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[摘 要] 土工编织袋是在编织袋中充填素土、灰土、碎石等建筑材料构成的,由于编织袋本身的拉伸强度,导致袋内材料的凝聚力增加,引起土工编织袋的强度增加。土工编织填筑路基沟塘有效地抑制了路基沉降和降低沟塘填筑的造价。膨胀土路堑滑坡治理中,采用土工编织袋取得了很好的效果。
[关键词] 土工编织袋 路基沟塘 路堑边坡 膨胀土
0、引言
目前,江苏省的高速公路建设正蓬勃发展,方兴未艾。在高速公路的设计与施工中经常会遇到软土地基、膨胀土地基、水沟、鱼塘等的填筑问题等一些特殊路基,通过长期的工程实践,虽然对这些问题有了解决方案,但也还有值得研究改进的地方。譬如说河塘回填问题,清淤后用碎石填筑路基沟塘的处理方法就值得商榷,一方面碎石填筑沟塘的费用较高,另一方面用碎石填筑沟塘,在长期通车过程中,汽车引起的振动会使碎石挤进周围的软土中,易使得用碎石填筑的沟塘处产生较大的沉降变形,碎石填筑的效果会大大降低。用土工编织袋填筑沟塘能有效地减小行车振动、控制沉降、增强路基的稳定性。本文是江苏省交通厅科技项目《土工编织袋在路基沟塘填筑中的应用》(04Y43)的一部分,系统地介绍了土工编织袋的力学分析、设计分析和效果检测。
1、土工编织袋的力学分析
土工编织袋内的土体的受力状态如图1所示,土体受到的应力σ1和σ3有两部分组成:外荷σ1f、σ3f和由土工编织袋内张力引起的附加应力σ01、σ03。附加应力σ01和σ03用张力T表示为[6]:
图1 土工编织袋内土体的受力模型[6]
根据土力学理论,土工编织袋被压破时,最大和最小主应力满足以下条件:
从而得到凝聚力表示为: 。土工编织袋由于受到编织袋的张力T的作用,由原来的散粒Φ材料变成具有凝聚力的c-Φ材料。凝聚力改写为[6]:
从公式(4)中可以看出,凝聚力随土工编织袋的厚度减小而增大。这一结论与土工编织袋的力学模型是一致的,随着土工编织袋的厚度减小,土袋的拉伸应变增加,土袋的张力增加,土袋内土体受到的约束增加,相当于土体的围压增加,土体的强度和刚度增加。
土工编织袋的一轴压缩试验结果如图2所示,填料的内摩擦角和编织袋的力学参数和尺寸列于表1中。土工编织袋的凝聚力由公式(4)计算,试验值由公式(3)在σ3=0的条件下得到。图3中比较了由公式(4)和试验结果得到的凝聚力,从图3中看出,试验得到的c值与由式(4)算出的结果基本相同。
土工编织袋在外荷载σ1和σ3作用下,主应力为
由式(5)和(6)得到:
土工编织袋在高度方向上的应变为εy=(H0-H)/H0,编织袋的张力为T=kλ,k是材料常数,可以由编织袋的拉伸强度和延伸率确定,即为拉伸强度与延伸之比。假设土工编织袋的体积不变,即B0H0=BH。将以上假设代入式(7)中,得到
a由土工编织袋的初始状态决定,如果σ1m/σ3m=1时,ε1=0,则a=1-Kp。
土工编织袋一轴压缩试验中的应力-应变关系如图4所示。由式(8)预测的土工编织袋一轴压缩试验的应力-应变关系与试验结果比较于图4中,计算采用的参数列于表1中。从图4中可以看出,计算结果与试验结果一致。
2、路基沟塘填筑
2.1设计分析
根据路基沉降和稳定性分析与实际测量结果,在填土高度小于3m的情况下,填土的侧向位移和沉降比较小,一般土体的强度指标都能满足路堤的稳定性,土工编织袋填筑沟塘的设计示意图如图5所示。对于深度很大的沟塘(H>3m),用土工编织袋填筑的时候,沟塘清淤后在底部填铺两层土工编织袋,每一层土工编织袋都要经过碾压。路基外侧土工编织袋的宽度是沟塘深度的0.5倍,就足以保证土工编织袋挡墙的稳定性。每层土工编织袋铺设好以后,在土工编织袋内侧再填素土,土工编织袋与素土一起碾压至指定压实度。顶面铺设两层,与原地面持平,每层土工编织袋都要压实到指定的压实度。
对于深度不大的沟塘(H<3m),路基外围临水一侧和顶层可以不铺填土工编织袋,只在沟塘底部铺填2～3层土工编织袋,能达到同样的效果。
对于很重要的构筑物,整个沟塘中都是用土工编织袋填筑的(图5c),稳定分析只要分析土工编织袋路基的整体稳定性。土工编织袋填筑倾角为90o,高度小于30m都是稳定的。
施工方法主要考虑以下几方面:编织袋和充填料的确定、装土、封口、连接和填筑。详细操作过程参见文献[2,3]。
2.3 检测与测试分析
⑴压实度检测
铺设好的土工编织袋来回碾压3遍,第1遍普通碾压(不振动),第2遍振动碾压,第3遍还是普通碾压。碾压后,土工编织袋内的土体的压实度采用环刀法测量,编织袋内的土体基本上都达到92%,最小的压实度91%,超过了设计要求的90%(老规范),满足新规范要求的92%,这是采用碎石填筑和灰土填筑达不到的压实度。从压实度检测结果来看,土工编织袋填筑沟塘的处理效果是很理想的。
⑵沉降观测
在土工编织袋铺设好后,现场埋设了压力传感器。埋设压力传感器的目的是测量土工编织袋之间的侧向土压力与竖直向土压力之间的关系,详细结果如图6,水平向土压力远小于静止土压力和主动土压力,土压力测试结果表明土工编织袋有很大的侧线作用,验证了土工编织袋的增强效果。
图7比较了土工编织袋与普通路基的沉降,土工编织袋填筑沟塘的沉降比普通路基的沉降要小。图8是土工编织袋填筑沟塘路基沉降随时间的发展规律,图8中是沉降观测结果,土工编织袋填筑沟塘路基总沉降最大为150mm,比普通路基沉降(240mm)小很多,土工编织袋抑制沉降的效果还是很显著的。
2.4 经济效益分析
土工编织袋填筑沟塘是行之有效、切实可行的方法,在经济上也较为节省。为了估算土工编织袋填筑沟塘的经济效益,将其与沟塘填筑的其他方法(山皮土填筑、石灰土填筑、素土填筑)进行了比较。在计算山皮土填筑沟塘的造价时,考虑了运输、挖装、推平碾压、税金和整个过程中的损耗,运输距离取为12公里,挖装、推平碾压单价采用镇溧高速公路ZL-LY1施工标段的合同单价,素土单价、取土坑费用和石灰土的单价也都采用镇溧高速公路ZL-LY1施工标段的合同单价。土工编织袋的单价是1.0元/个,沟塘填筑时土工编织袋填筑只填在沟塘的四周,中间仍用素土填筑,假设土工编织袋的填筑体积占整个沟塘填筑体积的1/10;在用建筑垃圾填装土工袋时,考虑到垃圾处理费用与垃圾运输费用抵消,因此不计垃圾的运输费用。镇溧高速公路ZL-LY1施工标段沟塘的各种填筑方法造价的比较可以得出,土工编织袋填筑沟塘的经济效益比较明显,如果在土工编织袋灌装的是建筑垃圾,那么在经济和综合效益方面都是最为节约的。镇溧高速公路全线沟塘塘填筑量约为99万方。因此,如果全部用用土工编织袋灌装素土填筑沟塘,比用山皮土填筑节约3158万元,比用石灰土填筑节约634万元,用土工编织袋填筑沟塘在经济上也较为节约。
3、膨胀土路堑护坡
宁淮高速公路雍马南京段总体呈南北走向,起点接宁淮高速公路南京江北段的六合南枢纽,终点与本项目安徽段衔接,经南京市六合区新集镇、程桥镇和竹镇镇,起讫点桩号为K37+627.262～K74+328.946,南京境路线全长36.713公里。其中路堑段长度约5.5公里,主要分布于NH-NJ3標和NH-NJ4标。宁淮高速公路雍马段南京境全段采用六车道高速公路标准一次性实施建设,路基宽度35m,计算行车速度120km/h,车辆荷载为汽车-超20级、挂车-120。
項目所在区域属亚热带向温带过渡性气候带。根据地质勘察结果:宁淮高速公路雍马南京段膨胀土自由膨胀率大部分介于40%～76%之间,胀缩总率介于0.7%～2%之间。根据《公路路基设计规范》(JTJ013-95)规定,本路段膨胀土类别为弱膨胀性土,局部为中等膨胀土。全线上更新统粘性土直接出露地表的路段其1m以内均为弱膨胀土;1～2m深度内全线具弱膨胀性,局部具中等膨胀性;2～3m深度内全线具弱膨胀性,局部具中等膨胀性;3～4m深度内具弱～中等膨胀性。
对于这样的弱膨胀土路堑边坡,处理方法也有一个曲折过程,出现了滑坡现象(图9)。通过多种方案的比较论证,最后确定采用土工编织袋处理,取得很好的效果。具体处治方法如下:
⑴边坡清理:移植坡面的绿化植栽,分段清除坡面已滑塌的部分。(图略)
⑵装袋:首先将滑坡段坡体表面绿化土装袋并暂时置于一边,该土工编织袋作为坡体土工编织袋回填后坡面表层用,以利于坡体表面绿化。其次,对于滑塌土体采用人工或机械清除,清除塌方可用于袋装回填土用,要求置于土工编织袋内的土须粉碎并统一采用3%石灰进行改性处治,石灰土的含水量要略大于最佳含水量。
⑶铺筑土工编织袋:边坡滑塌部分清理完毕后,分段分层开挖台阶,底部台阶高度按照1.5m控制,其上各层台阶按照1.0m控制。对路堑基底进行辗压保证基底压实度不小于87%,铺设一层防渗土工布后回填30cm碎石垫层,碎石垫层横坡为2%,碎石垫层表面采用石屑整平。其上分层回填土工编织袋,将土工编织袋逐层堆砌,要求将袋口扎紧后折叠置于其自身底下。
⑷整平:用小型振动机械碾压土工编织袋,将袋中土均匀振铺在土工袋中,土工编织袋层间联结处也采用3%石灰土填充;在人工整平好的土工编织袋上铺5cm左右薄层灰土,再堆砌上一层土工编织袋,两层间应错开叠置,重复以上步骤;最后在土工编织袋顶部培筑粘土并夯实封闭。
⑸土工编织袋施工完毕后,在坡面进行挂网并进行客土喷播。
参 考 文 献
[1]松冈元.地盘工学の新しいアプロチ构成式、试验法、补强法[M].日本京都:京都大学学术出版社,2003.
[2]潘洋,邵介贤,黄健等.土工编织袋填筑路基沟塘的施工方法研究.建筑技术开发,2006,4:126-128.
[3]Yongfu Xu,Jian Huang,Yanjun Du.Earth reinforcement using soilbags.Geotextiles and Geomembranes,2007(in press)■
[关键词] 土工编织袋 路基沟塘 路堑边坡 膨胀土
0、引言
目前,江苏省的高速公路建设正蓬勃发展,方兴未艾。在高速公路的设计与施工中经常会遇到软土地基、膨胀土地基、水沟、鱼塘等的填筑问题等一些特殊路基,通过长期的工程实践,虽然对这些问题有了解决方案,但也还有值得研究改进的地方。譬如说河塘回填问题,清淤后用碎石填筑路基沟塘的处理方法就值得商榷,一方面碎石填筑沟塘的费用较高,另一方面用碎石填筑沟塘,在长期通车过程中,汽车引起的振动会使碎石挤进周围的软土中,易使得用碎石填筑的沟塘处产生较大的沉降变形,碎石填筑的效果会大大降低。用土工编织袋填筑沟塘能有效地减小行车振动、控制沉降、增强路基的稳定性。本文是江苏省交通厅科技项目《土工编织袋在路基沟塘填筑中的应用》(04Y43)的一部分,系统地介绍了土工编织袋的力学分析、设计分析和效果检测。
1、土工编织袋的力学分析
土工编织袋内的土体的受力状态如图1所示,土体受到的应力σ1和σ3有两部分组成:外荷σ1f、σ3f和由土工编织袋内张力引起的附加应力σ01、σ03。附加应力σ01和σ03用张力T表示为[6]:
图1 土工编织袋内土体的受力模型[6]
根据土力学理论,土工编织袋被压破时,最大和最小主应力满足以下条件:
从而得到凝聚力表示为: 。土工编织袋由于受到编织袋的张力T的作用,由原来的散粒Φ材料变成具有凝聚力的c-Φ材料。凝聚力改写为[6]:
从公式(4)中可以看出,凝聚力随土工编织袋的厚度减小而增大。这一结论与土工编织袋的力学模型是一致的,随着土工编织袋的厚度减小,土袋的拉伸应变增加,土袋的张力增加,土袋内土体受到的约束增加,相当于土体的围压增加,土体的强度和刚度增加。
土工编织袋的一轴压缩试验结果如图2所示,填料的内摩擦角和编织袋的力学参数和尺寸列于表1中。土工编织袋的凝聚力由公式(4)计算,试验值由公式(3)在σ3=0的条件下得到。图3中比较了由公式(4)和试验结果得到的凝聚力,从图3中看出,试验得到的c值与由式(4)算出的结果基本相同。
土工编织袋在外荷载σ1和σ3作用下,主应力为
由式(5)和(6)得到:
土工编织袋在高度方向上的应变为εy=(H0-H)/H0,编织袋的张力为T=kλ,k是材料常数,可以由编织袋的拉伸强度和延伸率确定,即为拉伸强度与延伸之比。假设土工编织袋的体积不变,即B0H0=BH。将以上假设代入式(7)中,得到
a由土工编织袋的初始状态决定,如果σ1m/σ3m=1时,ε1=0,则a=1-Kp。
土工编织袋一轴压缩试验中的应力-应变关系如图4所示。由式(8)预测的土工编织袋一轴压缩试验的应力-应变关系与试验结果比较于图4中,计算采用的参数列于表1中。从图4中可以看出,计算结果与试验结果一致。
2、路基沟塘填筑
2.1设计分析
根据路基沉降和稳定性分析与实际测量结果,在填土高度小于3m的情况下,填土的侧向位移和沉降比较小,一般土体的强度指标都能满足路堤的稳定性,土工编织袋填筑沟塘的设计示意图如图5所示。对于深度很大的沟塘(H>3m),用土工编织袋填筑的时候,沟塘清淤后在底部填铺两层土工编织袋,每一层土工编织袋都要经过碾压。路基外侧土工编织袋的宽度是沟塘深度的0.5倍,就足以保证土工编织袋挡墙的稳定性。每层土工编织袋铺设好以后,在土工编织袋内侧再填素土,土工编织袋与素土一起碾压至指定压实度。顶面铺设两层,与原地面持平,每层土工编织袋都要压实到指定的压实度。
对于深度不大的沟塘(H<3m),路基外围临水一侧和顶层可以不铺填土工编织袋,只在沟塘底部铺填2～3层土工编织袋,能达到同样的效果。
对于很重要的构筑物,整个沟塘中都是用土工编织袋填筑的(图5c),稳定分析只要分析土工编织袋路基的整体稳定性。土工编织袋填筑倾角为90o,高度小于30m都是稳定的。
施工方法主要考虑以下几方面:编织袋和充填料的确定、装土、封口、连接和填筑。详细操作过程参见文献[2,3]。
2.3 检测与测试分析
⑴压实度检测
铺设好的土工编织袋来回碾压3遍,第1遍普通碾压(不振动),第2遍振动碾压,第3遍还是普通碾压。碾压后,土工编织袋内的土体的压实度采用环刀法测量,编织袋内的土体基本上都达到92%,最小的压实度91%,超过了设计要求的90%(老规范),满足新规范要求的92%,这是采用碎石填筑和灰土填筑达不到的压实度。从压实度检测结果来看,土工编织袋填筑沟塘的处理效果是很理想的。
⑵沉降观测
在土工编织袋铺设好后,现场埋设了压力传感器。埋设压力传感器的目的是测量土工编织袋之间的侧向土压力与竖直向土压力之间的关系,详细结果如图6,水平向土压力远小于静止土压力和主动土压力,土压力测试结果表明土工编织袋有很大的侧线作用,验证了土工编织袋的增强效果。
图7比较了土工编织袋与普通路基的沉降,土工编织袋填筑沟塘的沉降比普通路基的沉降要小。图8是土工编织袋填筑沟塘路基沉降随时间的发展规律,图8中是沉降观测结果,土工编织袋填筑沟塘路基总沉降最大为150mm,比普通路基沉降(240mm)小很多,土工编织袋抑制沉降的效果还是很显著的。
2.4 经济效益分析
土工编织袋填筑沟塘是行之有效、切实可行的方法,在经济上也较为节省。为了估算土工编织袋填筑沟塘的经济效益,将其与沟塘填筑的其他方法(山皮土填筑、石灰土填筑、素土填筑)进行了比较。在计算山皮土填筑沟塘的造价时,考虑了运输、挖装、推平碾压、税金和整个过程中的损耗,运输距离取为12公里,挖装、推平碾压单价采用镇溧高速公路ZL-LY1施工标段的合同单价,素土单价、取土坑费用和石灰土的单价也都采用镇溧高速公路ZL-LY1施工标段的合同单价。土工编织袋的单价是1.0元/个,沟塘填筑时土工编织袋填筑只填在沟塘的四周,中间仍用素土填筑,假设土工编织袋的填筑体积占整个沟塘填筑体积的1/10;在用建筑垃圾填装土工袋时,考虑到垃圾处理费用与垃圾运输费用抵消,因此不计垃圾的运输费用。镇溧高速公路ZL-LY1施工标段沟塘的各种填筑方法造价的比较可以得出,土工编织袋填筑沟塘的经济效益比较明显,如果在土工编织袋灌装的是建筑垃圾,那么在经济和综合效益方面都是最为节约的。镇溧高速公路全线沟塘塘填筑量约为99万方。因此,如果全部用用土工编织袋灌装素土填筑沟塘,比用山皮土填筑节约3158万元,比用石灰土填筑节约634万元,用土工编织袋填筑沟塘在经济上也较为节约。
3、膨胀土路堑护坡
宁淮高速公路雍马南京段总体呈南北走向,起点接宁淮高速公路南京江北段的六合南枢纽,终点与本项目安徽段衔接,经南京市六合区新集镇、程桥镇和竹镇镇,起讫点桩号为K37+627.262～K74+328.946,南京境路线全长36.713公里。其中路堑段长度约5.5公里,主要分布于NH-NJ3標和NH-NJ4标。宁淮高速公路雍马段南京境全段采用六车道高速公路标准一次性实施建设,路基宽度35m,计算行车速度120km/h,车辆荷载为汽车-超20级、挂车-120。
項目所在区域属亚热带向温带过渡性气候带。根据地质勘察结果:宁淮高速公路雍马南京段膨胀土自由膨胀率大部分介于40%～76%之间,胀缩总率介于0.7%～2%之间。根据《公路路基设计规范》(JTJ013-95)规定,本路段膨胀土类别为弱膨胀性土,局部为中等膨胀土。全线上更新统粘性土直接出露地表的路段其1m以内均为弱膨胀土;1～2m深度内全线具弱膨胀性,局部具中等膨胀性;2～3m深度内全线具弱膨胀性,局部具中等膨胀性;3～4m深度内具弱～中等膨胀性。
对于这样的弱膨胀土路堑边坡,处理方法也有一个曲折过程,出现了滑坡现象(图9)。通过多种方案的比较论证,最后确定采用土工编织袋处理,取得很好的效果。具体处治方法如下:
⑴边坡清理:移植坡面的绿化植栽,分段清除坡面已滑塌的部分。(图略)
⑵装袋:首先将滑坡段坡体表面绿化土装袋并暂时置于一边,该土工编织袋作为坡体土工编织袋回填后坡面表层用,以利于坡体表面绿化。其次,对于滑塌土体采用人工或机械清除,清除塌方可用于袋装回填土用,要求置于土工编织袋内的土须粉碎并统一采用3%石灰进行改性处治,石灰土的含水量要略大于最佳含水量。
⑶铺筑土工编织袋:边坡滑塌部分清理完毕后,分段分层开挖台阶,底部台阶高度按照1.5m控制,其上各层台阶按照1.0m控制。对路堑基底进行辗压保证基底压实度不小于87%,铺设一层防渗土工布后回填30cm碎石垫层,碎石垫层横坡为2%,碎石垫层表面采用石屑整平。其上分层回填土工编织袋,将土工编织袋逐层堆砌,要求将袋口扎紧后折叠置于其自身底下。
⑷整平:用小型振动机械碾压土工编织袋,将袋中土均匀振铺在土工袋中,土工编织袋层间联结处也采用3%石灰土填充;在人工整平好的土工编织袋上铺5cm左右薄层灰土,再堆砌上一层土工编织袋,两层间应错开叠置,重复以上步骤;最后在土工编织袋顶部培筑粘土并夯实封闭。
⑸土工编织袋施工完毕后,在坡面进行挂网并进行客土喷播。
参 考 文 献
[1]松冈元.地盘工学の新しいアプロチ构成式、试验法、补强法[M].日本京都:京都大学学术出版社,2003.
[2]潘洋,邵介贤,黄健等.土工编织袋填筑路基沟塘的施工方法研究.建筑技术开发,2006,4:126-128.
[3]Yongfu Xu,Jian Huang,Yanjun Du.Earth reinforcement using soilbags.Geotextiles and Geomembranes,2007(in press)■