塑料土工格柵在路基加固中的應用

周冠卿

中國水利水電第十一工程局有限公司 河南 鄭州 450000

1 工程及產品概況

塑料土工格柵是一種以高分子聚合物為主要原料,經過拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物網材。按制造時拉伸方向一般分為單向拉伸土工格柵(TGDG系列)和雙向拉伸土工格柵(TGSG系列)。它是在擠壓制出的聚合物板材(原料多為聚丙烯或高密度聚乙烯)上沖孔,然后在加熱條件下施行定向拉伸。單向拉伸格柵只沿板材長度方向拉伸制成,而雙向拉伸格柵則是繼續將單向拉伸的格柵再在與其長度垂直的方向拉伸制成。經雙向定向拉伸后,它的縱、橫向抗拉強度均勻,且具有良好的延性、抗拉性和耐腐蝕性。塑料土工格柵埋設在土壤、瀝青、泥沙等介質時,土工格柵各節點及肋條為荷載的傳遞提供了一系列的承載點和錨固點。當土工格柵受到介質的作用時,土工格柵通過微小位移即可獲得足夠大的應力,而不僅僅只依靠土工格柵表面與介質間的摩擦作用,而且還通過網格與介質之間的互相嚙合及互鎖作用來獲得更大的應力。由此構成一個高效應力傳遞與反應機制,從而發揮了土工格柵最大的抗拉效果。由于土工格柵在制造中聚合物的高分子會隨加熱延伸過程而重新排列定向,加強了分子鏈間的聯結力,達到了提高其強度的目的。其延伸率只有原板材的10%～15%。如果在土工格柵中加入炭黑等抗老化材料,可使其具有較好的耐酸、耐堿、耐腐蝕和抗老化等耐久性能。

2 性能特點

土工格柵主要具有以下性能特點:

(1)應力伸長率小,對基礎具有很好的穩固作用,整體結構性強,節點強度高。

(2)土工格柵具有一定的剛度,從而使上面的負荷得到擴散,提高了基礎的承載能力。

(3)由于土工格柵的抗拉強度大,拉伸強度范圍在25-110kn/m,它的存在可增加基礎的穩定性,即提高抗拉強度。

(4)長時間持續荷載作用下不變形,耐蠕變性能好。

(5)摩擦系數大(大多在0.8左右),網狀結構完全融入土層,增強了結構的穩定性能。

(6)由于格柵網眼的存在制約了顆粒材料的橫向移動,形成了良好的嵌鎖作用。

(7)物理化學性質穩定,抗土埋、抗腐蝕性能好。耐酸、堿、鹽溶液;耐汽油、柴油等有機溶劑的侵蝕,不能被水分解。

(8)質輕柔軟,便于運輸,施工簡捷方便;耐老化,承受荷載使用壽命可達120年以上。

3 產品規格及技術指標

(1)單向拉伸土工格柵單向拉伸土工格柵是一種以高分子聚合物為主要原料,加入一定的防紫外線、抗老化助劑,經過單向拉伸使原來分布散亂的鏈形分子重新定向排列呈線性狀態,經擠出壓成薄板再沖規則孔網,然后縱向拉伸而成的高強度土工材料。這種過程中使高分子成定向線性狀態并形成分布均勻、節點強度高的長橢圓形網狀整體性結構。此種結構具有相當高的拉伸強度和拉伸模量,抗拉強度達到100-200Mpa,接近低碳鋼的水平,大大優于傳統的或現有的加筋材料,特別是此類產品更具有超國際水平的(伸長率在2%—5%)拉伸強度和拉伸模量。給土壤提供了理想的力承擔和擴散的連鎖系統。

(2)雙向拉伸土工格柵。

雙向拉伸土工格柵是一種在制造過程中對分子結構沿縱、橫向重新排列的高強度結構材料,其縱橫向均具備相當大的拉伸強度,這種結構在土壤中同樣也能提供一個更為有效的力的承擔和擴散的理想的連鎖系統,主要用于加固軟弱及復雜土基層、面層和鐵道道床。各種規格雙向土工格柵技術指標見下表1。

表1 雙向拉伸高密度聚丙烯土工格柵

4 塑料土工格柵施工程序及要點

土工格柵夾于土層中間,形成復合土體結構,在土體重量和活荷的作用下,土工格柵和周邊土體之間聯結摩擦,提高了土體強度和穩定性,摩擦加筋沉降量小的一端相當于錨固端,沉降量大的一端相當于自由端,自由端下沉時的剪切破壞受土工格柵的約束,企圖土工格柵從錨固端拉出,而錨固端被其上面土層的重力作用下,對土工格柵產生摩擦力,阻止自由端下沉。從而使土體得到更高的整體穩定性。本次路基加固處理所用的塑料土工格柵是TGSG50-50型,延伸率為5%,其縱、橫向抗拉強度均為50k N/m雙向土工格柵,網孔尺寸為50mm×50mm,幅寬為6m,幅長為80m。雙向塑格柵具有延伸率低、剛度大、施工方便、加筋處治的效果好等優點,一方面在橫向上加筋處治的,另外在縱向上也能有效協調路基的差異沉降,相同條件下,應變比塑料格柵小很多,能有效發揮土工格柵協調變形的作用;現場適應性好。雙向土工格柵屬大網孔結構,對路基的平整度和尖銳填料具有很強的適用性,而且每卷長度為80m左右,施工方便;結點強度高,凸結點式鋼雙向格柵,結點連接牢固,不容易撕裂、損壞,能充分發揮土工格柵增強路基整體性、協調變形的作用。分別在路基填筑厚度30cm、60cm、90cm處(將格柵設置在與路基封頂位置相距20厘米的位置)分別鋪設土工格柵(雙向拉伸高密度聚乙烯土工格柵TGSG50-50),以確保基礎的穩定性。鋪好土工格柵后,機械開始鋪設回填料,及時完成碾壓,避免長期暴曬。然后采用裝載機運料、推土機整平、振動碾碾壓。施工順序從兩邊向中間推進,碾壓自兩邊向中間進行,壓實度符合設計要求。杜絕一切施工車輛和施工機械行駛或停放在已鋪好的土工格柵上,施工中隨時檢查土工格柵的質量,發現有折損、刺破、撕裂等損壞時,視程度修補或更換。

4.1 技術要求

①素土含水率適中,且內摩擦角￠≮30。,必要時進行現場土工試驗。

②填料中不能有尖銳棱角、垃圾、雜質、雜物等有損土工格柵的物品。

③填料最大粒徑不得大于100mm,應小于設計要求,同時做好基坑的防水、排水措施。

④路基填筑厚度為30cm/60cm/90cm處分別鋪設塑料土工格柵,且每層土工格柵接縫處錯開搭接,采用基床式鋪設。

4.2 施工方法

(1)首先精確放出回填邊線,為了保證基礎寬度,每側各加寬0.5m,把晾曬好的素土進行回填后,采用18T振動碾靜壓兩遍,振動碾壓六遍,不平整的地方人工配合整平,清除表面不合格的土并排除地表水。

(2)格柵的使用效果與基礎面的處理情況密切相關,在鋪設前必須將基面上可能影響格柵與底層結合強度的物質如油脂、封層料、水漬、污物等徹底清除干凈,使鋪設表面清潔干燥。如基面有積水時,應待基面干燥后再進行鋪設。

(3)鋪設土工格柵時,在平整壓實的場地上,基面應較為平整,在壓實度滿足要求的土層上按照設計寬度鋪設土工格柵,用插釘固定,鋪設的格柵主要受力方向要求通長無接頭。攤鋪拉直、平順,緊貼土層,無扭曲、褶皺現象,不得重疊。土工格柵主要受力方向不宜設置接頭縫。各層土工格柵的兩端進行固定,保持一定的松緊度,表面嚴禁有碎、塊石等堅硬凸出物,局部起伏差不得大于5cm。相鄰的兩幅土工格柵需搭接0.15m。確保鋼塑土工格柵縱向極限拉力在60KN/M以上,橫向極限拉力在20KN/M以上,伸長率必須控制在5%以下。

(4)土工格柵按照設鋪設定位后,需要及時進行填土覆蓋操作。幅與幅之間的連接人工采用專用卡具固定,層與層之間應錯縫。大面積鋪設后,要整體調整平直度,使格柵在土中為繃直受力狀態。順道路軸線方向的搭接寬度不小于15cm,按適當距離,起點用“U”型釘固定,防止填土時位移。

(6)素土碾壓,在含水率適中的條件下,采用18T振動碾開始碾壓,靜壓2遍,振動碾壓6遍。碾壓機械應采用進退錯距法碾壓,每層壓實后,采取環刀法取樣做壓實度試驗,壓實度不應小于0.96。

(7)第二層,第三次土工格柵施工方法同第一層一樣。在第一層土工格柵的基礎上,填筑60cm素土壓實后,開始鋪設第二次土工格柵,填筑要求同第一層一樣,最后再完成60cm素土回填壓實后,開始鋪設第三層土工格柵,三層土工格柵采用基床式鋪設。

5 施工中的注意事項

(1)材料保管塑料土工格柵是一種土工合成材料,遇紫外線易老化,故格柵應堆放在通風遮光的室內;堆放的時間累計不超過3個月,否則必須重新檢測;鋪設時應注意縮短太陽光直接照射的時間,施工時暴露的總時間以一個班為宜,同時做好防火工作;不同型號的土工格柵應分開堆放,并應在格柵上標出各自不同的明顯標記,以防止混用。

(2)質量管理在選擇原材料時,必須有出廠合格證明,進入現場的格柵,必須進行試驗,各性能指標均合格后方可施工。一般應選擇有正規資質的大型土工格柵廠家,同時要求廠家提供格柵長期蠕變斷裂強度指標(包括10℃、20℃、30℃下60年、120年的長期蠕變斷裂強度)、比較具體的抗老化性能指標、最小炭黑含量(不小于2%),以及檢測機構的合格鑒定。

(3)鋪設土工格柵為避免塑料土工格柵在施工中受到損傷,嚴禁機械在土工格柵上行走,機械與土工格柵之間應保持30cm厚的回填層,在鄰近結構面的2m范圍內,建議用18T振動碾壓實填土。填土過程中應用插釘或土石固定,防止土工格柵移動。

(4)格柵填工

在批次為720,學習率為0.03的實驗條件下,對網絡輸入步長問題進行實驗,以RMSE作為評價指標,實驗結果如表2所示。

在鋪設完成的土工格柵上繼續填筑路基時,將拌合好的填料攤鋪時,應先提鏟高推將土工格柵全部覆蓋后再按松鋪厚度推攤,輔以人工清撿硬質塊料,以防土工格柵扭曲,移位。

(5)施工質量檢驗

在路基回填加固施工結束之后,需要對填土沉降情況進行觀測,沉降降觀測通常是基于沉降管進行,即在沒做橋臺設兩根沉降管,同時將沉降布設量。

6 土工格柵的使用效果

(1)增加了底板的穩定性,有效防止滑移、沉陷等現象的發生。另一方面,使其上部施加的荷載能均勻分布在地層中。也就是說,在地基在上的荷載作用下可能產生底板混凝土破壞時,土工格柵將阻止破壞現象的發生,從而提高地基的承載力。當土工格柵受到集中應力作用時,高彈性模量的土工格柵受力后將產生垂直分力,分散和抵消部分荷載,有效提高地基承載力,這一效果能有效提高基礎的穩定性。

(2)有效提高地基承載力,通常在未經處理的軟基礎上填筑素土,在一定的施工范圍內,都會出現不同程度的“彈簧”狀態,填土難于壓實,平整度差。經鋪設土工格柵后,由于其約束作用,填料易于壓實,表面平整。(3)土工格柵在提高地基承載力和增加地基穩定的同時,對不均勻的沉降有調節作用,能較快的減少基礎的沉降差異。土工格柵和素土共同構成比素土強度大得多的復合墊層,對上部施加的荷載起到重新分布的作用。強度大、蠕變小、適應各類環境土壤。

(4)能有效的提高加筋承載面的嵌鎖、咬合作用、極大程度的增強地基的承載力、有效的約束土體的側向位移,增強地基穩固性能。與傳統格柵相比更具有強度大、承載力強、抗腐蝕、防老化、摩擦系數大、孔眼均勻、施工方便、使用壽命長等特點。能有效的避免在施工過程中被機具碾壓、破壞而造成的施工損傷。

結束語

塑料土工格柵是目前國內一種比較新的土工建筑材料,它具有拉伸強度高(>100KN/m,延伸率小于百分之十五),尺寸穩定性好,耐腐蝕,抗老化(設計使用壽命120年,地下)等特性,已廣泛用于險坡防護、松軟地基處理、加筋土擋墻工程及一些高承載力的結構中,是建筑行業中具有劃時代意義的新型材料。隨著施工工藝的日趨成熟,塑料土工格柵用于軟基礎加固防護,格柵和素土材料融合在一起,可有效地分配荷載,防止基礎沉陷和混凝土底板變形,提高基礎的穩定性,承受更大的變荷。嚴格控制壓實度是保證基礎回填成功的關鍵,為保證施工及運營階段的安全性和穩定性,并減小混凝土沉降,必須采取措施對基底進行加固。在實際操作過程中,土工格柵施工質量的好壞對今后的使用效果有著很大影響。因此,加強材料質量控制、提高施工人員質量意識顯得尤為重要。