加筋土的作用機(jī)理及其在公路工程中的應(yīng)用

沈慧萍

將土工合成材料應(yīng)用于加筋土工程,該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始,如:京津塘高速公路等。20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,國(guó)產(chǎn)的土工合成材料種類(lèi)迅速增多,產(chǎn)品也逐漸系列化,同時(shí)加上國(guó)家加大基礎(chǔ)設(shè)施的投資,加筋土工程得到了較大的發(fā)展,目前已廣泛應(yīng)用于水利工程、港航工程、公路工程等各個(gè)領(lǐng)域。

1加筋土的概念

土工合成材料的主要功能之一——加筋功能是指將土工合成材料鋪設(shè)于土中形成加筋土,形成復(fù)合體結(jié)構(gòu),從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)性能得到較大改善。土體本身具有一定的抗壓和抗剪強(qiáng)度,而其抗拉強(qiáng)度卻很低,將適當(dāng)?shù)慕畈膿饺牖蜾佋O(shè)于土中后,可以擴(kuò)散土體所受的力,傳遞拉應(yīng)力,限制土體的側(cè)向移動(dòng),從而可以提高土與周?chē)ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2加筋土的機(jī)理

將筋材沿主應(yīng)變方向鋪設(shè)來(lái)提高土體的抗拉強(qiáng)度,其原理與在混凝土中加入鋼筋的類(lèi)似,土與筋材形成復(fù)合體,共同承擔(dān)外力,筋材與土體的相互作用是其抗拉強(qiáng)度增加的主要原因。根據(jù)工程實(shí)踐可知,加入筋材以后的松砂可保持一定的高度和直立狀態(tài)而不倒塌,這說(shuō)明加筋土的力學(xué)性能與穩(wěn)定性與加筋前相比,都得到了較大的改善。

到目前為止,對(duì)筋材與土體之間相互作用原理的解釋大致可總結(jié)為兩類(lèi):一是摩擦加筋原理;二是準(zhǔn)粘聚力原理或似粘聚力原理。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):加筋土的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線是呈雙直線的,轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓力即為臨界周?chē)鷫毫ΑＥR界周?chē)鷫毫Φ拇笮『图咏钔两缑娴哪Σ量辜魪?qiáng)度以及筋材的抗拉強(qiáng)度有關(guān):筋材與土體之間界面的摩擦抗剪強(qiáng)度越大,臨界周?chē)鷫毫υ叫　?1)當(dāng)周?chē)鷫毫π∮谂R界周?chē)鷫毫r(shí),加筋土的破壞形式是筋土相對(duì)滑動(dòng)破壞,這主要是由于筋材的摩擦角增加提高了加筋土的抗剪強(qiáng)度;(2)當(dāng)周?chē)鷫毫Υ笥谂R界周?chē)鷫毫r(shí),加筋土的破壞形式為筋材拉斷破壞,這主要是由于粘聚力的增加使得加筋土抗剪強(qiáng)度得到了提高。

3加筋土在公路工程中的應(yīng)用

3.1 路堤加筋

當(dāng)在路堤中加入筋材,路堤的整體穩(wěn)定性可以得到提高,并且其不均勻沉降有所減小并得到控制,因此加筋土在路堤中得到了較為廣泛的應(yīng)用。其工作原理是利用筋材具有抗拉能力,通過(guò)土與加筋材料之間的摩擦力,限制土體的側(cè)向移動(dòng)從而提高路堤的穩(wěn)定性,路堤的整體性得到提高,均勻分散荷載,減小不均勻沉降。在工程中,主要采用土工格柵、土工織物、土工網(wǎng)等土工合成材料作為路堤加筋的筋材,這些土工合成材料應(yīng)該具有足夠的抗拉強(qiáng)度,具有較高的刺破強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度等特性。只有填方壓實(shí)度良好時(shí),筋材與土體之間才具有足夠的摩擦力,才能最大發(fā)揮其加筋效果。因此在施工中,應(yīng)加強(qiáng)路堤的壓實(shí),使得填方路堤得到充分壓實(shí),以保證加筋土的加筋效果。

3.2 軟土地基處理

軟土具有天然含水量大、可壓縮性高、承載能力低的特點(diǎn),因此在軟土地基上修建公路,必須對(duì)其進(jìn)行加固處理。采用土工合成材料對(duì)墊層和路堤下部加筋處理,不但可以提高路堤的穩(wěn)定性,還可以改變其力學(xué)性能,因此進(jìn)行軟基處理時(shí)會(huì)經(jīng)常采用加筋土技術(shù)。將土工合成材料設(shè)置在路堤底部,除了具有上述的加筋效果外,還兼有過(guò)濾、排水、隔離等多種功能。筋材應(yīng)在路基全寬范圍內(nèi)滿鋪,并且將其鋪設(shè)于排水墊層之上,同時(shí)盡可能設(shè)置于路堤底部。

3.3 路面加筋

將加筋技術(shù)應(yīng)用于路面工程中,主要由于其可以減少或延緩反射裂縫的數(shù)量,減少瀝青路面的車(chē)轍等優(yōu)點(diǎn),且在半剛性基層瀝青路面中基層的疲勞壽命還可得到適當(dāng)?shù)奶岣?。瀝青路面加筋是利用筋材的抗拉強(qiáng)度和抗拉模量較大來(lái)阻止裂縫向路面延伸。目前主要選擇土工織物和玻纖網(wǎng)等土工合成材料應(yīng)用于瀝青路面加筋的,這些選用的筋材必須具備強(qiáng)度高,延伸率小,同時(shí)要求材料耐高溫,否則材料的性能會(huì)在高溫?cái)備仦r青混凝土?xí)r發(fā)生明顯變化。

3.4 加筋土擋土墻

在公路工程中,路基擋土墻、加筋土橋臺(tái)以及護(hù)坡工程等是加筋土擋土墻的主要應(yīng)用形式。墻面板、填料、筋材這三部分組合而成形成加筋土擋土墻。在加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)中,其作用機(jī)理是由于填料自重和外力能共同產(chǎn)生側(cè)壓力,墻面板由于受側(cè)壓力的作用,通過(guò)面板上連接件將此側(cè)壓力傳遞給筋材,該力有將筋材從填料中拉出的趨勢(shì),而筋材又被填料與筋材之間的摩擦力阻止。由此可見(jiàn)填料和筋材由于摩擦力的存在從而被聯(lián)結(jié)起來(lái),加上墻面板,即形成一重力式擋土墻。

加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):(1)施工中可以預(yù)先制作面板和筋材,從而使加筋擋土墻的施工變得簡(jiǎn)便、快速,可以節(jié)省勞力和縮短工期;(2)加筋土擋土墻是一種很好的抗震結(jié)構(gòu)物,主要是由于其結(jié)構(gòu)物柔性,能夠適應(yīng)地基輕微的變形;(3)加筋土擋土墻同時(shí)具有節(jié)約用地,造型美觀的特點(diǎn);(4)加筋擋土墻的造價(jià)比較低;(5)加筋土擋土墻的安全性能較好。

4結(jié)語(yǔ)

加筋土的效果不僅和筋土界面的摩擦特性有關(guān),同時(shí)還與加筋材料的層數(shù)或間距、布置、強(qiáng)度和剛度等多種因素有關(guān)。一般認(rèn)為加筋的間距越小,筋土界面的摩擦強(qiáng)度越高,加筋效果越顯著。在一定的范圍內(nèi),抗剪強(qiáng)度隨著加筋層數(shù)的增加而近似線性增加,但超過(guò)某一加筋層數(shù)后,抗剪強(qiáng)度不再有明顯的增加。

用于加筋土工程中的土工合成材料非常廣泛,新型材料在不斷的推出,加筋土的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展,其應(yīng)用是一項(xiàng)不斷發(fā)展完善的新技術(shù)。但是加筋土的實(shí)踐應(yīng)用和理論計(jì)算方法并不是同步發(fā)展的。有些加筋土應(yīng)用技術(shù)有著較豐富的經(jīng)驗(yàn),且建立了一套相對(duì)成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法;但還是有很多經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用反映出有較好的加筋技術(shù),但其基本理論研究還不夠成熟,目前完整的設(shè)計(jì)計(jì)算方法還沒(méi)有建立起來(lái)。所有在今后的設(shè)計(jì)、研究及施工應(yīng)用中,需要通過(guò)不斷的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和理論研究,來(lái)進(jìn)一步提高和完善。

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