基床防排水層土工合成材料工作特性試驗研究

王亞飛 李立 彭鍇

中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063

TB 10118—2006《鐵路路基土工合成材料應用設計規范》規定，新建鐵路和既有鐵路路基基床采用中粗砂0.10～ 0.15 m+土工合成材料+中粗砂0.05 m 的加固結構形式。根據TB 10118—2006 要求，土工合成材料上部砂墊層厚度不應小于10 cm。在鐵路路基基床防排水層中，中粗砂砂墊層主要具有排水和減少施工損傷的功能［1］。復合土工膜、毛細排水板等［2-4］土工合成材料常被應用于鐵路基床加固與處理的防排水層中。部分學者采用現場試驗［5-6］、理論計算［7］、數值模擬［8］、室內試驗等［9-11］方法，探討了復合土工膜的基本物理特性、動載情況下的受力變形特征、施工工藝等［12-13］。以上研究多集中于基床防排水層材料本身的工程特性及材料的鋪設工藝，對基床防排水層的結構構造優化研究較少。

橡膠合成纖維土工布是近年來發展的一種新型基床加固材料。由于橡膠合成纖維土工布具有較高的強度、韌性和耐久性，多被用于既有線基床翻漿冒泥等病害整治工程。既有線基床整治時，利用大機拋床中修，同步鋪設橡膠合成纖維土工布，并取消其砂墊層保護層，高效利用了施工作業的封鎖天窗點［14］。該材料在既有線基床整治中的應用為鐵路路基基床防排水層的構造優化提供了啟示，但相關研究主要為既有線整治中的施工工藝研究，其材料特性和實際工作性能研究較少。

為此，針對橡膠合成纖維土工布及傳統復合土工膜兩種材料，通過室內試驗對比研究其基本力學性能；通過現場填筑試驗，研究不同砂墊層厚度及填料施工工藝對材料的施工損傷。總結兩種材料的性能優缺點和基床防排水層施工工藝，得到材料施工損傷設計參數，探討基床防排水層的構造優化，可為相關規范的修編及工程設計提供借鑒。

1 基本力學試驗

選用鐵路工程常用的復合土工膜和橡膠合成纖維土工布型號作為試驗材料，根據Q/CR 549.3—2016《鐵路工程土工合成材料 第3 部分：土工膜》中附錄D和F 規定的試驗方法，取原始樣各5 片開展拉伸試驗和頂破強力測定試驗。施工前復合土工膜與橡膠合成纖維土工布經緯向拉伸曲線見圖1、圖2。

圖1 復合土工膜原始樣拉伸曲線

圖2 橡膠合成纖維土工布原始樣拉伸曲線

拉伸試驗時，預拉力狀態下的標距長度為10 cm。根據拉伸曲線，復合土工膜經緯向拉伸曲線變化規律一致。當伸長率小于10%時，隨伸長率增大拉力增長較快；伸長率繼續增大，隨伸長率增大拉力增長速率減小。這表明伸長率小于10%時復合土工膜抵抗變形能力較強，伸長率大于10%后抵抗變形能力減弱。復合土工膜最終發生柔性破壞。橡膠合成纖維土工布經向、緯向拉伸曲線變化規律略有不同。當經向伸長率較小時，橡膠合成纖維土工布抵抗變形能力較強，隨伸長率增大抵抗變形能力略有減小；而緯向抵抗變形能力隨緯向伸長率增大逐漸增大。橡膠合成纖維土工布最終發生脆性斷裂。

通過5 次平行試驗，統計測定的復合土工膜和橡膠合成纖維土工布原始樣的抗拉斷裂強度、斷裂伸長率和頂破強力平均值見表1。可知：橡膠合成纖維土工布具有較低的伸長率、較高的抗拉強度和頂破強力，其抗拉斷裂強度、頂破強力約為復合土工膜的5倍和3倍。

表1 土工合成材料基本力學性能

2 現場試驗

2.1 試驗工況

為優化基床加固防排水層的構造形式及其施工工藝，設計了不同砂墊層厚度、填料松鋪厚度和碾壓方式對材料施工損傷影響的現場填筑試驗。在試驗場地交替鋪設復合土工膜和橡膠合成纖維土工布（圖3），每工況試驗段長度由單幅土工合成材料寬度決定，試驗方案見表2。工況1—工況4 碾壓方式為靜壓1 遍+弱振N遍+靜壓1 遍；工況5—工況8 碾壓方式為靜壓1 遍+弱振1 遍+強振N遍+弱振1 遍+靜壓1 遍。試驗在已施工至基床底層部位的路堤上開展，場地表面為壓實后的A、B組填料平整面。

圖3 分區鋪設土工合成材料

表2 試驗設計方案

2.2 試驗步驟

1）膜下砂墊層施工。根據試驗方案鋪設不同設計厚度的砂墊層，整平后在各單幅土工合成材料順線路方向兩端（小里程和大里程處）隨機測定并記錄實際砂墊層鋪設厚度。

2）土工合成材料鋪設。根據試驗分區方案，人工交替鋪設不同土工合成材料。

3）膜上砂墊層施工。按試驗方案鋪設不同設計厚度砂墊層，整平后用壓路機靜壓一遍。在各單幅土工合成材料順線路方向兩端（小里程和大里程處）隨機測定并記錄實際膜上砂墊層鋪設厚度。

4）填料施工。重載運輸車松鋪第一層填料，平地機整平后采用重型壓路機進行碾壓，記錄碾壓遍數和壓實厚度。現場同步測定填料的地基系數K30和壓實系數，記錄并保存試驗數據。直至填料滿足設計要求的壓實質量。

5）土工合成材料取樣。對碾壓后的土工合成材料開挖取樣。順線路方向連續開挖寬度不小于2 m 的條形基槽取樣，記錄樣品外觀質量。

6）損傷樣試驗。測定施工后開挖的土工合成材料的基本性能參數，記錄試驗數據。

3 試驗結果分析

3.1 施工工藝

不同試驗分區整平或靜壓后，測定實際膜下、膜上砂墊層厚度見表3。可知：工況3—工況8 膜下砂墊層設計厚度為5 cm，現場采用平地機施工整平，膜下砂墊層實際厚度為2.5～ 9.0 cm，平均為4.7 cm。工況3—工況6 膜上砂墊層設計厚度為5 cm，砂墊層整平并靜壓后，測得膜上砂墊層實際厚度為5.0～7.8 cm，平均為5.7 cm。采用平地機整平砂墊層過程中，工況5復合土工膜在邊緣處被刮起，但無較大影響。工況7—工況8 膜上砂墊層設計厚度為10 cm，測得砂墊層實際厚度為7.2～ 11.0 cm，平均為8.9 cm。

表3 砂墊層厚度實測值

工藝試驗觀測和測量結果表明，較難精準控制薄層砂墊層的施工厚度。當砂墊層設計厚度為5 cm 時，機械平整厚度控制難度較大，膜上施工時容易刮起土工合成材料，采用人工粗平可減小純機械平整對土工合成材料的損傷。因此，當砂墊層設計厚度較小時，宜采用人工攤鋪或人工粗平+機械平整的施工方法。當膜上砂墊層設計厚度為10 cm 時，采用純機械施工基本可行。砂墊層的上料均可采用裝載機上料。膜上、膜下兩層砂墊層厚度不大時，可在砂墊層鋪設完畢后一起靜壓。

填料碾壓完成后，第一層填料壓實厚度見表4。可知：施工過程中，填料實際松鋪厚度均大于最大松鋪設計厚度35.0 cm，為達到基床底層壓實質量，施工采用強振為主的碾壓工藝。壓實后厚度約為27.4～51.4 cm，大于一般施工工藝碾壓厚度的控制值。

表4 第一層填料壓實厚度

碾壓后隨機抽取4 處測定壓實系數，抽取2 處測定地基系數，結果見表5。可知：除一處地基系數測定結果較小外，壓實質量基本滿足高速鐵路基床壓實標準。

表5 壓實系數測定結果

3.2 施工損傷

工況1 和工況2 分別鋪設復合土工膜和橡膠合成纖維土工布，施工時上下均未鋪設砂墊層，填料碾壓后取出的土工合成材料損傷樣見圖4。外觀質量檢查工況1 復合土工膜破損嚴重，破洞約30 個/m2；工況2橡膠合成纖維土工布破損一般，局部存在破損。工況3—工況8土工合成材料均設有砂墊層保護，施工碾壓后，上覆5～ 10 cm 砂墊層的復合土工膜損傷樣肉眼可見1～ 2 處小孔破損，上覆10 cm 砂墊層損傷樣并未見明顯改善，而橡膠合成纖維土工布肉眼均未見破損孔洞。外觀質量檢查發現小孔破損絕大部分來自上層填料的穿刺，而下部已施工完成的較平整的碾壓面對材料的損傷極少。施工損傷樣品的外觀質量檢驗表明，不鋪設砂墊層難以保證在試驗條件下兩種材料的水力學性能滿足設計要求；鋪設砂墊層時，砂墊層厚度對復合土工膜的水力學性能影響較小。橡膠合成纖維土工布具有更強的抗頂破能力，上部砂墊層厚度5 cm時基本可保證隔水性能。

圖4 施工后未鋪設砂墊層時土工合成材料

按Q/CR 549.3—2016 的試驗方法，測定復合土工膜和橡膠合成纖維土工布施工損傷樣的基本力學性能參數，并與表1中原始樣的力學參數進行對比，定義原始樣與損傷樣對應性能指標參數之比為施工損傷系數，試驗結果見表6、表7。其中，k1、k2、k3分別為經向抗拉斷裂強度、緯向抗拉斷裂強度、頂破強力的施工損傷系數。

表6 復合土工膜基本性能參數與施工損傷系數

表7 橡膠合成纖維土工布基本性能參數與施工損傷系數

由表6、表7 可知：①橡膠合成纖維土工布具有更強的抵抗施工損傷的性能。其中，復合土工膜經向和緯向的抗拉斷裂強度施工損傷系數平均值分別為1.66 和1.62，橡膠合成纖維土工布為1.01 和1.11；頂破強力兩者分別為1.86和1.07，在防頂破性能上兩者差距更明顯。②工況7、工況8的材料損傷系數并未明顯減小，表明不同砂墊層厚度對單種材料的抗拉斷裂強度、斷裂伸長率、頂破強力等力學性能的施工損傷影響不大，砂墊層厚度具有可優化的空間。但結合外觀質量檢查結論，鋪設砂墊層相比不鋪設砂墊層能有效減少施工后土工合成材料破損小孔數量，從而影響其隔水性能。

需說明的是，試驗填料最大粒徑dmax=75 mm，平均粒徑d50=14 mm，復合土工膜抗拉強度15 kN/m，頂破強力2.5 kN。相關研究表明，在土工合成材料平面通水量較大時，上部砂墊層對基床排水的泄排貢獻基本可以忽略［15］，此時其功能在理論上以減少土工合成材料的施工損傷為主。從減小工程造價的角度出發，當采用更小粒徑、級配良好填料（如dmax≤ 60 mm，d50≤ 10 mm 中-粗礫石土以下填料），并采用弱振碾壓施工，同時提高材料頂破強力指標（如頂破強力大于等于4.0 kN），土工合成材料的施工損傷會大大降低，從而可針對性優化基床防排水層的砂墊層厚度。

4 結論

1）橡膠合成纖維土工布具有較低的伸長率、較高的強度，其抗拉斷裂強度和頂破強力約為復合土工膜的5 倍和3 倍，表現出較大的剛度，斷裂時呈脆性破壞。橡膠合成纖維土工布的施工損傷系數明顯小于復合土工膜，具有較強的抗施工損傷性能。

2）薄層砂墊層采用純機械施工難以有效控制鋪設厚度，宜采用人工攤鋪或人工粗平與機械平整相結合的施工方法。厚度不小于10 cm 時，采用純機械施工基本可行。

3）砂墊層厚度在0～ 10 cm 時，施工對兩種材料的力學性能影響較小。但鋪設砂墊層相比不鋪設砂墊層能有效減少施工后土工合成材料破損小孔數量，從而影響其隔水性能。

4）當材料的平面通水量滿足基床排水需求時，僅考慮施工損傷因素，理論上可在提高材料強度、優化填料級配及其施工工藝的條件下，針對性優化基床防排水層的砂墊層厚度。