土工格室及其應(yīng)用(曾錫庭)

1、1前言 土工格室(Geocell)是80年代在國(guó)際上出現(xiàn)的一種新型土工合成材料。這是一種由高分子聚合物寬條帶經(jīng)強(qiáng)力焊接而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),它伸縮自如,運(yùn)輸時(shí)可縮疊起來,使用時(shí)張開,并在格室中充填砂、碎石或泥土等材料,構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)。它可以用來作墊層,提高軟弱地基承載力;也可鋪設(shè)在坡面,構(gòu)成坡面防護(hù)結(jié)構(gòu);還可用來建造支擋結(jié)構(gòu)等。目前廣泛用于淺層地基處理、坡面防沖和城市大型管道支撐等工程中。深信在西部開發(fā)工作中也大有用武之地。是一種很有發(fā)展前途的基礎(chǔ)工程構(gòu)筑材料。 土工格室有如下特點(diǎn): (1)可將上覆集中荷載分散,從而大大提高松 (2)抗沖蝕、耐腐蝕; (3)填充材料可就地取材

2、,降低工程成本;(4)耐老化,適應(yīng)溫度范圍寬;(5)剛性大,填層厚度可減薄50%;(6)材料抗拉強(qiáng)度高(30MPa以上),焊縫抗拉強(qiáng)度大(1000N/100mm左右); (7)可縮疊,便于運(yùn)輸;(8)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。 土工格室目前在我國(guó)雖有應(yīng)用,但范圍較小,沒有形成規(guī)模?？梢陨钚?隨著人們對(duì)其固有工程特性認(rèn)識(shí)的加深,將會(huì)很快推廣應(yīng)用開來。 以下簡(jiǎn)要介紹地工格室產(chǎn)品的形態(tài)、作用機(jī)理、應(yīng)用概況,并就技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益作出評(píng)價(jià)。2 產(chǎn)品形態(tài)與規(guī)格 展開后的土工格室形似一蜂窩狀的板塊結(jié)構(gòu),參見圖1。圖1 土工格室結(jié)構(gòu)示意圖 國(guó)內(nèi)幾家主要廠家的土工織物產(chǎn)品規(guī)格 見表1。 3 作

3、用機(jī)理及其試驗(yàn)研究3.1 作用機(jī)理 3.1.1 用于軟基加固時(shí) 軟土地基如不加處理在荷載作用下的破壞模式如圖2(a),地基承載力很低。鋪設(shè)土工格室墊層后,當(dāng)有荷載施加到充滿填料的土工格室上面時(shí),由于格室的側(cè)限作用和格室與填料間的相互摩擦,使大部分垂直力被轉(zhuǎn)化成向四周分散的側(cè)向力,因?yàn)槊總€(gè)格室彼此獨(dú)立,相鄰格室的這些側(cè)向力大小相等方向相反而互相抵消,從而降低了地基 的實(shí)際負(fù)荷。另外,格室的側(cè)限作用對(duì)基層滑動(dòng)面的形成或發(fā)展有一定的控制作用,使地基的破壞向深層發(fā)展,因而地基承載力得以提高,見圖2(b)。 圖2 軟基上土工格室墊層作用機(jī)理示意圖 3.1.2用于坡面防護(hù)時(shí)

4、沒有防護(hù)的坡面會(huì)因雨水或水流沖刷出現(xiàn)潛蝕或坍塌,鋪設(shè)土工格室后,由于格室的約束,控制了坡面的局部坍塌,且水流可以從格室側(cè)壁特設(shè)的孔眼中排出,或經(jīng)特設(shè)的土工復(fù)合排水體排出,避免形成暗流。格室側(cè)壁的孔眼大小和數(shù)量依據(jù)格室填料的種類不同而不同。3.2 有關(guān)試驗(yàn)研究3.2.1 室內(nèi)大三軸試驗(yàn) 加拿大皇家軍事工程學(xué)院理查德等人采用中密砂和松散砂樣,以加土工格室和不加土工格的 不同類型進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表2和圖3、圖4。 表2 試驗(yàn)類型視粘聚力kPa 摩擦角(°)試驗(yàn)表明:土體加土工格室較之不加土工格室 其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有明顯的提升(圖3)、強(qiáng)度包絡(luò)線亦有明顯的提高(圖4),但摩

5、擦角與不加土格室的砂樣基本相同(表2)。34China Harbour Engineering No.2Apr.,2001圖3 主應(yīng)力差垂直應(yīng)變關(guān)系曲線 圖4加與未加土工格室試樣強(qiáng)度包絡(luò)線 3.2.2 公路路基室內(nèi)模型靜態(tài)試驗(yàn) 西安公路交通大學(xué)采用2m×3m模型箱對(duì)7組不同規(guī)格的土工格室進(jìn)行了靜載試驗(yàn),結(jié)果如表3。 從表3中所列結(jié)果可以看出:土工格室的常用 規(guī)格能滿足不同墊層條件的要求。當(dāng)墊層變形量(豎向位移量)達(dá)到15mm時(shí),格室墊層的承載力可增大7倍以上,且此時(shí)的土工格室并未破壞,變形量是由下部軟弱基床破壞造成的。 3.2.3 鐵路路基現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)

6、應(yīng)變?cè)囼?yàn) 上海鐵道大學(xué)在淮南K194+480K196+690路段埋設(shè)儀器,研究列車運(yùn)行時(shí)設(shè)置土工格室后基床的應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的變化規(guī)律,并與換砂法進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:用土工格室整治后,軌下動(dòng)應(yīng)力的衰減大于換砂法,但枕木端部的動(dòng)應(yīng)力衰減比換砂法小;基床下0.25m處的應(yīng)力橫向分布規(guī)律衰減很大,且較之換砂法(出現(xiàn)了應(yīng)力集中和不均勻沉降)更趨均勻。 關(guān)于動(dòng)應(yīng)變,設(shè)置土工格室后軌下和軌心都表現(xiàn)為拉應(yīng)變,換算成拉應(yīng)力后,其值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于格室本身的最大抗拉強(qiáng)度,完全可以承受軌下最大拉應(yīng)力的工作環(huán)境。 該試驗(yàn)最后得出如下結(jié)論: (1)土工格室砂墊層增強(qiáng)了砂墊層的整體性和剛度,減少了不均勻沉降; (2)在荷載作用

7、下,土工格室側(cè)向不變形對(duì)格 室內(nèi)的填料的橫向變形起約束作用,相當(dāng)于增加了橫向主應(yīng)力,在荷載不變的情況下,剪應(yīng)力減小,這與其他加筋土的機(jī)理是一致的; (3)土工格室砂墊層有效地改變了動(dòng)應(yīng)力的分布,墊層下基床的應(yīng)力分布較其他方法更趨均勻。4 應(yīng)用領(lǐng)域 主要應(yīng)用于淺層地基處理和坡面防護(hù)等類型基礎(chǔ)工程。典型應(yīng)用領(lǐng)域如下。4.1 應(yīng)用于鐵路路基 將土工格室設(shè)置于道床底部(基床頂部),可改善路基的承載特性,使荷載傳遞至格室下土體的應(yīng)力減小,因而土體的變形也減小。在鐵路路基施工鋪設(shè)土工格室時(shí),通常情況下,其基床軟土的挖除深度只需相當(dāng)于格室的高度部分即可,也無需加深側(cè)溝,可使軟土的挖除量減

8、少,施工難度大大降低,縮短工期、節(jié)省投資,參見圖5。 4.2 應(yīng)用于高速公路、堆場(chǎng)、倉庫地面地基處理 在軟土地基上修建高速公路時(shí),采用砂石置換軟土層的地基處理方法容易產(chǎn)生沉降變形,且投資大、工期長(zhǎng),改用土工格室處理地基,不僅改善了路面的承載性能,而且可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,減少路基厚度,從而降低成本。參見圖6。 同理,土工格室可用于處理堆場(chǎng)地基、倉庫地基及其他需進(jìn)行淺層處理的地基。4.3 用于邊坡的防護(hù) 用于邊坡防護(hù)時(shí),展開后的格室形成一層層擋墻,可大大緩解水流流速,避免坡面徑流的形成。格室內(nèi)可填充土壤,上面可以植草和灌木,在原始坡面無法形成植被的情況下,同樣可獲得理想的綠化效

9、果,具有不可估量的環(huán)保價(jià)值。另外,土工格室因具有整體性和一定的柔性,大大彌補(bǔ)了片石骨架防護(hù)具有的松動(dòng)、塌陷、架空等缺陷,且施工快捷、造價(jià)低,是一種理想的護(hù)坡用土工合成材料。見圖7(a)、(b)。 圖7 土工格室用于邊坡防護(hù)工程 4.4 用于擋土墻及江湖圍堰 采用土工格室建造擋土墻,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,可防止陡坡表面被雨水沖蝕,與混凝土墻體相比,造價(jià)降低50%以上同時(shí),表面可種花草,美化環(huán)境。參見圖8。 圖8 土工格室構(gòu)筑擋土墻示意圖 4.5 用于沙漠地區(qū)筑路 由于探礦、采油等工作需要,常需要在沙漠地區(qū)筑路,砂漠中往往地基松軟,且荒無人煙,常用筑路材料匱乏,因此

10、筑路困難,成本很高。使用土 工格室可解決這一難題。先將土工格室拉開,直接固定在沙基上,然后就地取材填入砂石,操作簡(jiǎn)單、效率極高。施工后的路面可滿足各種重型卡車長(zhǎng)期使用。參見圖9。 圖9 沙漠地區(qū)修筑公路 4.6 用于管道或下水管的支撐結(jié)構(gòu) 土工格室可替代石料作為管道或下水管的支 撐結(jié)構(gòu),格室材料可就地取材,形成一堅(jiān)固耐久的整體板塊結(jié)構(gòu),土工格室具有一定的剛度,可減少管道的長(zhǎng)期微量下沉,對(duì)長(zhǎng)距離大型運(yùn)輸管道,特別是在缺乏石料的地區(qū)使用,更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。4.7 在潮間帶道路上應(yīng)用 海灘潮間帶筑路費(fèi)工費(fèi)料,是一項(xiàng)移山填海式大型工程,而采用土工格室聯(lián)合土工織物的方法,則變得

11、輕而易舉。先將無紡?fù)凉た椢锲戒佋诤┥?再在織物上設(shè)置土工格室,展開、固定后,在格室中置入砂石料,經(jīng)壓實(shí)而成一條永久性的道路。即使潮水淹沒,也不影響道路的強(qiáng)度,見圖10。 圖10 潮間帶筑路 5 施工 土工格室施工簡(jiǎn)單，步驟如下: (1)場(chǎng)地整平,挖除相當(dāng)于格室高度的表層軟土; (2)將格室產(chǎn)品出廠片用聯(lián)接件聯(lián)接成施工單元片,將疊合的格室拉開(格室下是否需鋪土工織物或其他氈墊材料,視地基情況和使用要求而定);(3)固定已拉開的格室:可采用土釘法或以伸張器框支護(hù)的方法固定; (4)用人工或裝載機(jī)采用逐步推進(jìn)法往格室內(nèi)充填粒狀材料,直到充滿并超越格室頂部,然后進(jìn)行振動(dòng)或碾壓,至

12、此土工格室施工即完成。  注意事項(xiàng)：a.充填材料可選用碎石、砂或土,以就地取材,降低成本,同時(shí)能滿足使用要求為準(zhǔn)。 b.土工格室頂部應(yīng)有不小于5cm的砂墊層。(5)此時(shí)格室系統(tǒng)能支撐起各種施工機(jī)械,可在其上直接施工，并按常規(guī)方法完成面層施工。6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析 (1)與土工織物、土工格柵和土工網(wǎng)等其他平面型土工合成材料相比,土工格室為立體結(jié)構(gòu),通過改變格室高度或格室板塊的組合型式,可獲得剛性、半剛性等性質(zhì)完全不同的板塊。這種多元選擇手段為解決工程難題提供了更大的空間。 (2)土工格室具有最佳的承載性能和抗沖性能。在較大的靜載、動(dòng)載及循環(huán)荷載作用下,一般不會(huì)影響格室的性能。 (3)采用土工格室作淺層地基處理,在勞動(dòng)強(qiáng)度、施工進(jìn)度、處理后的地基技術(shù)性狀等方面較之于常規(guī)淺層地基處理方法有優(yōu)越之處,省時(shí)、省力、且能大大降低工程造價(jià)。 (4)土工格室用于公路工程路基處理,可做到