构模型采用d u n c a n - - c h a n g 双曲线模型， 通过试验确定土工织物双曲线模型参数。对于织物与土界面强度对加筋效果的影 响作了分析研究，说明只要将土工织物夹铺于砂垫层中，摩擦力足以发挥出设计 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 拉力作用而不会被拔动；并分析了最优加筋层数、垫层应力扩散效果。 周志刚【5 1 ，张起森，郑健龙采用基于b i o t 固结理论和邓肯一张模型的有限元 程序，对土工格栅碎石桩复合地基进行了分析。根据计算结果与试验路段实测数 据的对比，说明了桩间距对软基沉降的影响，论证了推荐布桩方案的合理性，并 说明了格栅对碎石桩承载力的提高作用。 闫澎旺嘲，b e nb a r r 运用基于平面应力问题的有限元方法，对土工合成材料 处于拉拔状态下的筋一土间的相互作用作了分析。提出了一种分析方法，可估 算埋在粗粒土中的土工合成材料的抗拔特性，包括荷载与变形的关系，土工合成 材料位移沿拉力方向的分布，土反力分布等。并将计算结果与标准设备实验结果 进行了比较，验证了计算结果的正确性。 沈珠江【7 l 院士根据极限分析的原理，判定圆弧滑动不是一种可能的破坏方 式，只有侧向挤出才符合真实的破坏机理，并在此基础上提出一种基于滑动平衡 的简便分析方法。 徐少曼【8 】等提出了一种提高土工织物加筋效果的新途径，并且指出土工织物 加筋效果存在尺寸效应。 尽管如此，土工合成材料应用的理论发展却远远落后于其工程实践。在工程 运用中大都是参照类似的工程经验加以仿效，严谨的科学依据尚不多见。加筋土 目前的状况是应用量大，使用后效果也良好。特别是在浅基础加筋上的应用，到 目前为止，估计加筋地基因筋材提高的承载力以及沉降计算尚缺乏适用的公式。 还缺少成熟的可写进规程中的加筋地基的设计方法。交通行业现行的公路加筋 土工程设计和施工规范( j t j 0 1 5 - - 9 1 ) ) ) 在指导实际的设计和施工方面还有很大的 局限性。必然大大限制了土工合成材料在土木工程中的应用。而实际工程中，工 况条件是不可能完全相同的，因而类比法设计不是浪费就是过于保守，对工程的 安全程度根本无法进行较客观的预测。近年来采用土工合成材料处理软基路堤修 筑的技术问题得到了许多科研工作者的重视，为了土工合成材料的正确运用，加 筋土的机理研究有待进一步提高，设计方法有待进一步完善与统一。 1 1 1 土工合成材料的基本概念和发展历史 一、土工合成材料的概念 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，即塑料、 化学纤维、合成橡胶为原料，制造成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各 层土体之间，发挥过滤、排水、隔离、加筋、防渗、防护等作用。 土工合成材料作为新的工程材料在岩土工程中的应用愈来愈广泛，但描述这 种新材料的技术名称，从不统一到统一经历了一个较长的时间。许多新产品的不 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 断涌现，如1 9 6 7 年出现的土工网，1 9 7 2 年出现的土工席垫，1 9 8 1 年出现的土工格 栅以及复合材料。于是福罗埃于1 9 8 3 年建议，将所有用于岩土工程的人工合成材 料统称为土工合成材料。目前己出现八大系列产品，如：土工织物( g e o m x t i l e ) ， 土工格栅( g c o 鲥d ) 、土工网( g e o n e t ) 、土工席垫( g e o m a t ) ，土工薄膜 ( g e o m e m b r a n e ) 、土工格室( g c 脱e 1 1 ) 、土工复合材料( o e o c o m p o s i t e ) 及有关新产 品( r e l a t e d p r o d u c t s ) 。见图l l ，l 一2 1 - - 3 ，l 一4 ，1 - - 5 ，l - - 6 ： 图i i 有纺型土工织物 图i 一2 无纺型土工织物 图l 一3 土工膜 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图l 一4 双向土工格栅 图i 一5 土工网 图i 一6 土工格室 有关土工合成材料的定义比较多，按照公路土工合成材料应用技术规范 ( j t j t 0 1 9 - - 9 8 ) ，土工合成材料是指以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型 产品，是岩土工程中应用的合成材料的总称。可置于岩土或其它工程结构内部、 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 厂土工担韵j 机飙t 嚣：銎嚣墨布 i，蠢曩乙烯：三：仿桔针刺非胡土工布 i 士工曩1 囊乙衍土工_ jf 蓍 ， 土工台删 譬嫠砉看 土工括童 l ，l 兰o l 差喜磊砉 非织造蔓青土工囊 l l i 舍土工防摊木村 表1 1 土工合成材料分类 构造基本系统加固方法 土工织物短纤维纱线 无 单纤线必要时加热 土工格栅多纤丝 纤纱 化学( 目前大多为粘台) 短纤维 土工网 单纤线 机械( 连接) 多纤线 加热、化学组合 短纤维 机械( 针刺) 非织造土工织物 长纤维 加热、化学组合 无纺布 缝纫针织物缝纫 松散的纱线状态 复合材料组合组合 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 2 土工基本组成单位材料分类说明 名称 形成方式 纤维 长纤维( 超长纤维) 短纤维 纱( 线) 单纤丝 多纤丝 短纤维纱 单纱 可以用纺织技术加工的线状物 实际为无限长度的纺织纤维 有限长度( 2 0 1 5 0 m 之间) 的纺织纤维 由纺织纤维制成的线状物 由无限长纤维组成的纱线 由多个无限长纤维组成的纱线 由短纤维组成的纱 很长的小条带，而且相对宽度而言，其厚度较小 二、土工合成材料发展简史 土工合成材料的开发和使用已有几十年的历史。1 9 0 9 年美国g e n e r a lb a k e l i t e 公司以苯酚和甲醛为原料，实现了世界上第一个合成材料一酚醛塑料的工业化生 产，从此拉开了合成材料工业发展的序幕；2 0 世纪6 0 年代，合成纤维士工织物 在美国、欧洲和日本逐渐推广。但是其生产技术主要是机织型的，主要用于护岸 防冲等工程，机织土工织物的强度高，但价格也较高，反滤、排水功能差，限制了它的 发展。非织造布的应用给土工积物带来了新的生命，它的特点是把纤维做成多方 向的或任意排列使得其性能上各向同性，非织造型土工积物在2 0 世纪6 0 年代末 期开始应用于欧洲，7 0 年代从欧洲传到了世界各地。至l j 7 0 年代土工合成材料的 应用及其产品的发展达到一个鼎盛时期。高性能的原料赋予产品高的强度与耐用 性，先进的生产工艺赋予产品良好的功能，使其应用范围不断扩大，特别是近2 0 年 来，由于非织造针刺法、纺粘法工艺的推广，产品成本低，而且具有良好的化学物理 性能和水工性能。使非织造土工织物的应用飞速地发展起来。表l 一3 为土工合成材 料常用纤维工业化生产年代。 表1 3 为土工合成材料常用纤维工业化生产年代 名称 试验年代，年工业化生产年代年 锦纶( p a l 1 9 3 51 9 4 1 维纶( p v a ) 1 9 3 91 9 5 0 涤纶( p e t ) 1 9 4 1 1 9 4 2 1 9 5 1 1 9 5 3 耍丝g 翌! ! 竺 1 2 ： 在我国，土工合成材料在岩土工程等领域的应用历史较短。最早应用的是土 工膜，大约在2 0 世红6 0 年代初期，用于渠道防渗；7 0 年代中期，在长江护岸和长江 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 堤防中首次用织造型土工织物；8 0 年代初期，非织造型土工织物开始应用于工程 中；8 0 年代末，土工模袋首次引入工程应用。纵观土工合成材料3 0 多年的发展史， 可将其应用历程大致分为三个阶段：8 0 年代中期以前的初创阶段；8 0 年代中期 至9 0 年代中期的发展阶段和9 0 年代后期开始的逐渐成熟阶段。 我国早期的土工织物主要是机织和编织型的。国内生产和使用的非织造土工 织物以涤纶短纤维针刺非织造织物为主，产品幅宽可达6 m ，生产厂家2 0 0 家左右 ( 而国外的非织造土工织物多为纺粘法长丝针刺非织造布) ；以聚乙烯材料为主的 土工网格，生产厂有l o 多家，复合土工膜生产厂已有数十家。据不完全统计，目前我 国生产各类土工合成材料的厂家约有4 0 0 多家，产量超过l 亿i i l 是亚洲最大的土工 合成材料生产和应用大国。 1 1 2 土工合成材料在公路工程中的应用 近些年来，土工合成材料在公路工程的应用越来越广泛，随着旧路改造工程 的增多，土工合成材料在这方面的应用也越来越多。土工合成材料用在旧路改造 工程当中，主要是利用其加筋功能，利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性 能，可分散荷载，增大土体的刚度模量，改善土体或作为加筋土以及各种复合土 工结构，增加土体的稳定性，减少不均匀沉降。 土工合成材料在公路工程中的应用主要表现在六个方面： 一、路堤加筋和软弱地基处理 在软弱地基上修筑高填土路堤或堤坝，由于填土中的侧向土压力，使地基基 面承受水平剪应力，导致堤身向两侧位移，很容易造成堤身失稳。通过在路堤底 部、中部和上部铺放单层或多层高模量的土工织物、土工网、士工格栅、或土工 垫等土工合成材料，来限制土基的侧向位移，用以提高路堤的稳定性，增加路堤 的填土高度，减少路堤的不均匀沉降量以及由此导致的路面开裂。 二、路基防护 路基防护主要包括坡面防护和冲刷防护。坡面防护用于防护易受自然因素影 响而破坏土质或岩石边坡；冲刷防护用于防护水流对路基地冲刷与掏刷。土质边 坡防护可采用拉伸网草皮、固定草种布或网格固定撒种。岩石边坡防护可采用土 工网或土工格栅。沿河路基可采用土工织物软体沉排、上工模袋进行冲刷防护。 土工合成材料应用于土质边坡最广泛的是拉伸网草皮。这种草皮可进行集中生 产，可以任意切割、收卷，搬运方便，草根不易损坏，己广泛使用于游乐园、空 地绿化及路基坡面防护，具有草种容易成活，可防护雨水冲刷等优点。 三、台背填土加筋 在桥涵、通道等横穿公路的构造物与构造物台背的路基填土之间，往往因为 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 刚度悬殊而产生阶梯状不均匀沉降，引起“桥头跳车”现象发生。采用土工合成 材料加筋构造物台背的回填土主要是利用土工合成材料与构造物之间的锚固力 以及与回填土之间的嵌锁力和界面摩阻力，将结构物与回填土联为一体，以增强 其整体性，减少两者之间的不均匀沉降。但是在回填土中，采用土工合成材料加 筋并不能提高地基的承载力，也不能有效地阻止地基的沉降。因此，只有当地基 具有足够的承载力，在填土自重荷载与交通荷载的联合作用下，不致破坏而产生 大的沉降时，土工合成材料加筋才会产生明显地效果。目前在工程试验中获得成 功地试验桥台高度一般在4 m 1 2 m 之间，故将土工合成材料加筋适宜的桥台高 度定为5 m 1 2 m 。 四、路面裂缝防治 土工合成材料在道路路面工程中的应用主要是减少或延缓反射裂缝的数量， 减少沥青路面的车辙，在半刚性基层沥青路面中还可适当提高基层的疲劳寿命， 同时可以降低路面的车辙程度。 五、过滤和排水 土工合成材料可以单独或与其它材料配合，作为过滤体和排水体用于暗沟、 渗沟、坡面防护等公路工程结构中 六、围堰加筋 在水利、桥梁、公路和铁路、市政、防汛等土建工程中，围堰是常用的结构 形式，作为基坑开挖、截流、挡土等临时性或永久性围护结构，起到挡水、溢流 和承载作用。作用在围堰结构上的荷载主要为侧向水，土压力、堰顶超载、结构 自重等，其破坏形式为因回填材料抗剪强度不足而产生结构下滑坍塌，因摩擦阻 力不足而产生的水平位移，以及因水渗流引起的局部失稳。 现在生产的很多复合型土工材料由于本身的功能多故应用范围越来越广，土 工合成材料己广泛应用于水利、水运、水电、公路、铁路、海港、建筑、采矿及 军工等工程的各个领域。 1 2 本文研究的内容和技术路线 1 2 1 1 日路改造工程沉降裂缝控制方法现状 随着祖国经济的进一步发展，我国基础设施建设的规模愈来愈大。我国高速 公路自2 0 世纪8 0 年代初已开始新建，但随着国民经济的发展，道路交通量的日 益增加，一些早期修建的高等级公路已经越来越不能满足日益增长的交通量的需 要，仅靠日常养护将不能保证公路的正常使用功能。因此，除了新建一些高速公 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 路以满足日益增长的交通量需求外，对一些旧路的改扩建也势在必行。旧路的改 扩建就是在原路基础上进行技术改造，加宽旧路路基和提高道路等级的一种技术 措施。这些旧路的改扩建，充分利用了原有路基，既少占了公路建设用地，又满 足了社会发展的需求”。 旧路改造工程最大的技术难题是解决新旧路基不均匀沉降问题。原有的路基 经过多年行车荷载作用和自然沉降等因素已趋于稳定，沉降量已很小，而新路基 成型后必然要经历一个沉降过程，这将会造成新旧路基的不均匀沉降，即加宽完 成后的路基存在着沉降量不均衡的问题。若不处理好这个问题，将会给道路留下 隐患。反映在路面上就是将在新旧路基结合部位产生纵向裂缝。其根源在于加宽 后新旧路基沉降量不同，这种病害会在外界因素( 例如行车荷载、冻胀、雨雪侵 蚀等) 作用下迸一步发展，以致影响到公路的正常使用。其次，旧路经过多年的 使用，与新加宽部分路基的强度不同，因而给新旧路基的整体强度设计造成一定 的困难。特别是在软土地基路段，该问题就会更加突出。针对这一难题，可以采 用多项措施给予解决，这些措施主要是解决旧路拓宽工程中的两个关键问题：( 1 ) 减少新旧路基间的不均匀沉降量；( 2 ) 加强新旧路基的整体结合强度，使新旧路 基结合成一个整体。 目前旧路改造工程中沉降裂缝控制方法通常采取软弱地基处理、基底清淤换 填、旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、士工织物防渗和 排水、改良土高强路堤和轻质路堤等工程技术措施“。施工中的方法有： 一、开挖的台阶尺寸按从路堤边坡坡脚向上，各层台阶高度逐渐减小，宽度逐 渐变大。 二、若旧路加宽段较窄，应采用合适的压实设备与合理的施工工艺，保证压实 机械的工作面，确保加宽部分的路基压实度。 三、接缝外( 旧路肩) 的草皮、树根、腐殖土、杂土等必须处理干净，否则会 使路基整体强度不足而产生不均匀沉降。旧路肩质量较差，达不到设计要求时， 将土路肩翻晒或掺灰重新碾压，以达到质量要求。 四、新老路基结合处，应采用同时强夯或大吨位振动压路机碾压新旧路基的 施工方法，这样不仅使填筑的路堤密实，而且旧路基的土质结构受到强烈振动后 密实度能与加宽的填方地段在一定深度内保持接近，不产生差异沉降。 五、在低路堤新老路基结合部位采用多层( 一般为3 5 层) 土工布处理。土工 布宽一般为4 m 以上，水平铺在新老路基结合部位上：而高路堤由于不均匀沉降 差大，影响范围大，破坏力大，故在新老路基与路面结合部位采用高强度的土工格 栅处理，以加强新老路基的结合强度。另外，在路基顶面铺设土工布。 六、设置重力式路堤挡土墙减小路基横断面( 路基自重力也相应减小) 或增 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 设一定宽度的反压护坡道提高路基承载力，以有效控制路堤的侧向滑移，达到减 小不均匀沉降的目的，从而控制沉降裂缝的产生。 目前，我国公路部门尚缺乏成熟的、统一的路基加宽结构设计方法，在交通 部颁布的公路养护技术规范( j t j 0 7 3 9 6 ) 中，虽然列入了有关路基加宽设计的 条款，但只是针对新旧路基交接部分的连接提出了一些具体的设计要求和施工要 点，并未对旧路加宽时普遍存在的不均匀沉降对路基整体结构的破坏作用提出相 应的设计方案。在国内外，几乎所有的旧路加宽路面在开放交通一段时间后就会 出现了不同程度的纵向裂缝。虽然在现行的路基加宽结构设计当中采取了一些旧 路加宽处理措施，例如新旧路堤结合部位开挖台阶处理、新旧路堤使用土工合成 材料加固处理、新路堤下软土地基处理。但这些方法大多处于经验阶段，特别是 采用土工合成材料加固新1 日路基的方法，目前关于这方面的研究还比较少，没有 形成完善的理论，实用措施也不够丰富，有必要加强相关的理论研究。 1 2 2 研究课题的提出及意义 在公路拓宽改造工程中，如何保证新旧路基，特别是软土地基上的新旧路基 不发生过大的差异沉降，以减轻或避免路面因此而发生变形、开裂是迫切需要解 决的问题。要解决上述问题，最可行、最经济的办法就是采取合理的路基结构， 加强新旧路基间的横向联系，使两者整体结合性加强。 本课题来源于湖南省竹城公路旧路拓宽结合面沉降协调控制技术研究科研 课题，研究计划自2 0 0 3 年7 月至2 0 0 5 年1 2 月，先后通过了旧路调查和利用评 价研究、软基处理、沉降观测以及新旧路基结合处防裂研究。本课题的研究目的 是从加强新旧路基横向联系和加强两者的整体性出发，与软基处理相结合，以经 济、实用的手段解决实际中所遇到的问题。通过在竹城旧路的改造中所遇到的问 题来进行实验和研究，寻求在软土地基上进行旧路改建应采取什么样措施，以达 到新旧路基整体结合性强，差异沉降小，同时经济上合理，施工简单易行的目的： 为今后软土地基上旧路改造工程的设计、施工提供科学依据。这就是本课题研究 的意义。 1 2 3 本文研究的内容及技术路线 近几年来，土工合成材料在我国公路工程中得到广泛的应用，以其可以组成 各种型式结构、适应多种条件等特点受到工程界的欢迎。在加筋路堤以形成较陡 边坡，减少占地，以及处治路基不均匀沉降方面均取得了较好效果。但就目前的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 情况看，多注重针对具体条件的应用，很少进行较全面的理论分析，造成设计计 算远远落后于生产实践的状况。理论研究的落后，一方面造成盲目应用，诱发工 程事故和浪费，另一方面限制了土工合成材料在这方面应用的进一步发展。 在竹城旧路改造用土工合成材料处理软土路基不均匀沉降和防止裂缝课题 中，本文进行研究的主要工作如下： 1 对土工合成材料的强度特性、拉拔特性、耐久性能等工程应用特性及加 筋土进行试验研究。 2 利用f l a c 分析软件对土工合成材料加筋路堤效果进行了分析和研究。 3 在竹城路的试验路段选择不同类型的土工格栅进行加固路基，从而比较不 同类型的土工格栅来防止不均匀沉降的效果。 4 结合实际情况，在试验路段埋设各种仪器来对土工格栅与土的界面工作特 性和加筋路基的稳定性分析方法进行研究。 5 通过对实体工程进行监测与分析，从而对比不同类型的土工格栅来加筋路 堤所取得的效果，进而提出土工格栅加筋路堤施工工艺。 中南大学硕士学位论文第二章试验路工程条件 第二章试验路工程条件 2 1 试验区工程地质条件 湖南省竹市经武冈至城步公路是洞口、武冈、城步、绥宁、新宁五县( 市) 连 接我国“五纵七横”国道主干线上海至瑞丽高速公路的主要交通要道，是邵阳市西 南部公路网的主干道，被列为湖南省“十五”期间公路建设重点工程。竹城公路是 七十年代修建的山岭重丘区二级公路，泥灰结碎石基层，双层表处砂改油路面： 1 9 8 4 1 9 8 5 年改造加铺水泥稳定碎石基层、双层表处砂改油路面。2 0 0 3 年3 月 湖南省竹市至城步公路建设开发有限公司委托湖南省交通勘察设计所完成的公 路改造设计升级为平原微丘区二级公路，全长1 0 0 5 5 7 k m ，旧路改造路段有4 l 处，改造路段总长5 2 3 5 1 3 4 k m ，占全长的5 2 0 6 ；其中旧路改造路段软基处理 线路总长4 8 4 7 5 r a , 占全线总长的4 8 。占改造线路总长的9 2 6 。 为了控制旧路拓宽路段新旧路堤沉降差造成的沉降裂缝对路面的破坏程度， 湖南省竹城公路建设开发公司委托中南大学进行沉降缝的观测和控制技术研究。 土工材料应用作为旧路拓宽路段路堤不均匀沉降控制的种技术措施进行研究， 试验路段选择在旧路拓宽路段k 8 + 1 6 0 k 8 + 5 6 0 。 竹市经武冈至城步公路k s + 1 6 0 k 8 + 5 6 0 段作为旧路拓宽路段铺设土工合 成材料防止沉降裂缝的重点试验路段。从路桩k 8 + 1 6 0 k 8 + 5 6 0 为两侧加宽，单 侧加宽0 8 m 7 5 m ，旧路堤高0 7 - - - 3 8 m ，路堤上部新填路堤填高为o 1 m 5 6 1 m 。 该路段处于台地地貌单元，路基属于干燥至潮湿类型，地下水位距旧路面底 板o i m p 2 7 m ，属于地下水较为发育类型【1 1 1 。地质性质见表2 1 。 本试验路段还分布有两口鱼塘、溪沟，周围地层为： o 1 2 m 含有机质高液限粘土：黑色，流软塑状，厚度0 4 0 7 m ；有机 质高液限粘土属于淤泥质软土，淤泥较厚，承载力低。 1 2 1 5 m 高液限粘土：含角砾，褐黄色，硬塑。 中南大学硕士学位论文第二章试验路工程条件 表2 - 1 试验路段工程地质钻探结果 钻孔编里程桩 位置 场地钻孔深地层 号号类别度m序号 土层特征 右 l0 - 0 5 m 高液限粘土：青灰色，软塑 l z k 5 7k 8 + 1 5 9 稻田 1 1 0 5 - 1 1 m