復(fù)合土工膜處治高寒低填路基病害的研究

張志永 常瑞祥 杜曉宇 扎 西

（ 中交路橋北方工程有限公司，北京100024）

1 概述

國(guó)外復(fù)合土工膜應(yīng)用于大壩防滲開(kāi)始于1959 年,最先應(yīng)用于歐 洲 (Sembenelliand Rodriguez 1996)和加拿大(Lacroix 1984),廣泛用于混凝土壩、 土石壩等上游面的防水層。 通過(guò)減少通過(guò)壩體的滲漏量,土工膜的防滲作用在很大程度上延長(zhǎng)了大壩的使用年限,并取得了良好的防滲效果。

本文提出一種復(fù)合土工膜,即“ 兩布一膜”的結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)公路低填路段的施工過(guò)程荷載情況及后期車輛運(yùn)營(yíng)情況對(duì)復(fù)合土工膜的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定, 確保復(fù)合土工膜在施工過(guò)程及后期公路荷載情況下保持良好的工作性能,增加耐久性。并根據(jù)高寒地區(qū)的凍土深度、地下水位情況、路基填筑高度情況三者的關(guān)系,合理確定復(fù)合土工膜的設(shè)置位置以更好的發(fā)揮其特性。最后通過(guò)對(duì)未處理原裝地基含水率、處理后的路基進(jìn)行不同深度的含水率的檢測(cè),分析復(fù)合土工膜處理方式效果分析,提出復(fù)合土工膜的應(yīng)用前景。

2 工程概況

項(xiàng)目地處高海拔、嚴(yán)寒區(qū),環(huán)境條件惡劣,平均海拔在4500m以上,屬于高原亞干旱氣候區(qū)。 項(xiàng)目區(qū)近50 年來(lái)的最大凍深為2.98m, 大地標(biāo)準(zhǔn)凍深取那曲地區(qū)1961～2010 年近50 年來(lái)的最大凍深平均值2.15m,屬于較大凍深的季節(jié)性凍土地區(qū)。 項(xiàng)目路線沿線經(jīng)過(guò)山麓坡腳的地勢(shì)低洼地帶,濕地中植被發(fā)育,分布有腐殖土及細(xì)粒土,承載力低,由于土體呈飽和狀態(tài),冬季凍脹嚴(yán)重,春季消融時(shí)已形成翻漿現(xiàn)象。 路基在該段以低填、 淺挖路基形式通過(guò)。

3 技術(shù)分析

天然地基的承載力對(duì)低填路基表面的彎沉值影響顯著,掌握天然地基模量,預(yù)測(cè)路基表面的承載力,會(huì)降低路基表面彎沉不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。低填淺挖路基往往是路基病害頻發(fā)的部位,再加上高海拔嚴(yán)寒凍融循環(huán)等不良?xì)夂蛱攸c(diǎn),使得病害更加顯著。低填淺挖路基一般處理方式有：翻挖碾壓、挖除換填、增加碎石盲溝等方案中的一種或者幾種相結(jié)合, 方案的主要目的是提升填料的質(zhì)量,增加地基承載力,并遏制地下水上升至路床內(nèi)或凍深范圍內(nèi),該處理措施很難保證路基中的含水率穩(wěn)定,究其原因,無(wú)論是盲溝還是路基填料很難徹底隔斷外界水的侵入, 最終為季節(jié)性凍土路基埋下質(zhì)量隱患。

表1 復(fù)合土工膜隔斷層與傳統(tǒng)低填淺挖路基處理方案經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比 單位：元

4 復(fù)合土工膜隔斷層設(shè)置技術(shù)要求

4.1 復(fù)合土工膜的技術(shù)指標(biāo)

為了有效的隔斷外界水, 隔斷層采用一種防滲復(fù)合土工膜。施工時(shí)為有效的保護(hù)土工膜并發(fā)揮其作用, 防止施工過(guò)程及后期路基運(yùn)營(yíng)時(shí)的荷載對(duì)其的破壞作用,結(jié)構(gòu)形式采用一種“ 兩布一膜”的復(fù)合型結(jié)構(gòu),即布/ 膜/ 布結(jié)構(gòu)。 布的主要作用是保護(hù)膜,而膜主要是隔水作用。 防滲復(fù)合土工膜用于阻斷凍土中的水分向路基方向遷移,例如設(shè)置于路床底面及側(cè)面,對(duì)路床的土體或者凍深范圍內(nèi)的土體形成包裹結(jié)構(gòu), 為土體提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。

根據(jù)公路的荷載情況,地基承載力在63-66kPa 之間,低填路基處理深度在40cm,綜上提出對(duì)于復(fù)合土工膜的具體參數(shù)要求不低于以下標(biāo)準(zhǔn)： 土工布采用無(wú)紡織, 單層布質(zhì)量≥150 克/平米, 中間防滲膜厚≥0.3mm、 總厚度≥2.4mm, 極限抗拉強(qiáng)度≥17kN/m,極限伸張率≥30%,CBR 頂破強(qiáng)度≥3.0kN,撕破強(qiáng)度≥0.42kN,垂直滲透系數(shù)<1×10-11cm/s,幅寬偏差正負(fù)1%,并具有防凍、抗紫外線的功能。

4.2 復(fù)合土工膜設(shè)置位置選取

分別有凍土深度線、地下水位線,在路基填筑高度相對(duì)較高時(shí),兩條線不相交,路基凍深內(nèi)不受地下水影響,復(fù)合土工膜位置可設(shè)在凍深線附近或者原地面。 當(dāng)路基填筑為低填路路堤時(shí),路基部分或者全斷面處于凍土范圍內(nèi), 則地下水侵入路基范圍內(nèi),則路基受到季節(jié)性凍土影響嚴(yán)重, 復(fù)合土工膜設(shè)置位置在凍深線附近或者路床底。

5 復(fù)合土工膜隔斷層與傳統(tǒng)低填路基處理方式實(shí)用效果對(duì)比

現(xiàn)有低填淺挖路基處理方案有：翻挖碾壓、換填及設(shè)置盲溝等方案, 現(xiàn)將方案對(duì)比, 以100m 長(zhǎng)低填淺挖段為例, 路基寬度26m,處理厚度50cm,復(fù)合土工膜隔斷層與傳統(tǒng)低填淺挖路基處理方案經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比情況見(jiàn)表1。

根據(jù)上表可得：a.從處理質(zhì)量效果分析,方案②、③明顯優(yōu)于方案①,考慮到本技術(shù)適用于高海拔嚴(yán)寒凍融地區(qū),方案①很容易受到地表水或地下水影響,易引起路基凍脹、翻漿病害,所以不推薦。 b.從工程造價(jià)、節(jié)約材料及勞動(dòng)強(qiáng)度等方面分析,方案③優(yōu)于方案②,若處理厚度加大,則經(jīng)濟(jì)性差別更大;從處理效果分析,兩個(gè)處理原理不同,方案②是通過(guò)優(yōu)化填料來(lái)控制毛細(xì)水的上升,并配合盲溝排出積水,控制路基填料的含水率。 方案③是隔斷外界水進(jìn)入路基,保持路基含水率處于合適狀態(tài),同樣避免路基在凍融環(huán)境下出現(xiàn)凍脹、翻漿等病害。 經(jīng)對(duì)不同處理方案下路基含水率檢測(cè), 復(fù)合土工膜處治下路基的含水率更加穩(wěn)定,采用砂礫處理的路基局部出現(xiàn)含水率增大的情況。

6 施工工藝

對(duì)復(fù)合土工膜或土工膜的施工技術(shù)與質(zhì)量控制應(yīng)該予以足夠的重視,國(guó)外學(xué)者Nosko 等對(duì)16 個(gè)國(guó)家超過(guò)300 處場(chǎng)地大約325 萬(wàn)m2的土工膜質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),高達(dá)97%的土工膜破損發(fā)生在施工鋪設(shè)階段。

施工工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 施工工藝流程圖

6.1 實(shí)施準(zhǔn)備

物資機(jī)械準(zhǔn)備, 施工前根據(jù)工程量合理配置施工人員和機(jī)械,機(jī)械主要有挖掘機(jī)、裝載機(jī)、運(yùn)輸車、壓路機(jī)、平地機(jī)等。

根據(jù)工程量購(gòu)置材料,即土工布及土工膜(或者為土工復(fù)核材料),材料需按照要求和頻率進(jìn)行檢測(cè),確保質(zhì)量滿足要求。

6.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

6.2.1 測(cè)量放樣

根據(jù)低填淺挖路基處理的長(zhǎng)度、 寬度及深度放樣出位置及標(biāo)高,并做好明顯標(biāo)志。

6.2.2 路床開(kāi)挖

作業(yè)人員根據(jù)放樣情況組織機(jī)械設(shè)備開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置,然后組織壓路機(jī)對(duì)開(kāi)挖出的表面進(jìn)行碾壓。

6.2.3 標(biāo)高檢測(cè)

測(cè)量人員對(duì)碾壓完成的頂面進(jìn)行標(biāo)高復(fù)測(cè), 若滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求,則進(jìn)行下一道工序,否則繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)高整修,直至滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2.4 壓實(shí)度檢測(cè)

試驗(yàn)人員對(duì)碾壓完成的頂面進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè), 若滿足要求,則進(jìn)行下一道工序,否則繼續(xù)進(jìn)行碾壓直至壓實(shí)度滿足要求。

6.2.5 鋪設(shè)防滲土工膜

鋪設(shè)防滲土工布,按照一布、一膜、一布的順序分別鋪筑,復(fù)合土工膜則一次鋪筑完成。鋪筑時(shí)土工膜寬度不足,需分幾次鋪筑才能滿足路基寬度時(shí),注意首先要保證搭接寬度不小于20cm,土工膜兩側(cè)應(yīng)預(yù)留富足的寬度,以便于后面將路基側(cè)面包裹,預(yù)留寬度應(yīng)大于低填淺挖處理的厚度。 復(fù)合土工膜焊接時(shí)采用雙焊縫,兩條焊縫之間留有空腔,每隔一定距離將焊縫焊死密閉。空腔的作用是便于后續(xù)充氣檢查焊縫的質(zhì)量。

6.2.6 回填土方

試驗(yàn)檢測(cè)人員對(duì)開(kāi)挖出的土進(jìn)行檢測(cè),若含水率等各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求,則利用翻挖的土方進(jìn)行回填,否則應(yīng)進(jìn)行處理,例如通過(guò)晾曬達(dá)到含水率要求,然后再回填土方。回填土方按照一般路基分層填筑工藝實(shí)施。

6.2.7 下一步施工

盡快施工路面結(jié)構(gòu)層,防止降雨等水分進(jìn)入土工膜內(nèi)。

7 應(yīng)用前景

復(fù)合土工膜雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用在水利工程中,但在公路路基病害處理中是一種新型的防滲材料,由于其防滲性能優(yōu)越、抗凍性能好、施工便捷、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),在未來(lái)公路病害處理中會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景,但是公路不同于水利工程,公路施工及后期運(yùn)營(yíng)中存在著大量的荷載傳遞, 對(duì)復(fù)合土工膜的耐久性有著較大影響,是后續(xù)應(yīng)用和研究中重要的工作之一。