土工布在高速公路软基加固中的负面影响分析.pdf

总 3 7 1 期第 1 2 期 2 0 0 4年 1 2月 水运工程 P o r t W a t e r w a y E n g i n e e rin g To t a l 3 71 No 1 2 De C 2 OO 4 土工布在高速公路软基加固中的负面影响分析 张功新 一 莫海鸿 曾庆军 2 刘吉福 1 华南理工大学土木工程系 广 东广州5 1 0 6 4 1 2 广 东交通职业技术学院土木工程 系 广 东广州5 1 0 6 5 0 3 广 东省航盛工程有限公司 广东 广州 5 1 1 4 4 2 摘要 从土工布作用机理着手 结合某高速公路实测资料 分析在高速公路软基处理中使用土工布可能对工后沉降以 及排水通道产生的负面影响 以期引起工程界的重视 关键词 土工布 高速公路 软基加固 负面影响 工后沉降 排水系统 荷载扩散效率系统 中图分类号 U 4 1 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 2 4 9 7 2 2 0 0 4 1 2 0 0 9 9 0 4 Ne g a t i v e Ef f e c t An a l y s i s o f Ge o t e c h n i c a l Fa b r i c i n I mp r o v e me n t o f S u p e r Hi g h wa y S o f t Gr o un d Z H A N G G o n g x i n 一 MO H a i h o n g Z E N G Q i n g j u n L I U J i f u 1 D e p t o f C i v i l E n g i n e e ri n g S o u t h C h i n a U n i v o f T e c h G u a n g z h o u 5 1 0 64 1 C h i n a 2 De p t o f C i v i l En g i n e e rin g Gu a n g d o n g Co mmu n i c a t i o n s P o l y t e c h n i c Gu a n g z h o u 5 1 0 6 5 0 Ch i n a 3 Gu a n g d o n g P r o v i n c e H a n n g s h e n g E n g i n e e ri n g C o L t d G u a n g z h o u 5 1 1 44 2 C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a c t i o n me c h a n i s m o f g e o t e c h n i c a l f a b r i c t h i s p a p e r a n a l y z e s i t s n e g a t i v e e f f e c t i n p o s t c o n s t r u c t i o n s e t t l e me n t a n d d r a i n a g e s y s t e m t h a t c a n b e p r o d u c e d i n i mp r o v e me n t o f s o ft g r o u n d h o p i n g f o r d r a wi n g t h e a t t e n t i o n o f e n g i n e e r s Ke y wo r d s g e o t e c h n i c a l f a b r i c s u p e r h i g h w a y i mp r o v e me n t o f s o f t gro u n d n e g a t i v e e f f e c t p o s t c o n s t ruc t i o n s e t t l e me n t d r a i n a g e s y s t e m e ffic i e n c y f a c t o r o f l o a d t r a n s mi s s i o n 合成纤维材料在土工中应 用始于 5 0年代末期 到 6 0 年代在欧美及 日本等地逐渐推广开来 我国在 6 0 年代中期 开始在工程 中应用 8 0年代 以后在高速公路软基处理 中得 到大规模应用 在珠江三角洲高速公路建设 中 土工合成 材料主要是与堆载预压排水固结法一起应用于软土地基处 理 对地基加筋补强以提高软土路堤在填土施工过程中的 稳定性 并调整路基不均匀沉降 由于土工合成材料性能 优良 价格低廉 使用便利而得到广泛应用 然而土工合 成材料的一些负面影响往往被工程界忽视导致未能达到预 期设计效果甚至产生工程事故 土工布是土工合成材料的 一 种 对地基加固 提高地基承载力和抗滑稳定性等方面 具有 良好的作用 但高速公路软基处理施工中 土工布除 了要注意防晒防破坏 以及防老化以外 还要注意土工布也 可能对工后沉降以及排水通道产生负面影响 1 某高速公路试验段土工布的性能指标及其施工工艺 某高速公路试验段采用 S WG 5 0 2 4 0 2 4 0 4型土工布 现场送检表明 技术指标均符合要求 砂垫层铺设厚度为 广东省交通厅资助科技项 目 编号 2 0 0 2 0 5 收稿 日期 2 0 0 4 0 8 1 2 作者简介 张功新 1 9 7 0 一 男 高级工程师 博士研究生 主要从事岩土工程方面的研究 9 9 维普资讯 总 3 7 1 期第 1 2 期 2 0 0 4 年 1 2月 水运工程 P o r t W a t e r w a y E n g i n e e r i n g To t a l 3 71 No 1 2 De C 2 O0 4 5 0 c m 铺设宽度伸出路基两侧坡脚各 1 0 m 以防止填土时 砂垫层外缘被土覆盖 堵住排水路径 土工布铺设在砂垫层 之上 对双层土工布 2 层之间填以细砂 设计厚度为3 0 c m 土工布采用预拉和用锚固沟锚固 锚 固沟设在路堤的两侧包 边土位置 内 以防锚 固沟被修坡 开挖排水沟破坏而失去锚 固作用 大小为 1 0 re x 0 5 m 为了对比分析土工布的影响 试验段 K 1 1 0 4 5 断 面铺 设了 2 层土工布 K 1 1 1 1 6断面铺 设了 1 层土工布 K 1 1 1 9 6 断面未铺设土工布 2 土工布对工后沉降的影响分析 土工布对减小沉降和侧向位移有较大作用 但对工后 沉降的影响是否也如此 值得研究与探讨 2 1 土压力的实测分析 为了考虑路肩与路 中线 因沉降不同而导致的荷载差异 影响 有效对比路肩与路 中线土压力的关系 从而衡量土工 布对荷载的扩散效应 本文引进一个荷载扩散效率系数概 念 即 路 肩土压力 路肩荷载 路中线土压力 路中线荷 载 荷载扩散效率系数越大 说明土工布对上部荷载扩散效 应越明显 图 1 从图 1 可看出 铺设土工布的路线 路肩处 的土压力 大于路中线处 这种现象在铺设 2 层土工布的路段比铺设 1 层土工布 的路段更明显 前 者荷载扩散效率系数较大 后者较小 这说明土工布将路堤荷载扩散到两侧软基土体 中 从而有效地减小了路基中心应力 但 K 1 1 0 4 5 断面在 加载前期对荷载 的扩散效应很大 到了后期逐步减小 说 明路基中线土压力在后期有所增加 而 K 1 1 1 1 6断面在加 载前期对荷载的扩散效应相对较小 然后随荷载的增加呈 上升趋势 停载后趋于稳定并略有下降 下降值可忽略 说明到了后期 路基中线土压力和路肩土压力基本上保持 不变 1 o o 八 f f f 时 间 d O 2 2 沉降速率的实测分析 为了有效对比土工布对后期沉降的影响 现利用该试验 段停载 4 个月后的实测沉降资料绘制沉降速率一 时间曲线图 如图 2 a b c 所示 其中 K 1 1 1 9 6 断面未铺土工布 从图 2可看出 铺设 1 层土工布的 K 1 1 1 1 6断面和未 铺设土工布的 K 1 1 1 9 6 断面左 中 右 3个测点 左 右 代表路肩 中代表路中线 的沉降速率随时间的变动趋势 基本一致 说明铺设 1 层土工布的工后沉降影响不大 但 铺设 了 2 层土工布的 K 1 1 045 断面路肩的沉降速率基本呈 下降趋势 但路中线沉降速率出现了较大反复 在后期出 现上升趋势 说明路基中线的沉降在后期有所增大 也就 是说产生了新的工后沉降 与土压力的实测分析结果一致 路基中线土压力在后期有所增加 2 3 土工布对工后沉降的影响估算 为估算 2 层土工布对工后沉降的影响 现假定沉降速 率正常情况下是随时间逐步下 降的 为分析方便 取路基 中线沉降速率在后期维持不变 或取两侧路肩沉降速率梯 度的平均值作为路基中线的沉降速率梯度 如图2 d 中 估 算 即点划线所示 根据图2 d 中估算值和实测值的沉降速 率一 时间曲线 利用双曲线法推算得到前者的总沉降比后者 的总沉降约 4 5 c n l 综上分析 土工布是通过对砂垫层的加筋作用一方面 使得路堤荷载向两侧扩散 减小路基中心应力 另一方面有 效约束侧向位移和侧向挤出量 从而减小竖向压缩变形 2 J 即土工布减小沉降的主要原因一方面是 由于路堤中心 的有 效设计荷载的降低 另一方面是由于侧向位移和侧向挤出 量减少 在工程实践 中 工后沉降是根据实际沉降一 时间过 程曲线进行推断的 如珠江三角洲高速公路软基加 固后总 沉降基本上就是根据实测沉降曲线利用双曲线法进行推断 从而判断卸载时机 籍 以推断 总沉降或工后沉降的荷载和 3 z 爵 蓥 柱 O K1 1 1 1 6左 中 K1 1 1 1 6 右 中 一 一 一一一一一一 一 一 一 时间 d 1 0 0 2 00 3 0 0 40 0 0 a K 1 1 0 4 5断面 图 1 荷载扩散效率 系数一 时间曲线图 1 0 0 2 00 3 0 0 b K 1 1 1 1 6断面 5 4 3 2 O 籁幡僻裁轻 赫埠 维普资讯 总 3 7 1 期第 l 2 期 2 0 0 4年 l 2月 水运工程 P o r t Wa t e r wa y En g i n e e r i n g T0 t a l 3 7l No 1 2 De c 2 O o 4 一 罨 三 斟 蛙 避 一一 K1 1 0 4 5 左 Kl 1 0 4 5中 K1 1 4 0 4 5 右 0 6 0 5 室 o 4 0 2 粪 0 0 a K1 1 0 4 5断面 0 30 6 0 9 0 1 2 0 一一 KI l l 9 6 左 K1 1 1 9 6 中 一 K1 1 1 9 6 右 一 罩 碍 蛙 蛙 Kl 1 O 4 5左 K1 1 0 4 5中 K1 1 0 45 室 一 斟 蚓 蛙 避 b K 1 1 1 1 6断面 Kl 1 0 4 5 左 实测 KI j 0 4 5 中 实测 一 KI l 0 4 5 右 实测 一K1 1 0 4 5中 推算 c K 1 1 1 9 6断面 d K l 1 0 4 5 断面 图2 某高速公路停载 4 个月后沉降速率一 时间曲线图 沉降速率实际上是土工布发生作用后的荷载 比实际使用 荷载要小 和沉降速率 土工布的约束作用使得沉 降速率 收敛较快 因此土工布是否能长期有效工作对工后沉降将 会产生影响 实测结果表明 土工布会象钢筋在长期荷载 下受力情况一样 产生徐变 松弛 锚 固部分失效等 以及 老化问题 在长期荷载下 一方面 土工布本身的强度会 产生损失 另一方面 土工布及其锚固段也会发生松弛 从而引起土工布所受拉力降低 变形增大 由于土工布的 变形增大 柔性增大 一方面使得路基中心有效荷载增大 路基中心应力增大 另一方面侧向位移和侧向挤出量增大 从而增大竖向压缩变形 即产生了新的工后沉降 根据本 文实测结果 1 层土工布的刚性较小 对工后沉降的影响 较小 可忽略不计 但 2 层土工布刚性较 大 土工布的部 分失效或强度降低对土压力较为敏感 对工后沉降产生了 一 定的不利影响 约增加工后沉降4 5 c m 显然这在高速 公路尤其桥头路堤中是不可接受的 因此 在高速公路软 基处理 中使用土工布应充分考虑其对工后沉降的不利影响 3 土工布对排水通道的影响分析 土工布的埋设位置通常在水平砂垫层上 多层铺设时 每隔一定厚度 约 3 0 0 m m 铺设 1 层 水平砂垫层厚度一 般为 5 0 0 m m 采用锚 固沟锚 固 锚固沟的位置要偏低些 或包边填压 在施工荷载下 软基产生沉降 在珠江三角洲地区 软土 沉降较大 通常情况下 沉降值会超过 1 i n以上 有的甚至 2 3 i n 在如此大的沉降下 土工布必然随之下沉并沉入地 下 这时土工布将处于积水状态 一方面 土工布由于沉入地 下 其外侧可能被周围土体封堵 另一方面 由于土工布在竖 向荷载作用下总是在不断调整不均匀沉降 因此施工中可能 存在土工布与砂垫层脱离的情况 从而堵住水平排水通道 使得整个排水系统失效 影响加固效果 国际土工合成材料 协会前理事长 名誉主席 土工合成材料顾问 J P G 1 R O U D 列举的近 1 0 0 个案例中 有不少案例就属于土工布与垫层脱 离后 由于渗流作用使得土工布发生淤堵的情况 图 3 为试验段 K 1 1 1 1 6 断面 土工布铺设在砂垫层之 上 两端锚固沟锚固 砂垫层厚度为 5 0 0 m m 砂井处理深 度为淤泥层厚度 淤泥层 软土层 与下卧层 非软土层 较硬土层 压缩变形 比例一 时间曲线图 从图 3中可看出 大约 3个月后 软土层与下面硬土层的沉降比例保持一致 两条曲线平行 说明砂井已不起作用或固结沉降已完成 而事实上 在施工期 3个月时 路堤荷载还远没有施工完 毕 固结沉降不可能完成 因此极有可能是土工布发生 了 淤堵 在施工期约 1 0 0 d 时 路堤坡趾沉降接近 5 0 0 m m 使得排水通道失效 因此土工布的埋设位置应适 当考 虑沉 1 0 1 维普资讯 总 3 7 1 期第 l 2 期 2 0 0 4 年 l 2 月 水运工程 P o r t Wa t e r wa y En g i n e e r i n g T o t a 1 3 7 l No 1 2 De c 2 O o 4 1 0 0 8 0 兰 嚣6 0 丑 冀 o 20 0 0 l 00 2 00 3 00 4 O0 5 0 0 6 0 0 K1 1 1 1 6断面 图3 某高速公路淤泥层与下卧层分层沉降比例曲线图 降的影响 尽可能地埋设在不受沉降影响的位置 同时又 要考虑不影响其加筋作用 的发挥 或者采取其它防淤堵措 施 在高速公路软基处理 中 考虑到土工布的主要作用是 增加抗滑稳定性 提高施工速度 缩短工期 因此 土工布 的埋没位置 u 考虑放在路堤极限填土高度稍低处 大约为 1 5 2 m 基本不受沉降影响 但是否会影响其加筋效果 有待进一步研究 4 结 论及 建议 1 根据土压力和沉降速率实测分析结果 土工布可 S 屯 上接 第 7 9页 博贺湾湾口沙嘴经常淹没 波浪尤其是西南向波浪可 以过沙嘴作横向输沙 这些输沙直接从主潮汐水道西坡滚 落水道内淤积 这种输沙是博贺湾潮汐水道断面较小的重 要原因 从泥沙条件看 1 在湾口沙嘴建堤 将有效拦阻越沙嘴脊的横向进 入外泻湖的泥沙 减小泥沙来源 同时增强潮汐水道的动 力 从而有利于潮汐水道的稳定 2 起步 程方案 1 东防波堤长 8 0 0 m 向海伸到 1 0 n l 水深 方案 2 东拦沙堤长 1 0 0 0 l i t 向海伸到 1 0 n l 水深以 外 如前所述 4 0 m以下的波浪已不能使该处海底泥沙产 生推移运动 而方案 1 2 拦沙堤长 5 0 0 m 堤端向海伸 到 7 m水深 绝大多数天气波浪对此处海底泥沙的影响很小 3 在外海建大港池开发方案 1 2 东防波堤的长度 都超过 1 5 k m 可形成 2 2 x 1 0 m 的储沙容积 若考虑年 沿岸输沙量为 2 1 x l O m 其拦沙作用可达 1 0 0 a o 4 博贺湾外泻湖有波浪作用的横向输 沙进 入湾内 1 0 2 有效扩散上部路堤荷载 减小施工期沉降 但对工后沉降 会产生一定的不利影响 1 层土工布对工后沉降的影响可 忽略不计 2 层 土工