土工合成材料對路基粉質粘土CBR提升效果研究

(湖南省交通科學研究院有限公司 重點實驗室,湖南 長沙 410015)

0 引言

土工合成材料通常指以人工合成或天然聚合物為原料制成的工程材料的總稱，與土、巖石等材料直接接觸。目前我國大量在建公路的地質條件較為復雜，環境條件惡劣，采用土工合成材料對公路不良填料路基進行加固，可以有效提高路基的整體剛度、強度和承載能力，改善路基應力分布狀態，延長公路使用壽命，從而減少運營期病害和養護成本[1-3]。

在公路建設中使用土工合成材料始于20世紀70年代，由于土工合成材料在道路上的成功應用，世界各地開發了不同類型的土工合成材料，包括土工格柵、土工網、土工格室等，市場穩步增長。PALMEIRA和ANTUNES[4]指出利用土工合成材料進行路基加固是控制路基變形的重要手段之一，同時有助于在一定的設計荷載下減少路基路面厚度。AHLRICH和TIDWEI[5]發現與高CBR土相比，對低CBR土進行土工合成材料加固具有更高的效率，特別是在CBR值小于3的條件下。我國學者喻澤紅[6]分析了土與土工網的相互作用機理，指出在土體中合理布置土工網，可以明顯降低土中的垂直應力、水平應力，大大提高了土體的承載能力、抗變形能力和抗裂能力。朱湘[7]在考慮土體非線性本構模型的基礎上，對加筋路堤的受力性狀和破壞機理進行了分析，指出加筋可以減少路堤的均勻和不均勻沉降，并能增加路堤的穩定性。曲向進[8]討論了各類土工合成材料計算模型的適用范圍，對土工合成材料的使用效果進行了量化，并利用現場實測進行了驗證。錢勁松[9]運用有限元方法對軟基路堤土工合成材料加固的作用和效果進行了分析，指出土工格柵模量對加筋效果有顯著影響，且加筋位置靠近路堤底部時效率越高；同時證明了土工格柵能夠通過抗拉作用達到約束土體側向變形的目的，從而實現減小沉降的效果。陳炳初[10]提出一種新型的土工格室低路堤—剛性路面結構體系，即在路基上部設置由土工格室與其內填料組成的加筋結構層，該結構體系可以有效擴散上部傳來的交通荷載，讓路基內部應力更快地衰減，從而減少塑性區范圍。

土工合成材料對路基的加固作用主要通過與土顆粒相互嵌固和摩擦來實現，加固效果主要取決于材料剛度、孔徑大小等，同時與土工合成材料設置的位置有密切關系，而這方面的研究目前開展較少。本文將選取玻璃纖維土工格柵、雙向拉伸塑料土工格柵和三維土工網3種材料，通過CBR試驗對上述材料的加固效果進行對比研究，探討土工合成材料類型和層數對CBR提高的影響，并嘗試獲取最佳的土工合成材料設置位置，為實際工程中的材料選型和設計提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗用土

本研究中使用的土從湖南省益陽市某高速公路路基取土場獲得，土的級配曲線如圖1所示，土的基本物理性質也在實驗室中進行了測定，如表1所示。根據《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)[11]，試驗用土屬于粉質粘土。

表1 試驗用土的基本物理性質指標Table 1 Basic physical parameters of testing soil土種類最大干密度ρdmax/(g·cm-3)最優含水率wopt/%液限wL/%塑限wP/%塑性指數Ip/%粉質粘土1.8220.138.125.212.9

圖1 試驗用土的級配曲線Figure 1 Grading curve of testing soil

1.2 試驗用土工合成材料

土工合成材料具有多種幾何形態和聚合物成分，可滿足廣泛的應用需求，實際工程中其選用還受到規格、耐久性、施工和成本的影響。在本研究中，選用了兩種類型的土工格柵和一種土工網進行加固效果對比，土工合成材料樣品如圖2所示，各個土工合成材料的主要參數如表2所示。

(a) 玻璃纖維土工格柵 (b) 雙向塑料土工格柵

(c) 土工網

表2中，玻璃纖維土工格柵是以高強無堿玻璃纖維通過經編工藝制成的網狀材料，表面經過涂覆處理，具有經、緯雙向很高的抗拉強度，并具有耐高溫、耐低寒、抗老化、耐腐蝕等優良性能；雙向拉伸塑料土工格柵以聚丙烯為主要原材料，是通過擠壓、縱向拉伸、橫向拉伸等工序而制成的外觀近似正方形的網格狀材料。三維土工網是經擠壓和雙向拉伸而形成的聚丙烯三維網墊，共有三層，層與層相互疊放。

表2 土工合成材料的主要參數Table 2 Main properties of geosynthetics土工合成材料材料網格大小/mm極限抗拉強度/(kN·m-1)屈服拉伸率/%玻璃纖維土工格柵高強無堿玻璃纖維12.7×12.7120×1203.0×3.0雙向拉伸塑料土工格柵聚丙烯30×3050×5013×16土工網(三層)聚丙烯7×93.8×1323×23

2 試驗過程

加州承載比(CBR)是表征路基土承載能力的重要指標，土工合成材料加固的一個重要作用即提高路基土CBR。本文將從CBR指標角度研究土工合成材料的加固效果。從路基取土場取土后，首先將其進行風干、研磨，通過反復噴射蒸餾水潤濕使其達到最優含水率，用小鏟將土充分拌和至均勻狀態，然后裝儲存在密封塑料盒中使水分均勻分布，至少儲存48 h后進行再將土倒入CBR試驗模具中，將土工合成材料切割成直徑略小于CBR模具直徑的圓盤形式(見圖3)，并設置在試樣的預定位置?？刂圃嚇拥膲簩嵍葹?3%，壓實土的干密度約為1.70 g/cm3。

圖3 加固層在CBR試驗模具中放置Figure 3 Reinforcement layer placed in CBR mould

試樣的截面如圖4所示。單層土工合成材料分別設置在H/2(ξ=0.50)、H/3(ξ=0.33)、H/4(ξ=0.25)位置，其中H是CBR試樣的高度，為120 mm；雙層土工合成材料設置位置分別距離試樣的頂部和底部H/4(ξ=0.25、ξ’=0.25)。CBR試驗過程參照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)[12]，加荷使貫入桿以1～1.25 mm/min的速度壓入試件，同時側記百分表的讀數，同時計算貫入度為2.5和5.0 mm時的CBR值。CBR的計算方法在此不做詳述。

圖4 土工合成材料在CBR試樣中的位置Figure 4 Geosynthetic materials position in CBR specimen

3 結果與探討

3.1 材料類型和層數的影響

圖5～圖7給出了土工合成材料單層加固條件下試樣的荷載—貫入度曲線，可以看出，土工合成材料可以有效提升路基粉質粘土的CBR值。根據圖5(加固位置位于H/2)，在未加固時，試樣對應2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別為1.26%和1.66%。當采用玻纖土工格柵進行加固時，CBR分別增加至1.79%和2.21%；當采用三維土工網進行加固時，CBR分別增加至2.16%和2.63%；當采用塑料土工格柵進行加固時，2.5 mm貫入度下CBR反而降低至1.19%而5.0 mm貫入度下CBR提升至1.76%?？傮w來看，采用三維土工網對CBR的提升效果最明顯。

根據圖6(加固位置位于H/3)，當采用塑料土工格柵進行加固時，試樣對應2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別增加至1.41%和2.08%；當采用三維土工網進行加固時，CBR分別增加至1.30%和1.74%；當采用玻纖土工格柵加固時，在2.5 mm貫入度下CBR值下降至1.19%而在5.0 mm貫入度下CBR增加至1.76%?？傮w來看，采用塑料土工格柵對CBR的提升效果最明顯。

圖5 ξ=H/2時的荷載 — 貫入度曲線 Figure 5 Load-penetration curve with ξ=H/2

圖6 ξ=H/3時的荷載 — 貫入度曲線Figure 6 Load-penetration curve with ξ=H/3

根據圖7(加固位置位于H/4)，當采用三維土工網進行加固時，試樣對應2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別增加至1.34%和1.94%；而對于玻纖土工格柵和塑料土工格柵，在5.0 mm貫入度下CBR值同為2.03%左右，而在2.5 mm貫入度下CBR下降至1.19%和1.12%。

圖7 ξ = H/4時的荷載 — 貫入度曲線Figure 7 Load-penetration curve with ξ = H/4

圖8給出了土工合成材料雙層加固條件下試樣的荷載—貫入度曲線。當采用雙層玻纖土工格柵加固時，試樣對應2.5和5.0 mm貫入度的CBR值分別為1.86%和3.52%；當采用雙層塑料土工格柵進行加固時，CBR增加至3.72%和6.25%；當采用三維土工網進行加固時，CBR增加至4.16%和7.05%?？梢郧逦乜闯?，雙層加固時，采用三維土工網的效果最好。

圖8 ξ=H/4和ξ’=H/4時的荷載 — 貫入度曲線Figure 8 Load-penetration curve with ξ=H/4 and ξ’=H/4

采用單層或雙層土工合成材料可以提升路基土承載能力的原因在于，土工合成材料與土顆粒具有一定嵌鎖和摩擦作用，可以對土顆粒的運動提供約束；此外，土工合成材料的張力改善了荷載傳遞分布，使垂直應力分布更均勻，從而減小了土的貫入度和變形。

表3顯示了用3種土工合成材料加固土的CBR試驗結果，根據《公路土工試驗規程》(JTG 340-2007)[11]，CBR最終值優先選取貫入度為2.5 m時的CBR值，如果貫入度為5 m時的CBR大于2.5 mm時的CBR，則試驗重做，如果結果仍然如此，則選用5 mm時的CBR。定義加固比為：

(1)

式中：CBRR為加固后的承載比;CBR為加固前的承載比。

從表中可以看出，無論類型和加固位置，土工合成材料的使用均可以使土的CBR值有相當程度的增加。單層土工合成材料的加固比為1.05～1.58，雙層土工合成材料的加固比為2.12～4.25，CBR隨著加固層數的增加有顯著的提升，其中采用雙層三維土工網所發揮的加固作用最明顯。

表3 不同加固位置的加固效果比較Table 3 Results of CBR tests for different positions of geosynthetics土工合成材料類型土工格柵加固位置CBR/%加固后CBR增長率/%加固比ηH/22.2133.131.33玻璃纖維土工格柵H/31.766.021.06H/42.0422.891.23雙層3.52112.052.12H/21.766.021.06雙向拉伸塑料土工格柵H/32.0825.301.25H/42.0422.891.23雙層6.25276.513.77H/22.6358.431.58土工網(3層)H/31.744.821.05H/41.9416.871.17雙層7.05324.704.25

3.2 加固位置的影響

圖9顯示了土工合成材料加固位置對加固比的影響?？梢钥闯?，單層加固條件下，當ξ=H/2時，三維土工網的加固效果優于其它兩種土工合成材料；當ξ=H/3和ξ=H/4時，塑料土工格柵的加固效果更加明顯，可見，對于塑料土工格柵，適當地將設置位置靠近荷載，將更有助于發揮加固作用；而通過本室內試驗結果來看，玻纖土工格柵加固效果與加固位置的關系尚不明確。采用雙層土工合成材料加固時，三維土工網和塑料土工格柵的加固效果明顯遠高于玻纖土工格柵。

圖9 不同加固位置時的加固比Figure 9 Reinforcement ratio for various reinforcement positions

圖10顯示了不同單層加固位置下CBR的變化情況，可以看出，路基承載能力的增加很大程度上取決于土工合成材料的設置位置，為了獲得最佳的加固效果，土工合成材料應放置在試樣的中上部，如果沒有設置在適當的位置，加固效果將很差，如將土工合成材料設置在靠近試樣底部幾乎沒有任何加固效果(未加固時CBR為1.66%)。對于塑料土工格柵加固，設置的最佳位置應為0.3H～0.36H；對于玻纖土工格柵加固和三維土工網加固，其最佳設置位置為0.41H～0.62H。因此，對于實際工程，通過實驗確定加固最佳位置以充分發揮土工合成材料的作用，最大限度地增加CBR是至關重要的。

圖10 加固位置的優化Figure 10 Optimum of reinforcement position

4 結論

本研究的主要結論如下：

a.當采用單層土工合成材料加固時，路基粉質粘土的CBR值增加5%～60%，當用雙層土工合成材料加固時，CBR增加112%～325%。無論土工合成的材料類型如何，雙層加固效果都遠高于單層加固效果。

b.單層加固條件下，當ξ=H/2時，三維土工網的加固效果優于其它兩種土工合成材料；當ξ=H/3和ξ=H/4時，塑料土工格柵的加固效果更加明顯，對于塑料土工格柵，適當地將設置位置靠近荷載，將更有助于發揮加固作用。采用雙層土工合成材料加固時，三維土工網和塑料土工格柵的加固效果明顯遠高于玻纖土工格柵。

c.對于塑料土工格柵網格加固，加固的最佳位置為0.3H～0.36H，對于玻纖土工格柵加固層和三維土工網加固，加固的最佳位置為0.41H～0.62H。

d.影響土工合成材料加固效果的因素有：土工合成材料的類型、層數、加固位置等，尤其當加固位置不恰當時，加固效果將很差，實際工程中，有必要結合工程特點進行室內或現場試驗確定土工合成材料加固的最佳方案。值得一提的是，本文研究結果是基于室內實驗的，有必要開展現場試驗進一步進行驗證。