土工格室在高(gāo)速公路建設中的(de)應用(yòng)

      土工格室作爲一種新型的(de)合成材料，在八十年代末九十年代初，歐美(měi)等國家就開始了(le)大(dà)量的(de)研發工作，并經試驗和(hé)現場(chǎng)應用(yòng)證明(míng)在提高(gāo)一般填土承受動荷以及路基防護方面均有很大(dà)的(de)功效。我國在九十年代初在吸收國外先進經驗的(de)基礎上，開始了(le)土工格室的(de)開發研究工作，并在道路基床病害整治，固定松散介質的(de)應用(yòng)方面取得(de)了(le)重大(dà)突破。

　　随著(zhe)人(rén)們對(duì)土工格室特性的(de)進一步了(le)解，已經發現其具有其它土工材料（土工布、土工膜、土工格栅、土工模袋、土工網等）不可(kě)替代的(de)優勢，使其在諸多(duō)領域有著(zhe)獨特的(de)應用(yòng)前景。

　　一、土工格室的(de)特點 　

　　土工格室是一種采用(yòng)高(gāo)強度聚乙烯片材，經超聲波焊接等方法連接,展開後呈蜂窩狀的(de)三維立體網格結構材料,屬于特種土工合成材料。在岩石工程中與土、砂、石等填料共同構成不同視粘聚力、不同加筋強度、不同深度的(de)墊層。這(zhè)些墊層可(kě)以根據工程的(de)要求放置于需要的(de)位置，用(yòng)以加固公路的(de)路基、邊坡防護、修建擋土牆等。其顯著的(de)特點是可(kě)以完成岩石工程中常規方法難以處理(lǐ)的(de)多(duō)種疑難問題，如橋頭跳車、軟基沉陷、翻漿、塌方等。具有材質輕，耐磨損，耐老化(huà)，耐化(huà)學腐蝕，适用(yòng)溫度範圍寬，拉伸強度高(gāo)，剛性、韌性好，抗沖擊力強，尺寸相對(duì)，運輸方便等特點。在施工中連接簡單易行，施工方法簡單，從而簡化(huà)了(le)施工工序，提高(gāo)了(le)施工速度；并可(kě)以反複多(duō)次使用(yòng)。

　　二、土工格室的(de)基本原理(lǐ) 　

　　土工格室之所以具有很好的(de)功效而受到工程界的(de)關注,還(hái)應從其基本原理(lǐ)說起。國外文獻中在描述其原理(lǐ)時(shí)稱其爲“一種蜂窩狀三維限制系統，可(kě)以在很大(dà)範圍内顯著提高(gāo)普通(tōng)填充材料在承載和(hé)蟲蝕控制應用(yòng)中的(de)性能。”它的(de)關鍵原理(lǐ)就是三維限制。大(dà)家都知道，當汽車行駛在沙漠上時(shí)，就會壓出兩道深深的(de)轍印，被壓部分(fēn)深深下(xià)陷，車轍兩側會高(gāo)高(gāo)隆起。後面的(de)車輛如果繼續沿著(zhe)車轍前進，沉陷部分(fēn)會進一步下(xià)沉、隆起部分(fēn)會進一步隆起，直到隆起部分(fēn)蹭到了(le)車底盤、沉陷的(de)車轍埋沒了(le)大(dà)半個(gè)輪子，進而無法前進。之所以如此，就是因爲當外荷作用(yòng)于地基表面時(shí)，依據普朗特爾理(lǐ)論和(hé)泰勒理(lǐ)論可(kě)知：在集中荷載的(de)作用(yòng)下(xià)，主動區(qū)1受壓下(xià)沉，并将力向兩側分(fēn)解傳遞給過渡區(qū)2，過度區(qū)2又傳給被動區(qū)3，被動區(qū)就會毫無限制地發生形變而隆起。也(yě)就是說，載荷一旦作用(yòng)于路基，在載荷的(de)下(xià)方就會形成起契狀的(de)主動區(qū)域，它又通(tōng)過過渡區(qū)域進行擠壓，從而使被動區(qū)域發生隆起。也(yě)就是說，通(tōng)過沿滑移線的(de)剪切力和(hé)移動主動、過渡、被動三個(gè)區(qū)域的(de)力決定了(le)地基的(de)承載能力。不僅在沙基地上可(kě)以十分(fēn)明(míng)顯的(de)體會到以上原理(lǐ)的(de)真實過程，在軟基公路上也(yě)會找到這(zhè)種的(de)樣闆，隻不過其形成的(de)速率較之在砂上的(de)變化(huà)慢(màn)些罷了(le)。即使較好的(de)路基材料也(yě)仍然無法避免其橫向移動。一般的(de)高(gāo)速公路路基都高(gāo)出地面好幾米，吸水(shuǐ)翻漿不太容易，但長(cháng)期沉降依然存在。究其原因，雨(yǔ)水(shuǐ)滲透、材料流失、基地下(xià)沉是其中部分(fēn)原因，路基路面在車輪荷載長(cháng)期碾壓、振動力的(de)作用(yòng)下(xià)，材料向路基斷面兩側橫向位移不可(kě)否認是另外一個(gè)十分(fēn)重要的(de)原因。以我省各地各級公路爲例，都有在該路的(de)主行車道上可(kě)以明(míng)顯感覺到路面已經被壓出了(le)一條“S”型溝狀帶。部分(fēn)高(gāo)速公路也(yě)不例外，汽車行駛在行車道上的(de)颠簸明(míng)顯強烈于行駛在超車帶上的(de)感覺，在道橋連接段尤爲明(míng)顯（俗稱“橋頭跳車”）。這(zhè)種溝狀路基沉降就是路基材料橫向滑移的(de)典型。 工程中常規處理(lǐ)路基的(de)方法無需贅述，其目的(de)就是提高(gāo)地基材料的(de)抗剪力和(hé)摩擦力，減少或延緩地基材料在荷載的(de)壓力或震動作用(yòng)下(xià)發生移動的(de)能力，因而工程 中對(duì)材料的(de)要求必然有許多(duō)苛刻的(de)限制，如果不能就近獲取所需材料，就需要外購(gòu)這(zhè)些材料，購(gòu)買材料的(de)費用(yòng)和(hé)運輸費用(yòng)占去整個(gè)工程成本的(de)很大(dà)部分(fēn)。而使用(yòng)土工格室就可(kě)以就地或就近取材，甚至可(kě)以使用(yòng)在常規情況下(xià)不能使用(yòng)的(de)材料，從而大(dà)幅度減少材料購(gòu)置費用(yòng)和(hé)運輸費用(yòng)。爲什(shén)麽會這(zhè)樣呢(ne)？土工格室承載情況示意：在集中載荷作用(yòng)下(xià)，受力的(de)主動區(qū)1依然會把所受的(de)力傳遞給過渡區(qū)2，但由于格室壁的(de)側向限制和(hé)相鄰格室的(de)反作用(yòng)力，以及填料與格室壁的(de)摩擦力所形成橫向阻力，了(le)過渡區(qū)2和(hé)被動區(qū)3的(de)橫向移動傾向，從而使路基的(de)承載能力得(de)以提高(gāo)。經過試驗，在格室的(de)限制作用(yòng)下(xià)，中密砂的(de)表觀粘聚力可(kě)以增加三十幾倍。很顯然，如果能增加路基材料的(de)抗剪力或三個(gè)區(qū)域移動就可(kě)以取得(de)提高(gāo)地基承載力的(de)效果，這(zhè)就是土工格室的(de)限制原理(lǐ)。 大(dà)多(duō)情況下(xià)格室内充填砂礫或碎石等非粘性材料，因此，土工格室加固層又是一個(gè)水(shuǐ)平排水(shuǐ)通(tōng)道，可(kě)加快(kuài)飽和(hé)土固結過程中空隙水(shuǐ)壓力消散速度，從而加速土體的(de)固結。總之，土工格室具有墊層、加筋、排水(shuǐ)、調節應力及變形，提高(gāo)土體抗滲能力的(de)綜合功效。

　　三、土工格室的(de)施工方法

　　土工格室作爲一種新型的(de)土工合成材料。施工快(kuài)捷、方便、省力，整平施工場(chǎng)地，雜(zá)物(wù)。鋪設施工墊層并壓實，然後鋪設土工格室,鋪設中要盡量拉緊，不得(de)有褟皺。及時(shí)用(yòng)填料填充格室内并壓實，同時(shí)觀測格室變形和(hé)檢查密實度。修正邊坡完工。 　

　　四、 土工格室在公路建設中的(de)應用(yòng)

　　1、 沙漠築路應用(yòng) 　

　　早在1994年，西安公路學院與華北(běi)石油管理(lǐ)局築路工程公司合作，使用(yòng)華北(běi)石油管理(lǐ)局橡膠制品暨防腐技術研究所研制的(de)土工格室，進行了(le)沙漠築路應用(yòng)研究，著(zhe)重研究了(le)土工格室填充塔克拉瑪幹沙漠築路的(de)主要設計參數------抗壓回彈模量。研究結果證明(míng)，所獲得(de)的(de)抗壓回彈模量達190∽210MPa，完全滿足路基設計要求，而且土工格室填沙結構層比天然砂礫結構層減薄約10cm，可(kě)以就近取材。1995年應用(yòng)此項研究在塔裏木(mù)沙漠永主性石油公路塔中四∽民豐南(nán)段10Km的(de)線路上充分(fēn)使用(yòng)土工格室填沙法構築路基墊層。所測得(de)的(de)路表彎沉值爲49∽64，均小于允許彎沉值（允許彎沉值爲80），回彈模量爲206.19∽273.97MPa，平均值爲239.58MPa，說明(míng)格室固沙所獲得(de)的(de)整體強度明(míng)顯大(dà)于級配砂礫層的(de)強度，而且所有層位的(de)壓實度檢測都滿足規範要求。所節省的(de)常規路基材料費用(yòng)和(hé)運輸費用(yòng)，使築路成本降低50%，所使用(yòng)的(de)工期也(yě)比常規方法縮短60%。

　　2、 軟基處理(lǐ) 　

　　1997年，遼河(hé)油田勘察設計院海洋工程研究院，在灘海潮間帶臨探道路進行了(le)土工格室築路試驗，更進一步證明(míng)了(le)土工格室在解決沉降方面的(de)獨到功效。該地區(qū)黃(huáng)海高(gāo)程1m以上，漲潮水(shuǐ)深近1m，地基承載力僅110MPa，上有10cm以上的(de)淤泥。他(tā)們采用(yòng)華北(běi)石油管理(lǐ)局橡膠制品暨防腐技術研究所生産的(de)20cm高(gāo)土工格室兩層，配合土工布作路基底層，下(xià)層格室内填粗砂、礫石，上層内填礦渣，兩邊用(yòng)山皮石作路肩。經過潮水(shuǐ)浸透自然沉降以後，無需碾壓即可(kě)行走大(dà)型重載翻鬥車。經過四個(gè)多(duō)月(yuè)、每日近百車次（單車重量15t∽30t)的(de)碾壓和(hé)每天兩次潮水(shuǐ)的(de)沖刷，整體沉降不足10cm，而且基本停止繼續沉降，平均彎沉值113.3（允許彎沉值143），反映了(le)格室、礦渣路面結構強度高(gāo)、整體性好、荷載均勻擴散能力強的(de)特點。從他(tā)們在這(zhè)次試驗中所作的(de)土工格室築路與常規使用(yòng)山皮石填海築路兩種方案的(de)經濟效益和(hé)社會效益分(fēn)析中可(kě)知：使用(yòng)山皮石築路每公裏造 價在400∽500萬元之間，工期30∽40天，每公裏需要3600個(gè)運輸台班，每公裏占地20萬m2 　 。而用(yòng)土工格室（雙層）築路，造價在100∽130萬元，工期7天左右，每公裏運輸台班310個(gè)，每公裏占地近7000m2。兩者差距之大(dà)令人(rén)驚歎。減少車輛行駛污染、減少石料用(yòng)量、減少填料對(duì)海洋的(de)污染，特别是具有養殖價格的(de)灘塗地區(qū)，其環保、經濟效益更爲可(kě)觀。

　　3、濕陷性黃(huáng)土地區(qū)、高(gāo)填方路基填挖連接段 　

　　與其它地域相比，我省公路方面應用(yòng)此項新材料、新工藝相對(duì)落後。可(kě)喜的(de)是2000年在連霍國道饞蘭高(gāo)速公路、國道109線白蘭高(gāo)速公路的(de)施工中，爲了(le)克服高(gāo)填方路堤濕陷性黃(huáng)土固結沉降從而引起填挖結合部出現的(de)裂縫，采取在填挖結合部強夯加鋪土工格室的(de)處理(lǐ)措施，解決挖填連接段路基不同速率沉降層的(de)銜接問題。經過實踐證明(míng)，其效果非常明(míng)顯。2002年，蘭臨高(gāo)速公路、尹中高(gāo)速公路均屬粉性土壤，幹旱缺水(shuǐ)，因此,均采用(yòng)在路面底基層或底基層下(xià)墊層加鋪土工格室，處理(lǐ)挖填連接段、半挖半填段差異沉降，效果明(míng)顯。可(kě)見，土工格室在公路中的(de)應用(yòng)範圍很廣，應用(yòng)前景很好。

　　4、處理(lǐ)橋頭跳車 　 　

　　2001年，我省交通(tōng)廳與長(cháng)安大(dà)學公路學院合作完成科研項目，在連霍國道古浪至永昌高(gāo)速公路全線橋梁均采用(yòng)土工格室制作差異沉降過渡段，專門治理(lǐ)“橋頭跳車”的(de)通(tōng)病。由于全線粉性土、砂性土居多(duō)，使用(yòng)了(le)10cm(高(gāo)）×40cm土工格室，每個(gè)橋頭處理(lǐ)面積需600∽800m2不等（橋的(de)高(gāo)低、圖紙、坡的(de)長(cháng)短不同），每平方米造價爲26∽30元（使用(yòng)土工格室規格不同）。使用(yòng)土工格室可(kě)以省去大(dà)量灰土，工程綜合造價與常規方法處理(lǐ)橋頭跳車的(de)造價相當，但效果和(hé)使用(yòng)壽命成倍提高(gāo)。

　　5、控制沖蝕的(de)應用(yòng):護坡、堤壩 　 　 　

　　以上所舉的(de)這(zhè)些例證多(duō)是利用(yòng)土工格室提高(gāo)承載能力。其實，土工格室的(de)另一個(gè)重要作用(yòng)是控制沖蝕，而且在國外使用(yòng)土工格室控制沖蝕的(de)應用(yòng)量絲毫不亞于承載應用(yòng)。應用(yòng)很多(duō)的(de)有護坡、堤壩、擋土牆、防波堤岸等等。它的(de)原理(lǐ)就是增加流動能力，減少毛溝侵蝕，防止水(shuǐ)壓積聚、消除集中沖蝕。蜂窩限制結構可(kě)以固定填充材料，限制作用(yòng)于其上的(de)水(shuǐ)壓，從而改善了(le)流動能力。蜂窩壁使正常的(de)排水(shuǐ)可(kě)以進行，但卻控制了(le)窩内的(de)流動速度。如同千百個(gè)微型堤壩，将集中水(shuǐ)流分(fēn)散成均勻、舒緩的(de)薄層水(shuǐ)流。　　　　

　　全國高(gāo)速公路建設仍在高(gāo)峰期，所經過地區(qū)的(de)地質條件千差萬别，需要進行大(dà)量的(de)挖填段銜接，還(hái)有許多(duō)的(de)道橋連接處。這(zhè)些都是高(gāo)速公路建設中比較難以處理(lǐ)的(de)難題，雖然以前也(yě)有許多(duō)處理(lǐ)方法，但效果并不理(lǐ)想，尤其是道橋連接處的(de)“橋頭跳車”問題和(hé)路基材料在荷載作用(yòng)下(xià)側移、擠出的(de)問題，嚴重影(yǐng)響著(zhe)高(gāo)速公路的(de)使用(yòng)壽命和(hé)安全。還(hái)有防護護坡，無論是用(yòng)傳統的(de)漿砌、幹砌或水(shuǐ)泥混凝土網格都無法阻擋雨(yǔ)水(shuǐ)對(duì)其下(xià)面土層的(de)破壞性侵蝕，緻使高(gāo)速公路的(de)維護費用(yòng)增加。如果使用(yòng)土工格室護坡，配植根系發達的(de)草(cǎo)種，既可(kě)固土護坡，又可(kě)綠化(huà)、保護生态環境，完全符合國家注重環保、建設綠色通(tōng)道的(de)要求。即使初期工程造價比傳統方式略高(gāo)一些，但其延長(cháng)公路使用(yòng)壽命、減少維護成本以及環保、生态等方面的(de)綜合經濟效益卻是功在當代、利在千秋。