塑料废弃物在土质路基加固中的应用与试验

何 璐 付书印 刘 超

（济南城建集团有限公司，山东 济南 250031）

新型公路网的建设面临着材料来源、材料质量、路基土强度等很多问题[1]。路基土强度是导致路面破坏的原因之一，因此为提高土质路基的性能，工程中常在路基土中添加石灰、硅酸盐水泥和粉煤灰等胶凝剂，并使用天然纤维或合成纤维提供约束来加固土壤[2]。利用土工合成材料加固路基土是改变路基性质的有效方法。与未经处理的土壤路基相比，采用土工合成材料加固路基土，可以减少路面层的厚度，从而节约成本[3]。

本文以公路工程为研究对象，通过采用压实试验、无侧限压缩试验和CBR试验，对比分析了塑料废弃物制备的土工格栅和土工格室对路基强度状况的影响。力求对塑料废弃物进行再利用，通过材料的再利用来解决与环境有关的问题。

1 材料和试验研究

1.1 材料

1.1.1 土质信息

结合工程特点，在施工现场对土壤特性样品进行选取，从深1.5m的位置选取土样，并以3m为间隔，随机在另外3个不同的位置进行取样，将取得的全部土样均匀地混合在一起，对黏土层土样的工程性能进行了分析。将选取的土壤特性样品用于室内试验研究，土壤的基本物理性质见表1，其粒径分布曲线如图1所示。

表1 试验土壤的基本物理性质

图1 试验土壤粒径分布曲线

1.1.2 土工合成材料

本文主要以土工格栅和土工格室作为土工合成材料，对其进行研究。

土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和聚酯经编涤纶土工格栅。塑料土工格栅是通过塑料拉伸形成的方形或长方形聚合物网，在塑料土工格栅制造过程中，聚合物会随着加热延伸过程重新排列，加强分子链间的连接力，从而达到提高强度的目的。

土工格室是一种三维网状格室结构，其具有伸缩自如的特点，在运输过程中可以收缩，施工时可以重新舒张成网状，填入相应的松散材料后，可以形成较强侧向位移限制和较大刚度的结构体，主要用于稳定公路和铁路的路基。

1.1.3 塑料废弃物

本文用城市垃圾中难以自行降解的塑料水瓶（聚酯-聚对苯二甲酸乙二醇酯）制备土工格栅和土工格室，土工格栅是将塑料水瓶融化后，制成宽15mm的条状结构，将条状结构粘贴在一起，形成孔径15mm×30mm的土工格栅。土工格栅是将塑料水瓶融化后，制成孔尺寸为20mm×10mm的土工格室。土工格栅和土工格室的尺寸与室内试验的相同，直径为15cm。

1.2 试验研究

本文通过压实试验、无侧限压缩试验和CBR试验，对比分析了塑料废弃物制备的土工格栅和土工格室对路基强度状况的影响。

1.2.1 压实试验

本文通过采用普氏击实试验测定试验土样的最大干密度和含水率的关系，从而确定试验土样的最大干密度和对应的最佳含水率。

将压实机平稳放置，将压实机气缸与底座连接，并在压实机气缸内壁均匀涂上薄层润滑油，将3kg～6kg的混合土样分层装入压实机气缸进行压实。在压实测试过程中，土样逐层填充，共分为3层，每层击实25次。当不同层加载样品时，每层样品的高度应相等，并对两层交界处的土壤表面进行刨削。压实后，样品在实心圆筒顶部的高度应＜6mm。

试验土壤的压实曲线如图2所示，可以看出，土壤的最大干密度为1.68g/cm³，对应的土壤最佳含水率为18.1%。

图2 试验土壤的压实曲线

1.2.2 无侧限压缩试验

当利用无侧限压缩试验对土样受压进行试验时，3个主应力只有一个不为0的特例，无侧限压缩试验可以测试土体的无侧限抗压强度和土壤的黏结力。将圆柱形土样放入无侧限压缩仪中进行加载，记录试验土壤在压应力和对应的压应变，绘制应力-应变曲线如图3所示。可以看出，当路基土的轴向压应变为0.82时，对应的抗压强度最大（122.6kPa）。

图3 试验土壤的应力-应变曲线

1.2.3 承载比试验

在本次研究中，将试验土样风干后捣碎，土样的最大粒径控制在25mm内。分别制备非加筋土样、放置塑料土工格栅的土样和放置塑料土工格室的土样。根据《公路土工试验规程》（JTJ 051—93）的标准对制备好的土样进行承载比（CBR）试验。用四分法将土样分层九份，根据上述压实试验的结果，按照18.1%的最佳含水率进行加水焖样24h。将焖好的试样按照3层法进行击实，击实后的土样高出筒高1mm～2mm，修平土样后称重。将土样在水中浸泡72h，取出进行贯入试验，贯入杆初始荷载为0kN，以1.25mm/min的速率进行加载。

在承载比试验中，废旧塑料土工格栅（PWG）和废旧塑料土工格室（PWE）分别放置在距承载比模具顶部3cm、6cm和9cm的高度。

2 测试结果与讨论

将废旧塑料土工格栅（PWG）和废旧塑料土工格栅（PWE）分别放置在距承载比模具顶部不同高度，对非加筋土和带有废旧塑料的加固土进行承载比试验，绘制载荷与贯入量的关系曲线。

2.1 废旧塑料土工格栅作为加固材料的效果

废旧塑料土工格栅加固的路基土荷载-贯入量曲线如图4所示。从图中可以看出，PWG形式的加筋土比非加筋土的承载能力更强。可能是由于塑料废旧土工格栅的功能与传统土工格栅相同，因此，塑料废弃物可以用作路基土的加固材料。承载比试验结果表明，随着PWG距模具顶部的高度降低，土的特性也随之发生变化。土样的承载能力随着PWG距模具顶部高度呈先增后减的变化。与非加筋土相比，当PWG距顶部高度3cm和9cm时，土体承载力增加缓慢，但当PWG距顶部6cm时，土体承载力显著增加。因此，当PWG距承载比模具顶部6cm时对路基土加固最有效。

图4 废旧塑料土工格栅加固的路基土荷载-贯入量曲线

2.2 废旧塑料土工格室作为加固材料的效果

废旧塑料土工格室加固的路基土荷载-贯入量曲线如图5所示。可以看出，PWE形式的加筋土也表现出与PWG相同的行为，与非加筋土相比，添加PWE明显使路基土的承载能力增加。但是，PWE形式的加筋土载荷与贯入行为跟PWG不同。当距离为9cm时，非加筋土路基土的承载能力显著提高，当距离为6cm和3cm时，路基土承载能力下降。因此，当距承载比模具顶部9cm时，PWE对路基土加固最有效。

图5 废旧塑料土工格室加固的路基土荷载-贯入量曲线

2.3 PWG与PWE在土壤中的加固效果对比

从图5和图6得知，当PWG距承载比模具顶部6cm时，路基土的承载力最大，为2.49kN，当PWE距承载比模具顶部9cm时，路基土的承载力最大，为3.76kN，因此，PWE作为路基土加固材料，承载能力更强。

图6 距承载比模具顶部不同高度处路基土的承载比变化

承载比（CBR）是表示路基土强度的参数。距CBR模具顶部不同高度处路基土的CBR值变化如图6所示。可以看出，PWE作为加固材料的CBR值在所有高度上均大于PWG。与非加筋土相比，当加固高度为9cm时，PWE的CBR值增加了252%，而PWG仅增加了20%。当加固高度为6cm和3cm时，PWE的CBR值分别增加了171%和73%。当PWE距CBR模具顶部9cm时最佳。与非加筋土相比，当加固高度为6cm和3cm时，PWG的CBR值分别增加了146%和12%，因此当PWG距CBR模具顶部6cm时最佳。

从上述结果可知，当PWG和PWE在特定高度（6cm和9cm）时，路基土的CBR值显著提高。在CBR试验中，柱塞作为基础，其宽度为5cm。考虑基础下方剪切区深度小于基础宽度，从剪切区来看，PWG的承载比在高度为6cm处有效。由于其三维结构，因此PWE有效高度为9cm。土工格室式的加固机制对土体提供全方位约束，可以避免荷载作用下的土体横向扩散。土工格室层将荷载传递给下层，可以形成土壤复合体系，从而增加土体的承载力。

2.4 承载比指数（CBRI）的变化

可以通过承载比指数（CBRI）来表现CBR值的变化。CBRI为加筋土CBR值与非加筋土CBR值的比值。PWE在距离CBR模具顶部9cm处的CBRI最大（3.49）。PWG在距离CBR模具顶部6cm处的CBRI最大（2.42）。与PWG相比，PWE的CBRI随高度变化而变。

2.5 PWG和PWE在现场的应用

PWG和PWE对路基土中的的承载力变化影响很大，因此，PWG和PWE可有效提高路基承载力。在研究中，土工合成材料宽度（Wg）与基础宽度（Wf）之比为3（Wg/Wf=15/5=3），因此可根据基础宽度选择适当的加固尺寸。

3 结论

本文以塑料废弃物为原料制备了土工格栅和土工格室，通过试验分析路基土的含水率和抗压强度。将制备的土工格栅和土工格室放置在距承载比模具顶部不同高度的位置，对非加筋土和加筋土进行了承载比（CBR）试验，观察了荷载对灌入深度的变化规律，研究结果如下。1）通过压实试验可知，路基土的最大干密度为1.68g/cm³，对应的土壤最佳含水率为18.1%。通过无侧限压缩试验可知，当路基土的轴向压应变为0.82时，对应的抗压强度最大（122.6kPa）。2）与非加筋土相比，用塑料废弃物制备的土工格栅（PWG）和土工格室（PWE）加固土壤，显著提高了土体的承载能力，塑料废弃物可以作为一种土工合成材料用于改善路基土壤。3）PWE在距离CBR模具顶部9cm处的CBRI最大（3.49）。PWG在距离CBR模具顶部6cm处的CBRI最大（2.42）。与PWG相比，PWE的CBRI随高度的变化较为明显。将PWG和PWE放置在路基土特定深度下可提高加固效果。