土工复合材料在高等级公路路基中的应用

李姗姗

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

高等级公路一般指高速公路、一级公路及各种市政快速路。其执行的建设标准有所差异,但其路基部分建设标准基本一致[1-2]。该研究中通过对建设标准最高的高速公路路基中土工复合材料的应用效果进行分析。高速公路路基稳定性直接关系到高速公路的使用寿命,相比较传统的三合土路基,使用土工复合材料构建高速公路路基,可以有效提升高速公路路基的稳定性[3-4]。

土工复合材料有两个技术特征:①使用土工膜、土工织物等结构加强结构对土工结构进行技术改进,文献[5]在该方面进行了个案研究和仿真分析；②提升三合土各成分的纯度,严格控制其成本比例和粒径,文献[6]在该方面进行了个案研究和仿真分析。

该文重点梳理高速公路路基建设过程中的土工复合材料应用策略,对比分析其优势劣势,寻找最佳的土工复合材料应用方案。

1 土工膜、土工织物的应用方案

早期技术体系中,土工膜、土工织物在高速公路路基中的应用模式,是通过在土工系统中结合土钉锚索等结构,将土工膜、土工织物等复合材料应用到高速公路路基结构中,形成防渗、排水、加强筋等结构。其应用模式如图1 所示。

图1 土工膜、土工织物在高速公路路基中的应用Fig.1 Application of geomembrane and geotextile in expressway subgrade

图1 中,接近自然堆积坡度的高速公路土工基础部分呈现近似梯形的结构,其中应用土工膜、土工织物的结构主要有两部分:①两侧边坡的护坡土工结构,结构主体由复合材料构成高强度、强弹性的具有一定主动预紧力的护坡结构,该结构由土钉嵌入到高速公路基础结构中,必要时采用贯穿锚索连接两侧护坡结构,使用贯穿锚索的预紧力使两侧护坡结构达到一定的支护预紧力；②埋入高速公路土工基础中的排水结构,一般采用复合材料形成一种多孔吸水、排水结构,确保因降雨等原因造成土工结构冲水时,内部渗水形成对两侧排水渠结构的持续渗透压力,快速排出土工基础结构中的水份,且避免因为该排水过程中冲蚀土工结构[6]。实际应用过程中,上述两种土工结构存在互斥互补关系,以下主要针对结构稳定性和排水能力进行分析[7]。

加强护坡结构可以有效提升土工路基结构的稳定性,使其在特定顶部动载荷和静载荷的影响下,发生的塑性形变更小,也可以充分提升土工路基结构的阻水性。但因为土工路基结构的阻水性增加,其排水能力也会显著下降。反之,加强排水结构会将土工路基结构进行分割,这使得其土工结构稳定性下降,在特定顶部动载荷和静载荷的影响下,其发生塑性形变的可能性增大[8]。且因为排水结构对土工路基结构的受力结构进行分割,导致其受到较大顶部动载荷和静载荷的前提下,可能发生路基土工结构的整体位移,导致路基失稳,引起较严重后果。如果不使用复合土工结构中的排水结构,理论上可以大幅度提升土工路基结构的受力稳定性,但在含水条件下,特别是灾害型降雨条件下,土工结构中的含水量接近饱和,路基土工结构因为饱和水环境影响,其稳定性急剧下降[9]。在MATLAB 下加载SimuWorks 仿真组件,考察护坡+排水结构和仅护坡结构条件下的数据表现[10],得到图2 中数据结果。

图2 两种复合土工结构的含水稳定性表现图Fig.2 Water bearing stability of two kinds of composite geostructures

图2 中,两套方案护坡结构一致,均为护坡复合膜配合土钉和贯穿锚索形成护坡结构,但护坡+排水结构采用预埋式排水复合土工织物实现。仿真结果中,护坡+排水结构在土层含水饱和度达到67% 前,其路基稳定性系数一直小于仅护坡结构。但当土层含水饱和度达到67% 时,两套方案给出的稳定性系数均达到0.78,此时护坡+排水结构的稳定性系数下降幅度基本保持不变,但仅护坡结构的稳定性系数急剧下降,可认为此时高速公路路基系统已经达到失稳状态[11]。

2 土工材料的含水稳定性提升策略

除上述两套方案外,当前技术改进相关研究中,土工复合材料高速公路路基中的技术体系还包括以下要素:

(1)土工结构外层防水防渗结构

上述仿真分析中发现,土工结构含水量是影响土工结构稳定性的重要因素,所以,减少雨雪天气高速公路路基土工结构的浸水量可以有效减少土工结构的稳定性损失。相关技术实现模式较为丰富,但注浆法和喷浆法是其重要实现方式。注浆法是在土工结构中注入防水层实现阻水防渗功能,一般采用混凝土注浆法、交联反应剂注浆法等进行注浆,其中交联反应剂可以在土层表面一定深度内实现复合阻水结构,有效防止降水渗入。喷浆法是在土工结构表面喷涂防水材料,也分为混凝土喷浆法和交联材料喷浆法。实际仿真分析中,喷浆法短期内的阻水性能显著强于注浆法,但其可用寿命显著短于注浆法,其仿真表现如图3 所示。

图3 防渗结构的应用寿命表现Fig.3 Application life performance of impervious structure

图3 中,喷浆法的实际应用寿命约为2 年,2 年内,喷浆法的阻水系数显著优于注浆法,但2 年后,喷浆法的阻水系数急剧下降。实际应用中,针对高标准建设需求,需要选用喷浆法进行表面阻水,而在其寿命期达到设计年限时,应进行修复维护以持续保障其阻水系数的稳定性。

(2)土工路基夯土成分的优化策略

早期公路土工路基建设中,一般就地取土进行夯土施工,土中涉及到大量的腐殖质、植物根系、虫卵等有机物和生命体,虽然也会在其中加入粉煤灰、生石灰、熟石灰等成分降低三合土肥力,防止三合土在后期过水渗水过程中,因为有机质反应和生命体活动造成的结构损伤。但是,这种模式也面临着诸多问题。如其结构中的非均质性特征导致先天裂隙影响其稳定性,导致其实际稳定性表现与仿真稳定性表现出现较大差异。所以,当前技术条件下,对夯土路基的三合土进行深度加工,通过高温烘干处理使其充分灭活,通过粉碎和精筛工作循环取出其中的石子、根系等杂质,使其重新加水夯实后,结构均一性得到充分表现,更能做到与粉煤灰、石灰等土质加强成分的混合均匀度。经过夯土成分优化的夯土路基结构,其实际应力表现与仿真结果更为接近,也与上述复合土工结构的融合程度更高。

(3)桥涵相关结构中的土工复合材料应用

低等级公路中,桥头跳车现象几乎难以避免。其根本原因为桥涵结构应用了刚性弹性表现更佳的钢筋混凝土结构,而两侧引桥部分应用了塑性表现更为显著的夯土结构,随着公路寿命对引桥塑性表现的影响逐渐积累,桥涵结构两侧的路面高差发生变化,最终引起桥头跳车。而市政快速路的设计车速一般可以达到70～100 公里每小时,高速公路的设计车速一般可以达到90～120 公里每小时,这种车速条件下会直接带来安全隐患。所以高标准公路中利用土工复合材料减轻桥头跳车,可以有效保障高标准公路中高速行驶车辆的安全性。实际技术体系中,在夯土路基上表面增加预紧复合结构,加大顶部土钉密度,使用注浆法等辅助方法加强夯土路基的强度,防止其长时间应用中的塑性变形量,是解决桥涵结构相关土工结构问题的关键。实际设计中,应在仿真环境下比较相关结构的实际性能,加强复合土工材料应用。

综合上述三点技术要素,土工复合材料是一种针对夯土路基土工结构稳定性能和排水、防渗性能的重要技术体系。影响土工结构稳定性的直接诱因分为两个方面,一是土工复合材料提供的预紧力使得土工结构可靠性增加,二是土工复合材料提供的排水、阻水、防渗性能防止土工复合材料出现水饱和状态,减少降水天气对土工夯土结构的影响。所以,使用土工复合材料对高标准公路基础结构稳定性具有不可替代的积极意义。

3 总结

土工复合材料的两个重要应用场景:一是配合土钉、锚索等结构力学工具,加强土工结构的预紧力,增加其稳定性和阻水性；二是增强土工夯土结构内部浸入水的排出能力,减少浸水对土工夯土结构的影响事件,同时通过土工复合材料充分阻止降水向土工夯土结构中的渗入。该文并未针对土工复合材料的技术革新方向进行研究,且其主要研究方向为高速公路,对一级公路、城区市政快速路等高标准公路的研究并未展开。该文对之前相关技术进行基于文献资料的梳理,发现其中的工程学逻辑和技术体系,对后续高标准公路夯土路基建设中的土工复合材料应用体系具有参考意义。