土工復合材料在高等級公路路基中的應(yīng)用

李姍姍

(中鐵第一勘察設(shè)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(zhí)行的建設(shè)標準有所差異,但其路基部分建設(shè)標準基本一致[1-2]。該研究中通過對建設(shè)標準最高的高速公路路基中土工復合材料的應(yīng)用效果進行分析。高速公路路基穩(wěn)定性直接關(guān)系到高速公路的使用壽命,相比較傳統(tǒng)的三合土路基,使用土工復合材料構(gòu)建高速公路路基,可以有效提升高速公路路基的穩(wěn)定性[3-4]。

土工復合材料有兩個技術(shù)特征:①使用土工膜、土工織物等結(jié)構(gòu)加強結(jié)構(gòu)對土工結(jié)構(gòu)進行技術(shù)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(shè)過程中的土工復合材料應(yīng)用策略,對比分析其優(yōu)勢劣勢,尋找最佳的土工復合材料應(yīng)用方案。

1 土工膜、土工織物的應(yīng)用方案

早期技術(shù)體系中,土工膜、土工織物在高速公路路基中的應(yīng)用模式,是通過在土工系統(tǒng)中結(jié)合土釘錨索等結(jié)構(gòu),將土工膜、土工織物等復合材料應(yīng)用到高速公路路基結(jié)構(gòu)中,形成防滲、排水、加強筋等結(jié)構(gòu)。其應(yīng)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(yīng)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(chǔ)部分呈現(xiàn)近似梯形的結(jié)構(gòu),其中應(yīng)用土工膜、土工織物的結(jié)構(gòu)主要有兩部分:①兩側(cè)邊坡的護坡土工結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)主體由復合材料構(gòu)成高強度、強彈性的具有一定主動預(yù)緊力的護坡結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由土釘嵌入到高速公路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中,必要時采用貫穿錨索連接兩側(cè)護坡結(jié)構(gòu),使用貫穿錨索的預(yù)緊力使兩側(cè)護坡結(jié)構(gòu)達到一定的支護預(yù)緊力；②埋入高速公路土工基礎(chǔ)中的排水結(jié)構(gòu),一般采用復合材料形成一種多孔吸水、排水結(jié)構(gòu),確保因降雨等原因造成土工結(jié)構(gòu)沖水時,內(nèi)部滲水形成對兩側(cè)排水渠結(jié)構(gòu)的持續(xù)滲透壓力,快速排出土工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的水份,且避免因為該排水過程中沖蝕土工結(jié)構(gòu)[6]。實際應(yīng)用過程中,上述兩種土工結(jié)構(gòu)存在互斥互補關(guān)系,以下主要針對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和排水能力進行分析[7]。

加強護坡結(jié)構(gòu)可以有效提升土工路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,使其在特定頂部動載荷和靜載荷的影響下,發(fā)生的塑性形變更小,也可以充分提升土工路基結(jié)構(gòu)的阻水性。但因為土工路基結(jié)構(gòu)的阻水性增加,其排水能力也會顯著下降。反之,加強排水結(jié)構(gòu)會將土工路基結(jié)構(gòu)進行分割,這使得其土工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,在特定頂部動載荷和靜載荷的影響下,其發(fā)生塑性形變的可能性增大[8]。且因為排水結(jié)構(gòu)對土工路基結(jié)構(gòu)的受力結(jié)構(gòu)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(fā)生路基土工結(jié)構(gòu)的整體位移,導致路基失穩(wěn),引起較嚴重后果。如果不使用復合土工結(jié)構(gòu)中的排水結(jié)構(gòu),理論上可以大幅度提升土工路基結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性,但在含水條件下,特別是災(zāi)害型降雨條件下,土工結(jié)構(gòu)中的含水量接近飽和,路基土工結(jié)構(gòu)因為飽和水環(huán)境影響,其穩(wěn)定性急劇下降[9]。在MATLAB 下加載SimuWorks 仿真組件,考察護坡+排水結(jié)構(gòu)和僅護坡結(jié)構(gòu)條件下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)[10],得到圖2 中數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 兩種復合土工結(jié)構(gòu)的含水穩(wěn)定性表現(xiàn)圖Fig.2 Water bearing stability of two kinds of composite geostructures

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

2 土工材料的含水穩(wěn)定性提升策略

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

(1)土工結(jié)構(gòu)外層防水防滲結(jié)構(gòu)

上述仿真分析中發(fā)現(xiàn),土工結(jié)構(gòu)含水量是影響土工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素,所以,減少雨雪天氣高速公路路基土工結(jié)構(gòu)的浸水量可以有效減少土工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性損失。相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)模式較為豐富,但注漿法和噴漿法是其重要實現(xiàn)方式。注漿法是在土工結(jié)構(gòu)中注入防水層實現(xiàn)阻水防滲功能,一般采用混凝土注漿法、交聯(lián)反應(yīng)劑注漿法等進行注漿,其中交聯(lián)反應(yīng)劑可以在土層表面一定深度內(nèi)實現(xiàn)復合阻水結(jié)構(gòu),有效防止降水滲入。噴漿法是在土工結(jié)構(gòu)表面噴涂防水材料,也分為混凝土噴漿法和交聯(lián)材料噴漿法。實際仿真分析中,噴漿法短期內(nèi)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(xiàn)如圖3 所示。

圖3 防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用壽命表現(xiàn)Fig.3 Application life performance of impervious structure

圖3 中,噴漿法的實際應(yīng)用壽命約為2 年,2 年內(nèi),噴漿法的阻水系數(shù)顯著優(yōu)于注漿法,但2 年后,噴漿法的阻水系數(shù)急劇下降。實際應(yīng)用中,針對高標準建設(shè)需求,需要選用噴漿法進行表面阻水,而在其壽命期達到設(shè)計年限時,應(yīng)進行修復維護以持續(xù)保障其阻水系數(shù)的穩(wěn)定性。

(2)土工路基夯土成分的優(yōu)化策略

早期公路土工路基建設(shè)中,一般就地取土進行夯土施工,土中涉及到大量的腐殖質(zhì)、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(zhì)反應(yīng)和生命體活動造成的結(jié)構(gòu)損傷。但是,這種模式也面臨著諸多問題。如其結(jié)構(gòu)中的非均質(zhì)性特征導致先天裂隙影響其穩(wěn)定性,導致其實際穩(wěn)定性表現(xiàn)與仿真穩(wěn)定性表現(xiàn)出現(xiàn)較大差異。所以,當前技術(shù)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(huán)取出其中的石子、根系等雜質(zhì),使其重新加水夯實后,結(jié)構(gòu)均一性得到充分表現(xiàn),更能做到與粉煤灰、石灰等土質(zhì)加強成分的混合均勻度。經(jīng)過夯土成分優(yōu)化的夯土路基結(jié)構(gòu),其實際應(yīng)力表現(xiàn)與仿真結(jié)果更為接近,也與上述復合土工結(jié)構(gòu)的融合程度更高。

(3)橋涵相關(guān)結(jié)構(gòu)中的土工復合材料應(yīng)用

低等級公路中,橋頭跳車現(xiàn)象幾乎難以避免。其根本原因為橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)用了剛性彈性表現(xiàn)更佳的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),而兩側(cè)引橋部分應(yīng)用了塑性表現(xiàn)更為顯著的夯土結(jié)構(gòu),隨著公路壽命對引橋塑性表現(xiàn)的影響逐漸積累,橋涵結(jié)構(gòu)兩側(cè)的路面高差發(fā)生變化,最終引起橋頭跳車。而市政快速路的設(shè)計車速一般可以達到70～100 公里每小時,高速公路的設(shè)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(shù)體系中,在夯土路基上表面增加預(yù)緊復合結(jié)構(gòu),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(yīng)用中的塑性變形量,是解決橋涵結(jié)構(gòu)相關(guān)土工結(jié)構(gòu)問題的關(guān)鍵。實際設(shè)計中,應(yīng)在仿真環(huán)境下比較相關(guān)結(jié)構(gòu)的實際性能,加強復合土工材料應(yīng)用。

綜合上述三點技術(shù)要素,土工復合材料是一種針對夯土路基土工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能和排水、防滲性能的重要技術(shù)體系。影響土工結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yù)緊力使得土工結(jié)構(gòu)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(xiàn)水飽和狀態(tài),減少降水天氣對土工夯土結(jié)構(gòu)的影響。所以,使用土工復合材料對高標準公路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有不可替代的積極意義。

3 總結(jié)

土工復合材料的兩個重要應(yīng)用場景:一是配合土釘、錨索等結(jié)構(gòu)力學工具,加強土工結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力,增加其穩(wěn)定性和阻水性；二是增強土工夯土結(jié)構(gòu)內(nèi)部浸入水的排出能力,減少浸水對土工夯土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的滲入。該文并未針對土工復合材料的技術(shù)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(qū)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(guān)技術(shù)進行基于文獻資料的梳理,發(fā)現(xiàn)其中的工程學邏輯和技術(shù)體系,對后續(xù)高標準公路夯土路基建設(shè)中的土工復合材料應(yīng)用體系具有參考意義。