土工格室及其应用(曾锡庭)讲解

1前言
土工格室(Geocell)是80年代在国际上出现的一种新型土工合成材料。

这是一种由高分子聚合物宽条带经强力焊接而成的三维网状结构,它伸缩自如,运输时可缩叠起来,使用时张开,并在格室中充填砂、碎石或泥土等材料,构成具有强大侧向限制和大刚度的结构。

它可以用来作垫层,提高软弱地基承载力;也可铺设在坡面,构成坡面防护结构;还可用来建造支挡结构等。

目前广泛用于浅层地基处理、坡面防冲和城市大型管道支撑等工程中。

深信在西部开发工作中也大有用武之地。

是一种很有发展前途的基础工程构筑材料。

土工格室有如下特点:
(1)可将上覆集中荷载分散,从而大大提高松
(2)抗冲蚀、耐腐蚀;
(3)填充材料可就地取材,降低工程成本;
(4)耐老化,适应温度范围宽;
(5)刚性大,填层厚度可减薄50%;
(6)材料抗拉强度高(30MPa以上),焊缝抗拉强度大(1000N/100mm左右);
(7)可缩叠,便于运输;
(8)社会经济效益显著。

土工格室目前在我国虽有应用,但范围较小,没有形成规模。

可以深信,随着人们对其固有工程特性认识的加深,将会很快推广应用开来。

以下简要介绍地工格室产品的形态、作用机理、应用概况,并就技术经济效益作出评价。

2 产品形态与规格
展开后的土工格室形似一蜂窝状的板块结构,参见图1。

图1 土工格室结构示意图
国内几家主要厂家的土工织物产品规格见表1。

3 作用机理及其试验研究
3.1 作用机理
3.1.1 用于软基加固时软土地基如不加处理在荷载作用下的破坏模式如图2(a),地基承载力很低。

铺设土工格室垫层后,当有荷载施加到充满填料的土工格室上面时,由于格室的侧限作用和格室与填料间的相互摩擦,使大部分垂直力被转化成向四周分散的侧向力,因为每个格室彼此独立,相邻格室的这些侧向力大小相等方向相反而互相抵消,从而降低了地基的实际负荷。

另外,格室的侧限作用对基层滑动面的形成或发展有一定的控制作用,使地基的破坏向深层发展,因而地基承载力得以提高,见图2(b)。

图2 软基上土工格室垫层作
用机理示意图 3.1.2用于坡面防护时没有防护的坡面会因雨水或水流冲刷出现潜蚀或坍塌,铺设土工格室后,由于格室的约束,控制了坡面的局部坍塌,且水流可以从格室侧壁特设的孔眼中排出,或经特设的土工复合排水体排出,避免形成暗流。

格室侧壁的孔眼大小和数量依据格室填料的种类不同而不同。

3.2 有关试验研究
3.2.1
室内大三轴试验
加拿大皇家军事工程学院理查德等人采用中密砂和松散砂样,以加土工格室和不加土工格的
不同类型进行试验,结果见表2和图3、图4。

表2 试验类型视粘聚力kPa 摩擦角(°)
试验表明:
土体加土工格室较之不加土工格室其应力～应变关系有明显的提升(图3)、强度包络线亦有明显的提高(图4),但摩擦角与不加土格室的砂样基本相同(表2)。

34China Harbour Engineering No.2Apr.,2001图3 主应力差～垂直
应变关系曲线图4加与未加土工格室试样强度包络线
3.2.2 公路路基室内模型静态试验
西安公路交通大学采用2m×3m模型箱对7组不同规格的土工格室进行了静载试验,结果如表3。

从表3中所列结果可以看出:
土工格室的常用规格能满足不同垫层条件的要求。

当垫层变形量(竖向位移量)达到15mm时,格室垫层的承载力可增大7倍以上,且此时的土工格室并未破坏,变形量是由下部软弱基床破坏造成的。

3.2.3 铁路路基现场动应力和动应变试验
上海铁道大学在淮南K194+480～K196+690路段埋设仪器,研究列车运行时设置土工格室后基床的应力和动应变的变化规律,并与换砂法进行了比较,结果表明:
用土工格室整治后,轨下动应力的衰减大于换砂法,但枕木端部的动应力衰减比换砂法小;基床下0.25m处的应力横向分布规律衰减很
大,且较之换砂法(出现了应力集中和不均匀沉降)更趋均匀。

关于动应变,设置土工格室后轨下和轨心都表现为拉应变,换算成拉应力后,其值均远远小于格室本身的最大抗拉强度,完全可以承受轨下最大拉应力的工作环境。

该试验最后得出如下结论:
(1)土工格室砂垫层增强了砂垫层的整体性和刚度,减少了不均匀沉降;
(2)在荷载作用下,土工格室侧向不变形对格室内的填料的横向变形起约束作用,相当于增加了横向主应力,在荷载不变的情况下,剪应力减小,这与其他加筋土的机理是一致的;
(3)土工格室砂垫层有效地改变了动应力的分布,垫层下基床的应力分布较其他方法更趋均匀。

4 应用领域
主要应用于浅层地基处理和坡面防护等类型基础工程。

典型应用领域如下。

4.1 应用于铁路路基
将土工格室设置于道床底部(基床顶部),可改善路基的承载特性,使荷载传递至格室下土体的应力减小,因而土体的变形也减小。

在铁路路基施工铺设土工格室时,通常情况下,其基床软土的挖除深度只需相当于格室的高度部分即可,也无需加深侧沟,可使软土的挖除量减少,施工难度大大降低,缩短工期、节省投资,参见图5。

4.2 应用于高速公路、堆场、仓库地面地基处理
在软土地基上修建高速公路时,采用砂石置换软土层的地基处理方法容易产生沉降变形,且投资大、工期长,改用土工格室处理地基,不仅改善了路面的承载性能,而且可大大减轻劳动强度,减少路基厚度,从而降低成本。

参见图6。

同理,土工格室可用于处理堆场地基、仓库地基及其他需进行浅层处理的地基。

4.3 用于边坡的防护
用于边坡防护时,展开后的格室形成一层层挡墙,可大大缓解水流流速,避免坡面径流的形成。

格室内可填充土壤,上面可以植草和灌木,在原始坡面无法形成植被的情况下,同样可获得理想的绿化效果,具有不可估量的环保价值。

另外,土工格室因具有整体性和一定的柔性,大
大弥补了片石骨架防护具有的松动、塌陷、架空等缺陷,且施工快捷、造价低,是一种理想的护坡用土工合成材料。

见图7(a)、(b)。

图7 土工格室用于边坡防护工程
4.4 用于挡土墙及江湖围堰
采用土工格室建造挡土墙,结构稳定性好,可防止陡坡表面被雨水冲蚀,与混凝土墙体相比,造价降低50%以上同时,表面可种花草,美化环境。

参见图8。

图8 土工格室构筑挡土墙示意图
4.5 用于沙漠地区筑路
由于探矿、采油等工作需要,常需要在沙漠地区筑路,砂漠中往往地基松软,且荒无人烟,常用筑路材料匮乏,因此筑路困难,成本很高。

使用土工格室可解决这一难题。

先将土工格室拉开,直接固定在沙基上,然后就地取材填入砂石,操作简单、效率极高。

施工后的路面可满足各种重型卡车长期使用。

参见图9。

图9 沙漠地区修筑公路
4.6 用于管道或下水管的支撑结构
土工格室可替代石料作为管道或下水管的支撑结构,格室材料可就地取材,形成一坚固耐久的整体板块结构,土工格室具有一定的刚度,可减少管道的长期微量下沉,对长距离大型运输管道,特别是在缺乏石料的地区使用,更为经济实用。

4.7 在潮间带道路上应用
海滩潮间带筑路费工费料,是一项移山填海式大型工程,而采用土
工格室联合土工织物的方法,则变得轻而易举。

先将无纺土工织物平铺在海滩上,再在织物上设置土工格室,展开、固定后,在格室中置入砂石料,经压实而成一条永久性的道路。

即使潮水淹没,也不影响道路的强度,见图10。

图10 潮间带筑路
5 施工
土工格室施工简单，步骤如下:
(1)场地整平,挖除相当于格室高度的表层软土;
(2)将格室产品出厂片用联接件联接成施工单元片,将叠合的格室拉开(格室下是否需铺土工织物或其他毡垫材料,视地基情况和使用要求而定);
(3)固定已拉开的格室:可采用土钉法或以伸张器框支护的方法固定;
(4)用人工或装载机采用逐步推进法往格室内充填粒状材料,直到充满并超越格室顶部,然后进行振动或碾压,至此土工格室施工即完成。

注意事项：
a.充填材料可选用碎石、砂或土,以就地取材,降低成本,同时能满足使用要求为准。

b.土工格室顶部应有不小于5cm的砂垫层。

(5)此时格室系统能支撑起各种施工机械,可在其上直接施工，并按常规方法完成面层施工。

6 技术经济效益分析
(1)与土工织物、土工格栅和土工网等其他平面型土工合成材料相比,土工格室为立体结构,通过改变格室高度或格室板块的组合型式,可获得刚性、半刚性等性质完全不同的板块。

这种多元选择手段为解决工程难题提供了更大的空间。

(2)土工格室具有最佳的承载性能和抗冲性能。

在较大的静载、动载及循环荷载作用下,一般不会影响格室的性能。

(3)采用土工格室作浅层地基处理,在劳动强度、施工进度、处理后的地基技术性状等方面较之于常规浅层地基处理方法有优越之处,省时、省力、且能大大降低工程造价。

(4)土工格室用于公路工程路基处理,可做到就地取材,快速高效,此点在筑路材料匮乏地区尤为重要。

(5)土工格室用作沙漠临探路时,除了可靠、适用、快速、高效外,格室材料还可重复使用,此处用过之后取出还可用于他处。

(6)土工格室可叠合,仓储、运输都很方便。

(7)土工格室用于边坡防护时,除施工快捷、造价低廉外,同时可绿化环境,改善自然景观。

(8)在西部开发中,会遇到如软土、湿陷性黄土、沙漠筑路等问题,土工格室将会发挥更大的作用。