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1、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:1000131X(2001)03008406 公路土工合成材料应用技术规范(JT JT01998)(以下简称)和公路土工合成材料试验规程(JT JT06098)自交通部1998年829号文发布实施以后,连同以前颁布的
2、公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JT J01796)(以下简称)、公路加筋土工程设计规范(JT J01591)及公路工程质量检验评定标准(JT J07198)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
3、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
4、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1115。(2)路面参数:按照厚70cm,压实后容量22kNm3。(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18kNm3。(5)土工格栅参数:TG DG80型,设计抗拉强度80kNm。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412111条2105621057111瑞典法2101821018111瑞典法
5、沿下卧硬土层顶面滑动稳定性加 筋不加筋FP1=Pp+Tb+TG CPA+Q材规314161条11690117501121011210筋材下薄层软土层被挤出稳定性加 筋不加筋FP2=Pp+Pad+TbcPA+Q材规314162条31090312202113021130收稿日期:20000905 第34卷第3期土 木 工 程 学 报Vol134No132 0 0 1年6月CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNALJune2001 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.(6)地基参数
6、:厚2m软粘土,容重16kNm3,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Sa和Stanb,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
7、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
8、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+23sin2KPa3Pan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)fil114
9、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
10、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+nTa2R)Nq+2nTabsina)Fs58 第34卷 第3期郭大华 土工合成材料在
11、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
12、承层上,可以得到以下公式:BlB=1maxP从此式可知,maxP是个定值,与荷载强度无关,随着maxP减小,BlB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LB1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
13、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
14、为8kNm、416kNm和13kNm,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。
15、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,1520年内强度会衰减为原来的6070%。为了
16、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(1520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
17、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
18、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
19、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1224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
20、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50120年以上时才会有较为
21、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1535kNm左右,但格栅一般在
22、40120kNm之间,最高可以到400kNm。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 cTS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
23、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
24、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120160MPa,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
25、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10kNm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
26、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
27、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3U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35083粉 土450104砂 砾450105砾 石50010U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
28、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2030cm,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4C
29、BR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
30、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119982 曾国熙 1 地基处理手册 119883 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119964 孙钧等 1 新型土工材料与工程整治 119985 欧阳仲春 1 现代土工加筋技术 119906 路基设计手册 119917 交通部第二公路勘察设计院 1公路路基设计规范119968 江苏高速公路指挥部 1 公路土工合成材料应用技术交流会论文集 12000APPLICATION AND DESIGN OF GE
31、OSYNTHETICS TO REINFORCED HIGHWAY BEDGuo Dahua(Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communication)AbstractApplication of geosynthetics to asuperhighway bed on soft ground is proposed in the paper1The reinforced cushion and re2inforced embankment are two popular used types1The featuresof
32、 reinforced cushion,the stability,the settlement,and how tocalculate bearing capacity are included1Some issues on design of geosynthetic for highway bed are also discussed1That is cont2ributed to make a better understanding for corresponding Codes1These Codes are:”Technical Code for Design and Const
33、ruc2tion of Highway Bed and Embankment on Soft Ground”and“Technical Code for Application of Geosynthetics for Highway1”Key words:geosynthetics,advancedhighway bed on soft ground,design method郭大华 工程师,主要从事高等级公路的设计、科研、咨询工作 1 通讯地址:100010 北京市东四前炒面胡同33号,中交公路规划设计院道路室98 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.