加筋土技術(shù)在鐵路工程中的應用

王守彥

（中鐵六局太原鐵建北同蒲項目部，山西 朔州 037600）

1 概述

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

國內(nèi)對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，達到穩(wěn)定土體的目的，從而提高了土體強度。隨著科學技術(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題時，加筋土路堤在工程建設(shè)中將逐步得到應用。

研究表明，土工格柵具有高強度、低延伸率及高穩(wěn)定性等優(yōu)點，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)中廣泛應用并很快擴展到鐵路建設(shè)領(lǐng)域。但是，當前對土工格柵與土相互作用機理的認識還不夠，土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)的理論研究落后于工程實踐。

2 土工格柵的性能指標

加筋材料的設(shè)計取值有兩個重要指標，即強度和變形，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久穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此使用時應充分重視土工格柵的材質(zhì)和強度（包括2%應變時的瞬時屈服強度和長期的蠕變強度），特別是蠕變強度。要求施工中按每批次不少于一組（一組不少于3個試件）或每10萬m2不少于一組進行蠕變強度試驗，檢測土工格柵能否滿足設(shè)計要求。

在玉蒙鐵路中，設(shè)計要求土工格柵拉伸屈服強度不小于60 kN/m，屈服伸長率不大于11.5%，2%應變時拉伸強度不小于14 kN/m，20℃時測得的長蠕變強度不小于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，通過云南理工大學實驗室試驗，其性能指標均滿足設(shè)計要求。

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，對于土工格柵的作用機理的研究主要有有限元分析、準粘聚力原理、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雜邊界條件、加荷條件、水與土骨架上的應力耦合關(guān)系和時間因素等，因此在分析土工格柵的加筋機理方面發(fā)揮了重要的作用。研究認為，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；土體對格柵的被動阻抗作用；土工格柵孔眼對土的鎖定作用。

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）加筋路堤較無加筋路堤就路堤底部的豎向位移、堤址點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度增加、加筋層數(shù)增多及邊坡變緩而相應的變小。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，所以在工程運用中應盡量采用抗拉強度大、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的水平位移對路堤高度很敏感，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，加筋不僅對地表的水平位移約束作用明顯，而且對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度對土體施加側(cè)向約束作用，降低土體應力水平，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，工藝粗糙，顯然難以達到預期效果。此外，填料的選擇及壓實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

施工準備→測量放線→整平場地→檢測地基承載力→合格后平鋪第一層土工格柵→分兩次填筑填料→檢測壓實度→合格后平鋪下一層土工格柵→直至路基本體施工完成→檢測壓實度→路基基床施工。

4.2 加筋土路堤的施工工藝

（1）在整平場地時，清除樹根草皮，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)篩過篩，裝入土工網(wǎng)眼袋內(nèi)，作為種植土。

（2）在檢測地基承載力合格后立即鋪設(shè)第一層土工格柵，土工格柵的下料長度應根據(jù)路基寬度提前計算好，預留不小于2 m的回折包裹長度。土工格柵在鋪設(shè)時，應拉直、拉緊，不得卷曲、扭結(jié)，將強度高的方向布置在路堤橫斷面方向，并及時用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，連接強度不低于材料容許抗拉強度，縱向采用搭接，搭接長度不小于一個節(jié)點。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（種植土來源于清除的地表土），為坡面植物生長提供土質(zhì)條件。在施工路基沿線建一處種植土加工拌和場地，制備滿足要求的種植土，裝袋后再運到現(xiàn)場填筑。當路基清表土不足時，可采用黏沙土，過工程篩后，按重量比加入5%的復合肥，拌和均勻后裝袋備用。每層土工格柵包裹土工網(wǎng)袋后應向路基內(nèi)回折，回折長度不小于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）×4 cm（寬）×0.5 cm(厚)，確保連接處強度不小于土工格柵材料的本體強度。

（4）填料的選擇與壓實。土工格柵包裹式加筋土所采用的填料類型和壓實度決定了加筋土結(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，嚴禁采用膨脹土作填料，應在現(xiàn)場和取土場位置取土樣做填料的膨脹性試驗，看是否滿足設(shè)計要求。若不滿足，則不得用于加筋路堤填料。

填料每層厚度為40 cm，在施工中應分為兩次填筑，填料的粒徑不得大于15 cm。填土順序應先填土工格柵兩端，然后再依次擴大，車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行試碾壓。根據(jù)碾壓機械、填料及攤鋪厚度，初步確定碾壓遍數(shù)和碾壓方法，碾壓后進行壓實度檢測，取得相關(guān)施工參數(shù)，以指導后續(xù)施工。填料碾壓時含水率應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，嚴禁出現(xiàn)反向順序，壓路機應順路堤縱向行駛，嚴禁出現(xiàn)橫向行駛碾壓。下一次碾壓的輪跡應與上一次碾壓的輪跡重疊輪跡寬度的1/3。未壓實的加筋體，不允許運輸車輛在上面行駛，若需臨時行駛，其車速不得大于5km/h，并不準急剎車，以免造成土工格柵的錯位。

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

密實度應分層檢測，其中每40 cm一層可采用密實度一項指標檢測，每80 cm一層可采用密實度和地基系數(shù)雙項指標控制檢測。壓實度或地基系數(shù)任何一項不合格都不得進入下一層填筑，必須繼續(xù)碾壓，直至達到設(shè)計標準為止。

（6）對已經(jīng)施工的坡面，要及時做好植被防護，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長的干燥稻草（200 g/m2）；③復合肥（20 g/m2）；④種植土；⑤草籽。①~④的混合物稱為客土。

采用攪拌機對混合基材進行攪拌，考慮到基材的特點，單斗混合基材的攪拌時間控制在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；噴播施工進程中噴射盡可能從正面進行，避免仰噴，凹凸部及死角部分要充分噴播。

噴播完成后應注意觀察草的長勢，并設(shè)專門觀察人員，發(fā)現(xiàn)病蟲害及時采取措施治理。

為減小對客土層的破壞，草長起來后采用人工移栽的方式對灌木進行移栽。在路基坡腳、坡面上間距0.5 m呈品字形交錯布置。為移植后的灌木苗能充分生長，在移植施工時，必須穿過土工格柵間的空隙，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養(yǎng)土壤。整個移栽的過程必須小心謹慎操作，嚴禁在施工中破壞土工格柵及路基本體填料。

（7）加強對坡面植被的養(yǎng)護。澆水時用高壓噴霧器使水成霧狀均勻地濕潤坡面基材混合物，注意控制好噴頭與坡面的距離和移動速度，保證無高壓射流沖擊坡面形成徑流。在旱季養(yǎng)護次數(shù)一天兩次，具體視坡面的濕潤程度而定，時間宜在早上10點之前或晚上6點之后。同時，應防止對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注意的問題

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

（2）鋪設(shè)土工格柵的土層表面應平整，不得有堅硬凸出物、嚴禁碾壓機械直接在土工格柵表面上進行碾壓。

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

（4）由于壓路機的碾壓，土工網(wǎng)眼袋會出現(xiàn)向路堤外側(cè)的水平位移，所以應觀測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，在隨后的施工中應預留好土工網(wǎng)眼袋的外擠量。

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

（6）接觸網(wǎng)支柱預留基礎(chǔ)應與路基同步施工，并在相應高度預留土工格柵連接的拉環(huán)，以便與周圍土工格柵牢固連接，土工格柵回折后及與接觸網(wǎng)支柱預留基礎(chǔ)連接處采用土工棒穿連。

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

6 加筋路堤在玉蒙鐵路工程中的應用效果

玉蒙鐵路在雞街至蒙自區(qū)間為中——強膨脹土，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，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度之和為1 965 m，邊坡設(shè)計坡度為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)計相比，經(jīng)計算，按加筋路堤設(shè)計，所需填料為12.7萬m3，所占耕地為2.68 hm2，若按一般路堤設(shè)計，則所需填料為19.8萬m3，所占耕地為5.09hm2，由此可見，此兩段加筋路堤與按一般路堤設(shè)計相比較，節(jié)約填料約7.1萬m3，節(jié)省耕地約2.41 hm2。

7 結(jié)束語

玉蒙鐵路DK138+040~DK138+990和DK139+890~DK140+905兩段路堤，為全國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、施工簡單、少占耕地、保護環(huán)境等優(yōu)點。該項目被選為鐵道部科技司重大科研項目的試驗工點，該工點的成功實踐，不僅在設(shè)計和施工上是創(chuàng)新，在玉蒙鐵路工程建設(shè)上也是一個創(chuàng)新。

隨著對加筋土路堤的深入研究，復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，隨著列車運行速度的提高，荷載的不斷加重，對路基的強度及穩(wěn)定性要求也越來越高，加筋土結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景也將更為廣闊。