薛颖
四川省冶金地质勘查局六〇四大队 四川广元 628017
摘要：土工合成材料在公路中的应用很广泛，在处理软弱地基、排水、路基护坡、加筋挡土墙，桥头跳车等方面都有很成功的应用。土工合成材料的种类很多，实践证明土工格室与其它土工合成材料相比是一 种新型的、具有更多的优越性、实用性强、价格适宜、应用效果很好的公路建设新材料。
关键词：土工格室；软基处理；应用
前言
土工格室作为一种新型、特种土工合成材料，在八十年代末九十年代初，欧美等国家就开始了大量的研发工作，并经试验和现场应用证明在提高一般填土承受动荷以及路基防护方面均有很大的功效。1993年，该项技术传入我国，在吸收国外先进经验的基础上，也开始了对土工格室的特殊原理和性能方面的量化研究，并在道路基床病害整治，固定松散介质的应用方面取得了重大突破。
1土工格室的概念、特点
土工格室是由高强度的HDPE宽带，经过强力焊接而形成的一片网关格室结构。它伸缩自如，运输时可缩叠起来，使用时张开并又充填土石、或混凝土料，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体。在岩土工程中与土、砂、石等填料共同构成不同视粘聚力、不同加筋强度、不同深度的垫层，用来处理软弱地基增大地基的承载能力，也可铺设在坡面上构成破面防护结构，还可以用来建造支挡结构。其最大的特点是可以完成岩土工程中常规方法难以处理的多种疑难问题，如桥头跳车、软基沉陷、翻浆、塌方等，而且材质轻，耐磨损，耐老化，耐化学腐蚀，适用温度范围宽，拉伸强度高，刚性、韧性好，抗冲击力强，尺寸相对稳定，运输方便等特点。在施工中连接简单易行，施工方法简单，从而简化了施工工序，提高了施工速度；并可以反复多次使用。
2土工格室的作用机理
土工格室之所以具有卓越功效而受到工程界的关注，还应从其基本原理说起。国外文献中在描述其原理时称其为“一种蜂窝状三维限制系统，可以在很大范围内显著提高普通填充材料在承载和虫蚀控制应用中的性能。”它的关键原理就是三维限制。大家都知道，当汽车行驶在沙漠上时，就会压出两道深深的辙印，被压部分深深下陷，车辙两侧会高高隆起。后面的车辆如果继续沿着车辙前进，沉陷部分会进一步下沉、隆起部分会进一步隆起，直到隆起部分蹭到了车底盘、沉陷的车辙埋没了大半个轮子，进而无法前进。之所以如此，就是因为沙子在荷载的作用下移动了、流走了，因为沙子没有或仅有很小的粘聚力。
当外荷作用于地基表面时，依据普朗特尔理论和泰勒理论可知（受力情况如右图1所示）：在集中荷载的作用下，主动区1受压下沉，并将力向两侧分解传递给过渡区2，过度区2又传给被动区3，被动区就会毫无限制地发生形变而隆起。也就是说，载荷一旦作用于路基，在载荷的下方就会形成起契状的主动区域，它又通过过渡区域进行挤压，从而使被动区域发生隆起。也就是说，通过沿滑移线的剪切力和移动主动、过渡、被动三个区域的力决定了地基的承载能力。不仅在沙基地上可以十分明显的体会到以上原理的真实过程，在软基公路上也会找到这种的样板，只不过其形成的速率较之在砂上的变化慢些罢了。即使较好的路基材料也仍然无法避免其横向移动。一般的高速公路路基都高出地面好几米，吸水翻浆不太容易，但长期沉降依然存在。究其原因，雨水滲透、材料流失、基地下沉是其中部分原因，路基路面在车轮荷载长期碾压、振动力的作用下，材料向路基断面两侧横向位移不可否认是另外一个十分重要的原因。在我省各地各级公路中，都有在该路的主行车道上可以明显感觉到路面已经被压出了一条“S”型沟状带。汽车行驶在行车道上的颠簸明显强烈于行驶在超车带上的感觉，在道桥连接段尤为明显（俗称“桥头跳车”）。这种沟状路基沉降就是路基材料横向滑移的典型。
工程中处理路基的方法很多，其目的无非就是提高地基材料的抗剪力和摩擦力，减少或延缓地基材料在荷载的压力或震动作用下发生移动的能力，因而工程中对材料的要求必然有许多苛刻的限制，如果不能就近获取所需材料，就需要外购这些材料，购买材料的费用和运输费用占去整个工程成本的很大部分。而使用土工格室就可以就地或就近取材，甚至可以使用在常规情况下不能使用的材料，从而大幅度减少材料购置费用和运输费用。请看右图2土工格室承载情况示意：在集中载荷作用下，受力的主动区1依然会把所受的力传递给过渡区2，但由于格室壁的侧向限制和相邻格室的反作用力，以及填料与格室壁的摩擦力所形成横向阻力，抑制了过渡区2和被动区3的横向移动倾向，从而使路基的承载能力得以提高。很显然，如果能增加路基材料的抗剪力或抑制三个区域移动就可以取得提高地基承载力的效果，这就是土工格室的限制原理。
3 土工格室的施工方法
3．1将叠合的格室拉开（可根据地基的具体情况在格室下面铺垫一些纤维状材料，如土工布、毡垫等）。
3.2用钉子固定或与伸张器框架相连。
3.3用装载机进行粒状填料的填充，直至充满并超越格室顶端，然后进行振动或碾压即可完成基层。
3.4此时格室系统能够支撑起各种施工装备，可在其上面直接施工，并按常规方式完成面层。
4土工格室的应用
4．1软基处理
土工格室可产生高弹性力及坚固的路基与传统的石头基础相比可减少基础厚度50%以上，把重力和与地接触的压力横向分散并减少，并可用于暂时性或永久性的道路建筑上。交通量大的地区如交叉道、分支道及回转道，不仅大量减少工程造价，还可显著增加使用年限。
举例来说明：1998年，铁道部第一勘察设计院在南疆线D11K627+800~D11K636+02及DK779+800~DK809+800范围内，使用土工格室加固基底来处理软弱地基。前段作为观测段，布置测试断面，埋设土压力盒、应变片、沉降杯等测试元件进行观测；后侧面作为推广应用段，填料采用粉细砂、圆砾土包坡。试验点位于洪、冲积缓倾斜平原区，试验观测段地层为第四系全新统洪冲积砂粘土，上层为软弱层，插探厚度1.8~2.6米，表层超限盐渍土厚0.1~0.3米。该段地下水位浅、地表潮湿、松软、陷脚，涵洞，基坑开挖情况表明：坑壁不稳定、易坍塌、土质手捻细腻，呈软塑~流塑状。
在软基加固过程中，换填渗水土方法与土工格室加固相比经济效益比较如表1所示。
表1
从表中可以看出，土工格室加固软弱地基比换填渗水土方案，每公里节省造价54万元以上，而这是根据调概前的单价计算的，调概后渗水土单价提高近一倍，每公里节省上百万元。而工期缩短三分之二以上。而且少占良田、节约耕地，环境效益和社会效益巨大。
4.2承受载重力的堤防、挡墙
土工格室界定强化碎石方，形成一致的结构体，可阻挡横向压力，不管地层滑动和凝聚，都可自行调整，可支撑非结构面及自然植生层，可垂直或阶梯行设计。
4.3支撑管路及下水道
土工格室的三面立体方格加强填方的力量，防止水土流失及增加载重力可使管道的基础更加坚固，施工简便，减少开挖，不必铺设过量的石头，即可长期防止局部坍塌。
4.4防止滑坡及受载重力的混合式挡墙
土工格室不必用结模板，即可创造出一层坚固的壁面，与回填方牢固的结合成一体，即使传统的各种重力结构无法使用的情形，填方也可就地取材，显著降低工程成本。
4.5控制对护坡、堤坝的冲蚀
土工格室可以增加流动能力，减少毛沟侵蚀，防止水压积聚、消除集中冲蚀。蜂窝限制结构可以固定填充材料，限制作用于其上的水压，从而改善了流动能力。蜂窝壁使正常的排水可以进行，但却控制了窝内的流动速度。如同千百个微型堤坝，将集中水流分散成均匀、舒缓的薄层水流。
5. 结束语
今天，全国高速公路建设仍在高峰期，所经过地区的地质条件千差万别，需要进行大量的挖填段衔接，还有许多的道桥连接处。这些都是高速公路建设中比较难以处理的难题，虽然以前也有许多处理方法，但效果并不理想，尤其是道桥连接处的“桥头跳车”问题和路基材料在荷载作用下侧移、挤出的问题，严重影响着高速公路的使用寿命和安全。还有防护护坡，无论是用传统的浆砌、干砌或水泥混凝土网格都无法阻挡雨水对其下面土层的破坏性侵蚀，致使高速公路的维护费用增加。如果使用土工格室护坡，配植根系发达的草种，既可固土护坡，又可绿化、保护生态环境，完全符合国家注重环保、建设绿色通道的要求。即使初期工程造价比传统方式略高一些，但其延长公路使用寿命、减少维护成本以及环保、生态等方面的综合经济效益却是功在当代、利在千秋。
论文作者:薛颖
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/26
标签：土工论文; 路基论文; 材料论文; 地基论文; 护坡论文; 横向论文; 荷载论文; 《防护工程》2018年第10期论文;