土工格室在高速公路建设中的应用

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，雨水滲透、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（俗称“桥头跳车”）。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，不得有褟皱。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

4.1 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190∽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。1995年应用此项研究在塔里木沙漠永主性石油公路塔中四∽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49∽64，均小于允许弯沉值（允许弯沉值为80），回弹模量为206.19∽273.97MPa，平均值为239.58MPa，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%。

4.2 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110MPa，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（单车重量15t∽30t)的碾压和每天两次潮水的冲刷，整体沉降不足10cm，而且基本停止继续沉降，平均弯沉值113.3（允许弯沉值143），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400∽500万元之间，工期30∽40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（双层）筑路，造价在100∽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。

4.3 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2000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。2002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。

4.4 处理桥头跳车

2001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）×40cm土工格室，每个桥头处理面积需600∽800m2不等（桥的高低、图纸、坡的长短不同），每平方米造价为26∽30元（使用土工格室规格不同）。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。

4.5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。