土工合成材料在公路台背回填中的应用

土工合成材料在公路台背回填中的应用

【摘要】桥、涵两端的不均匀沉降对于道路、车辆和驾乘人员都有不同程度的影响与危害。本文主要对于土工合成材料在公路台背回填中的应用进行分析，并探讨了工合成材料对回填材料本构关系的影响，有利于桥路施工水平提高。

【关键词】土工合成材料；台背回填；材料本构分析

0.概述

公路桥梁、涵洞(通道)和挡土墙是公路的主要构筑物，这3类构筑物的台背回填是一项容易被忽视又不容易做好的工作，常常因为为多种原因而严重影响公路的使用性能。路面施工完成后桥、涵结构物台背回填区继续沉降，致使台背与结构物连接处出现台阶，车辆通过时容易产生腾空现象，工程界通常称作为“桥头跳车”。挡土墙墙背回填材料在雨水的浸泡下容易改变原材料的特性参数而使挡土墙出现稳定性破坏，如倾覆、滑动等现象。桥、涵两端的不均匀沉降对于道路、车辆和驾乘人员都有不同程度的影响与危害。首先，桥头的不均匀沉降使得车辆在通过桥涵结构物时，对结构物产生不小的冲击荷载，严重损害路桥结合处。为了维护高速公路的良好使用状态，对桥涵两端的不均匀沉降要及时进行维修，不断的维修不仅要耗费大量的入力、财力和物力，而且也产生了不良的社会影响。其次，桥头跳车对车辆的损害也相当大，并且加大了行车的油耗。另外，桥头的不均匀沉降会导致车辆行驶至桥头时不得不减速通过，影响了车辆的行驶速度。而且，对于高速公路来说，桥头跳车对行车质量的影响尤为明显，降低了驾乘人员的行车舒适性。

因此虽然国内外对台背回填的设计、施工有很多实践，但是没有形成适合地区特点的对台背回填结构设计技术指标和性能要求，尤其是在西部地区经常遇到高边坡挡土墙、高填土桥台、高路堤涵洞等构造物台背填土的实际情况[1,2]。因此，结合局部地区的特点，进行台背回填时，考虑到土工合成材料的应用是很有必要的。

1.工合成材料对回填材料关系的影响

1.1加筋对材料强度特性的影响

由于土工合成材料的加入，使原先的回填材料的特性与加筋后的材料完全不同，为此专门进行了材料本构关系的研究。

1.1.1摩尔圆和强度包络线

从风积砂和加筋风积砂的强度特性比较，以及砂砾和加筋砂砾的强度特性比较来看，①尽管有加筋存在，复合土体达到极限状态时剪应力与主席力的关系及潜在破裂面形式仍然符合Mohr-Coulomb强度破坏准则。②格栅加筋作用提高了

加筋复合体的c和φ。其中，风积砂试件相对密度Dr较大，砂与格栅结合紧密。试验中发现，剪切面通过的格栅网格变形较大。因此，由于格栅对风积砂的侧向约束作用提高了加筋复合体的内粘聚力；砂砾的相对密度Dr较小，试验中发现，格栅网格变形较小。因此，由于格栅与砂砾之间的摩擦作用提高了加筋复合体的内摩擦角。

1.1.2破坏主应力差与围压的关系

从加筋前后风积砂和砂砾的破坏主应力差(抗压强度)与围压的关系曲线得知，加筋后试件的破坏土应力差(极限抗压强度)比不加筋时明显增大。随着围压的增大，极限抗压强度的增加百分率有所减小，说明低围压时加筋效果更加明显。

1.2加筋对材料应力应变关系的影响

从加筋前后风积砂和砂砾的应力-应变关系，比较加筋前后材料的应力应变关系，可得如下结论：①对于未加筋的风积砂和砂砾试样，当其强度达到峰值后，其曲线就开始下降(软化特征)，而土工格栅加筋后的风积砂和砂砾试件达到峰值强度后，其总体强度仍在继续增大(硬化特征)。说明格栅加筋作用延缓了复合体的破坏。因此，加筋能够提高桥涵台背回填材料的稳定性，在交通荷载和自重的作用下，加筋后的回填材料能够承受较大变形而不破坏。②格栅主要提高了复合体的后期强度。在初始阶段，复合体的变形(尤其是侧向变形)较小时，加筋复合体的应力-应变关系曲线和未加筋的基本重合，没有体现格栅的加筋作用。只有在轴向应变大于一定值时，土工格栅的加筋作用才得以充分发挥。在桥涵台背与回填材料之间设置易变形EPS夹层的目的之一就是增加回填材料的变形，进一步发挥格栅的加筋作用。

1.3加筋对材料轴向应变和体变的影响

比较加筋前后材料的轴向应变、体变和围压的关系，可得如下结论：①加筋复合体的破坏轴应变比不加筋时明显增大，说明加筋对材料的破坏有延缓作用。②加筋后的破坏体应变相差较小，说明加筋对破坏轴应变的影响明显大于对体应变的影响。

1.4加筋提高了复合体的刚度

当加筋复合体的主应力差达到未加筋材料破坏主应力差时，将此时加筋复合体的轴向应变和体变定义为比较轴席变和比较体变。从加筋风积砂、加筋砂砾的比较应变和风积砂、砂砾的破坏应变与围压的关系来看，在相同的围压下，加筋复合体达到与未加筋材料相同破坏应力差(抗压强度)时所需的轴向应变和体变都明显减小。说明格栅的加筋作用提高了复合体的刚度。因此，在台背回填材料中铺设土工格栅可以提高回填体的整体刚度，减少回填体的沉降变形。

1.5格室加筋对材料应力应变关系影响

由于采用土工格室空间三维加筋材料，由于加筋材料的竖向厚度较大，且加筋土工格室材料与填充其中的碎石等填料基本上不可能产生相对错动与变形，同时土上格室内填料与周围的土体的接触是充分的，在考虑计算模型时将土工格室片材与其中填料看成一个整体，把筋材和土宏观上作为一种复合材料，筋材于土体之间底相互作用作为一种内力。土工格室是由其土上格室片材本身与其中填料看成一个整体来考虑。对土工格室加筋土这一整体的强度特性，国外学者通过十工格室加筋大尺寸三轴试验(试样高20cm，直径20cm)其三轴试验得出结果见表1。从表中可以看出在同等同压条件下采用土工格室加筋砂的偏应力值均远大于朱加筋砂的值(均为未加筋偏应力值的3-4倍)。

表1 三轴比较试验参数一览表

加筋砂以及未加筋砂的大尺寸二轴试验抗剪强度曲线可以看出，这两条强度曲线近似平行，即为抗剪摩擦角大致相等。由于土工格室壁对填充其中的砂单元强有力的侧向约束作用，使得土工格室加筋砂层的“粘聚力”有了本质的提高，采用土工格室加筋后加筋体粘聚力增长了到200kPa左右，而内摩擦角基本保持不变。

2.结语

在回填体中设置土-T格网后，不同回填料回填体表面沉降量均有所减小，这一加筋效果不受桥台结构形式影响。但值得注意的是，就粘性土和风积砂两种回填料比较而言，起加筋作用的格栅类土工合成材料，对于前一种填料的包裹性较好，模型试验中，土T格网加筋粘性土回填体表面沉降分布的改善效果非常明显；而加筋风积砂的沉降改善效果没有前者明显。因此，对于风积砂这种细颗粒散粒状回填料，建议在其回填体中采用包裹性较好的高强机织土工布或编织布加筋，也可以将士工格栅与普通编织布一起使用以解决包裹性问题，以提高土工合成材料的加筋效果。另外，模型试验中加筋材料应变的竖向分布特征显示：随着埋深的增加，加筋材料的拉伸应变明显增大。因此，增加底层加筋材料的长度必将提高土工合成材料的加筋效果。■

【参考文献】

［１］邱睿,赵骊沧.浅谈公路工程台背回填［J］.中国科技博览, 2009,05.

［２］刘振京,马超,康拥政.土工格栅在公路台背回填中的应用［J］.路基工程, 2007,02.