浅析钢塑格栅与级配碎石砂垫层在高填方路堤上的应用

2017-04-24王贤珠

福建交通科技 2017年2期

关键词：填方格栅路堤

■王贤珠

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州 350003）

浅析钢塑格栅与级配碎石砂垫层在高填方路堤上的应用

■王贤珠

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州 350003）

本文以海西高速公路网厦门至沙县高速公路德化段为工程依托，采取钢塑格栅与级配碎石砂垫层相结合方法对该路段进行加固，并总结和归纳了施工要点和施工效果，为类似工程提供借鉴。

钢塑格栅级配碎石高填方路堤应用

0 引言

由于地形地貌的复杂多样，高速公路建设中常遇到路基高填深挖的问题，对此如果处理不好，将直接影响其使用品质。高填效果自然与填料、施工工艺等息息相关，如何有效的处理高填方路堤的路基沉降，是我们控制高填效果的关键。一般根据填料的不同，以砂砾土为填料高度超过12m或其他填料高度超过20m的均称为高填方路堤，那么高填方路堤和普通路堤相比，存在明显的特点：一是无论路堤地基还是路堤本身都应有足够的强度和稳定性，二是高路堤难免带来较大的工后沉降，所以施工时需要严格控制好填筑压实度。在现有施工工艺水平下，对高填方路堤有多种处理方法：换土复填、粉喷桩、灌注浆、加筋土等，但都有一定的局限性。特别对路基基地承载力低、填方高且边坡存在滑动风险情况下，需要有更好的工艺、材料来满足技术要求，使得路堤承载力提高且整体性和稳定性得以增强。

1 工程概况

本项目为厦门至沙县高速公路德化段，路线所处区域属泉州德化县山丘地段，山体剥蚀严重，地形起伏剧烈，山体陡峭，发育冲沟洼地，山间切割很深，呈典型V字型谷地，植被发育茂密。路线所经地区大部分在山脊，较多路段路基属于高填方，提高填方路基的承载力和减少其工后沉降的稳定问题成为这条高速公路成败的关键。

由于本标段填方区的河流阶地表层为软塑状粉质粘土层，路堤填方较高，边坡位置存在滑动面，且位置处于山坳中，易于地表水的汇集。为了提高路基的承载力和减少其工后沉降，在个别高填方路段位置采用双向钢塑格栅结合级配碎石砂垫层进行加固，共设计两层双向钢塑格栅。

2 钢塑格栅的定义及特点

钢塑格栅以高强钢丝经特殊处理，以聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）为原材料，添加其他辅助剂，通过挤压技术使之成为复合型高强抗拉条带，且表面有粗糙压纹。得到单带，经纵、横按一定间距编制或夹合排列，采用特殊强化粘接的熔焊技术焊接其交接点而成型，则为加筋土工格栅。

钢塑格栅的主要特点如下：

（1）钢塑格栅的拉力由高强钢丝在低应变能力下产生极高的抗拉模量，纵横向肋条协同作用，充分发挥格栅对土体的嵌锁作用。

（2）钢塑格栅的纵横向肋条中的钢丝经纵横编织成网，外包裹层一次成型，钢丝与外包裹层能协调作用，伸长率很低，小于3%。

（3）钢塑钢塑土工格栅的主要受力单元为钢丝，蠕变量极低。

（4）钢塑格栅铺设、搭接、定位容易，可有效缩短工程周期。

（5）整体结构性强，节点强度高。

（6）钢塑复合格栅经添加各种助剂使其具有抗老化、抗氧化性能。

3 钢塑格栅与级配碎石垫层的作用机理

土体具有一定的抗压和抗剪强度，而其抗拉强度很低。当土体受压时，其破坏与否将和土体侧向变形大小有关，允许的侧向变形越小，它能承受的压力就越高。所以提高土体的承载能力，设法减小其侧向变形是一种有效的途径。

钢塑格栅作为一个高模量的整体可以大大减少在荷载作用下 ,由于土体的离散性而产生的侧向水平位移 ,同时由于它的高模量和结构效应 ,改善了路基受力状况,从而改善基础底面受力状况 ,减少沉降 ,保持了路基的整体性。

由于格栅约束层网孔具有同一形状，使土颗粒夹紧在其网格内，并且通过行车机械咬合作用产生相互有效应力传递，可阻止荷载压实引起局部位移变形，且依靠格栅的刚度、抗拉强度及网孔嵌锁三者相互作用，可使路基具有整体性，并使上下层之间土颗粒抗剪强度增强。

级配碎石垫层本身具有良好的透水性性能，结合钢塑格栅的高摩擦阻力产生高抗拉强度，从而增大路基土剪切强度和整体性，减少侧向挤压和变形。当非均匀局部荷载作用与格栅时，网格发生相应变形，格栅将会约束作用就会显示出来，使非均匀荷载均匀传递，防止不均匀沉降。

4 钢塑格栅与级配碎石垫层施工工艺及要点

4.1 施工工艺

（1）当基床开挖平整压实完成，经过检测确保合格之后即可进行砂砾垫层的铺设。结构图如图1所示。

图1 钢塑格栅和级配碎石构造图

（2）按设计文件要求先铺垫10cm厚级配碎石砂垫层，人工配合平地机整平后，振动压路机静压两遍。

（3）在平整好的碎石砂垫层上按设计宽度铺设钢塑格栅，摊铺时应拉直平顺，将强度高的方向垂直路堤轴线方向，格栅不得重叠、卷曲、扭结，相邻两幅需搭接长度大于0.2m，并沿路基横向对搭接部分每隔1m用8号铁丝进行穿插连接。并用U形钉固定，间距1.0m；横向搭接长度40～50cm，搭接位置用U形钉固定，每一处搭接位置U形钉用2～3个。

（4）土工格栅铺设完成后首先进行自检，自检合格后报监理检查，签证，合格后，再行铺筑第二层30cm级配碎石砂垫层，采用18T单轮压路机进行碾压，经合格后再原有垫层上铺第二层钢塑格栅，最后用10cm级配碎石垫层进行覆盖。回填过程中，所有施工机动车辆的不得直接在已铺设好的钢塑格栅上行走。

4.2 施工要点

（1）在施工过程中，重点应对填料的压实度和平整度进行控制，同时对于填料中的尖刺突起物应及时进行清理，以避免对土工格栅造成损坏。

（2）钢塑格栅材料摊铺到位后应及时填筑填料，以免其受到阳光过长时间的直接暴晒。一般情况下，间隔时间不超过48h。

（3）为了保证边坡的稳定，保证路基与山体紧密结合，施工时必须挖大于1m的台阶，压路机必须碾压到边。

（4）基床开挖平整压实后铺设10cm级配碎石砂垫层，级配碎石砂垫层表面铺设后应及时找平，表面局部允许高度差不大于10cm。

（5）钢塑格栅在铺设时，应将强度高的方向置于垂直于路堤轴线方向，材料之间的连接应牢固，在受力方向连接处的强度不得低于材料设计抗拉强度，且其叠合长度不应小于20cm，层与层之间回折搭接不应小于2m。

（6）格栅边缘与外侧边坡应预留20～30cm的距离，便于刷坡。

（7）填料分层摊铺，分层碾压，所选路基填料及压实度等必须满足《公路路基设计规范》JTG D30-2015规定的标准要求。

5 钢塑格栅与级配碎石垫层在路基中的应用

5.1 钢塑格栅与级配碎石垫层材料要求

钢塑格栅应符合《公路工程土工合成材料土工格栅第1部分：钢塑格栅》（JT/T 925.1-2014）的规定，如表表1所示。经检测，钢塑格栅所有指标均满要求。

表1 钢塑格栅材料要求

级配碎石砂垫层含碎石70%，粒径20～40mm，含砂30%，材料要求如表2所示。经检测，碎石、砂各项指标均满足要求。

表2 级配碎石材料要求

通过对现场碎石垫层和格栅的施工质量进行抽查验收的结果如表3所示。根据结果可知，各项指标均满足要求。

表3 碎石垫层和格栅的施工质量及检验要求

5.2 四种工况工后观测对比分析

取地基条件基本相同，路基填筑方式、填筑高度与施工时间基本相近的路段进行比较，选取K76+735～K76+ 885为第一个段落（工况1），填筑高度为22m，采用双向钢塑格栅结合级配碎石砂垫层，共设计两层双向钢塑格栅+两层级配碎石砂垫层，观测点为A1、A2、A3；第二个段落为K74+720～K74+870（工况2），填筑高度16m，采用双向塑料格栅+两层级碎石砂垫层处理，观测点为B1、B2、B3；第三个段落为K73+050～K73+200（工况3），填筑高度18m，仅用级配碎石砂垫层处理，观测点C1、C2、C3；第四个段落为K75+050～K75+120（工况4），填筑高度17m，未进行任何处理，观测点D1、D2、D3；前期每10d观测1次，并做好记录，待沉降趋势稳定后每1个月观测1次，详细观测结果如表4所示。

表4 高填方路基沉降观测结果表

观测天数为开始观测至观测完成的总天数。由于受工期的限制，就没有做进一步的观测，仅以短期内的数据作为分析。根据沉降观测天数和路基累计沉降量的分析，对其进行加权平均后可以得出：

工况1的路基施工工期间的累计沉降量为：[125d×（25+24）mm+137d×28mm]/（125×2+137）d=25.7mm

工况2的路基施工工期间的累计沉降量为：[125d×（52+54）mm+137d×52mm]/（125×2+137）d=52.6mm

工况3的路基施工工期间的累计沉降量为：[125d×（69+68）mm+137d×69mm]/（125×2+137）d=68.7mm

工况4的路基施工工期间的累计沉降量为：[125d×（83+82）mm+137d×82mm]/（125×2+137）d=82.3mm

从上述中可以看出第一个路段施工期间累计沉降量比第二个路段的施工期间的累计沉降减少50%左右，比第三个路段累计沉降减少60%左右，比第四个路段累计沉降减少70%左右。

5.3 承载能力进行比较

上述三段路基历经170天完工，测试标准车辆为BZZ-100、后轴重100kN，轮胎压力0.7MPa，单轮当量圆直径21.3cm标准车辆。采用5.4m贝克曼梁进行弯沉测试，如表5所示。

对于特异值进行了局部处理，通过四段弯沉值的比较，可以有效的得出，经过钢塑格栅+级配碎石砂垫层处理路基的弯沉比双拉塑料格栅+级配碎石砂垫层处理的路基减约40%，比仅用级配碎石砂垫层加固的路基减少大约60%，比未进行任何处理的路基减少大约80%。

表5 弯沉测试结果

5.4 施工效果

由于采用了上述施工方法，施工效果很好，经过挖开检验，钢塑格栅平整，与下承层紧密贴良好，未出现扭曲、褶皱重叠现象。经沉降观测，铺设钢塑格栅的路段平均沉降量25.7mm，且沉降均匀，趋于稳定；而未进行任何处理的路段平均沉降量82.3mm，且沉降仍在继续。结合弯沉测试，经过（钢塑格栅+级配碎石砂垫层）处理路基的弯沉大大提高了地基承载能力。同时能解决高填方路堤过大的沉降或不均匀沉降变形问题以及路堤稳定性问题。