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来源:    点击:   发布时间:2019-10-04 14:29
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土工格室在国家高速公路上的应用
土工格室作为一种新一代的合成材料,在八十年代末90年代初,欧美等国家就开始了大量的研究开发工作,并经试验和现场应用证明在提高一般填土承受动荷及其路基防护方面均极大的效果。我国在90年代初在吸收国外先进经验的基础上,开始了土工格室的研究开发工作,并在道路基床病害整治,固定松散物质的应用方面获得了重大突破。随着人们对土工格室特性的进一步了解,已经发现其具备其它土工材料不可取代的特性,让其在很多领域有着特殊的应用前景。
1 土工格室的特性
土工格室是一种采用高强度度聚乙烯片材,经超声波焊接等方式连接,展开后呈蜂窝状的三维立体网格结构材料,属于特种土工合成材料。在岩石工程中与土、砂、石等填料共同产生不同视粘聚力、不同加筋强度、不同深度的垫层。这些垫层可按工程的要求放放在需要的位置,用以加固公路的路基、边坡防护、修建挡土墙等。其的特性是可以完成岩石工程中常规方式很难处理的多种疑难问题,如桥头跳车、软基凹陷、翻浆、塌方等。具备质材轻,耐磨性,耐老化,耐化学腐蚀,适合温度范围广,拉伸高强度,刚性、高韧性,耐冲击力强,尺寸比较稳定,运输方便等特点。在施工中连接简单易行,施工方式简单,因此优化了施工方案,提高了施工效率;也可以循环使用。
2 土工格室的基本原理
土工格室之因此具备卓越效果而受到工程界的关注,还需从其基本原理说起。国外文献中在描述其原理时称之为“一种蜂窝状三维限制系统,能在比较大范围内明显提升普通填充材料在承载和虫蚀控制应用中的性能。”它的主要原理就是三维限制。众所周知,当车辆行驶在沙漠上时,就会压出两道深深的辙印,被压部分深深下沉,车辙两边会高高凸起。后面的车辆倘若继续顺着车辙前进,凹陷部分会进一步下沉、凸起部分会进一步凸起,直至凸起部分蹭到了车底盘、凹陷的车辙埋没了大半个轮子,继而无法前行。究其原因是,就是因为当外荷作用于地基表面时,按照普朗特尔理论和泰勒理论可知:在集中载荷的效果下,主动区1受压下沉,并将力向两侧分解传递给过渡区2,过度区2又传给被动区3,被动区就会没有限制地发生形变而凸起。换句话说,载荷万一作用于路基,在载荷的下方就会产生起契状的主动区域,它又经过过渡区域进行挤压,因此使被动区域发生凸起。换句话说,经过沿滑移线的剪切力和移动主动、过渡、被动三个区域的力决定了地基的承载能力。不单在沙基地上可以非常显著的体会到以上原理的真实过程,在软基公路上也会找到这种的样板,只是其产生的速率较之在砂上的变化慢些而已。即便较好的路基材料也仍然不可杜绝其横向移动。通常的高速公路路基都高出地面好几米,吸水翻浆很难,但常年沉降依然存在。究究其原因,雨水滲透、材料流失、基地下沉是其中部分原因,路基路面在车轮载荷常年碾压、振动力的效果下,材料向路基断面两边横向位移不可否认是另外一个非常关键性的原因。以我省各地各级公路为例,都有在该路的主行车道上可以明显觉获得路面已经被压出了一条“S”型沟状带。部分高速公路也不例外,汽车行驶在行车道上的颠簸明显强烈于行驶在超车带上的感觉,在道桥连接段较为明显。这种沟状路基沉降就是路基材料横向滑移的典型。
工程中一般处理路基的方式不用赘述,其目的就是提高地基材料的抗剪力和摩擦力,降低或延缓地基材料在载荷的压力或震动影响下发生移动的能力,因此工程中对材料的要求必然有很多苛刻的限制,倘若不能就近获得所需材料,就要求外购这些材料,采购材料的费用和物流运输费用占去整个工程成本的很多数。而使用土工格室就能就地或就近取材,甚至可使用在常规情况下不能使用的材料,因此大幅度降低材料采购费用和物流运输费用。为何会如此呢?土工格室承载情况示意:在集中载荷影响下,受力的主动区1依然会把所受的力传递给过渡区2,但是,由于格室壁的侧向限制和相邻格室的反作用力,及其填料与格室壁的摩擦力所产生横向阻力,了过渡区2和被动区3的横向移动倾向,因此使路基的承载能力得以提高。经过试验,在格室的限制影响下,中密砂的表观粘聚力能提高三十几倍。很明显,倘若能增加路基材料的抗剪力或三个区域移动就能取得提高地基承载力的效果,这就是土工格室的限制原理。
大多情况下格室内充填砂砾或碎石等非粘性材料,因此,土工格室加固层又是一个水平排水通道,可加快饱和土固结过程中空隙水压力消失速度,因此加快土体的固结。 总之,土工格室具备垫层、加筋、排水、调整应力及变形,提高土体防渗性能的综合效果。
3 土工格室的施工方式
土工格室作为一种新一代的土工合成材料。施工效率快捷、方便、节约人力,整平建设工地,冲洗碎屑。铺设施工垫层并压实,然后铺装土工格室,铺装中要尽量拉紧,不可以有褟皱。及时用填料填充格室内并压实,同时观测格室变形和检查密实度。后纠正边坡完工。4 土工格室在公路建设中的应用
4.1 沙漠筑路应用
早在1994年,西安公路学院与华北石油管理局筑路工程公司合作,使用华北石油管理局橡胶制品暨防腐技术研究开发所研发的土工格室,进行了沙漠筑路应用研究,重点研究了土工格室填充塔克拉玛干沙漠筑路的主要设计参数------抗压回弹模量。研究结果证明,所获得的抗压回弹模量达190∽210MPa,完全符合路基设计要求,并且土工格室填沙结构层比天然砂砾结构层减薄约10cm,可以就近取材。1995年应用此项研究在塔里木沙漠永主性石油公路塔中四∽民丰南段10Km的线路上使用土工格室填沙法构筑路基垫层。所测得的路表弯沉值为49∽64,均小于可以弯沉值,回弹模量为206.19∽273.97MPa,平均值为239.58MPa,说明格室固沙所获得的整体强度明显高于级配砂砾层的强度,并且所有层位的压实度检测都满足要求。所节约的常规路基材料费用和物流运输费用,使筑路成本降低50%,所采用的工期也比常规方式缩短60%。
4.2 软基处理
1997年,辽河油田勘察设计院海洋工程研究院,在滩海潮间带临探道路进行了土工格室筑路试验,更进一步证明了土工格室在解决沉降方面的独到效果。该地区黄海高程1m以上,涨潮水深近1m,地基承载力仅110MPa,上有10cm以上的淤泥。他们采用华北石油管理局橡胶制品暨防腐技术研究开发生产销售的20cm高土工格室两层,配合土工布作路基底层,下层格室内填粗砂、砾石,上层内填矿渣,两边用山皮石作路肩。经过潮水浸透自然沉降以后,不用碾压即可行走大型重载自卸车。经过四个多月、每天近百车次,反映了格室、矿渣路面结构高强度、整体性好、载荷均匀扩散能力强的特性。从他们在这次试验中所作的土工格室筑路与常规使用山皮石填海筑路两类的经济效益和社会效益分析中可知:使用山皮石筑路每公里造价在400∽500万元之间,工期30∽40天,每公里需要3600个运输台班,每公里占地20万m2  。而用土工格室筑路,造价在100∽130万元,工期7天左右,每公里运输台班310个,每公里占地近7000m2。两者差距之大让人惊叹。降低车辆行驶污染、降低石料用量、降低填料对海洋的污染,尤其是具备养殖价格的滩涂地区,其环保、经济效益更为可观。
4.3 湿陷性黄土地区、高填方路基填挖连接段
与其它地域相比,我省公路方面应用此项新一代材料、新工艺相对滞后。令人欣慰的是2000年在连霍国道馋兰高速公路、国道109线白兰高速公路的施工中,为了克服高填方路堤湿陷性黄土固结沉降因此导致填挖组合部出现的裂痕,采取在填挖组合部强夯加铺土工格室的应对措施,解决挖填连接段路基不同速率沉降层的衔接问题。经过实践证明,其效果非常明显。2002年,兰临高速公路、尹中高速公路均属粉性土壤,干旱缺水,因此,均采用在路面底基层或底基层下垫层加铺土工格室,处理挖填连接段、半挖半填段区别沉降,成效明显。可见,土工格室在公路中的应用范围很广,应用前景很不错。
4.4 处理桥头跳车
2001年,我省交通厅与长安大学公路学院合作完成科研项目,在连霍国道古浪至永昌高速公路全线桥梁均采用土工格室制作区别沉降过渡段,专门治理“桥头跳车”的通病。由于全线粉性土、砂性土居多,使用了10cm(高)×40cm土工格室,每个桥头处理面积需600∽800m2不等,每平米造价为26∽30元。使用土工格室可以节约大量灰土,工程综合造价与常规方式处理桥头跳车的造价相当,但效果和使用期限成倍提高。
4.5控制冲蚀的应用:护坡、堤坝
以上所举的这些例证多是利用土工格室提高承载能力。其实,土工格室的还有一个重要影响是控制冲蚀,并且在国外使用土工格室控制冲蚀的应用量丝毫不亚于承载应用。应用多的有护坡、堤坝、挡土墙、防波堤岸等等。它的原理就是增加流动能力,降低毛沟侵蚀,预防水压积聚、排除集中冲蚀。蜂窝限制结构可以固定填充材料,限制作用于上面的水压,因此改善了流动能力。蜂窝壁使正常的排水能进行,但却控制了窝内的流动速度。如同千百个微型堤坝,将集中水流分散成均匀、舒缓的薄层
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