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河北保定土工格栅的应用及作用机理土工格栅的应用很广泛,在水利工程、工民建工程和公路工程均有着大量应用。公路方面主要集中在以下方面:1)布置在沥青混凝土面层以下,减少反射裂缝、提高抗车辙能力和增加抗疲劳性能。2)应用在粒料基层中间以防止产生过大的 变形和疲劳破坏。3)土方路基施工中软弱地基的处理,保证路基承载能力,减少土方工程量。土工格栅的作用机理如下:1)格栅表面与混合料的摩擦作用。2)混合料对格栅筋肋条和节点的被动阻抗力作用。3)格栅上的孔眼对混合料的锁定作用。2.课题的提出改建路面结构设计,很大程度上取决于原路面的状况。土工格栅放在什么位置,起什么改善作用是值得研究的问题。本项目将结合豫20线茨沟至舞阳界段改善工程,将土工格栅放在基层下部,主要解决土工格栅材料选择、含有土工格栅的改建路面结构力学分析、施工工艺等方面的问题。为路面改建工程中合理应用土工格栅提供科学依据。近年来,国内外也进行了相关的研究,但大都是针对以上三个方面,没有进行以下研究:传统理论与有限元相结合的研究、各种土工材料性能及其对比的研究、土工格栅应用于基层以下的研究、土工格栅对路基加宽新旧结合部的研究。
减缓反射裂缝的措施。反射裂缝是由于旧面层在接缝或裂缝附近的位移,引起接缝或裂缝上方沥青混凝土加铺层内出现应力集中所造成的,其包括因温度和湿度变化而产生的水平位移以及因交通荷载作用而产生的竖向剪切位移。而根据国内外理论,在旧混凝土板与加铺层之间设置玻纤土工格栅加筋层可以使沥青混凝土加铺层底面的应力或应变因离开应力集中的接缝或裂缝端部而降低,同时也可以改变加铺层结构的抗拉和抗剪切能力,从而可以有效减少由荷载、温度、地基脱空等产生的不利影响和提高沥青混凝土加铺层的抗反射裂缝能力;且根据研究,在加铺层底部加设土工格栅时,延缓反射裂缝的效果非常明显。故本工程在加铺层底部采用玻纤格栅作为加筋层面来作为减缓反射裂缝的措施。三、基层弯沿测量采用BZZ-100型、后轴重10t的标准车,5.4m的长杆弯沉仪,每隔20m对拓宽范围路面基层进行弯沉测量。共测N=90个点,平均弯沉为L=0.240 mm,均方差S=5.28,计算代表弯沉为L=0.331mm。混土板测定点n=28,平均弯沉为L=0.102mm,均方差为δ=5.4,代表弯沉为L=0.195mm。其中>0.10mm占34.60%,≥0.15mm占11.51%,≥0.20mm占7.70%,≥0.30mm占2.55%。以上结果符合设计要求。四、铺设土工格栅(一)路面铺筑。由于旧水泥混凝土路面,以及新拓宽部分的混凝土路面是沿按旧水泥混凝土路面的坡度进行浇筑的,表面的平整度较好,但是由于混凝土路面的路拱不对称,要调整为路拱对中,则路拱两边路面的沥青铺筑厚度是不相同的,薄的为7cm,厚的为15 cm,因此,采用沥青碎石作为沥青混凝土调平层。调平层铺筑完后,再进行面层的铺筑。(二)土工格栅技术要求1.土工格栅厚度应薄,一般3.0mm左右,以便摊铺;2.格栅网格尺寸应为0.5~1.0倍骨料粒径。本工程采用25.4×25.4mm;3.土工格栅抗拉强度应选大值,纵向大于等于50KN/M,横向大于等于50KN/M,抗变形能力强;4.伸长率小于4%;5.含胶量大于等于20%;6.土工格栅采用自粘式,幅宽为2m,耐温性-100至280摄氏度。(三)铺筑土工格栅1.在清扫干净的水泥混凝土路面上用小型沥青洒布机按0.5┧/┫喷洒粘层乳化沥青,幅宽为2.0 m;2.在大气温度10℃以上,路面不潮湿时喷洒粘层乳化沥青;3.在喷洒粘层乳化沥青后,待粘层沥青已破乳时开始进行土工格栅铺设。铺设完土工格栅后,用轻型胶轮压路机在其上作适度碾压,以确保土工格栅与原路面有良好的粘接。4.采用土工格栅铺筑设备,人工一次摊铺土工格栅。对不平整处,应用摊杆推平,如遇到弯道,应将弯道内侧的土工格栅用剪力裁开,然后将一侧推平,涂刷沥青,再将另一侧叠盖搭接,铺设时应保证平顺并使纵横向张紧。5.一卷土工格栅摊完后,再喷洒另一幅土工格栅的粘层沥青。铺设时土工格栅的搭接:纵向距离不小于15 cm,横向距离不小于10 cm;要在前一幅摊好的土工格栅上补洒20 cm的沥青带,然后再摊铺第二幅土工格栅。按此铺摊的工艺顺序直到半幅路面的土工格栅铺满,并超出半幅路面宽度20 cm,以便与第二幅路面的土工格栅搭按。(四)铺筑沥青砼1.为了方便汽车在土工格栅上和已喷洒沥青路面上行走而不带动土工格栅,在半幅路面摊铺完土工格栅后,再洒上5mm的石粉。2.在土工格栅的起始端要用铁钉加强固定,并洒一层粘层沥青。3.禁止汽车在土工格栅上刹车、转弯、调头。4.当土工格栅被汽车拉起,应立即用摊杆推平。5.用沥青混凝土铺机摊铺沥青混凝土路面。五、试验路检测1.弯沉测定。试验路铺筑后,用BZZ-100型标准汽车、5.4m长杆弯沉仪,每隔50m测定混凝路面弯沉值。2.实侧弯沉和平均弯沉L=11.50 mm,均方差δ=2.21,代表弯沉L?代=15.14mm。3.按理论计算,在旧路上(δ=0.330mm)加铺10cm沥青混凝土,计算弯沉到达0.24mm,增加一层土工格栅计算弯沉值能达到0.14mm,相当于增加了8cm厚的沥青混凝土,实测数据表明>0.10mm的点占2.8%;≥0.15mm的点占2%,≥0.30点占1.1%。以上数据表明在沥青混凝土中加设土工格栅作用明显。
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随着河北保定公路的大规模修建,常遇到软土、膨胀土等特殊土施工难、质量控制不宜把握等问题,而土工合成材料的应用,在一定程度上解决了土木工程建设问题。所谓土工合成材料,是各种合成纤维织物的统称,包括土工格栅、土工网、土工薄膜及土工席垫等。其中,河北保定土工格栅具有抗拉强度高,变形模量大,耐腐蚀、抗老化,与土颗粒之间的摩擦系数大、连锁作用强、加筋效果好等特点,将土工格栅埋至土体内,作为地基的加固补强材料,可增强地基的承载力。同时,通过约束土体的侧向剪胀变形,可改善土体的整体受力条件,提高土体的整体强度和土工构筑物的整体稳定性,因此,玻纤土工格栅在公路建设中有着独特的应用前景。
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玻纤土工格栅是选用优质增强型无碱玻纤纱,利用国外先进经编机织成基材,采用经编定向结构,充分利用织物中纱线强力,改善其力学性能,使其具有良好的抗拉强度,抗撕裂强度和耐蠕变性能,并经过优质改性沥青涂覆处理而成的平面网络状材料。其因循相似相容原理,突出其与沥青混合料的复合性能,并充分保护玻纤基材,极大提高了基材的耐磨性及抗剪切能力,从而得以用于路面增强,抵抗裂缝车辙等公路病害产生,结束了沥青路面难以增强的问题。
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玻纤土工格栅的特性
玻纤土工格栅是以无碱玻璃纤维网布为基材,经表面涂覆处理而成的半刚性制品。玻纤土工格栅的优异性能特点如下:
1.高抗拉强度、低延伸率:玻纤土工格栅是以玻璃纤维为原料。超越了其它纤维和金属。同时它模量很高,而玻璃纤维的强度较高。具有很高的抗变形能力,断裂延伸率小于3%。
2.无长期蠕变:玻纤土工格栅作为增强材料。这保证产品能够临时坚持性能。 具备在临时荷载的情况下抵抗变形的能力即抗蠕变性是极为重要的玻璃纤维不会发生蠕变。确保了玻纤土工格栅能够长期保持性能。
3.热稳定性:玻璃纤维的熔化温度在1000℃以上,而在28℃下不会发生任何改变,保证了玻纤土工格栅在摊铺作业中承受过量热的稳定性。
4.与沥青混合的相容性:玻纤土工格栅在后处理工艺中涂覆的资料是针对沥青混合料设计的每根纤维都被充分涂覆。从而确保了玻纤格栅在沥青层中不会与沥青混合料产生隔离,与沥青具有很高的相容性。而是牢固的结合在一起。
5.物理化学稳定性:经过特殊后处理剂进行涂覆处理。保证其性能不受影响。 玻纤土工格栅能够抵抗各类物理磨损、化学侵蚀、生物侵蚀和气候变化。
6.集料嵌锁和:由于玻纤土工格栅是网状结构。这样就形成了机械嵌锁。这种阻碍了集料的运动,沥青混凝土中的集料可以贯穿其中。使沥青混合料在受荷载的情况下能够达到更好的压实状态,更高的承重能力,更好的荷载传送性能及较小的变形。
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玻纤土工格栅在公路工程中的应用
(1)玻纤土工格栅在路基加固及软基处理中应用
城市道路的新建及大修,主要考虑路基的稳定和沉降两大问题。一般无加筋路堤,在较厚的软土层上为圆弧滑动或冲切式沉降导致破坏;在薄层软土层上,则为侧向挤出破坏。道路通过软土地基时,一般简单的处理方法是换土或在软土地基上铺一层砾石或碎石后压实。换土法费工费料,不经济。铺碎砾石在压实后,有限的粒料被挤入软基土中,土料相混,降低了材料强度,路面在行车作用下仍易出现沉陷。随着土工合成材料研究的不断深入,大家发现采用玻纤土工格栅不仅能够解决软土地基稳定性的问题,还可以有效的减少路基填土后引起的不均匀沉降。把玻纤土工格栅直接铺设在软基上,再铺以粒料基层,这样不但能保证粒料与地基土不相混和而且格栅与粒料间的咬合作用得到了进一步加强,基层具有抗拉强度,从而提高了软土地基的承载能力。
使用玻纤土工格栅的经济效益在于:降低了对填筑材料的要求,当符合设计要求的填筑材料较远,则就近的砂性填筑材料加铺土工格栅后就能满足设计要求;减少填筑工程量;降低土方填筑碾压成本。
(2)玻纤土工格栅在防止反射裂缝方面的应用
在旧的水泥混凝土路面和旧的沥青混凝土路面上加铺沥青面层,是一种常用的路面修复技术。它具有工期短、造价低、对交通影响小、修复路面服务性能好等优点。但其主要问题是在沥青加铺层中容易出现反射裂缝,即沥青面层在使用中由于温度收缩、行车荷载及路基局部沉降形成的横向裂缝和纵向裂缝,且裂缝宽度随时间增长会逐渐增大,影响路面使用效果。按常规的处理方法,需切割面层,基层,再重新摊铺面层,施工工序复杂,经济效益较差。设置玻纤土工格栅是延缓反射裂缝的主要措施之一,在沥青面层中加铺玻纤土工格栅防裂层后,能有效降低沥青面层内裂缝的应力强度因子幅值,改变沥青层表面的应力分布,提高抗疲劳性,进而是裂缝不会很快扩展。有关试验表明铺设玻纤土工格栅防裂层后,面层抗疲劳荷载的能力比未铺设玻纤土工格栅防裂层的抗疲劳荷载能力提高10倍以上。
同时铺设玻纤土工格栅防裂层能减少路基的温度收缩和水分收缩,延缓反射裂缝扩展时间。采用玻纤土工格栅处理,不需要破坏路面结构,施工迅速,使用效果和经济效益明显。
玻纤土工格栅作用机理
玻纤土工格栅应用于道路结构层中,主要有抗疲劳开裂、路基加固和防止反射裂缝等方面的作用,其作用机理如下所述:
(1)抗疲劳开裂的作用机理
沥青路面必须具有一定的承载能力,在规定时间内不能发生疲劳破坏。沥青路面在直接与车轮接触的下面层受到压力,在轮载边缘以外区域,受到拉力作用,由于两处受力区域所受力性质不同,而又彼此靠近,因此在两块受力区域的交界处发生破坏,在长期荷载的做用下,发生疲劳开裂。
玻纤土工格栅在沥青面层中,能够将上述的压应力与拉应力分散,在两块受力区域之间形成缓冲带,减少了应力突变对沥青面层的破坏。同时玻纤土工格栅的低延伸率减少了路面的弯沉量,保证了路面不会过度变形。
(2)路基加固和防止反射裂缝作用机理
玻纤土工格栅通过两个重要机理作用于路基加固和防止反射裂缝:直接抗拉应力及固限土的侧向位移。对于加入玻纤土工格栅的沥青混凝土,玻纤土工格栅的网孔结构使玻纤土工格栅对网孔内的沥青混合料起了一个筋篐作用。因此,当沥青混凝土结构层底部的基础在荷载的作用下,出现裂缝并延伸到玻纤土工土工格栅处时,土工格栅的存在改变了裂缝的受力情况,使裂缝处的张开变形受到,从而起到加固路基抑制裂缝向上发展的作用。
玻纤土工格栅网孔结构的稳定性由于与沥青混合料相互填充而得到加强,玻纤土工格栅本身较高的抗拉强度则是抑制张开变形的主要因素。加入玻纤土工格栅的沥青混凝土可以有效的改善路面结构的应力分布,抵抗和延缓由于路基裂缝所造成的路面病害的发生,使沥青混凝土结构层在较长时期不发生因张力变形引起的受荷破坏,与未加玻纤土工格栅的沥青混凝土机构层相比,使用玻纤土工格栅可以大大提高路面的使用寿命。
在城市道路中使用玻纤土工格栅,综合造价低、养护维修费用低,社会效益明显,施工工艺容易掌握,具有广泛的应用价值。如果我们能够在新建和养护工程中大面积使用,就可以大大节省资金,提高公路施工质量,做到基础建设的资金合理利用,发挥其效益。
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玻纤格栅针对反射裂缝是沥青路面普遍存在的一种病害现象。根据国内外道路工程的实践,在沥青面层和中集沥青混合料层或粗集沥青混合料层之间铺设一层土工织物,可用以或减缓面层反射裂缝的产生,从而延长道路的使用寿命,降低维修成本。但是,由于沥青路面浇注时的温度高达160℃-180℃,致使土工织物褶皱、变形、软化,使其性能大大降低,不但难以或减缓面层反射裂缝的产生,而且使得沥青路面更加凹凸不平,而玻纤土工格栅所特有的性能,完全满足沥青路面的要求,目前许多工程已使用玻纤土工格栅。
玻纤应用于沥青道路时,可在以下几方面发挥作用。
(1)抗疲劳开裂
沥青路面必须具有一定的承载能力,在规定的时间内不能发生疲劳破坏。沥青路面在直接与车轮接触的下面层受到压力,在轮载边缘以外的区域,面层受到拉力作用,由于两处受力区域所受力性质不同,而又彼此紧靠,因此在两块受力区域的交界处即力的突变处发生破坏,在长期荷载的作用下,发生疲劳开裂。
玻纤土工格栅在沥青面层中,能够将上述的压应力与拉应力分散,在两块受力区域之间形成缓冲带,减少了应力突变对沥青面层的破坏。同时玻璃纤维土工格栅的低延伸率减少了路面的弯沉量,保证了路面不会发生过度变形。
(2) 耐高温车辙
沥青混凝土在高温时具有流变性,在车辆荷载作用下,受力区域产生凹陷,车辆荷载撤除后,沥青面层无法完全恢复原状态,即产生了塑性变形,在车辆反复碾压的作用下,塑性变形不断积累,形成车辙。通过沥青面层结构分析可知,高温下的沥青混凝土在受到荷载的碾压作用,形成了微量的波形流变,面层中没有任何可以约束沥青混凝土流变的骨架材料,造成沥青面层流变的累积叠加,这是形成车辙的根本所在。
在沥青面层中使用玻纤土工格栅,其在沥青面层中起到骨架作用,沥青砼中集料贯穿于格栅间,形成复合力学嵌锁体系,集料运动,增加了沥青面层中的横向约束力,沥青面层中各部分彼此牵制,防止了沥青面层的推移,从而起到抵抗车辙的作用。
(3) 抗低温缩裂
严寒时期,沥青混凝土面层的温度近于气温,沥青砼遇冷收缩,产生拉应力,在受到荷载反复作用下,拉应力进一步增加,当拉应力超过沥青砼拉伸强度时,产生裂纹,在裂纹两端处,拉应力更加集中,裂纹逐步形成裂缝,造成病害。
玻纤土工格栅置于沥青中,使得沥青砼的拉伸强度大大提高,足够抵抗住较大的拉应力而不致发生路面破坏,即使因为局部区域产生微小裂纹,裂纹处的应力集中,经玻纤土工格栅的传递而消失,裂纹不会发展成裂缝。
(4) 延缓反射裂缝
裂缝产生的反射有两种,一种是面层产生裂缝后,裂缝向下反射,破坏下层结构,降低路面结构强度,在雨水时节,水进入裂缝中,在交通荷载(轮胎压力)的反复抵压,水在裂缝中产生水压,水不断的冲击沥青混合料,导致裂缝扩大。另一种是旧面层原有裂缝,路基层或下层路基层产生的裂缝向上反射,新罩路面无法承受因底层移动而产生的剪切力和抗伸应力,导致路面面层裂缝。在沥青罩面层中加铺玻纤土工格栅夹层,抑制应力,释放应变,增强沥青混凝土整体强度,达到防止裂缝向上或向下反射的目的。
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