土工合成材料在公路软基处理中的应用与设计.pdf

土工合成材料在公路软基处理中的应用与设计 郭大华 中交公路规划设计院 摘 要 结合 公路软土地基路堤设计与施工技术规范 和 公路土工合成材料应用技术规范 的规定 对土工合成材料在高等级公路软基处理中的应用设计中应注意的几个问题进行了初步探讨 同时对相关规范的 理解和执行提出了建议 关键词 土工合成材料 高等级公路软基 设计方法 中图分类号 U41411 U4161102 文献标识码 A 文章编号 1000 131X 2001 03 0084 06 公路土工合成材料应用技术规范 JT J T019 98 以下简称 和 公路土工合成材料试 验规程 JT J T060 98 自交通部1998年829号文 发布实施以后 连同以前颁布的 公路软土地基路堤 设计与施工技术规范 JT J017 96 以下简称 公路加筋土工程设计规范 JT J015 91 及 公路工程质量检验评定标准 JT J071 98 等 对各种土工合成材料的应用范围 计算方法 施工工 艺 检测监控手段等各方面都作了比较详细的规定 特别是 材规 的颁布 标志着公路行业土工合成材 料的应用技术已经逐步趋于成熟 从先前的纯经验型 逐渐过渡到理论分析指导设计的新局面 笔者从事一些高等级公路路基及地基处理等方面 的设计工作 结合工作实践对土工合成材料应用有一 些理解和认识 以下就土工合成材料在软基处理应用 中的计算原理和设计方法上的几个技术问题做一些探 讨 一方面有助于解决实际问题 同时也有利于开展 进一步的研究工作 1 加筋垫层的应用原理 111 加筋垫层的作用 公路软土地基处理方法中 为解决路面竣工后残 余沉降问题而采取加筋垫层预压处理是最常见的措施 之一 许多工程实践表明 采用加筋垫层处理公路软 基 既可以保证基底的完整性和连续性 又能约束浅 层地基软土的侧向变形 均化应力分布 从而提高地 基承载力和稳定性 减少总沉降量和差异沉降 112 加筋垫层的稳定性 加筋垫层除可以增加路基的整体稳定性之外 还 可以增加沿薄层软土层下卧硬土层顶面滑动的稳定性 及地基侧向挤出滑动的稳定性 为了表示垫层加筋对路堤稳定性的影响 以下通 过一个算例来说明 由于计算过程过于烦琐 为节约 篇幅 仅列出基础资料和计算结果 见表 1 基础资料 1 路堤参数 填高5m 含路面厚度017m 含 015m砂垫层 边坡坡度1 115 2 路面参数 按照厚70cm 压实后容量22kN m 3 3 设计荷载 汽车 超20级 4 路堤填料 填料成份按照含砂高液限粘土考 虑 压实后路堤抗剪强度指标c取30kPa 取15 压 实后容量重18kN m 3 5 土工格栅参数 TG DG80型 设计抗拉强度 80kN m 表1 加筋垫层稳定计算成果表 计 算 项 目依 据 公 式类型1稳定值类型2稳定值规 范 值备 注 路堤整体稳定性 加 筋 不加筋 F Si Si Pj Pr 软规 41211 1条 2105621057111瑞典法 2101821018111瑞典法 沿下卧硬土层顶 面滑动稳定性 加 筋 不加筋 FP1 Pp Tb TG C PA Q 材规 31416 1条 1169011750 1121011210 筋材下薄层软土 层被挤出稳定性 加 筋 不加筋 FP2 Pp Pad Tbc PA Q 材规 31416 2条 3109031220 2113021130 收稿日期 2000 09 05 第34卷第3期土 木 工 程 学 报Vol134 No13 2 0 0 1年6月CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNALJune 2001 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 6 地基参数 厚2m软粘土 容重16kN m 3 c值25kPa 取 3 7 未考虑地震力作用 8 砂垫层厚50cm 取 32 以上结果有两点需要讨论 1 瑞典法和荷兰法的计算结果的差异 在整体稳定性计算中对筋带新增抗滑力矩有两种 假设 瑞典法认为筋带作用于筋带方向 即假设滑移 时材料保持原来铺设的水平方向 荷兰法则认为筋带 作用于切线方向 即假设滑移处材料产生相应于圆弧 的弯曲 认为材料拉力方向切向于圆弧 这两者计算 结果是不同的 瑞典法由于考虑了两个稳定力矩S a和S tan b 同等条件下结果比荷兰法偏小 更 重要的是瑞典法可以体现不同部位加筋效果的不 同 2 垫层加筋部位对稳定性的影响 由计算成果可以看出 筋带越靠下部对稳定性的 贡献越大 这就是 材规 第31316条规定 材料应 尽量设置于路堤的底部 的原因 同时为了路堤排水 条件良好和避免材料受不良化学物质的侵蚀 第 31313条又规定了 材料不宜直接设置在原地面上 综合考虑以上规定设计中采用类型1更为合适 图 1 图1 类型 1 加筋在砂垫层上部 图2 类型 2 加筋在砂垫层下部 113 加筋垫层的沉降 沉降计算是软土地基处理计算的基本任务之一 尽管对加筋垫层的能够有效地减少总沉降量并且可以 均化不均匀沉降这一效果已达成共识 但是系统的理 论分析和试验研究却比较少 对这类问题深入阐述的 文献也不多见 基于对加筋垫层沉降计算复杂性的考 虑 无论是 软规 还是 材规 都对此没有作出相 应规定 连近似估算的模式也没有提出 这不能不说 是一个遗憾 限于笔者所见 在古典土力学研究的范畴内 没 有对加筋垫层沉降计算提出较为成功的模式 只有一 些定性的试验土力学的成果 自60年代现代土力学 发展以后 从土体的本构模型出发并结合有限元理 论 为加筋地基的沉降计算开拓了新的思路 特别是 随着电算手段的迅速发展 使有限元法分析实践成为 可能 70年代 Duncn and Chang对土的非弹性模型 中双曲线模型提出了改进意见 得到材料的割线模量 表达式为 E1 1 Rf 1 sin 1 3 2ccos 2 3sin 2 KPa 3 Pa n 式中c为土的粘聚力 为土的内摩擦角 Rf为破 坏比 Rf b 1 3 fil 114 加筋垫层的承载力研究的现状 既然加筋垫层可以提高地基的稳定系数 又可以 减少地基的沉降量 同时满足了承载力指标的两个要 求 因此加筋垫层必然会提高地基承载力 由于公路 行业地基处理不是通过承载力指标来控制设计的 在 此只对目前研究现状及有关问题作简要介绍 11411 加筋垫层的承载力研究的现状 同时筋垫层稳定性和沉降研究的状况一样 定量 研究加筋垫层承载力也很困难 应当说目前的研究成 果都只是反映土 筋共同作用的一个方面 都没有反 映出加筋垫层提高承载力的全部过程 目前比较容易 接受的方法有两种 1 拱膜二步法 80年代后期 Bonaparte在Giroud提出的抗拉膜 理论基础上 结合土拱理论提出了著名的拱膜二步 法 基本原理是加筋地基由桥跨于空隙上的土工合成 材料和覆盖其上的土层组成 材料下的空隙可以是宽 度为b的无限长裂隙 简化为平面应变问题 也可 以是半径为r的凹坑 对复合地基进行分析时 先用 传统的土拱理论得出作用于加筋垫层上的压力 然后 再用抗拉膜理论建立压力 拉力 应变 挠度之间的 关系 从而使问题得到解答 虽然拱膜二步法的理论 模型较为完善 但是运算过程十分烦琐和复杂 在具 体工程中操作起来较为困难 2 承载力估算法 90年代末期 王钊等人从压力扩散角理论出发 提出了一个n层材料加筋后增加地基承载力的表达 式 P s nTa 2R Nq 2nTa bsina Fs 58 第34卷 第3期郭大华 土工合成材料在公路软基处理中的应用与设计 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 式中s为基础最终沉降量 R为基础两侧地基假想圆 半径 a为材料拉力与水平面夹角 取a 45 2 Fs为地基承载力安全系数 取Fs 215 这种算法比较简单可行 但是理论基础不甚清 晰 模型也过于简化 仅适用于在精度要求不高的工 程中估算使用 11412 承载力计算中应注意的两个问题 1 有效宽度的概念 据Fukuoka1Kyushu等人的研究成果 用有效宽度 Bl来表示加筋垫层的扩散效果 在一定的荷载P作 用下 全部应力以均匀的 max传递到下承层上 可以 得到以下公式 Bl B 1 max P 从此式可知 max P是个定值 与荷载强度无 关 随着 max P减小 Bl B增大 表明加筋垫层的 效果增强 这点已被实测结果所证实 2 桩筏共同作用的问题 在软基处理中 塑料插板或碎石桩等竖向排水体 上面设置砂或碎石垫层比较容易理解 它可以起一个 排水通道的作用 软规 519110条规定 粉喷桩路 堤底部也应该设置垫层 的原因与之不同 这主要是 基于 桩筏作用 的考虑 据谢树彬等人研究 当基 础长宽比L B 1时 地基会有较大不均匀沉降 应 尽可能采用桩上条形基础 桩顶与基底之间加设碎石 粗砂 垫层 以发挥和协调基础 粉喷桩 土的共同 作用 2 加筋路堤的应用原理 路堤加筋的基本原理和垫层加筋是类似的 在此 仅讨论两个应注意的问题 211 路堤多层加筋间距及层数的确定 同垫层加筋一样 路堤加筋也存在一个加筋位置 的问题 根据 材规 31314条规定 多层土工合 成材料加筋的路堤 各层土工合成材料的间距 不宜 小于一层填土的最小压实厚度 且不宜大于60cm 结合大多数高速公路的实践 一般都是松铺30cm 压实过后厚度为25cm左右 因此采用每25cm或 50cm为层间距较为合适 路堤加筋的层数按照 软规 51512条规定 加筋的层数应由稳定计算确定 但据铁四院在广珠 线试验路实侧结果 当填土7156m时 表层 中层和 底层材料最大应变分别为410 213 和615 所 发挥的拉力分别为8kN m 416kN m和13kN m 总共 发挥了抗拉强度的17 这就说明当路堤稳定性由 整体破坏控制时 材料和土体的作用状况和理论模拟 的不尽一致 计算方法尚需进一步探讨 212 锚固长度的问题 软规 51514条和 材规 31417条均指出路堤 加筋应进行锚固长度的计算 要求 材料深入稳定土 层中的锚固长度 不得小于锚固长度Lm 笔者建议 在软基处理中材料应为全断面铺设 而不必考虑锚固 长度的问题 因为软基稳定性计算时 特别应注意到 滑动圆弧的对称性 通常电算成果都只考虑滑动圆心 在边坡左侧的情况 但不等于没有滑动圆心在右侧的 情况 只是没有将数据对称转换为右侧而已 因此如 果用滑动圆心控制 会漏掉另外一侧的情况 软规 6141311条对此作了补充 要求 按照路堤底宽全断 面铺设 具体设计时应按此条执行 3 垫层及路堤加筋的设计方法 311 原材料的工程性能 从工程角度考虑 对原材料关注的主要问题是对 不良环境的适应性和耐久性两个方面 其中对不良环 境适应性可分为易燃性 耐酸性 耐碱性 抗虫蛀及 霉菌等性能 耐久性可分为耐日光性 抗老化性 抗 蠕变性 耐磨性等等 表2列出合成纤维的主要工程 性能 从表2可以看出 合成纤维总体上说抗不良环境 性能较好 耐酸碱 不易腐烂和虫蛀 吸湿性小 但 丙纶和锦纶等纤维材料抗老化性不佳 据国外测试资 料 以上两种材料在强日光辐射下 老化速度很快 15 20年内强度会衰减为原来的60 70 为了防 止材料的老化 厂家通常在土工织物或土工格栅中加 入抗氧剂和光屏蔽剂 或其他混合型的抗紫外线剂 防止氧化老化和紫外线辐射老化 312 土工合成材料的耐久性和软土地基处理的关系 工程设计人员特别重视材料的耐久性 也就是关 心材料在酸 碱 日照等不良环境下的强度损耗问题 或蠕变问题 担心由于强度损耗而在工程使用期内达 不到设计要求 那么在软基处理中材料的耐久性能是 否需要特别关注呢 其实并无需要 这需要从两个方 面进行讨论 31211 软基处理中加筋效果时间效应 软基处理中加筋的补强作用有一定的时间范围 即最多不超过路面使用期 15 20年 而且通 常是在前期起作用 由于软基上的路堤工程通常在 68 土 木 工 程 学 报2001年 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 表2 土工合成材料原材料 合成纤维 主要工程性能比较 名 称 品名及代号涤 纶 PET 锦 纶 PA 晴 纶 PAN 维 纶 PVA 丙 纶 PP 氯 纶 PVC 化学名称聚酯纤维聚酰胺纤维聚丙烯晴纤维聚乙烯醇缩醛纤维聚丙烯纤维聚氯乙烯纤维 英文名称PolyesterPolymamidePolyacrylonitrileVinylacetalPolypropylenePolyvinylchloride 耐 不 良 环 境 性 能 易燃性 在环境中徐徐 燃烧 在环境中徐徐 燃烧 易燃烧 在环境中徐徐 燃烧 在环境中徐徐 燃烧 不易燃烧 耐酸性 35 的 盐 酸 75 的 硫 酸 65 的硝酸对其 强度无影响 浓的硫酸 盐 酸 硝酸可使其 分 解 7 的 盐 酸 20 的 硫 酸 10 的硝酸 对其强度无影响 浓的硫酸 盐 酸 硝酸可使其 分 解 7 的 盐 酸 20 的 硫 酸 10 的硝酸 对其强度无影响 浓的硫酸 盐 酸 硝酸可使其 膨润分解 10 的酸液对其无影 响 除浓硝酸 氯 黄酸外耐酸性良 好 浓的盐酸 硫 酸对其强度无影 响 耐碱性 10 的苛性钠 和28 的氨水中 强度不降低 10 的苛性钠 和28 的氨水中 强度不降低 耐浓碱 在50 的苛性 钠中强度不降低 耐浓碱 耐浓碱 耐虫蛀及霉菌 微生物性能 良 好良 好良 好良 好良 好良 好 耐 久 性 耐日光性 优良 仅次 于晴纶 不佳 日晒 后强度降低 极好 日晒 后强度几乎不 降低 优 良 不佳 日晒 后强度降低 良 好 抗老化性 较 好 不 佳 好 较 好 不 佳 较 好 耐 磨 性 优 仅次于 锦纶 最 高 不很好 优 优 尚 好 抗蠕变性 较 好 不 佳 很 好 较 好 不 佳 较 好 铺设路面之前 已经达到了稳定的情况 这段时间不 过是12 24个月 路面铺设完成之后 土工织物或 土工格栅更多的是起隔离和调节横向路基沉降作用 这两项作用通常也不会再超过24个月 据上海光学 研究所的研究成果 在3cm厚的水泥板屏蔽下 紫外 线衰减为原来的三十三亿分之一 可以使用120年以 上 即使是在富氧的环境中 材料的使用寿命也要超 过20年 从这个结果可以看出 在软基处理中对加 筋材料的耐久性能不必过于担心 需要指出的是 路 基为收坡目的而加筋或加筋土挡墙的设计中 特别应 重视材料的耐久性 因为在这些工程中 加筋材料始 终都是处于受力状态 不存在早期强度的问题 如果 在工程使用年限内材料的耐久性能达不到要求 容易 引起工程失稳问题 31212 土工合成材料的蠕变性能 高分子材料都有蠕变性能 即在长期连续荷载的 作用下 其应变随时间增大 反之在保持应变恒定 时 其应力随时间松驰 一般情况下 只有考虑材料 长期受拉时 才应考虑蠕变性能 据长期观测的结 果 只有使用时间在50 120年以上时才会有较为明 显的蠕变现象 由于上述原因 在软基处理设计中可 不考虑材料蠕变的影响 在加筋土挡墙设计中 需要适当考虑筋材蠕变的 影响 如果没有可靠的试验资料 笔者建议抗拉强度 设计值取无侧限拉伸时应力应变曲线上 5 时的 屈服拉力 或者采用与最大破坏应变量40 对应的 拉力值为设计值 313 土工合成材料拉伸特性及抗拉强度选择的规定 土工合成材料的拉伸特性及抗拉强度是工程设计 人员选用材料时最关心的问题之一 这里首先应说明 的是土工网和土工格栅的区别 两者最大的区别在强 度上 为了获取较高的强度 目前是对土工格栅进行 定向拉伸 而土工网通常只是热粘挤出 因此土工格 栅强度较高 通常土工网的强度在15 35kN m左右 但格栅一般在40 120kN m之间 最高可以到400kN m 这就是 材规 31211条 当土工合成材料单纯 用于加筋目的时 宜选择强度高 变形小 粗糙度大 的土工格栅 的原因 材规 对材料的抗拉强度取值是这样规定的 TGC TS c TS为土工合成材料的抗拉强度 c为材料强度 综合修正系数 对土工织物和土工网 c 310 对土 工格栅 c 210 但是当由公式计算出来的 TGC大于 78 第34卷 第3期郭大华 土工合成材料在公路软基处理中的应用与设计 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 土工合成材料应变量10 对应的拉力值时 其抗拉 强度则应取10 应变量对应的拉力值 软规 第51513条对材料的抗拉强度取值是这 样规定的 宜取织物延伸率10 所对应的拉力值为 设计拉力 31311 延伸率的取值问题 由 软规 和 材规 的规定可以看出 材料的 抗拉强度始终是和材料的延伸率联系在一起的 延伸 率是材料强度的控制性因素 那么究竟材料在土体中 处于何种拉伸状态呢 据铁四院在连云港软土路提试 验成果 测得坍滑时土工织物只发挥了延伸率15 的强度 而大多数按土工织物峰值强度设计的路堤经 施工检验都是稳定的 这充份说明土工织物的作用还 很有潜力 如果用10 的延伸率控制抗拉强度明显 偏于保守 不过影响材料发挥强度的因素较多 目前 尚缺乏量化资料 31312 路堤钢筋网的作法 结合软基处理土工合成材料的应用特点是以发挥 早期强度为主 对中后期材料的强度没有太高的要 求 从理论上我们可以设想这样一种作法 路堤加钢 筋网处理软基 这种作法首先可以满足软基加筋强度 的要求 钢筋的抗拉强度可以达到120 160MPa 特别是在小应变的情况下可以提供比土工格栅高50 倍以上的强度 如果在中后期钢筋锈蚀 达不到设计 的抗拉强度 但此时路基应已达到稳定状态 钢筋网 是否可以有效的解决应力分布和减少沉降 目前还无 法预测 福厦高速公路采用过这种作法 目前没有见 到介绍资料 31313 预应力土工布的作法 这是京珠高速公路广珠段提出的一种新作法 设 计单位分析土工布在地基中的变形不超过1 仅平 铺而不预张拉仅发挥材料强度的5 左右 这对材料 功能发挥是一种巨大的浪费 预应力土工布的作法是 在铺设土工布时预先张拉土工布 施工时采用锚固沟 锚固土工布两侧 先在一端开沟 铺设后回镇砂 土 压住土工布锚固端 然后用张拉机或手动葫芦 法进行张拉 控制拉力在10kN m左右 拉紧后即填 砂 土 压住张拉端 见图 3 这种作法符合土工 织物在地基中变形的规律 是一种值得提倡的作法 实践下来效果也比较好 314 施工工艺与质量检测设计 施工是保证材料发挥作用的最重要一环 并且它 的施工工艺与质量检测与一般的路基工程并不相同 应特别注意的是 在材料施工设计中仅仅要求按照施 工或应用技术规范的规定执行是远远不够的 必须对 图3 预应力土工布手动葫芦法作业 伍尚干等 1999年 施工和检测中的关键环节予以专门强调 以便引起施 工单位的高度重视 这里着重说明以下几个问题 31411 材料的搭接设计 由于土工织物或土工格栅均有一定的幅宽限制 所以存在着搭接问题 材料搭接部位处理的质量直接 关系到材料是否能发挥整体作用 1 搭接方式 土工织物的搭接方式比较简单 一般分平接缝 钉型接缝和蝶型缝等三种 见图 4 平接缝施工简 便 工程中采用较多 钉型接缝和蝶型缝施工相对复 杂些 但由于用双道缝合线 可以获得较高的强度 笔者建议在重要的工程中 对土工织物的搭接要采用 钉型接缝或蝶型缝 土工格栅的搭接通常是用撕裂膜绑扎或U型柱 钉锚固 撕裂膜相对施工简便 但是搭接部位强度不 高 笔者建议重要工程应用U型柱钉锚固 其尺寸 可参考表3的建议值 图4 土工织物缝接方式 表3 U型柱钉尺寸 序 号U型柱钉尺寸的特征尺寸 1土壤类型L mm D mm 2粘 土3508 3粉 土45010 4砂 砾45010 5砾 石50010 U型柱钉的宽度为100mm L表示U型柱钉的长度 mm D表 示U型柱钉的直径 mm 2 搭接长度 土工织物和土工格栅必须有足够的搭接长度 才 88 土 木 工 程 学 报2001年 1995 2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 能保证材料搭接部位的强度满足设计要求 根据许多 工程实践 建议材料的搭接长度在周边不作处理时采 用20 30cm 当采用缝接或U型柱钉锚固时 搭接 长度为15cm 31412 材料的检测设计 由于材料生产厂家和批量的不同 质量会有很大 的差异 因此必须按照规范81211条要求 表 4 的 试验项目和频度 委托具有材料试验资质的单位进行 材料性质及该材料与土作用的试验 以确定所购材料 质量是否符合要求 表4 软基处理中路堤加筋土工合成材料试验项目 序 号试 验 项 目频 度备 注 1单位面积质量1次 1000m21次 批 工地 国家标准 2厚 度1次 10000m21次 批 工地 国家标准 3条带拉伸1次 10000m21次 批 工地 国家标准 4CBR顶破强度1次 10000m21次 批 工地 行业标准 5刺破强度1次 10000m21次 批 工地 行业标准 6直接剪切摩擦1次 10000m21次 批 工地 行业标准 31413 压实设计 材料的使用功能 无论是从似摩擦原理还是土的 嵌固理论 或者考虑土的结构效应 都说明土工格栅 或土工织物要想充分发挥作用 必须强调土的压实性 能 作为设计人员 应注意强调以下几点 1 合理的压实度 加筋碎石及砂垫层及基底应进行分层压实 其重 型压实标准不应小于85 路堤的压实标准就高不 就低 2 适当的压实工艺 一般要求先铺砂 碎石 垫层 人工机械整平 后 250kN震动压路机碾压2遍 或采用50kN压路 机碾压4遍以上 平整后要进行水平测量 防止碾 压厚度不均匀 待抄平无误后才能铺设材料 再按要 求厚度填筑路基 参 考 文 献 1 交通部重庆公路科学研究所 1 公路土工合成材料应用技 术规范 11998 2 曾国熙 1 地基处理手册 11988 3 交通部第一公路勘察设计院 1 公路软土地基路堤设计与 施工技术规范 11996 4 孙钧等 1 新型土工材料与工程整治 11998 5 欧阳仲春 1 现代土工加筋技术 11990 6 路基设计手册 11991 7 交通部第二公路勘察设计院 1 公路路基设计规范 11996