气泡混合轻质土在练杭高速公路路基填筑中的应用

引言
　　土工合成材料兴起于20世纪50年代，近几十年来随着化工产业技术的进步及岩土工程技术的发展而成为岩土工程领域的奇葩，引起了岩土工程领域的一场革命。
　　1 土工合成材料的应用历史及分类
　　1.1 土工合成材料的发展历史
　　土工合成材料是以合成纤维、塑料、合成橡胶等高分子聚合物为原料制成的新型材料。目前在道路工程中已被广泛地应用于软土地基处理中。
　　土工合成材料是工业发展的产物，应用于土建工程则是20世纪50年代才开始的。首先是将塑料薄膜作为防渗材料应用于水利工程。到50年代末，土工合成材料开始应用于海岸护坡工程。70年代末，随着无纺织物的推广，土工合成材料才以很快的速度发展起来，从而在岩土工程学科中形成一个重要的分支。1977年在法国巴黎举行的第一次国际土工合成材料会议上，J.P.Giroud把它命名为“土工合成材料”(Geotextile)，并于1986年在维也纳召开的第三届国际土工合成材料会议上将它称之为“岩土工程的一场革命”。
　　我国从60年代中期到70年代末，开始将有纺织物应用于河道、涵闸工程及用于防治路基翻浆冒泥等，属于初期创始阶段；80年代初至80年代中期，土工合成材料逐渐在我国的水利、铁路、公路、军工、港口、建筑、矿冶和电力等领域逐渐推广应用，为中期发展阶段；90年代以后，特别是1998年洪水以后，土工合成材料在国家相关部门的直接关注下上了一个新台阶，土工合成材料生产企业大规模出现，各种行业标准和国标相继出台，使得土工合成材料的应用有规可循，进入了土工合成材料的逐步成熟阶段。
　　1.2 土工合成材料原料及分类
　　土工合成材料由合成纤维制成，合成纤维是以煤、石油、天然气等作为原料，经过化学加工而成为高分子聚合物，再经机械加工制成纤维、条带、网格、薄膜等。
　　2 土工合成材料的特性
　　土工合成材料的突出优点是：重量轻；整体连续性好，如有需要，长度上可制成数百米到上千米；施工方便、抗拉强度高、耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好。
　　缺点是未经特殊处理则抗紫外线能力低，阳光紫外线直接照射容易老化，但若不直接暴露，抗老化及耐候性能仍然较高。
土工合成材料产品性能指标包括以下几个方面。
　　2.1 产品形态及物理性质
　　土工合成材料产品因制造方法和用途不一，宽度和重量规格变化较大，宽度可加工1m~20m，质量一般为50~1200g/m2，应用于软土地基处理中一般为数百克。开孔尺寸(等效孔径)无纺型土工织物为0.05~0.5mm，编织型土工织物为0.1~1.0mm，土工垫5~10cm，土工网及土工格栅5~100mm。
　　2.2 力学性质
　　表征力学性质的主要指标有抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、穿透强度、握持抗拉强度、顶破强度、疲劳强度、徐变性、聚合物与土体间摩擦系数等。对于抗拉强度大部分常用的无纺型土工织物为10~30kN/m。高强度的为30~100kN/m。最常用的编织型土工织物为20~50kN/m，高强度的为50~100kN/m。个别的编织土工织物可达到100~1000kN/m。
　　2.3 渗透性
　　渗透性是土工合成材料的重要水力学特征之一，可分为垂直于材料平面的渗透性和平行于材料平面的渗透性，其指标大小以渗透系数表示。编织型土工织物渗透系数一般为8×10-4~5×10-1cm/s，无纺型土工织物渗透系数一般为4×10-3~5×10-1cm/s，土工膜渗透系数为3×10-10~5×10-11cm/s。
　　3 土工合成材料的作用原理及应用
　　根据土工合成材料的自身特点，其在岩土工程中的主要作用有：反滤、排水、隔离、加固强化以及防护等，本文有选择地对其三个应用进行论述。
　　3.1 反滤及排水作用
　　部分土工织物在单向渗流的作用下，在紧贴土工织物土体中，发生细颗粒逐渐向滤层移动，同时还有部分颗粒通过土工织物表面被渗流带走，遗留下较粗的颗粒。从而与滤层相邻一定厚度的土层逐渐自然形成一个过滤带和一个骨架网，阻止土粒的继续流失，最后趋于稳定平衡，亦即土工织物与其相邻接触部分土层共同形成一个完整的过滤系统。
　　利用土工织物的反滤特性，工程中为保证构造物在有渗流的情况下的稳固，防止流土、管涌和堵塞的发生，可选用适当规格的土工织物铺设在被保护土层位置，起到与砂砾反滤层同样的效果。目前新型土工织物还具有良好的三维透水性，利用这种特殊性不但可以起到反滤作用，还能使水经过土工织物的平面迅速沿水平方向排走，构成水平排水层，且不会堵塞。还可与其它排水材料(如粗粒料、带孔排水管、塑料排水板等)共同构成更为高效的排水系统。
　　使用土工织物充当反滤层的有利点在于土工织物的孔隙率比砂高得多，同时合成纤维的密度比砂低得多，一般仅为砂的1/10，在反滤特征相同的情况下，所需砂砾反滤层的质量是土工织物的10倍，而所需厚度是土工织物的100~1000倍，总重量可相差1000~10000倍。
　　工程应用场合包括用土工织物包裹碎石构成暗沟或渗沟、用土工织物作为浸水坡面防护中防护结构下的反滤层、支挡构造物排水孔后的反滤(土工织物)、软基处理地表排水垫层(土工织物)等。
　　3.2 隔离作用
　　由于土工织物具有抗拉、抗顶穿、抗撕裂、耐酸碱性、耐生物侵蚀性等特性，同时具有较强的整体连续性和柔韧性，在经受外力、变形和各种环境变化的情况下不破损。将土工织物设置于两种不同材料之间，将渗透性较土工织物大的两种材料相互隔离，可在结构物受力的同时发挥其各自的作用，从而有助于受力结构体的形态保持，避免混杂产生不良效果。 隔离作用是土工合成材料在软土地基处理中较为重要的应用，目的在于防止由于局部承载力丧失而造成的路基填土与软弱地基相互混杂，补偿地基中抗剪强度不足，防止由此可能导致的圆孤滑动破坏，并可有效地加快工期，降低成本，减少路堤间不均匀沉降，同时有利于排水和加速土体固结。
　　3.3 加固作用及计算方法
　　利用土工织物的高强度、高韧性的力学性能来分散荷载，增大土体刚度模量，形成复合地基，改善土体的受力性能。
　　土工织物对软土的加固作用主要采用水平加筋的方法。复合地基中，土工织物主要处于受拉状态，同时由于土工织物有一定的开孔率，通过与土体颗粒以及其它粒状填料之间的嵌锁与咬合，使对土体产生了一个类似于侧向约束压力的作用，通常可采用将土工合成材料反包回折的方式进一步增强侧限作用，使得复合土体形成一个稳定的、具有较高的抗剪强度和变形模量，能抵抗水平剪力的类似柔性平台的复合结构，使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。
　　当地基可能产生剪切破坏时，铺设的土工织物将阻止破坏面的出现，从而提高地基的承载力。当土工织物受到集中荷载作用时，在较大的荷载作用下，高弹性模量的土工织物受力后将产生一部分垂直分力，抵消部分荷载。
　　在软土地基路基底与填土之间铺设土工织物，是目前道路工程中常用的浅层处治方法，特别是土工织物加粒料垫层更为常用。此外，铺设土工织物后施工机械行驶方便，在填土预压下还能起排水作用，从而加速排水固结和沉降稳定。具体处理方法是将具有一定刚度和抗拉力的土工织物铺设在软土地基表面，再在其上填筑一定厚度的粒料垫层(碎石或砾石土)，在路堤荷载的作用下使路基底部的土工织物产生拉应力；而作用于土工织物与地基土间抗剪阻力就能相对地约束地基的位移；并且作用在土工织物上的拉力，也能起到支承荷载的作用，如图1所示。
　　可用如下公式计算采用土工合成材料加筋强化后的地基承载力：
　　Ps+ c=Q+αCNcb+2TsinθβTRNqb+γDƒNqb
式中：Ps+ c——复合地基承载力，kN/m；
　　Q——原地基的极限承载力，kN/m；
　　α、β——地基形状系数；
　　C——土的粘聚力；
　　Nc、Nq——与土质有关的承载力系数；
　　b——基础宽度，m；
　　T——土工合成材料的拉力，kN/m；
　　θ——基础边缘与土工织物的倾斜角，一般取100；
　　R——假想圆半径，一般等于3m或软土层厚度的一半并不超过5m；
　　γ——土的容重，kN/m3；
　　Dƒ——填土下沉及侧向隆起量，m。
　　土工织物作为路堤底面的垫层，除了能提高地基承载力和增加地基稳定外，还有一个主要作用就是减少路基底部的差异沉降。一般情况下土工织物与砂垫层共同作为一层，这一层具有与路堤本身及软土地基不同的刚度。通过这一垫层将路堤自身荷载传递到软土地基中去，它既是软土地基固结时的排水层，又是路堤的柔性筏基。使地基变形显得均匀，基底中心最终沉降量比不铺土工织物要小，施工速度加快，并且能较快地达到所需的固结度，提高地基承载力。
　　3.4. 工程应用实例
　　东沽路位于天津市津南区咸水沽镇，主线全长约3.8km，双向6车道布置，两侧设置非机动车道和人行道，路基全宽41m。工程所在区域基本为多年淤泥沉积严重的鱼塘，部分路段位于老河道河床范围，沉积的淤泥质粘土软弱土层呈流塑及软塑状态，含水量高、渗透性差、压缩性高，承载力低，层厚一般为4~6m，是典型的河滩相沉积软土。其物理指标如表2所列。
　　由于软土厚度较厚且分布面积较大，完全清除将极大地增加工程投资费用，采用排水固结的软基处理方法时间上又不允许，经设计人员研究决定采用浅层换填的软基处理方式。即通过将软弱地基部分挖除，用透水性好、强度较高的材料(如山皮土、砂砾、碎石、钢渣等)进行回填的软基处理方式。因软土层厚度较厚，底层软土仍然存在，换填的散体材料势必在压力作用下嵌挤进入软土地基，使得换填效果降低。
　　为了解决这个问题，必须加强换填材料的整体性，使其成为一个整体承托层(即“人工硬壳层”)，来自上部的自重应力及附加应力能够均匀地分散到软弱土层上，避免局部的应力集中产生不均匀沉降或者承载力丧失，土工格栅的应用，能很好地解决这个问题。
　　采用的处治方法如下：挖除表层1.5~2.0m流塑状淤泥后，铺设两层竹笆，通铺一层聚丙烯双向土工格栅，然后填筑80cm拆房土作为承托层，土工格栅在拆房土顶面反包2.0m，然后再用素土正常填筑路基。
　　东沽路竣工通车至今，从使用土工织物处理软基的实际工程效果来看，地基承载力得到明显提高，并有效地控制了不均匀沉降，地基加固处理达到了预期效果。
表2 软土物理力学指标汇总表
　　4 结语
　　土工合成材料在实际工程中的应用效果表明，土工合成材料在处理软土路基及路基加固方面效果明显，物理力学性能良好，对于拆房土等建筑垃圾同样适用。对于软土路基处理，特别是分布范围广、厚度厚的软土区域具有很高的推广价值。同时有效地利用了城市建筑垃圾和工业废渣垃圾，变废为宝，解决了环境保护问题。