新型土工格栅的力学性能及应用前景

2014-01-12王敬

山西交通科技 2014年1期

王敬

（山西省高速公路开发有限公司，山西太原 030006）

0 引言

土工格栅是土工合成材料中发展很迅速的一个种类，它是一种以高密度聚乙烯或聚丙烯塑料，包括玻璃纤维为原料加工形成开口的、类似格栅状的产品，具有较大网孔。塑料土工格栅的发展，从20世纪70年代未经拉伸处理的土工网发展到单向拉伸土工格栅，再发展到双向拉伸土工格栅，直到今天的新型三向土工格栅，塑料土工格栅的力学性质越来越优良，广泛地应用于软基加固、加筋挡土墙和边坡防护等工程领域[1]。

传统的双向土工格栅是一种由聚乙烯、聚丙烯或其他聚合物为基体树脂，加入抗紫外线剂等助剂，经热熔、挤出、拉伸等工艺生产而成的土工合成材料。

新型三向土工格栅是国际坦萨土工合成材料有限公司发明的一种新产品，2009年引入我国。目前关于三向土工格栅的作用机理还在探讨中，本文简略讨论了新型三向土工格栅的力学性能和应用前景。

1 新型土工格栅的力学性能

国外对双向土工格栅的主要特性进行相关测试和研究后，确定出影响新型三向土工格栅加筋性能的主要因素有：肋条截面形状、肋条厚度、节点有效性、网孔形状和尺寸、平面刚度。

1.1 三向特性

双向土工格栅主要在两个方向有拉伸刚度，而三向土工格栅的刚度在3个主方向，并通过稳定的三角形结构得到进一步加强，在3个方向上都具有很高的刚度，从而真正地做到接近各向同性材料，并能在360°范围内有效传递荷载。

对双向土工格栅和三向土工格栅分别在360°范围内进行拉伸实验和对角方向行车实验，实验结果测得的两种土工格栅的拉伸刚度和行车性能结果对比如图1所示。

图1 三向土工格栅和双向土工格栅的拉伸刚度和行车性能

从该图示试验结果分析可以得出如下结论：

a）三向土工格栅比双向土工格栅在360°范围内的最小刚度有很大提高。

b）双向土工格栅仅在两个方向有拉伸刚度，而三向土工格栅在360°范围内都具有很高的拉伸刚度。

1.2 平面刚度

土工格栅的肋条截面形状、肋条厚度和肋条刚度都会影响其加筋性能。如图2所示，与双向土工格栅相比，三向土工格栅的肋条厚度更大。国内外对不同肋条厚度的土工格栅的研究表明了三向土工格栅的肋条厚度和独特截面极大地增强了结构性能，并且证实了肋条厚度对粒料约束和荷载扩散的重要性。肋条厚度的增大提高了肋条的抗弯刚度，同时使土工格栅的整体刚度得到了很大的提高。三向土工格栅整体刚度的增加也使性能得到了很大的提高，这也是三向土工格栅最重要的力学性能。

图2 三向土工格栅的肋条截面形状

1.3 节点强度

三向土工格栅是由挤出的聚丙烯板材，经过冲孔、三向拉伸等工艺制造出的独特的三向结构产品，其节点的强度在3个肋条方向都与肋条强度相等，保证了节点的有效性和整体性。其节点强度的增大提高了垂直方向上抗剪强度及以快速扩散荷载受力方向，形成拱效应，提高了回弹模量。

图3 三项土工格栅节点

1.4 网孔形状

双向土工格栅的网孔是矩形或正方形，而三向土工格栅改进为三角形网孔，具有等距离、等角度和等容积的等边三角形网孔，增强了对粒料的嵌锁作用，提高了土工格栅的拉伸模量、网格刚度和抗摩阻力。

2 新型土工格栅的试验研究概况

自从三向土工格栅出现以来，国内外很多学者和研究机构都对三向土工格栅的性能进行了大量试验研究。

2.1 行车试验

英国交通研究实验室（TRL）进行了大比例行车试验，变形测量结果表明，对于三向土工格栅，荷载作用在任何一个方向，其性能表现都很好；而对于双向土工格栅，当行车荷载与肋条方向呈45°角时，其性能显著低于在行车荷载平行于肋条方向的表现。证实了三向土工格栅近似各向同性的特点。

在英国诺丁汉大学诺丁汉交通工程中心（NTEC）进行了行车试验，对三向土工格栅和双向土工格栅都进行了测试——均达到了10 000次行车次数，研究了双向土工格栅和三向土工格栅在对角方向行车试验中不同行车次数下的车辙深度。试验结果如图4所示。

图4 三向土工格栅和双向土工格栅在不同行车次数下的车辙深度

由以上试验结果可以看出：

在相同行车次数时，使用三向土工格栅的车辙深度明显比使用双向格栅的小；而且双向格栅段的最大车辙深度是40 mm，而三向格栅的最大车辙深度为30 mm，三向格栅段的车辙深度小于双向格栅段，证明了三向土工格栅比双向土工格栅对减小路面车辙的效果更好。

2.2 承载力测试

英国建筑研究院（BRE）进行了加筋层的大比例承载力测试，并对加筋层中荷载的分布进行了研究[2]。在直径为3 m的试验箱中，荷载板为300 mm，分别采用双向土工格栅和三向土工格栅加筋，测试所得到的竖向变形和竖向应力分布如图5和图6所示，图5和图6中左半部分为双向土工格栅加筋区域测试结果，右半部分为三向土工格栅加筋区域测试结果。

对比两边的竖向变形和竖向应力分布可以得到以下结论：

a）三向土工格栅比双向土工格栅更有效地约束了发生竖向位移的深度，且增大了扩散角度，降低变形，使变形更均匀。

b）三向土工格栅比双向土工格栅具有更大的刚度和约束能力，增大了荷载扩散范围，增强了荷载的扩散分布能力。

图5 测试横断面的竖向位移

图6 测试横断面的竖向应力

3 新型土工格栅的应用前景

三向土工格栅独特的网孔形状、节点以及肋条截面使其性能有较大程度的提高。三向土工格栅的三向特性和较强平面刚度等性能特点都可以在实际工程应用以获取更好的工程效果。尤其是整体平面刚度的提高可以提高承载力、扩散应力和减小沉降量。三向土工格栅可以在以下方面得到广泛的应用。

3.1 桩承式路堤加筋

软土地基上填筑高填方路堤，常常会面临地基承载力不足、失稳、路堤沉降过大等问题[3-4]。相对于传统的超挖换填和堆载预压等方法，应用三向土工格栅在解决这些问题上具有明显的优势。首先三向土工格栅对粒料具有良好的嵌锁作用，粒料颗粒可以更好地嵌固在三向土工格栅中，并被网孔约束，从而形成更好的加强复合体。另外三向土工格栅具有较强的整体刚度，可以显著减小桩间土荷载，有效地将路堤填土荷载转移到桩顶，从而通过桩体传递到持力层。三向土工格栅在软土路基的应用可以有效减小路堤顶面沉降、不均匀沉降和路堤坡脚处侧向位移。

3.2 地基加固

目前在软弱复杂的地基上设计修建经济而符合环保要求的建筑、公路及机场等的需求是前所未有的，而这很容易产生不均匀沉降。利用三向土工格栅对建筑、道路路基进行加筋、摊铺碾压粒料时，粒料部分嵌入土工格栅网孔中产生强有力的嵌锁作用，而且三向土工格栅360°范围的高抗拉强度使其在低应变时就发挥应有的强度，可以有效控制不均匀沉降。与传统解决方案相比，在保持性能不变的基础上，可减少粒料垫层厚度达40%，减少开挖量，较大程度地节省工程造价费。

3.3 铺面工程

新型土工格栅铺面加筋不仅可以用于软弱地基上的重载铺面工程，而且可以用于开裂的倾斜复合路基与混凝土路面上加铺沥青。

对于诸如集装箱码头工程中常见的动态与静态的极重荷载，由于土颗粒与土工格栅之间独特的互锁作用，可以通过铺设多层加筋垫层系统构建刚性承载平台。这种刚柔相济的平台可有效地控制差异沉降并可横跨凹坑与空穴。另外多层加筋系统不仅可以改善填土的压实性，还可以减轻对敏感性地基的扰动或削弱。

对于道路与机场的沥青铺面工程，使用新型土工格栅可以降低工程维修费用和延长铺面使用寿命。相比于双向土工格栅，新型土工格栅可减薄沥青厚度达40%，可减小车辙深度达70%。新型土工格栅还可以在很大程度上延缓反射裂缝的产生。此外在沥青铺面工程中可采用相应的复合材料封住沥青底层，阻止水进入，延长铺面寿命。

3.4 铁道路床加筋

建在软基上的铁路道床经常发生相对较快的永久性沉降，导致了昂贵的、破坏性的、频繁的维修工作。足尺实验研究表明，软土路基上采用土工格栅加筋的铁路道床刚度与坚实地基上的未加筋道床刚度相近。由于在稳定力学层中，粒料颗粒可以更好地嵌固在新型三向土工格栅中，并被网孔约束，从而形成更好的加强复合体，而且新型土工格栅还可以增大约束区的范围和深度。因此，新型土工格栅可以与铁路道渣相互咬合而在泥炭质与冲积型软土上形成有效的加筋复合地基，同时限制道渣的侧向位移，最大限度地减小细粒料位移。此外通过加筋底基层还可以提高软土地基的承载力。

3.5 陡边坡加筋

因为各种外部条件，陡坡往往不能按设计边坡自然堆放，此时，为确保陡坡的稳定性，需要对陡坡进行加固与防护处理[5]。土工格栅加筋土陡边坡属于柔性结构，更适应地基变形，具有优越的抗震性能。加筋土陡边坡能有效地节约用地和填筑材料，而且施工快捷简便。土工格栅包裹式的加筋结构还可以在其坡面采用绿化防护，绿化美化环境，恢复自然生态，有效融入周边环境，有着较好的社会效益和经济效益。