土工格室及其應用(曾錫庭)

1、1前言 土工格室(Geocell)是80年代在國際上出現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強力焊接而成的三維網狀結構,它伸縮自如,運輸時可縮疊起來,使用時張開,并在格室中充填砂、碎石或泥土等材料,構成具有強大側向限制和大剛度的結構。它可以用來作墊層,提高軟弱地基承載力;也可鋪設在坡面,構成坡面防護結構;還可用來建造支擋結構等。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)展前途的基礎工程構筑材料。 土工格室有如下特點: (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,適應溫度范圍寬;(5)剛性大,填層厚度可減薄50%;(6)材料抗拉強度高(30MPa以上),焊縫抗拉強度大(1000N/100mm左右); (7)可縮疊,便于運輸;(8)社會經濟效益顯著。 土工格室目前在我國雖有應用,但范圍較小,沒有形成規(guī)模?？梢陨钚?隨著人們對其固有工程特性認識的加深,將會很快推廣應用開來。 以下簡要介紹地工格室產品的形態(tài)、作用機理、應用概況,并就技術經濟效益作出評價。2產品形態(tài)與規(guī)格 展開后的土工格室形似一蜂窩狀的板塊結構,參見圖1。圖1土工格室結構示意圖 國內幾家主要廠家的土工織物產品規(guī)格 見表1。 3作用機理及其試驗研究3.1作用機理 3

3、.1.1用于軟基加固時 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。鋪設土工格室墊層后,當有荷載施加到充滿填料的土工格室上面時,由于格室的側限作用和格室與填料間的相互摩擦,使大部分垂直力被轉化成向四周分散的側向力,因為每個格室彼此獨立,相鄰格室的這些側向力大小相等方向相反而互相抵消,從而降低了地基 的實際負荷。另外,格室的側限作用對基層滑動面的形成或發(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理示意圖 3.1.2用于坡面防護時 沒有防護的坡面會因雨水或水流沖刷出現潛蝕或坍塌,鋪設土工格室后,由于格室

4、的約束,控制了坡面的局部坍塌,且水流可以從格室側壁特設的孔眼中排出,或經特設的土工復合排水體排出,避免形成暗流。格室側壁的孔眼大小和數量依據格室填料的種類不同而不同。3.2有關試驗研究3.2.1室內大三軸試驗 加拿大皇家軍事工程學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 不同類型進行試驗,結果見表2和圖3、圖4。 表2 試驗類型視粘聚力kPa 摩擦角()試驗表明:土體加土工格室較之不加土工格室 其應力應變關系有明顯的提升(圖3)、強度包絡線亦有明顯的提高(圖4),但摩擦角與不加土格室的砂樣基本相同(表2)。34China Harbour Engineering No.2Ap

5、r.,2001圖3主應力差垂直應變關系曲線 圖4加與未加土工格室試樣強度包絡線 3.2.2公路路基室內模型靜態(tài)試驗 西安公路交通大學采用2m3m模型箱對7組不同規(guī)格的土工格室進行了靜載試驗,結果如表3。 從表3中所列結果可以看出:土工格室的常用 規(guī)格能滿足不同墊層條件的要求。當墊層變形量(豎向位移量)達到15mm時,格室墊層的承載力可增大7倍以上,且此時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鐵路路基現場動應力和動應變試驗 上海鐵道大學在淮南K194+480K196+690路段埋設儀器,研究列車運行時設置土工格室后基床的應力和動應變的變化規(guī)律,并與換砂法進行了比較,結

6、果表明:用土工格室整治后,軌下動應力的衰減大于換砂法,但枕木端部的動應力衰減比換砂法小;基床下0.25m處的應力橫向分布規(guī)律衰減很大,且較之換砂法(出現了應力集中和不均勻沉降)更趨均勻。 關于動應變,設置土工格室后軌下和軌心都表現為拉應變,換算成拉應力后,其值均遠遠小于格室本身的最大抗拉強度,完全可以承受軌下最大拉應力的工作環(huán)境。 該試驗最后得出如下結論: (1)土工格室砂墊層增強了砂墊層的整體性和剛度,減少了不均勻沉降; (2)在荷載作用下,土工格室側向不變形對格 室內的填料的橫向變形起約束作用,相當于增加了橫向主應力,在荷載不變的情況下,剪應力減小,這與其他加筋土的機理是一致的; (3)土

7、工格室砂墊層有效地改變了動應力的分布,墊層下基床的應力分布較其他方法更趨均勻。4應用領域 主要應用于淺層地基處理和坡面防護等類型基礎工程。典型應用領域如下。4.1應用于鐵路路基 將土工格室設置于道床底部(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力減小,因而土體的變形也減小。在鐵路路基施工鋪設土工格室時,通常情況下,其基床軟土的挖除深度只需相當于格室的高度部分即可,也無需加深側溝,可使軟土的挖除量減少,施工難度大大降低,縮短工期、節(jié)省投資,參見圖5。 4.2應用于高速公路、堆場、倉庫地面地基處理 在軟土地基上修建高速公路時,采用砂石置換軟土層的地基處理方法容易產生沉降變形,且

8、投資大、工期長,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強度,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地基、倉庫地基及其他需進行淺層處理的地基。4.3用于邊坡的防護 用于邊坡防護時,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果,具有不可估量的環(huán)保價值。另外,土工格室因具有整體性和一定的柔性,大大彌補了片石骨架防護具有的松動、塌陷、架空等缺陷,且施工快捷、造價低,是一種理想的護坡用土工合成材料。見圖7(a)、(b)。 圖7土工

9、格室用于邊坡防護工程 4.4用于擋土墻及江湖圍堰 采用土工格室建造擋土墻,結構穩(wěn)定性好,可防止陡坡表面被雨水沖蝕,與混凝土墻體相比,造價降低50%以上同時,表面可種花草,美化環(huán)境。參見圖8。 圖8土工格室構筑擋土墻示意圖 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,操作簡單、效率極高。施工后的路面可滿足各種重型卡車長期使用。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構 土工格室可替代石

10、料作為管道或下水管的支 撐結構,格室材料可就地取材,形成一堅固耐久的整體板塊結構,土工格室具有一定的剛度,可減少管道的長期微量下沉,對長距離大型運輸管道,特別是在缺乏石料的地區(qū)使用,更為經濟實用。4.7在潮間帶道路上應用 海灘潮間帶筑路費工費料,是一項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,則變得輕而易舉。先將無紡土工織物平鋪在海灘上,再在織物上設置土工格室,展開、固定后,在格室中置入砂石料,經壓實而成一條永久性的道路。即使潮水淹沒,也不影響道路的強度,見圖10。 圖10潮間帶筑路 5施工 土工格室施工簡單，步驟如下: (1)場地整平,挖除相當于格室高度的表層軟土; (2)將格室

11、產品出廠片用聯(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的方法固定; (4)用人工或裝載機采用逐步推進法往格室內充填粒狀材料,直到充滿并超越格室頂部,然后進行振動或碾壓,至此土工格室施工即完成。 注意事項：a.充填材料可選用碎石、砂或土,以就地取材,降低成本,同時能滿足使用要求為準。 b.土工格室頂部應有不小于5cm的砂墊層。(5)此時格室系統(tǒng)能支撐起各種施工機械,可在其上直接施工，并按常規(guī)方法完成面層施工。6技術經濟效益分析 (1)與土工織物、土工格柵和土工網等其他平面型土工合成材料相比,土工格室為立體結構,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、動載及循環(huán)荷載作用下,一般不會影響格室的性能。 (3)采用土工格室作淺層地基處理,在勞動強度、施工進度、處理后的地基技術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、省力、且能大大降低工程造價。 (4)土工格室用于公路工程路基處理,可做到就地取材,快速高