加筋土技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用

王守彥

（中鐵六局太原鐵建北同蒲項(xiàng)目部，山西 朔州 037600）

1 概述

土的抗壓性能較好，相對(duì)抗剪性能較差，且基本無(wú)抗拉能力，在工程應(yīng)用上受到很大的限制，尤其是在軟土地基上筑堤，軟土強(qiáng)度低、壓縮系數(shù)大，很容易產(chǎn)生地基失穩(wěn)破壞、沉降過(guò)大及不均勻沉降。

國(guó)內(nèi)對(duì)加筋路堤的研究已經(jīng)有近幾十年的歷史，它是在路堤內(nèi)加入具有抗拉性能的土工合成材料組成的一種復(fù)合體，土與加筋材料之間的摩擦作用，改善土體的變形條件和提高土體的工程性能，達(dá)到穩(wěn)定土體的目的，從而提高了土體強(qiáng)度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在解決道路用地、邊坡加陡和提高邊坡耐久性問(wèn)題時(shí)，加筋土路堤在工程建設(shè)中將逐步得到應(yīng)用。

研究表明，土工格柵具有高強(qiáng)度、低延伸率及高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，將其埋入土中，與土產(chǎn)生較大的界面摩擦咬合力，可以增大土體模量、改善土體受力條件、提高土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。新型土工合成材料——土工格柵，在近幾年高速公路建設(shè)中廣泛應(yīng)用并很快擴(kuò)展到鐵路建設(shè)領(lǐng)域。但是，當(dāng)前對(duì)土工格柵與土相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠，土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)的理論研究落后于工程實(shí)踐。

2 土工格柵的性能指標(biāo)

加筋材料的設(shè)計(jì)取值有兩個(gè)重要指標(biāo)，即強(qiáng)度和變形，土工格柵是受力構(gòu)件，它的質(zhì)量好壞是確保該工程能否成功及長(zhǎng)久穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此使用時(shí)應(yīng)充分重視土工格柵的材質(zhì)和強(qiáng)度（包括2%應(yīng)變時(shí)的瞬時(shí)屈服強(qiáng)度和長(zhǎng)期的蠕變強(qiáng)度），特別是蠕變強(qiáng)度。要求施工中按每批次不少于一組（一組不少于3個(gè)試件）或每10萬(wàn)m2不少于一組進(jìn)行蠕變強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測(cè)土工格柵能否滿足設(shè)計(jì)要求。

在玉蒙鐵路中，設(shè)計(jì)要求土工格柵拉伸屈服強(qiáng)度不小于60 kN/m，屈服伸長(zhǎng)率不大于11.5%，2%應(yīng)變時(shí)拉伸強(qiáng)度不小于14 kN/m，20℃時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)蠕變強(qiáng)度不小于21 kN/m，最小碳黑含量不小于2%，（幅寬≥1.0 m）。在施工中，土工格柵采用山東省泰安路德工程材料有限公司生產(chǎn)的單向拉伸高密度聚乙烯土工格柵，通過(guò)云南理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，其性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 土工格柵加固路堤的原理及加固效果分析

3.1 土工格柵加固路堤的原理分析

目前，對(duì)于土工格柵的作用機(jī)理的研究主要有有限元分析、準(zhǔn)粘聚力原理、均質(zhì)等代材料原理、彈塑性層板理論、摩擦加筋原理。在這些理論中，由于有限元分析可以考慮各種復(fù)雜邊界條件、加荷條件、水與土骨架上的應(yīng)力耦合關(guān)系和時(shí)間因素等，因此在分析土工格柵的加筋機(jī)理方面發(fā)揮了重要的作用。研究認(rèn)為，土工格柵與土的相互作用主要有以下幾種情況：土工格柵表面與土的摩擦作用；土體對(duì)格柵的被動(dòng)阻抗作用；土工格柵孔眼對(duì)土的鎖定作用。

3.2 土工格柵加固路堤的效果分析

研究表明，影響加筋效果的主要因素有：加筋層數(shù)、筋材模量、軟基模量、填土高度和軟土層厚度等。

（1）加筋路堤較無(wú)加筋路堤就路堤底部的豎向位移、堤址點(diǎn)垂線下地基深度的水平位移及地表的水平位移都有不同程度的減小，尤其水平位移減小更大。

（2）加筋邊坡的結(jié)構(gòu)性能與土工格柵的抗拉強(qiáng)度、加筋層數(shù)密切相關(guān)，土工格柵加筋邊坡的沉降和側(cè)向位移隨土工格柵的抗拉強(qiáng)度增加、加筋層數(shù)增多及邊坡變緩而相應(yīng)的變小。筋材模量越大，加筋效果越明顯，沉降和側(cè)向約束作用就越大，所以在工程運(yùn)用中應(yīng)盡量采用抗拉強(qiáng)度大、延伸率高的土工格柵。

（3）與不加筋邊坡相比，土工格柵加筋路堤邊坡大大提高了邊坡的穩(wěn)定性和承載能力。在路堤邊坡不失穩(wěn)的情況下可以加快路堤的填筑速率。

（4）路堤底部的豎向位移和堤址點(diǎn)的水平位移對(duì)路堤高度很敏感，隨著路堤高度減小，其加筋效果越明顯。

（5）對(duì)中等深厚和深厚軟土地基，土工格柵加筋效果明顯，加筋不僅對(duì)地表的水平位移約束作用明顯，而且對(duì)減少路堤底部的豎向位移也有一定的作用。

（6）土工格柵與土體沿接觸面的水平滑移限制了加速度沿接觸面向路基內(nèi)傳遞，降低了加速度的影響范圍和路基中加速度的大小，減小了土體的變形，從而提高路面承受交通荷載的能力。

（7）土工格柵在加筋路堤中的作用是利用其一定強(qiáng)度對(duì)土體施加側(cè)向約束作用，降低土體應(yīng)力水平，使沉降更均勻。在堤內(nèi)表現(xiàn)為減少了堤的拉裂，在土基內(nèi)表現(xiàn)為降低了剪應(yīng)力水平。

4 土工格柵加筋土路堤的施工工序及施工工藝

土工格柵優(yōu)良加筋性能的發(fā)揮和工程加固效果的體現(xiàn)與土工格柵的施工工序及施工工藝水平有著密切的關(guān)系，如果施工方法不當(dāng)，工藝粗糙，顯然難以達(dá)到預(yù)期效果。此外，填料的選擇及壓實(shí)也是決定加筋土路堤質(zhì)量的關(guān)鍵。

4.1 加筋土路堤的施工工序

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→整平場(chǎng)地→檢測(cè)地基承載力→合格后平鋪第一層土工格柵→分兩次填筑填料→檢測(cè)壓實(shí)度→合格后平鋪下一層土工格柵→直至路基本體施工完成→檢測(cè)壓實(shí)度→路基基床施工。

4.2 加筋土路堤的施工工藝

（1）在整平場(chǎng)地時(shí)，清除樹(shù)根草皮，凹坑填平，平整度局部高差不大于10 cm。將清除的地表土集中堆放，晾曬，破碎后用2 cm網(wǎng)篩過(guò)篩，裝入土工網(wǎng)眼袋內(nèi)，作為種植土。

（2）在檢測(cè)地基承載力合格后立即鋪設(shè)第一層土工格柵，土工格柵的下料長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)路基寬度提前計(jì)算好，預(yù)留不小于2 m的回折包裹長(zhǎng)度。土工格柵在鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)拉直、拉緊，不得卷曲、扭結(jié)，將強(qiáng)度高的方向布置在路堤橫斷面方向，并及時(shí)用U型釘（可采用直徑為8 mm的U型釘，U型釘可以由施工單位自行加工）固定。土工格柵受力方向的連接必須牢固，連接強(qiáng)度不低于材料容許抗拉強(qiáng)度，縱向采用搭接，搭接長(zhǎng)度不小于一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在非受力方向即沿線路縱向，土工格柵的搭接用U型釘固定。

（3）每層最外側(cè)坡面安放土工網(wǎng)眼袋，土工網(wǎng)眼袋為袋長(zhǎng)80cm，袋寬50 cm，網(wǎng)眼尺寸0.5 cm×0.5 cm的方形網(wǎng)，內(nèi)裝種植土（種植土來(lái)源于清除的地表土），為坡面植物生長(zhǎng)提供土質(zhì)條件。在施工路基沿線建一處種植土加工拌和場(chǎng)地，制備滿足要求的種植土，裝袋后再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)填筑。當(dāng)路基清表土不足時(shí)，可采用黏沙土，過(guò)工程篩后，按重量比加入5%的復(fù)合肥，拌和均勻后裝袋備用。每層土工格柵包裹土工網(wǎng)袋后應(yīng)向路基內(nèi)回折，回折長(zhǎng)度不小于2 m，并采用高密度聚氯已烯土工棒與上層土地工格柵連接成整體，土工棒尺寸為 110 cm（長(zhǎng)）×4 cm（寬）×0.5 cm(厚)，確保連接處強(qiáng)度不小于土工格柵材料的本體強(qiáng)度。

（4）填料的選擇與壓實(shí)。土工格柵包裹式加筋土所采用的填料類型和壓實(shí)度決定了加筋土結(jié)構(gòu)所受的側(cè)向壓力大小，因此填料必須是A、B、C組填料，嚴(yán)禁采用膨脹土作填料，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)和取土場(chǎng)位置取土樣做填料的膨脹性試驗(yàn)，看是否滿足設(shè)計(jì)要求。若不滿足，則不得用于加筋路堤填料。

填料每層厚度為40 cm，在施工中應(yīng)分為兩次填筑，填料的粒徑不得大于15 cm。填土順序應(yīng)先填土工格柵兩端，然后再依次擴(kuò)大，車(chē)輛不得直接在鋪好的土工格柵上行走。

（5）正式碾壓前必須先進(jìn)行試碾壓。根據(jù)碾壓機(jī)械、填料及攤鋪厚度，初步確定碾壓遍數(shù)和碾壓方法，碾壓后進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，取得相關(guān)施工參數(shù)，以指導(dǎo)后續(xù)施工。填料碾壓時(shí)含水率應(yīng)控制在最佳含水率左右。碾壓順序先由兩端向路堤中心碾壓，嚴(yán)禁出現(xiàn)反向順序，壓路機(jī)應(yīng)順路堤縱向行駛，嚴(yán)禁出現(xiàn)橫向行駛碾壓。下一次碾壓的輪跡應(yīng)與上一次碾壓的輪跡重疊輪跡寬度的1/3。未壓實(shí)的加筋體，不允許運(yùn)輸車(chē)輛在上面行駛，若需臨時(shí)行駛，其車(chē)速不得大于5km/h，并不準(zhǔn)急剎車(chē)，以免造成土工格柵的錯(cuò)位。

路堤兩側(cè)邊緣各1.5 m范圍用小型機(jī)械碾壓以達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的密實(shí)度。土工網(wǎng)眼袋的種植土采用人工夯拍的方法壓實(shí)壓緊即可。

密實(shí)度應(yīng)分層檢測(cè)，其中每40 cm一層可采用密實(shí)度一項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，每80 cm一層可采用密實(shí)度和地基系數(shù)雙項(xiàng)指標(biāo)控制檢測(cè)。壓實(shí)度或地基系數(shù)任何一項(xiàng)不合格都不得進(jìn)入下一層填筑，必須繼續(xù)碾壓，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為止。

（6）對(duì)已經(jīng)施工的坡面，要及時(shí)做好植被防護(hù)，以覆蓋坡面外露的土工格柵，防止暴露在大氣中。

土工格柵路堤的邊坡防護(hù)采用先噴播植草后移栽灌木的形式。噴播的主要原材料為：①粘結(jié)劑（80 g/m2）；②1~2 cm長(zhǎng)的干燥稻草（200 g/m2）；③復(fù)合肥（20 g/m2）；④種植土；⑤草籽。①~④的混合物稱為客土。

采用攪拌機(jī)對(duì)混合基材進(jìn)行攪拌，考慮到基材的特點(diǎn)，單斗混合基材的攪拌時(shí)間控制在2~3 min為宜。直接將客土與草種的混合材料噴播到坡面上，無(wú)需掛三維網(wǎng)或鐵絲網(wǎng)；需一次噴播到位，客土厚度為3~5 cm；噴播施工進(jìn)程中噴射盡可能從正面進(jìn)行，避免仰噴，凹凸部及死角部分要充分噴播。

噴播完成后應(yīng)注意觀察草的長(zhǎng)勢(shì)，并設(shè)專門(mén)觀察人員，發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)害及時(shí)采取措施治理。

為減小對(duì)客土層的破壞，草長(zhǎng)起來(lái)后采用人工移栽的方式對(duì)灌木進(jìn)行移栽。在路基坡腳、坡面上間距0.5 m呈品字形交錯(cuò)布置。為移植后的灌木苗能充分生長(zhǎng)，在移植施工時(shí)，必須穿過(guò)土工格柵間的空隙，將灌木苗種植在網(wǎng)眼袋的土體內(nèi)，以使灌木苗有足夠營(yíng)養(yǎng)土壤。整個(gè)移栽的過(guò)程必須小心謹(jǐn)慎操作，嚴(yán)禁在施工中破壞土工格柵及路基本體填料。

（7）加強(qiáng)對(duì)坡面植被的養(yǎng)護(hù)。澆水時(shí)用高壓噴霧器使水成霧狀均勻地濕潤(rùn)坡面基材混合物，注意控制好噴頭與坡面的距離和移動(dòng)速度，保證無(wú)高壓射流沖擊坡面形成徑流。在旱季養(yǎng)護(hù)次數(shù)一天兩次，具體視坡面的濕潤(rùn)程度而定，時(shí)間宜在早上10點(diǎn)之前或晚上6點(diǎn)之后。同時(shí)，應(yīng)防止對(duì)草灌植物的人為破壞，以及牛羊等牲畜的啃食或踐踏。

5 土工格柵加筋土路堤在施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）土工格柵在鋪設(shè)時(shí)，不容許有褶皺，應(yīng)拉直、拉緊，將強(qiáng)度高的方向布置在路堤橫斷面方向，并用U型釘及時(shí)固定。

（2）鋪設(shè)土工格柵的土層表面應(yīng)平整，不得有堅(jiān)硬凸出物、嚴(yán)禁碾壓機(jī)械直接在土工格柵表面上進(jìn)行碾壓。

（3）土工格柵攤鋪后應(yīng)及時(shí)填筑填料以防止日曬老化，并碾壓至設(shè)計(jì)要求密實(shí)度；所用填料最大粒徑不得大于15 cm，每層分兩次填筑。

（4）由于壓路機(jī)的碾壓，土工網(wǎng)眼袋會(huì)出現(xiàn)向路堤外側(cè)的水平位移，所以應(yīng)觀測(cè)最初兩層加筋土路堤寬度，即兩邊的土工網(wǎng)眼袋外側(cè)的距離在碾壓前與碾壓后的變化并做好記錄，在隨后的施工中應(yīng)預(yù)留好土工網(wǎng)眼袋的外擠量。

（5）在加筋土路堤施工中應(yīng)盡量避免設(shè)置馬道，當(dāng)必須設(shè)置馬道時(shí)，為避免在拆除馬道時(shí)破壞土工格柵的完整，馬道與路基接口處的土工格柵應(yīng)與本層加筋路堤的土工格柵同時(shí)回折包裹，并及時(shí)填補(bǔ)馬道頂部與路堤的高差以便繼續(xù)使用馬道。

（6）接觸網(wǎng)支柱預(yù)留基礎(chǔ)應(yīng)與路基同步施工，并在相應(yīng)高度預(yù)留土工格柵連接的拉環(huán)，以便與周?chē)凉じ駯爬喂踢B接，土工格柵回折后及與接觸網(wǎng)支柱預(yù)留基礎(chǔ)連接處采用土工棒穿連。

（7）必須做好坡面灌草護(hù)坡的施工、養(yǎng)護(hù)、防治病害并做好必要的補(bǔ)植工作，確保灌木和草盡快成活，形成坡面的綠色防護(hù)能力。必要時(shí)可在坡面覆蓋無(wú)紡布，以利草籽發(fā)芽生長(zhǎng)。

6 加筋路堤在玉蒙鐵路工程中的應(yīng)用效果

玉蒙鐵路在雞街至蒙自區(qū)間為中——強(qiáng)膨脹土，其中DIK138+040~DIK138+990和 DIK139+890~DIK140+905兩段位于雞街—蒙自區(qū)間，為填方地段，平均填高約6 m，因膨脹土不能用作路堤填料，需外借合格填料填筑。該兩段路基位于平坦的耕地地區(qū)，且離既有米軌鐵路及村莊較近，若按一般路基設(shè)計(jì)，占用耕地面積多，且外借合格填料的數(shù)量也很大。為此設(shè)計(jì)采用了包裹式土工格柵加筋路堤。加筋路基不但在性能上較一般路基要好能夠提高路堤的穩(wěn)定性，而且還節(jié)約了大面積的耕地、節(jié)省了大量的填料。

DIK138+040~DIK138+990和DIK139+890~DIK140+905兩段加筋路堤的長(zhǎng)度之和為1 965 m，邊坡設(shè)計(jì)坡度為1∶0.5，路堤平均高度為6 m，與邊坡為1∶1.5的一般路堤設(shè)計(jì)相比，經(jīng)計(jì)算，按加筋路堤設(shè)計(jì)，所需填料為12.7萬(wàn)m3，所占耕地為2.68 hm2，若按一般路堤設(shè)計(jì)，則所需填料為19.8萬(wàn)m3，所占耕地為5.09hm2，由此可見(jiàn)，此兩段加筋路堤與按一般路堤設(shè)計(jì)相比較，節(jié)約填料約7.1萬(wàn)m3，節(jié)省耕地約2.41 hm2。

7 結(jié)束語(yǔ)

玉蒙鐵路DK138+040~DK138+990和DK139+890~DK140+905兩段路堤，為全國(guó)鐵路在正線上首次采用的土工格柵加筋路堤，土工格柵加筋路堤具有結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、施工簡(jiǎn)單、少占耕地、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)目被選為鐵道部科技司重大科研項(xiàng)目的試驗(yàn)工點(diǎn)，該工點(diǎn)的成功實(shí)踐，不僅在設(shè)計(jì)和施工上是創(chuàng)新，在玉蒙鐵路工程建設(shè)上也是一個(gè)創(chuàng)新。

隨著對(duì)加筋土路堤的深入研究，復(fù)合土工材料在建筑領(lǐng)域的使用將更為廣泛與合理，也將發(fā)揮更大的作用，尤其在鐵路建設(shè)領(lǐng)域，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，荷載的不斷加重，對(duì)路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高，加筋土結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景也將更為廣闊。