土工格技术特点及应用摘要：土工合成材料在公路中的应用日 趋广泛，在处理软弱地基、排水、路基护坡、 加筋挡土墙，特别是在治理桥头跳车方面都 有很成功的应用。其最大特点是可以完成岩 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。 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：土工格室高速公路软基处理桥 头跳车应用土工格室作为一种新型的合成材料，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。我国在九十年代初在 吸收国外先进经验的基础上，开始了 土工格 室的开发研究工作，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。 随着人们对土工格室特性的进一步了解，已经发现其具有其它土工材料不可替代的优 势，使其在诸多领域有着独特的应用前景。1土工格室的特点土工格室是一种采用高强度聚乙烯片 材，经超声波焊接等方法连接，展开后呈蜂 窝状的三维立体网格结构材料，属于特种土 工合成材料。在岩石工程中与土、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。这些垫层可以根据工程的 要求放置于需要的位置， 用以加固公路的路 基、边坡防护、修建挡土墙等。其最大的特 点是可以完成岩石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。具有材质轻，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土工格室的基本原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：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 渗透、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。 以我省各地 各级公路为例，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。部分高速公路也不例外，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。这 种沟状路基沉降就是路基材料横向滑移的 典型。工程中常规处理路基的方法无需赘述， 其目的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。为什么会这样呢？ 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。经过试验，在格室的限制作用下，中 密砂的表观粘聚力可以增加三十几倍。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。大多情况下格室内充填砂砾或碎石等 非粘性材料，因此，土工格室加固层又是一 个水平排水通道，可加快饱和土固结过程中 空隙水压力消散速度，从而加速土体的固结。 总之，土工格室具有垫层、加筋、排水、调 节应力及变形，提高土体抗渗能力的综合功 效。3土工格室的施工方法土工格室作为一种新型的土工合成材 料。施工快捷、方便、省力，整平施工场地， 清除杂物。铺设施工垫层并压实，然后铺设 土工格室，铺设中要尽量拉紧，不得有褊皱。 及时用填料填充格室内并压实，同时观测格室变形和检查密实度。最后修正边坡完工。4土工格室在公路建设中的应用沙漠筑路应用早在1994年，西安公路学院与华北石 油管理局筑路工程公司合作，使用华北石油 管理局橡胶制品暨防腐技术研究所研制的 土工格室，进行了沙漠筑路应用研究，重点 研究了土工格室填充塔克拉玛干沙漠筑路 的主要设计参数 抗压回弹模量。研究 结果证明，所获得的抗压回弹模量达 190s 210MPa完全满足路基设计要求，而 且土工格室填沙结构层比天然砂砾结构层减薄约10cm,可以就近取材。年应用此项研 究在塔里木沙漠永主性石油公路塔中四s 民丰南段10Km的线路上全面使用土工格室 填沙法构筑路基垫层。所测得的路表弯沉值 为49s 64,均小于允许弯沉值，回弹模量为 s,平均值为，说明格室固沙所获得的整体 强度明显大于级配砂砾层的强度，而且所有 层位的压实度检测都满足规范要求。所节省 的常规路基材料费用和运输费用，使筑路成本降低50%所使用的工期也比常规方法缩 短60%软基处理1997年，辽河油田勘察设计院海洋工程 研究院，在滩海潮间带临探道路进行了土工 格室筑路试验，更进一步证明了土工格室在 解决沉降方面的独到功效。该地区黄海高程 1m以上，涨潮水深近1m,地基承载力仅 110MP上有10cm以上的淤泥。他们采用 华北石油管理局橡胶制品暨防腐技术研究 所生产的20cm高土工格室两层，配合土工 布作路基底层，下层格室内填粗砂、砾石， 上层内填矿渣，两边用山皮石作路肩。经过潮水浸透自然沉降以后， 无需碾压即可行走 大型重载翻斗车。经过四个多月、每日近百 车次，反映了格室、矿渣路面结构强度高、 整体性好、荷载均匀扩散能力强的特点。从 他们在这次试验中所作的土工格室筑路与 常规使用山皮石填海筑路两种方案的经济 效益和社会效益分析中可知：使用山皮石筑路每公里造价在400s500万元之间，工期 30s40天，每公里需要3600个运输台班， 每公里占地20万m2而用土工格室筑路， 造价在100s 130万元，工期7天左右，每 公里运输台班310个，每公里占地近7000m2 两者差距之大令人惊叹。减少车辆行驶污染、 减少石料用量、减少填料对海洋的污染，特 别是具有养殖价格的滩涂地区，其环保、经 济效益更为可观。湿陷性黄土地区、高填方路基填挖连接 段与其它地域相比，我省公路方面应用此 项新材料、新工艺相对落后。可喜的是年在 连霍国道馋兰高速公路、国道109线白兰高 速公路的施工中，为了克服高填方路堤湿陷 性黄土固结沉降从而引起填挖结合部出现 的裂缝，采取在填挖结合部强夯加铺土工格 室的处理措施，解决挖填连接段路基不同速 率沉降层的衔接问题。经过实践证明，其效 果非常明显。年，兰临高速公路、尹中高速 公路均属粉性土壤，干旱缺水，因此 ，均采 用在路面底基层或底基层下垫层加铺土工 格室，处理挖填连接段、半挖半填段差异沉 降，效果明显。可见，土工格室在公路中的 应用范围很广，应用前景很好。处理桥头跳车年，我省交通厅与长安大学公路学院合 作完成科研项目，在连霍国道古浪至永昌高 速公路全线桥梁均采用土工格室制作差异 沉降过渡段，专门治理“桥头跳车”的通病。 由于全线粉性土、砂性土居多，使用了 10cm（高）x 40cm 土工格室，每个桥头处理 面积需600s 800m2不等，每平方米造价为 26s30元。使用土工格室可以省去大量灰土， 工程综合造价与常规方法处理桥头跳车的 造价相当，但效果和使用寿命成倍提高。控制冲蚀的应用：护坡、堤坝以上所举的这些例证多是利用土工格 室提高承载能力。其实，土工格室的另一个 重要作用是控制冲蚀，而且在国外使用土工 格室控制冲蚀的应用量丝毫不亚于承载应 用。应用最多的有护坡、堤坝、挡土墙、防 波堤岸等等。它的原理就是增加流动能力， 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。土工格 技术特点及应用