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摘要：本文介绍了土工栅格的工程特性，分析了土工栅格在路基施工中的应用。
关键词：路基施工；土工栅格；应用分析
Abstract: This paper introduces the characteristics of the engineering geotechnical grid, and analyzes the application of the geotechnical grid in the roadbed construction.
Key words: roadbed construction; geotechnical grid; application analysis
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
通过对土工格栅工程特性的研究试验分析，我们越来越应该认识到土工格栅这种材料的工程实用性，土工格栅必将更加广泛地应用于我国的公路改扩建工程中。在施工过程中，应注意土工栅格材料的施工特殊性，严格按照土工栅格材料的施工规范，使土工格栅在铺设中更科学、更合理、更节约、更规范，更能提高工程是经济效益。
土工格栅是在聚丙烯(PP)或高密度聚乙烯(HDPE)板上打孔,然后加热进行单向或双向拉伸,提高高分子键的定向排列性, 加强了分子链间的联结力，大大提高其抗拉强度(较拉伸前提高5一l0倍)，而延伸率却只有拉伸前的10%~15%，粒料在格栅网格内互锁力增高，摩擦系数显著增大(可达0.8一1.0)。在众多的土工合成材料中，在同等应变下土工格栅抗拉强度最高。它具有粘弹性的力学特性,即随着试验速度和温度的变化,强度~变形的关系也变化。因而土工格栅的补强效果在作为半永久性的情况下,拟根据徐变试验得出的值作为设计强度。
1 土工格栅的工程特性
1.1 土工格栅的常规力学特性土工格栅具有较为明显的粘弹性,同时其力学特性受多方面因素的影响。常规的力学试验表明,土工格栅的弹性模量和拉伸强度随着环境温度的变化而变化,图1为单根格栅在不同环境温度下荷载与应变的关系图,表1为不同温度下单根格栅的抗拉强度,图2反映出单根格栅在不同应变速率下荷载与应变之间的关系。
表1不同温度下土工格栅的抗拉强度结果统计表
从图1和表1我们可以看出,随着温度的升高,格栅的弹性模量和抗拉强度将明显降低,同样,在低温状态下格栅的弹性模量和抗拉强度将会明显提高。在同一外界温度下,土工格栅的刚度和最大负荷会随着加荷速率的增大而增大。如果单独考虑温度效应,土工格栅温度形变系数较高,如发生整体形变则对加筋材料不会有很多影响,但是,在实际施工过程中,可能会发生局部不均匀形变,这将严重影响格栅的路用性能。同时,根据单根格栅的抗拉试验表明,格栅开始断裂时的应变约为15%,实际工程应用中考虑一定的安全系数,极限应变通常取10%。
图1 不同温度下荷载与应变之间的关系图2 不同应变速度率下荷载与应变之间的关系
1.2 土工格栅的徐变特性和疲劳韧性
作用在格栅加筋结构上的荷载可以持续许多年,格栅加筋材料将产生徐变,在设计过程中,一般将格栅加筋材料上作用的荷载限制在一定范围,即为设计荷载,并可以求出允许形变。在实际工程应用中,要保证格栅在设计荷载作用下的允许形变和实际总形变量保持一致。实际工程中我们一般采用蠕变系数法来估算材料的蠕变量,计算公式为
式中,为静荷载作用下t时间的总应变量; 为受力开始时的初始应变量;b为蠕变系数;t表示时间。
蠕变系数在不同的应力水平下是不同的,图3为不同荷载产生的应变-时间关系对比曲线(半对数),其斜率即为不同应力水平下的蠕变系数。同时在施工现场我们进行了交变荷载作用下的土工格栅模拟疲劳试验,具体做法为:将石灰土铺在土工格栅上,用平地机整平,采用12、16、20t振动压路机进行压实(前振后静),碾压1h,间歇半小时为1个周期,共计进行4个周期,然后铲除灰土重做试验,与原试验数据对比,结果如图4所示。
从图4可以看出,格栅承受交变荷载周期性作用后,处于工作应变状态下的材料刚度没有明显变化,但一般情况下,材料的极限抗拉强度有所降低,降低的幅度与土壤粒径有关,在实际应用中一般采用局部安全系数来考虑,一般对于常采用的SR80格栅,局部安全系数为1.1～1.3。土壤粒径越小,对材料极限抗拉强度影响越小,局部安全系数可适当取低值。
图3 不同荷载作用下的应变-时间关系图4 压实前后栅格拉伸性能对比曲线
1.3土工栅格的耐久性
耐久性能由于土工格栅中加入了碳黑等抗老化助剂，因此具备了酸、碱、盐及酒精、汽油等有机溶剂及抗紫外线的侵蚀。一据有关资料显示，在常温和设计允许荷载作用下，土工格栅的使用寿命可达120年。
1.4土工栅格施工灵活性
施工性能土工格栅重量轻、易搬运、运输贮存方便，有一定的柔性和韧性，便于现场加工和搭接，施工简单，无需专用的施工机械和人员，此外，土工格栅强度、变形受温度影响较大，一般地，温度越高，其强度越低，变形越大;温度越低，其强度越高、变形越小。
2 工程应用
某改建工程，大部分路段都有帮宽现象，施工分段进行一段时间以后，帮宽部位由于沉陷不同出现了纵向裂缝，原路基部分已经固结稳定，沉降量极小，而拓宽部分的路基，即使是压实度达到了规范要求，但路基土有一个固结稳定的过程，其固结过程可延续很长时间，必然会造成路基不断沉降，而且其沉降量必然大于原路基。根据土工栅格的工程特性，对拓宽部分采用灰土和二灰碎石基层中加如土工格栅。
2.1 土工格栅施工注意点
2.1.1 土工格栅的连接
土工格栅的连接一般采用绑扎,搭接宽度不应小于l0cm。为使搭接处满足受力要求,一般每隔10～15cm应有一个绑扎点;受力方向在此距离内应有两個绑扎点,多层铺设时,上下层搭接应错缝布置。
2.1.2 土工格栅的固定
施工中，土工格栅应按设计要求张拉、铺设、搭接、铺固，做到无扭曲、无摺皱，尽量张紧,然后用U形插钉固定。
2.1.3 土工格栅的填盖时间
土工格栅铺设好后,应及时用土料填盖,一般不超过两天,如果紫外线照射较弱,可适当延长覆盖时间。
2.1.4 土工格栅的填料
填料应按设计要求选取。实践证明除冻结土、沼泽土、生活垃圾、白垩土和硅藻土外均可用做填土。但砾类土和砂类土力学性能稳定,受含水量影响很小,宜优先选用,粒径不得大于15cm,并注意填料级配,以保证压实质量。
2.1.5 填料的摊铺和压实
当土工格栅铺设好后,在两端摊铺填料,将土工格栅固定,再向中部推进。碾压的顺序是先两侧后中间。碾压时压轮不能直接与土工格栅接触,压实的加筋体一般不允许车辆在上面行驶,以免筋材错位。分层压实厚度为20~30cm。碾压密实度应达到工程要求。这也是加筋土工格栅工程成败的关键。
3 工程效果检测
我们对土工栅格在拓宽道路减少路基沉降进行了效应观测，跟踪检测，检测其处理的效果。
用弯沉检测处理效果。弯沉检测点布置在拓宽部分与老路相接处左右各60cm处，纵向距离为10m，路基填筑完成时进行了检测，检测数据用数理统计的方法进行处理，结果见表2。
表2 路基弯沉检测对比表
由表2可以看出，对设有土工栅格材料的路基段的沉降明显低于单层或未加土工栅格的路段，可见土工栅格对于预防路基沉降，加强路基稳定性有良好的工程效果。
4 结束语
土工栅格材料具有良好的化学稳定性、生物稳定性,同时具有较高的抗拉强度,将其埋置在土体之中,可以增强地基的承载力,同时可改善土体的整体受力条件,提高整体强度，减小路基沉降，增强路基的稳定性。本文着重介绍了土工栅格的工程特性和工程施工应用。
参考文献：
[1] 周志刚,郑健龙著.公路土工合成材料设计原理及工程应用.
[2] 张留俊等著.高速公路软土地基处理技术.人民交通出版社.
[3] 吴进明.土工合成材料防治半刚性路面反射裂缝技术.山西建筑.
关键词：路基施工；土工栅格；应用分析
Abstract: This paper introduces the characteristics of the engineering geotechnical grid, and analyzes the application of the geotechnical grid in the roadbed construction.
Key words: roadbed construction; geotechnical grid; application analysis
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
通过对土工格栅工程特性的研究试验分析，我们越来越应该认识到土工格栅这种材料的工程实用性，土工格栅必将更加广泛地应用于我国的公路改扩建工程中。在施工过程中，应注意土工栅格材料的施工特殊性，严格按照土工栅格材料的施工规范，使土工格栅在铺设中更科学、更合理、更节约、更规范，更能提高工程是经济效益。
土工格栅是在聚丙烯(PP)或高密度聚乙烯(HDPE)板上打孔,然后加热进行单向或双向拉伸,提高高分子键的定向排列性, 加强了分子链间的联结力，大大提高其抗拉强度(较拉伸前提高5一l0倍)，而延伸率却只有拉伸前的10%~15%，粒料在格栅网格内互锁力增高，摩擦系数显著增大(可达0.8一1.0)。在众多的土工合成材料中，在同等应变下土工格栅抗拉强度最高。它具有粘弹性的力学特性,即随着试验速度和温度的变化,强度~变形的关系也变化。因而土工格栅的补强效果在作为半永久性的情况下,拟根据徐变试验得出的值作为设计强度。
1 土工格栅的工程特性
1.1 土工格栅的常规力学特性土工格栅具有较为明显的粘弹性,同时其力学特性受多方面因素的影响。常规的力学试验表明,土工格栅的弹性模量和拉伸强度随着环境温度的变化而变化,图1为单根格栅在不同环境温度下荷载与应变的关系图,表1为不同温度下单根格栅的抗拉强度,图2反映出单根格栅在不同应变速率下荷载与应变之间的关系。
表1不同温度下土工格栅的抗拉强度结果统计表
从图1和表1我们可以看出,随着温度的升高,格栅的弹性模量和抗拉强度将明显降低,同样,在低温状态下格栅的弹性模量和抗拉强度将会明显提高。在同一外界温度下,土工格栅的刚度和最大负荷会随着加荷速率的增大而增大。如果单独考虑温度效应,土工格栅温度形变系数较高,如发生整体形变则对加筋材料不会有很多影响,但是,在实际施工过程中,可能会发生局部不均匀形变,这将严重影响格栅的路用性能。同时,根据单根格栅的抗拉试验表明,格栅开始断裂时的应变约为15%,实际工程应用中考虑一定的安全系数,极限应变通常取10%。
图1 不同温度下荷载与应变之间的关系图2 不同应变速度率下荷载与应变之间的关系
1.2 土工格栅的徐变特性和疲劳韧性
作用在格栅加筋结构上的荷载可以持续许多年,格栅加筋材料将产生徐变,在设计过程中,一般将格栅加筋材料上作用的荷载限制在一定范围,即为设计荷载,并可以求出允许形变。在实际工程应用中,要保证格栅在设计荷载作用下的允许形变和实际总形变量保持一致。实际工程中我们一般采用蠕变系数法来估算材料的蠕变量,计算公式为
式中,为静荷载作用下t时间的总应变量; 为受力开始时的初始应变量;b为蠕变系数;t表示时间。
蠕变系数在不同的应力水平下是不同的,图3为不同荷载产生的应变-时间关系对比曲线(半对数),其斜率即为不同应力水平下的蠕变系数。同时在施工现场我们进行了交变荷载作用下的土工格栅模拟疲劳试验,具体做法为:将石灰土铺在土工格栅上,用平地机整平,采用12、16、20t振动压路机进行压实(前振后静),碾压1h,间歇半小时为1个周期,共计进行4个周期,然后铲除灰土重做试验,与原试验数据对比,结果如图4所示。
从图4可以看出,格栅承受交变荷载周期性作用后,处于工作应变状态下的材料刚度没有明显变化,但一般情况下,材料的极限抗拉强度有所降低,降低的幅度与土壤粒径有关,在实际应用中一般采用局部安全系数来考虑,一般对于常采用的SR80格栅,局部安全系数为1.1～1.3。土壤粒径越小,对材料极限抗拉强度影响越小,局部安全系数可适当取低值。
图3 不同荷载作用下的应变-时间关系图4 压实前后栅格拉伸性能对比曲线
1.3土工栅格的耐久性
耐久性能由于土工格栅中加入了碳黑等抗老化助剂，因此具备了酸、碱、盐及酒精、汽油等有机溶剂及抗紫外线的侵蚀。一据有关资料显示，在常温和设计允许荷载作用下，土工格栅的使用寿命可达120年。
1.4土工栅格施工灵活性
施工性能土工格栅重量轻、易搬运、运输贮存方便，有一定的柔性和韧性，便于现场加工和搭接，施工简单，无需专用的施工机械和人员，此外，土工格栅强度、变形受温度影响较大，一般地，温度越高，其强度越低，变形越大;温度越低，其强度越高、变形越小。
2 工程应用
某改建工程，大部分路段都有帮宽现象，施工分段进行一段时间以后，帮宽部位由于沉陷不同出现了纵向裂缝，原路基部分已经固结稳定，沉降量极小，而拓宽部分的路基，即使是压实度达到了规范要求，但路基土有一个固结稳定的过程，其固结过程可延续很长时间，必然会造成路基不断沉降，而且其沉降量必然大于原路基。根据土工栅格的工程特性，对拓宽部分采用灰土和二灰碎石基层中加如土工格栅。
2.1 土工格栅施工注意点
2.1.1 土工格栅的连接
土工格栅的连接一般采用绑扎,搭接宽度不应小于l0cm。为使搭接处满足受力要求,一般每隔10～15cm应有一个绑扎点;受力方向在此距离内应有两個绑扎点,多层铺设时,上下层搭接应错缝布置。
2.1.2 土工格栅的固定
施工中，土工格栅应按设计要求张拉、铺设、搭接、铺固，做到无扭曲、无摺皱，尽量张紧,然后用U形插钉固定。
2.1.3 土工格栅的填盖时间
土工格栅铺设好后,应及时用土料填盖,一般不超过两天,如果紫外线照射较弱,可适当延长覆盖时间。
2.1.4 土工格栅的填料
填料应按设计要求选取。实践证明除冻结土、沼泽土、生活垃圾、白垩土和硅藻土外均可用做填土。但砾类土和砂类土力学性能稳定,受含水量影响很小,宜优先选用,粒径不得大于15cm,并注意填料级配,以保证压实质量。
2.1.5 填料的摊铺和压实
当土工格栅铺设好后,在两端摊铺填料,将土工格栅固定,再向中部推进。碾压的顺序是先两侧后中间。碾压时压轮不能直接与土工格栅接触,压实的加筋体一般不允许车辆在上面行驶,以免筋材错位。分层压实厚度为20~30cm。碾压密实度应达到工程要求。这也是加筋土工格栅工程成败的关键。
3 工程效果检测
我们对土工栅格在拓宽道路减少路基沉降进行了效应观测，跟踪检测，检测其处理的效果。
用弯沉检测处理效果。弯沉检测点布置在拓宽部分与老路相接处左右各60cm处，纵向距离为10m，路基填筑完成时进行了检测，检测数据用数理统计的方法进行处理，结果见表2。
表2 路基弯沉检测对比表
由表2可以看出，对设有土工栅格材料的路基段的沉降明显低于单层或未加土工栅格的路段，可见土工栅格对于预防路基沉降，加强路基稳定性有良好的工程效果。
4 结束语
土工栅格材料具有良好的化学稳定性、生物稳定性,同时具有较高的抗拉强度,将其埋置在土体之中,可以增强地基的承载力,同时可改善土体的整体受力条件,提高整体强度，减小路基沉降，增强路基的稳定性。本文着重介绍了土工栅格的工程特性和工程施工应用。
参考文献：
[1] 周志刚,郑健龙著.公路土工合成材料设计原理及工程应用.
[2] 张留俊等著.高速公路软土地基处理技术.人民交通出版社.
[3] 吴进明.土工合成材料防治半刚性路面反射裂缝技术.山西建筑.