具体实施方式

通过参照附图可以更全面的理解本发明公开的部件、方法和装置。出于方便容易理解本发明公开内容的目的，这些附图仅为示意图，其目的并不在于说明装置或部件的相对大小和尺寸，和/或用于定义或限制示例性实施方案的范围。

虽然为了清楚起见以下说明书中使用了具体术语，但是这些术语仅旨在体现附图中所选的用于说明的实施方案的特定结构，而不旨在限定或限制本发明的范围。在以下附图和说明书中，可以理解的是，相同的附图标记指示具有相同功能的组件。

除非上下文另有明确规定，否则本文中的单数形式“一个”、“一种”和“所述”也包括复数指代物。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应理解为包括与所限定的数值的差距小于本申请中所描述的常规测量技术会产生的实验误差的值。

本发明的所有范围都包括引入的端点值，并可以单独组合(例如，“从2毫米至10毫米”的范围包括端点2毫米和10毫米以及所有的中间值)。

经过“约”和“基本上”等术语修饰的值可能不限于该特定的精确值。应认为使用修饰词“约”的情况也公开了由两个端点的绝对值所限定的范围。例如，表述“从约2至约4”也公开了“从2至4”的范围。

当本文提到加州承载比(CBR)时，所提供的数值是当层处于水饱和时测量得到的数值。

本申请涉及位于地面的路面系统。本申请还涉及彼此位于其“上”或“之上”或“以上”的不同层。当使用到上述这些词来描述第二层相对于第一层的位置时，第一层与所述第二层相比位于地面的更深处，或者换言之，第二层比第一层更接近表面。并不要求第一层和第二层彼此直接接触；也可以有其它层存在于二者之间。此外，每层都具有长度、宽度、高度/深度/厚度。长度和宽度是指该层在水平维度上的尺寸。术语高度、深度和厚度可以互换使用，其是指该层在垂直维度上的尺寸。

土工格栅已经用于修补如上所述的破损情况。土工格栅可以由聚合物(如涤纶纱线或挤出的聚合物)制成，其以肋和网孔的网状物形式布置，以对土壤进行单轴或双轴拉伸增强作用。土工格栅可以包括能进一步提供化学或机械方面益处的涂层。或者，如Tensar公司所采用的方法，可以通过对板材进行冲压，然后拉伸形成土工格栅。也可以通过激光加热或超声结合的方式将聚酯或聚丙烯的棒或带以格栅图案粘结在一起，从而形成土工格栅。土工格栅通常在机械方面和化学方面耐用，因而它可以铺设于腐蚀性土壤或水环境中。土工格栅是一种没有有效高度的二维结构，且为扁平结构。

也已将土工格室引入到路面系统中以防止破损状况。土工格室(也称为格室加固系统(CCS))是一种有内部填充物的类似“蜂窝”结构的封闭格室阵列。CCS是每个格室内向所有侧壁都具有内力矢量的三维结构，而土工格栅只是二维的。然而，当土工格室用于加固软弱路基上的基层或底基层时，由于内部填充物会从土工格室的底部“流”出并向下沉降至软弱路基，也由于其拉伸强度不够，所以路面仍然可能破损。这会导致基层/底基层和路基之间的模量及拉伸强度出现不期望的差异，并且会导致沿界面方向的拉伸性能变差。

已经有研究将土工格室和土工格栅结合用于常见的路面系统中。例如，一个系统已将土工格栅设置在路基层中，然后将土工格室直接设置在经土工格栅加固的路基层(即底基层)上，并用开挖料填充土工格室。随后对这些层进行压实，然后铺上干净的石料层(高度0.75英寸)。然而，使用具有土工格室覆盖层的土工格栅路基层的系统只能部分地解决前面指出的路面系统破损状况的问题。由于土工格室层刚度高，因此土工格栅加固层受到的张力较低。土工格栅须发生显著变形以有助于实现显著的拉伸增强效果，因而土工格栅无法对系统整体提供明显的加固作用。

因此本申请涉及改进的路面系统，其适合在加州承载比(CBR)为4以下的软弱路基之上、或膨胀土之上、或易冻胀的土壤(即易冻土)之上长期使用。这些土壤可以包括有机粘土、泥炭、苔藓、蒙脱石土壤和膨润土土壤。本发明的路面系统包括土工格栅加固层，其通过颗粒材料层而与土工格室加固层隔开。在原始的土工格室加固层的上面可以设置其他土工格栅层或土工格室层。这样的系统非常适合在路面下方也产生应力(即向上应力)的地点使用。

土工格室(也称为格室加固系统(CCS))是一种三维土工合成产品，其适合于许多岩土工程技术的应用，如预防土壤侵蚀、渠道衬砌、加固挡土墙施工以及支撑路面等。CCS是类似“蜂窝”结构的封闭格室阵列，其填充有填充物，填充物可以是无粘性土、砂、砾石、道渣或任意其它类型的聚集体。CCS在土木工程应用中用于防止侵蚀或提供诸如土壤用挡土墙、沙袋墙或重力墙的替代物，道路、路面和铁路路基的侧向支撑。土工格栅通常是平的(即二维的)并用于平面加固，而CCS是每个格室内向所有侧壁都具有内力矢量的三维结构。CCS也可以为砂、壤土和采石场废料等相对较细的填充物提供有效的加固作用。

图2是土工格室在展开状态下的透视图。土工格室包括多个聚合物带14。相邻的带沿离散物理第一接缝16粘结在一起。所述粘结可通过粘结、缝纫或焊接来进行，但通常是通过焊接进行的。每条聚合物带中位于两条第一接缝16之间的部分形成单独格室20的格室壁18。每个格室20都具有由两条不同的聚合物带构成的格室壁。聚合物带14粘结在一起，从而展开时会由多条带形成蜂窝状图案。例如，外侧带22和内侧带24在第一接缝16处粘结在一起，第一接缝16沿着外侧带22和内侧带24的长度方向以一定的间隔规则排列。一对内侧带24沿第二接缝32粘结在一起。每条第二接缝32位于两条第一接缝16之间。因此，当多条聚合物带14沿着垂直于带面的方向拉伸或展开时，带以正弦波的形式弯曲，以形成土工格室。在两条聚合物带的端部汇合的土工格室边缘处，使端接焊缝26(也被视为接合缝)与端部28之间留有一小段距离，以形成用来稳定两个聚合物带的短尾30。这种土工格室也可以被称为一个部分，尤其是在不可能由单个部分实际覆盖时，其会与其它土工格室结合使用来覆盖更大的面积。

图3是聚合物带14的特写透视图，其示意性地示出了聚合物带14的长度40、高度42和宽度44，以及第一接缝16。沿着所指示的方向测量长度40、高度42和宽度44。当土工格室处于折叠或压缩的状态时测量其长度。在压缩状态下，可以认为每个格室20没有体积，而展开状态是指当土工格室已经展开到其最大的可能容积时的状态。在一些实施方案中，土工格室的高度42在约50毫米(mm)至约300毫米的范围内。土工格室的尺寸(所测量的未折叠状态下接缝之间的距离)可以在约200毫米到约600毫米的范围内。

土工格室可由线性低密度聚乙烯(PE)、中密度聚乙烯(MDPE)和/或高密度聚乙烯(HDPE)制成。下文中术语“HDPE”是指特征为密度大于0.940g/cm³的聚乙烯。术语中密度聚乙烯(MDPE)是指特征为密度大于0.925g/cm³至0.940g/cm³的聚乙烯。术语线性低密度聚乙烯(LLDPE)是指特征为密度为0.91g/cm³至0.925g/cm³的聚乙烯。土工格室也可以由聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯、天然纤维、机织物、聚烯烃与其他聚合物的共混物、聚碳酸酯、纤维增强塑料、织物、或多层塑料层压板制成。用来构造土工格室的带以交错(offset)的方式焊接在一起，焊缝之间的距离在约200毫米至约600毫米的范围内。

土工格室的通常的带壁宽度是1.27毫米(mm)，也可以在0.9毫米至1.7毫米范围内变化。格室壁可以经过穿孔和/或压印。

图4是土工格栅的局部放大俯视图。该土工格栅由肋部件62构成，肋部件62彼此交叉，从而限定了土工格栅网孔64。土工格栅可以由聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺、芳香聚酰胺(如KEVLAR)、碳纤维、织物、金属丝或网、玻璃纤维、纤维增强塑料(如共混物或合金)、多层塑料层压板或聚碳酸酯制成。如图所示，土工格栅网孔为矩形，但通常土工格栅网孔可以是任意形状，包括方形、三角形、圆形等。可使用任意几何形状。肋部件小于土工格栅面积的50％，换言之，土工格栅的敞开面积大于50％。

每个土工格栅网孔的网孔距离为围绕网孔的肋部件的平均长度。如图所示，例如，在矩形的网孔中，网孔距离为较短的肋部件66和较长的肋部件68的平均长度。在一些实施方案中，土工格栅的网孔距离在约10毫米至约500毫米的范围内，或在约25毫米至约100毫米的范围内。

土工格室和土工格栅可以通过其各自的带和肋部件的垂直厚度来区分。土工格室的高度为至少20毫米，而土工格栅的高度在约0.5毫米至2毫米之间。

图5是本发明的示例性路面系统的剖视图。一般来说，土工格栅加固层通过颗粒材料层与土工格室加固层隔开。

首先，在路基层50上形成土工格栅层60。土工格栅层由至少一个土工格栅构成。需要指出的是，路基可以是天然的路基，也可以经过化学改性(例如用石灰、水泥、聚合物或粉煤灰改性)，或者可以经过物理改性(例如用更稳定的颗粒材料替换)。路基改性的部分的厚度可以在约50毫米到约1000毫米的范围内变化。

接下来，将第一颗粒层70置于土工格栅层60之上。该第一颗粒层包含第一颗粒材料，该第一颗粒材料可以是砂、砾石或碎石。该第一颗粒层的厚度75在土工格栅层的网孔距离的0.5倍至20倍之间。需要指出的是，第一颗粒材料可以落入/进入土工格栅层60的土工格栅网孔中。如有需要，可以对第一颗粒层进行压实。

假设所有土工格栅均相同，土工格栅层的网孔距离通常与构成该土工格栅层的土工格栅的网孔距离相同。当土工格栅层中使用具有不同网孔距离的不同土工格栅时，应当通过每个土工格栅所覆盖的表面积进行加权来计算平均网孔距离，以作为土工格栅层的网孔距离。

接下来，将土工格室层80置于第一颗粒层70之上。该土工格室层由至少一个土工格室82构成，土工格室82填充有填充材料84。该填充材料经过压实以使填充物硬化。示例性的填充材料包括砂、碎石、砂砾及其混合物。如有需要，填充材料也可以包括其他更微细等级的颗粒材料。在这方面，一些实施方案中，第一颗粒层的第一颗粒材料的平均粒径大于填充材料的平均粒径。

为了提高拉伸和剪切力以及土工格室层80的性能，需要将土工格栅层60与第一颗粒层70进行组合。土工格栅层与第一颗粒层的组合提供了：(1)硬而不透水的“底板”，其在压实内填充材料的过程中确保了土工格室层的高硬度；(2)防止细颗粒从路基向上回填至土工格室层的屏障；(3)具有高剪切力的界面；(4)路基与土工格室层之间的机械隔离，其确保土工格室层作为刚性和弹性梁，同时将其应力限制在弹性范围内。

任选地，随后将覆盖层90置于土工格室层80之上。该层由经压实的材料形成，如碎石、砂砾或砂。该层可视为由第二颗粒材料组成。

可在覆盖层90之上任选地设置面层100，覆盖层90分布于土工格室层80之上。所述面层可以包括沥青、或混凝土、或道渣。

这种设计能够允许土工格栅层60变形，因而，土工格栅层可以硬化并加固位于土工格室层80之下的第一颗粒层70。这种构造显著降低了传递到路基50以及传递到路基与底基之间界面处的应力与变形。土工格栅层60及第一颗粒层70通过改进路基50最上层区域的拉伸强度和剪切强度性能，从而还为土工格室层80提供了坚硬的基底。土工格栅层60提高了路基的抗疲劳性，并有助于在使用寿命内减少路面系统内填充物从土工格室层向下的“渗漏”。显然，第一颗粒层70将土工格栅层60与土工格室层80隔开；土工格栅和土工格室在组装时相互不接触。

土工格室层80起到刚性的且很硬的垫层的作用，可以在大面积路面系统上分散应力，并有助于避免局部的过度应力。这些局部的过度应力是导致铺设在软弱路基上的路面系统破损的主要原因。内填充材料可以是砂、砂砾、或碎石或其混合物。

当土工格栅层与土工格室层由第一颗粒层隔开时，在土工格栅层与土工格室层之间产生协同关系。土工格栅层60位于土工格室层80下部一定距离，该距离能确保沿土工格栅层有足够的变形空间，以便给路基提供拉伸硬度，以对抗由路基膨胀产生的应力。本发明的设计方案能够有弹性地吸收大量的机械应力，并具有较高的抗疲劳性。尤其是，本发明的路面系统提高了其对多种机械循环载荷、路基的多种膨胀-收缩情况、以及长期冻融循环的抗性。

不受理论所束缚，据信，在路基之上设置一层或多层土工格栅层并不足以成功地强化路基，因为(1)弯曲力矩不够；以及(2)土工格栅层硬度不够。相似地，在路基之上仅使用一层土工格室层也不会成功，因为(1)拉伸强度不足；(2)内填充物克服由于交通或土壤的膨胀收缩而产生的向上/向下应力的趋势。

本发明也包括在软弱路基之上铺设路面系统的方法。一般来说，去除土壤以暴露软弱路基。接下来，将至少一个土工格栅铺设于路基之上以形成土工格栅层。然后将足量的第一颗粒材料铺设于土工格栅层上以形成第一颗粒层，第一颗粒层的平均厚度在土工格栅层孔径距离的0.5倍至20倍之间。将至少一个土工格室铺设于第一颗粒层之上，然后填入内填充材料以形成土工格室层。将第二颗粒材料铺设于土工格室层之上，然后压实以在土工格室层上形成覆盖层。如有需要，可在覆盖层之上铺设面层。

图6和图7是其他两个实施方案的路面系统的剖视图，该路面系统包括其他层。

如上所述，在图6中，路面系统包括在路基层50之上形成的土工格栅层60、置于土工格栅层60之上的第一颗粒层70、以及置于第一颗粒层70之上的土工格室层80。第一颗粒层70具有厚度75。随后将第二颗粒层110置于土工格室层80上。该第二颗粒层可由与第一颗粒层70相同或与土工格室层的填充物相同的材料制成。第二颗粒层可以认为是由第三颗粒材料制成的(如上所述，覆盖层由第二颗粒材料形成)。第二颗粒层的厚度115可以在约10毫米至约500毫米的范围内。随后将第二土工格室层120置于第二颗粒层110上。与上文所述土工格室层80相同，该第二土工格室层也是由至少一个土工格室构成并填充有填充材料。随后将覆盖层90置于第二土工格室层120之上，在覆盖层90之上可任选地铺设面层100。覆盖层和面层的组成可如图5所示。第二土工格室层120为系统提供额外的拉伸强度，并抵抗粘土膨胀或冻-融循环中可能出现的路基弯曲。

如上文所述，在图7中，路面系统包括在路基层50之上形成的土工格栅层60、置于土工格栅层60之上的第一颗粒层70、置于第一颗粒层70之上的土工格室层80。第一颗粒层70具有厚度75。此外将第二颗粒层110置于土工格室层80之上，其组成如上文所述。第二颗粒层的厚度115可以在从约1毫米至约300毫米的范围内。随后将第二土工格栅层130置于第二颗粒层110上。第二土工格栅层由至少一个土工格栅构成。随后将覆盖层90置于第二土工格栅层130之上，可在覆盖层90之上任选地铺设面层100。覆盖层和面层的组成如图5中所述。用于形成覆盖层的材料可能会落入第二土工格栅层130的网孔中。第二土工格栅层130也为系统提供额外的拉伸强度，并抵抗粘土膨胀或冻-融循环中可能出现的路基弯曲。

在其他设想的实施方案中，在第一土工格室层中的填充物经压实之后，可以将第二土工格栅层或第二土工格室层直接置于第一土工格室层之上。无需第二颗粒层。由此第一土工格室层与第二土工格栅层或与第二土工格室层之间的距离可以根据需要在从几乎为0至约500毫米的范围之内进行调整，以获得想要达到的总路面模量和抗疲劳强度。

此外，根据需要，可以在路面系统中位于路基与系统顶层之间的任意位置处铺设土工织物层(即土工织物层绝不能作为系统的最上层)。土工织物是一种二维可渗透的织物，其可以经过编织的织物或非编织的织物，并用来避免细颗粒流失或渗透至路面表层。土工织物与土工格栅存在明显区别，这是因为土工格栅的网孔足够大，可以允许土壤从土工格栅的一边穿透到另一边，而土工织物不允许土壤透过。土工织物层特别适用于遭受洪水、大雨或地下水位较高的地方。土工织物层可由比重在50克每平方米(g/m²)至3000g/m²之间的织物制成。

将通过以下非限制性的工作实施例对本发明进行进一步说明，应当理解的是，这些实施例此处仅意在解释，而不是对所提到的材料、条件、工艺参数等进行限制。

实施例

铁轨铺设在饱水时CBR为3的膨胀土路基上。铁轨需要定期维护，并且在该路基上行驶的列车需要限制速度。比较常规设计与本发明中描述的替代设计。

图8示出了以路基的CBR为函数而计算的基层厚度(H_SUB-A)，以获得基层所需的弹性模量。例如，若要在路基的CBR为3的情况下得到100kPa的弹性模量，则需要基层的厚度为750毫米。该模量足以满足以色列常规铁路路面的设计需求。

通过使用砂或石灰来巩固路基的最初600毫米，从而获得常规设计。接下来，铺设并压实920毫米碎石，之后铺设并压实300毫米的砾石。之后将道渣和铁路枕木铺设在路面系统之上。

替代的设计方案如下所述。在于具有已知CBR的路基上铺设土工格栅加固层和土工格室加固层的模型路面中，另测量土工格栅加固层和土工格室加固层结合后的模量。压力格室位于土工格栅层之下。在土工格室层的上方，用平板或车轮施加越来越大的压力，直到发生塑性(不可逆)变形。根据压降曲线，反算该层的模量。根据一系列反复荷载之后的塑性变形，评价其对长期应力的“免疫”程度。

在本领域中，可替代的设计方案首先是使路基变平。铺设第一土工格栅层，其上由200毫米厚的碎石层覆盖。其后在碎石层之上铺设第一土工格室层。该第一土工格室层的高度为150毫米，土工格室的接缝之间的距离为330毫米。填充材料为碎石。其后在第一土工格室层之上铺设50毫米厚的第二颗粒层，并铺设与第一土工格室层结构相同的第二土工格室层。其后将道渣和铁路枕木铺设在第二土工格室层之上。

两种设计方案中所需的材料明显不同。常规设计方案需要用600毫米砂或石灰处理，其后还需要1220毫米的颗粒材料。与此相反，替代的设计仅需750毫米的颗粒材料，极大节约了成本。

在以色列对两种设计方案的性能进行了为期一年的研究。常规设计方案发生了塑性变形的现象，且塑形变形随着时间的推移连续增加。其结果是使火车速度减慢，且维修保养间隔缩短。而替代的设计方案采用一个土工格栅层和两个土工格室层，显示出纯弹性性能而未发生不可逆的变形。

应充分意识到，上述公开的变体和其他特征、功能、或替代方案可以组合出许多其他的不同系统或用途。各种可能由本领域技术人员做出的、目前尚未预见到或未预料到的替代方案、修饰、变体或改进也应涵盖在随附的权利要求书中。