新型土工格柵的力學性能及應用前景

王 敬

（山西省高速公路開發(fā)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

土工格柵是土工合成材料中發(fā)展很迅速的一個種類，它是一種以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料，包括玻璃纖維為原料加工形成開口的、類似格柵狀的產(chǎn)品，具有較大網(wǎng)孔。塑料土工格柵的發(fā)展，從20世紀70年代未經(jīng)拉伸處理的土工網(wǎng)發(fā)展到單向拉伸土工格柵，再發(fā)展到雙向拉伸土工格柵，直到今天的新型三向土工格柵，塑料土工格柵的力學性質越來越優(yōu)良，廣泛地應用于軟基加固、加筋擋土墻和邊坡防護等工程領域[1]。

傳統(tǒng)的雙向土工格柵是一種由聚乙烯、聚丙烯或其他聚合物為基體樹脂，加入抗紫外線劑等助劑，經(jīng)熱熔、擠出、拉伸等工藝生產(chǎn)而成的土工合成材料。

新型三向土工格柵是國際坦薩土工合成材料有限公司發(fā)明的一種新產(chǎn)品，2009年引入我國。目前關于三向土工格柵的作用機理還在探討中，本文簡略討論了新型三向土工格柵的力學性能和應用前景。

1 新型土工格柵的力學性能

國外對雙向土工格柵的主要特性進行相關測試和研究后，確定出影響新型三向土工格柵加筋性能的主要因素有：肋條截面形狀、肋條厚度、節(jié)點有效性、網(wǎng)孔形狀和尺寸、平面剛度。

1.1 三向特性

雙向土工格柵主要在兩個方向有拉伸剛度，而三向土工格柵的剛度在3個主方向，并通過穩(wěn)定的三角形結構得到進一步加強，在3個方向上都具有很高的剛度，從而真正地做到接近各向同性材料，并能在360°范圍內(nèi)有效傳遞荷載。

對雙向土工格柵和三向土工格柵分別在360°范圍內(nèi)進行拉伸實驗和對角方向行車實驗，實驗結果測得的兩種土工格柵的拉伸剛度和行車性能結果對比如圖1所示。

圖1 三向土工格柵和雙向土工格柵的拉伸剛度和行車性能

從該圖示試驗結果分析可以得出如下結論：

a）三向土工格柵比雙向土工格柵在360°范圍內(nèi)的最小剛度有很大提高。

b）雙向土工格柵僅在兩個方向有拉伸剛度，而三向土工格柵在360°范圍內(nèi)都具有很高的拉伸剛度。

1.2 平面剛度

土工格柵的肋條截面形狀、肋條厚度和肋條剛度都會影響其加筋性能。如圖2所示，與雙向土工格柵相比，三向土工格柵的肋條厚度更大。國內(nèi)外對不同肋條厚度的土工格柵的研究表明了三向土工格柵的肋條厚度和獨特截面極大地增強了結構性能，并且證實了肋條厚度對粒料約束和荷載擴散的重要性。肋條厚度的增大提高了肋條的抗彎剛度，同時使土工格柵的整體剛度得到了很大的提高。三向土工格柵整體剛度的增加也使性能得到了很大的提高，這也是三向土工格柵最重要的力學性能。

圖2 三向土工格柵的肋條截面形狀

1.3 節(jié)點強度

三向土工格柵是由擠出的聚丙烯板材，經(jīng)過沖孔、三向拉伸等工藝制造出的獨特的三向結構產(chǎn)品，其節(jié)點的強度在3個肋條方向都與肋條強度相等，保證了節(jié)點的有效性和整體性。其節(jié)點強度的增大提高了垂直方向上抗剪強度及以快速擴散荷載受力方向，形成拱效應，提高了回彈模量。

圖3 三項土工格柵節(jié)點

1.4 網(wǎng)孔形狀

雙向土工格柵的網(wǎng)孔是矩形或正方形，而三向土工格柵改進為三角形網(wǎng)孔，具有等距離、等角度和等容積的等邊三角形網(wǎng)孔，增強了對粒料的嵌鎖作用，提高了土工格柵的拉伸模量、網(wǎng)格剛度和抗摩阻力。

2 新型土工格柵的試驗研究概況

自從三向土工格柵出現(xiàn)以來，國內(nèi)外很多學者和研究機構都對三向土工格柵的性能進行了大量試驗研究。

2.1 行車試驗

英國交通研究實驗室（TRL）進行了大比例行車試驗，變形測量結果表明，對于三向土工格柵，荷載作用在任何一個方向，其性能表現(xiàn)都很好；而對于雙向土工格柵，當行車荷載與肋條方向呈45°角時，其性能顯著低于在行車荷載平行于肋條方向的表現(xiàn)。證實了三向土工格柵近似各向同性的特點。

在英國諾丁漢大學諾丁漢交通工程中心（NTEC）進行了行車試驗，對三向土工格柵和雙向土工格柵都進行了測試——均達到了10 000次行車次數(shù)，研究了雙向土工格柵和三向土工格柵在對角方向行車試驗中不同行車次數(shù)下的車轍深度。試驗結果如圖4所示。

圖4 三向土工格柵和雙向土工格柵在不同行車次數(shù)下的車轍深度

由以上試驗結果可以看出：

在相同行車次數(shù)時，使用三向土工格柵的車轍深度明顯比使用雙向格柵的??；而且雙向格柵段的最大車轍深度是40 mm，而三向格柵的最大車轍深度為30 mm，三向格柵段的車轍深度小于雙向格柵段，證明了三向土工格柵比雙向土工格柵對減小路面車轍的效果更好。

2.2 承載力測試

英國建筑研究院（BRE）進行了加筋層的大比例承載力測試，并對加筋層中荷載的分布進行了研究[2]。在直徑為3 m的試驗箱中，荷載板為300 mm，分別采用雙向土工格柵和三向土工格柵加筋，測試所得到的豎向變形和豎向應力分布如圖5和圖6所示，圖5和圖6中左半部分為雙向土工格柵加筋區(qū)域測試結果，右半部分為三向土工格柵加筋區(qū)域測試結果。

對比兩邊的豎向變形和豎向應力分布可以得到以下結論：

a）三向土工格柵比雙向土工格柵更有效地約束了發(fā)生豎向位移的深度，且增大了擴散角度，降低變形，使變形更均勻。

b）三向土工格柵比雙向土工格柵具有更大的剛度和約束能力，增大了荷載擴散范圍，增強了荷載的擴散分布能力。

圖5 測試橫斷面的豎向位移

圖6 測試橫斷面的豎向應力

3 新型土工格柵的應用前景

三向土工格柵獨特的網(wǎng)孔形狀、節(jié)點以及肋條截面使其性能有較大程度的提高。三向土工格柵的三向特性和較強平面剛度等性能特點都可以在實際工程應用以獲取更好的工程效果。尤其是整體平面剛度的提高可以提高承載力、擴散應力和減小沉降量。三向土工格柵可以在以下方面得到廣泛的應用。

3.1 樁承式路堤加筋

軟土地基上填筑高填方路堤，常常會面臨地基承載力不足、失穩(wěn)、路堤沉降過大等問題[3-4]。相對于傳統(tǒng)的超挖換填和堆載預壓等方法，應用三向土工格柵在解決這些問題上具有明顯的優(yōu)勢。首先三向土工格柵對粒料具有良好的嵌鎖作用，粒料顆粒可以更好地嵌固在三向土工格柵中，并被網(wǎng)孔約束，從而形成更好的加強復合體。另外三向土工格柵具有較強的整體剛度，可以顯著減小樁間土荷載，有效地將路堤填土荷載轉移到樁頂，從而通過樁體傳遞到持力層。三向土工格柵在軟土路基的應用可以有效減小路堤頂面沉降、不均勻沉降和路堤坡腳處側向位移。

3.2 地基加固

目前在軟弱復雜的地基上設計修建經(jīng)濟而符合環(huán)保要求的建筑、公路及機場等的需求是前所未有的，而這很容易產(chǎn)生不均勻沉降。利用三向土工格柵對建筑、道路路基進行加筋、攤鋪碾壓粒料時，粒料部分嵌入土工格柵網(wǎng)孔中產(chǎn)生強有力的嵌鎖作用，而且三向土工格柵360°范圍的高抗拉強度使其在低應變時就發(fā)揮應有的強度，可以有效控制不均勻沉降。與傳統(tǒng)解決方案相比，在保持性能不變的基礎上，可減少粒料墊層厚度達40%，減少開挖量，較大程度地節(jié)省工程造價費。

3.3 鋪面工程

新型土工格柵鋪面加筋不僅可以用于軟弱地基上的重載鋪面工程，而且可以用于開裂的傾斜復合路基與混凝土路面上加鋪瀝青。

對于諸如集裝箱碼頭工程中常見的動態(tài)與靜態(tài)的極重荷載，由于土顆粒與土工格柵之間獨特的互鎖作用，可以通過鋪設多層加筋墊層系統(tǒng)構建剛性承載平臺。這種剛柔相濟的平臺可有效地控制差異沉降并可橫跨凹坑與空穴。另外多層加筋系統(tǒng)不僅可以改善填土的壓實性，還可以減輕對敏感性地基的擾動或削弱。

對于道路與機場的瀝青鋪面工程，使用新型土工格柵可以降低工程維修費用和延長鋪面使用壽命。相比于雙向土工格柵，新型土工格柵可減薄瀝青厚度達40%，可減小車轍深度達70%。新型土工格柵還可以在很大程度上延緩反射裂縫的產(chǎn)生。此外在瀝青鋪面工程中可采用相應的復合材料封住瀝青底層，阻止水進入，延長鋪面壽命。

3.4 鐵道路床加筋

建在軟基上的鐵路道床經(jīng)常發(fā)生相對較快的永久性沉降，導致了昂貴的、破壞性的、頻繁的維修工作。足尺實驗研究表明，軟土路基上采用土工格柵加筋的鐵路道床剛度與堅實地基上的未加筋道床剛度相近。由于在穩(wěn)定力學層中，粒料顆?？梢愿玫厍豆淘谛滦腿蛲凉じ駯胖校⒈痪W(wǎng)孔約束，從而形成更好的加強復合體，而且新型土工格柵還可以增大約束區(qū)的范圍和深度。因此，新型土工格柵可以與鐵路道渣相互咬合而在泥炭質與沖積型軟土上形成有效的加筋復合地基，同時限制道渣的側向位移，最大限度地減小細粒料位移。此外通過加筋底基層還可以提高軟土地基的承載力。

3.5 陡邊坡加筋

因為各種外部條件，陡坡往往不能按設計邊坡自然堆放，此時，為確保陡坡的穩(wěn)定性，需要對陡坡進行加固與防護處理[5]。土工格柵加筋土陡邊坡屬于柔性結構，更適應地基變形，具有優(yōu)越的抗震性能。加筋土陡邊坡能有效地節(jié)約用地和填筑材料，而且施工快捷簡便。土工格柵包裹式的加筋結構還可以在其坡面采用綠化防護，綠化美化環(huán)境，恢復自然生態(tài)，有效融入周邊環(huán)境，有著較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

4 結語

通過對三向土工格柵性能的調(diào)查和分析，可以看到三向土工格柵的性能相對雙向土工格柵在以下方面有了大幅提高：

a）承載性能得到提高 三向土工格柵在剛性和限制粒料上的性能改善使得荷載分布擴散能力增強，提高了承載力。

b）有效控制整體沉降 三向土工格柵比雙向土工格柵能有效地控制整體沉降和不均勻沉降。

c）更好的行車性能 包括增強力學穩(wěn)定層的性能，底基層厚度一定時，增加行車壽命，而行車負擔一定時，能減少底基層厚度。

d）多方向性能 相比雙向土工格柵在兩個方向的性能，三向土工格柵在各方向都能保持性能一致。

e）更少的施工損傷 三向土工格柵在特殊施工和完全壓實的情況下，整體結構和拉伸性能等方面幾乎沒有損失。

f）更低的工程造價 三向土工格柵可大幅減少粒料層厚度，減少開挖料及填方量，從而降低工程造價。

新型三向土工格柵具有更好的力學性能，因此可望在樁承式路堤加筋、地基加固、鋪面工程、鐵道路床加筋，以預見今后三向土工格柵在工程中將會有更加廣泛的應用。