土工復合材料在高等級公路路基中的應用

李姍姍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

高等級公路一般指高速公路、一級公路及各種市政快速路。其執行的建設標準有所差異,但其路基部分建設標準基本一致[1-2]。該研究中通過對建設標準最高的高速公路路基中土工復合材料的應用效果進行分析。高速公路路基穩定性直接關系到高速公路的使用壽命,相比較傳統的三合土路基,使用土工復合材料構建高速公路路基,可以有效提升高速公路路基的穩定性[3-4]。

土工復合材料有兩個技術特征:①使用土工膜、土工織物等結構加強結構對土工結構進行技術改進,文獻[5]在該方面進行了個案研究和仿真分析；②提升三合土各成分的純度,嚴格控制其成本比例和粒徑,文獻[6]在該方面進行了個案研究和仿真分析。

該文重點梳理高速公路路基建設過程中的土工復合材料應用策略,對比分析其優勢劣勢,尋找最佳的土工復合材料應用方案。

1 土工膜、土工織物的應用方案

早期技術體系中,土工膜、土工織物在高速公路路基中的應用模式,是通過在土工系統中結合土釘錨索等結構,將土工膜、土工織物等復合材料應用到高速公路路基結構中,形成防滲、排水、加強筋等結構。其應用模式如圖1 所示。

圖1 土工膜、土工織物在高速公路路基中的應用Fig.1 Application of geomembrane and geotextile in expressway subgrade

圖1 中,接近自然堆積坡度的高速公路土工基礎部分呈現近似梯形的結構,其中應用土工膜、土工織物的結構主要有兩部分:①兩側邊坡的護坡土工結構,結構主體由復合材料構成高強度、強彈性的具有一定主動預緊力的護坡結構,該結構由土釘嵌入到高速公路基礎結構中,必要時采用貫穿錨索連接兩側護坡結構,使用貫穿錨索的預緊力使兩側護坡結構達到一定的支護預緊力；②埋入高速公路土工基礎中的排水結構,一般采用復合材料形成一種多孔吸水、排水結構,確保因降雨等原因造成土工結構沖水時,內部滲水形成對兩側排水渠結構的持續滲透壓力,快速排出土工基礎結構中的水份,且避免因為該排水過程中沖蝕土工結構[6]。實際應用過程中,上述兩種土工結構存在互斥互補關系,以下主要針對結構穩定性和排水能力進行分析[7]。

加強護坡結構可以有效提升土工路基結構的穩定性,使其在特定頂部動載荷和靜載荷的影響下,發生的塑性形變更小,也可以充分提升土工路基結構的阻水性。但因為土工路基結構的阻水性增加,其排水能力也會顯著下降。反之,加強排水結構會將土工路基結構進行分割,這使得其土工結構穩定性下降,在特定頂部動載荷和靜載荷的影響下,其發生塑性形變的可能性增大[8]。且因為排水結構對土工路基結構的受力結構進行分割,導致其受到較大頂部動載荷和靜載荷的前提下,可能發生路基土工結構的整體位移,導致路基失穩,引起較嚴重后果。如果不使用復合土工結構中的排水結構,理論上可以大幅度提升土工路基結構的受力穩定性,但在含水條件下,特別是災害型降雨條件下,土工結構中的含水量接近飽和,路基土工結構因為飽和水環境影響,其穩定性急劇下降[9]。在MATLAB 下加載SimuWorks 仿真組件,考察護坡+排水結構和僅護坡結構條件下的數據表現[10],得到圖2 中數據結果。

圖2 兩種復合土工結構的含水穩定性表現圖Fig.2 Water bearing stability of two kinds of composite geostructures

圖2 中,兩套方案護坡結構一致,均為護坡復合膜配合土釘和貫穿錨索形成護坡結構,但護坡+排水結構采用預埋式排水復合土工織物實現。仿真結果中,護坡+排水結構在土層含水飽和度達到67% 前,其路基穩定性系數一直小于僅護坡結構。但當土層含水飽和度達到67% 時,兩套方案給出的穩定性系數均達到0.78,此時護坡+排水結構的穩定性系數下降幅度基本保持不變,但僅護坡結構的穩定性系數急劇下降,可認為此時高速公路路基系統已經達到失穩狀態[11]。

2 土工材料的含水穩定性提升策略

除上述兩套方案外,當前技術改進相關研究中,土工復合材料高速公路路基中的技術體系還包括以下要素:

(1)土工結構外層防水防滲結構

上述仿真分析中發現,土工結構含水量是影響土工結構穩定性的重要因素,所以,減少雨雪天氣高速公路路基土工結構的浸水量可以有效減少土工結構的穩定性損失。相關技術實現模式較為豐富,但注漿法和噴漿法是其重要實現方式。注漿法是在土工結構中注入防水層實現阻水防滲功能,一般采用混凝土注漿法、交聯反應劑注漿法等進行注漿,其中交聯反應劑可以在土層表面一定深度內實現復合阻水結構,有效防止降水滲入。噴漿法是在土工結構表面噴涂防水材料,也分為混凝土噴漿法和交聯材料噴漿法。實際仿真分析中,噴漿法短期內的阻水性能顯著強于注漿法,但其可用壽命顯著短于注漿法,其仿真表現如圖3 所示。

圖3 防滲結構的應用壽命表現Fig.3 Application life performance of impervious structure

圖3 中,噴漿法的實際應用壽命約為2 年,2 年內,噴漿法的阻水系數顯著優于注漿法,但2 年后,噴漿法的阻水系數急劇下降。實際應用中,針對高標準建設需求,需要選用噴漿法進行表面阻水,而在其壽命期達到設計年限時,應進行修復維護以持續保障其阻水系數的穩定性。

(2)土工路基夯土成分的優化策略

早期公路土工路基建設中,一般就地取土進行夯土施工,土中涉及到大量的腐殖質、植物根系、蟲卵等有機物和生命體,雖然也會在其中加入粉煤灰、生石灰、熟石灰等成分降低三合土肥力,防止三合土在后期過水滲水過程中,因為有機質反應和生命體活動造成的結構損傷。但是,這種模式也面臨著諸多問題。如其結構中的非均質性特征導致先天裂隙影響其穩定性,導致其實際穩定性表現與仿真穩定性表現出現較大差異。所以,當前技術條件下,對夯土路基的三合土進行深度加工,通過高溫烘干處理使其充分滅活,通過粉碎和精篩工作循環取出其中的石子、根系等雜質,使其重新加水夯實后,結構均一性得到充分表現,更能做到與粉煤灰、石灰等土質加強成分的混合均勻度。經過夯土成分優化的夯土路基結構,其實際應力表現與仿真結果更為接近,也與上述復合土工結構的融合程度更高。

(3)橋涵相關結構中的土工復合材料應用

低等級公路中,橋頭跳車現象幾乎難以避免。其根本原因為橋涵結構應用了剛性彈性表現更佳的鋼筋混凝土結構,而兩側引橋部分應用了塑性表現更為顯著的夯土結構,隨著公路壽命對引橋塑性表現的影響逐漸積累,橋涵結構兩側的路面高差發生變化,最終引起橋頭跳車。而市政快速路的設計車速一般可以達到70～100 公里每小時,高速公路的設計車速一般可以達到90～120 公里每小時,這種車速條件下會直接帶來安全隱患。所以高標準公路中利用土工復合材料減輕橋頭跳車,可以有效保障高標準公路中高速行駛車輛的安全性。實際技術體系中,在夯土路基上表面增加預緊復合結構,加大頂部土釘密度,使用注漿法等輔助方法加強夯土路基的強度,防止其長時間應用中的塑性變形量,是解決橋涵結構相關土工結構問題的關鍵。實際設計中,應在仿真環境下比較相關結構的實際性能,加強復合土工材料應用。

綜合上述三點技術要素,土工復合材料是一種針對夯土路基土工結構穩定性能和排水、防滲性能的重要技術體系。影響土工結構穩定性的直接誘因分為兩個方面,一是土工復合材料提供的預緊力使得土工結構可靠性增加,二是土工復合材料提供的排水、阻水、防滲性能防止土工復合材料出現水飽和狀態,減少降水天氣對土工夯土結構的影響。所以,使用土工復合材料對高標準公路基礎結構穩定性具有不可替代的積極意義。

3 總結

土工復合材料的兩個重要應用場景:一是配合土釘、錨索等結構力學工具,加強土工結構的預緊力,增加其穩定性和阻水性；二是增強土工夯土結構內部浸入水的排出能力,減少浸水對土工夯土結構的影響事件,同時通過土工復合材料充分阻止降水向土工夯土結構中的滲入。該文并未針對土工復合材料的技術革新方向進行研究,且其主要研究方向為高速公路,對一級公路、城區市政快速路等高標準公路的研究并未展開。該文對之前相關技術進行基于文獻資料的梳理,發現其中的工程學邏輯和技術體系,對后續高標準公路夯土路基建設中的土工復合材料應用體系具有參考意義。