拉日鐵路凍土路基邊坡新型柔性加筋土防護試驗研究

趙立財

(天津大學建筑工程學院，天津 300072)

由于多年凍土區(qū)尤其是高溫極不穩(wěn)定區(qū)的高含冰量使得凍土熱穩(wěn)定性差，凍脹及融沉性強，極易出現(xiàn)路基邊坡下沉、變形、開裂等病害［1］，因此，保證凍土地區(qū)路基邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。多年凍土地區(qū)修建的路基工程，在現(xiàn)有的技術(shù)、經(jīng)濟條件下，不可避免地會發(fā)生一定的變形。若采用傳統(tǒng)的漿砌片石護墻、骨架護坡，在寒季施工存在很多困難，而且不能適應凍融循環(huán)所造成的變形［2-3］。因此，對新型柔性護坡結(jié)構(gòu)的研究十分必要。

本文結(jié)合新建拉薩至日喀則鐵路TJ-2標路基邊坡施工，在角礫石、黏性土、粗粒土路堤邊坡進行了新型柔性加筋土邊坡加固［4］。在路堤邊坡填筑施工中使用加筋材料是為了增強路基填土界面處的摩擦力，提高路基的整體穩(wěn)定性，同時在一定程度上加陡路基邊坡［5］。在邊坡坡面采用預制混凝土塊與加筋材料連接，使其形成加筋土預制混凝土塊結(jié)構(gòu)，可有效防止雨水對坡面的沖刷［6］。本試驗主要研究多年凍土區(qū)采用加筋土結(jié)構(gòu)加固路堤邊坡的工程效果及適用性，為后續(xù)多年凍土區(qū)新建鐵路路基邊坡防護的設計和施工提供依據(jù)。

1 工程概況

新建拉薩至日喀則鐵路 TJ-2標，正線長度45.7 km，路基長度32.6 km，路堤邊坡坡率1∶1.25，邊坡最高9.5 m。選用DK44+380——DK44+870段路基邊坡作為加筋土邊坡的試驗段。試驗段地處山前沖、洪積平原，地勢開闊，地勢北低南高，地形略有起伏，地面高程介于3 500～3 600 m。地表植被發(fā)育較好，覆蓋率一般為15%～30%。出露地層主要為第四系全新統(tǒng)風積細砂層及下第三系砂巖層。試驗段地震基本烈度為7度，年平均地溫－8℃ ～－0.5℃，屬于低溫多年凍土區(qū)，凍土上限為2.5～3.0 m。地表水主要是沖溝中的季節(jié)流水，為大氣降水補給;地下水主要為凍土層上水，主要由溫暖季節(jié)凍結(jié)層融化補給。試驗段巖性分層情況如表1所示。

表1 試驗段巖性分層情況

2 加筋土邊坡設計

加筋材料選用雙向高強聚酯經(jīng)編土工格柵，其抗拉強度設計值為100 kN/m，路基邊坡加筋層的豎向間距ΔH=0.3 m，加筋長度L=6 m;護坡坡面采用C20混凝土在定型鋼模中進行預制，預制尺寸(長×寬 ×高)為0.50 m×0.48 m×0.30 m和0.25 m×0.48 m×0.30 m 2種，路基填筑厚度為每層30 cm，即每鋪1層加筋層就安裝1層預制塊，進行一次路基填筑，預制塊面板與面板之間以M7.5水泥砂漿砌筑;預制塊與加筋材料緊密連接，形成加筋土預制混凝土塊邊坡結(jié)構(gòu)。加筋土邊坡結(jié)構(gòu)示意如圖1，混凝土預制塊與土工格柵加筋材料連接示意如圖2。

圖1 加筋土邊坡結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

整個施工工序為:①開挖;②清底、整平;③鋪設高強聚酯經(jīng)編土工格柵;④粗顆粒料填筑;⑤吊裝混凝土塊;⑥插筋;⑦水泥砂漿砌筑;⑧重復③，④，⑤，⑥，⑦，直至整個邊坡完工。

圖2 混凝土預制塊與土工格柵加筋材料連接示意(單位:mm)

3 室內(nèi)試驗成果與分析

3.1 填料的物理力學性能指標

根據(jù)室內(nèi)顆粒分析和現(xiàn)場剪切試驗，確定填料為粗粒土，屬于A組填料，其天然含水率為6.24%，最大干重度為18.0 kN/m3，最大粒徑為60 mm，顆粒級配良好。通過現(xiàn)場直剪試驗，得到土體黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為35.3°。并將填料按照不同含水率制成干重度22.3 kN/m3的試樣，在地溫－25℃的環(huán)境中使土體充分凍結(jié)，測試凍結(jié)后的凍脹量以及地溫0℃的環(huán)境中受凍土樣融化后的融沉量，得到填料的平均凍脹率3.5% ＜η≤6.0%，為Ⅲ級凍脹土。

3.2 土工格柵凍融循環(huán)試驗

本試驗段地處高含冰凍土地段，應先對所用材料在多次凍融循環(huán)作用下的抗拉性能進行測試。測試在拉力機上進行，試驗按照GB/T 17689—1999執(zhí)行。對高強聚酯經(jīng)編土工格柵，分別對其凍融2，5，10，11，15，20，25，30，40，50，60 次后進行抗拉試驗。每次凍融循環(huán)為24 h。每次取5個試樣進行試驗，取其平均值。測試結(jié)果見表2。

表2 土工格柵在凍融循環(huán)作用下的力學參數(shù)測試結(jié)果

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，高強聚酯經(jīng)編土工格柵破壞時的應變都＜10%，并且5%應變時的抗拉強度都＜100 kN/m，故而強度和變形能滿足規(guī)范(GB/T 17689—2008)要求。

3.3 拉拔試驗與分析

拉拔試驗的目的是測定高強聚酯經(jīng)編土工格柵埋在土內(nèi)時與周圍土體的摩擦特性。所用試樣分別是現(xiàn)場的角礫石、黏性土和中砂，對角礫石在飽和和未飽和兩種情況下進行試驗。試驗中對每種土樣施加的垂直荷載(即剪應力)分別為20，35，50 kPa，拉拔試驗試件如圖3所示。具體試驗結(jié)果如圖4及表3所示。

圖3 拉拔試驗試件示意(單位:cm)

圖4 各種土體的剪應力與法向應力、拉拔位移關(guān)系

表3 拉拔試驗結(jié)果

由圖4可知，室內(nèi)拉拔試驗的τ－ΔL曲線具有明顯的非線性關(guān)系。隨著法向應力p的增大，界面剪應力的峰值及其對應的拉拔位移均隨著增大。這是由于抗拔阻力是沿筋帶長度由施力端向埋入端逐漸傳遞發(fā)揮作用的緣故，上覆壓力越大，達到峰值抗拔力時的過程越長，需發(fā)生的位移量越大。

由表3拉拔試驗結(jié)果可知:①土工格柵與中砂、黏性土、未飽和角礫石的摩擦系數(shù)分別為0.471，0.394，0.534?？梢钥闯?，在法向應力的作用下，角礫石嵌固作用好，在壓實后變位相對困難，所以礫石土比粗砂、黏性土的摩擦系數(shù)大;②土工格柵與中砂、黏性土的界面黏聚力分別為4.72，4.32 kPa，均相當小，并且不穩(wěn)定，所以建議在類似填料的加筋土中計算錨固長度時可以忽略不計黏聚力，而土工格柵與未飽和角礫石、飽和角礫石的界面黏聚力分別為12.6，2.42 kPa，這是由于未飽和角礫石顆粒比較粗，土工格柵上的孔眼對土起到了鎖定作用，因而產(chǎn)生的黏聚力較大，可優(yōu)選未飽和角礫石作為加筋土邊坡的填料。

4 加筋土邊坡現(xiàn)場監(jiān)測與分析

本文選取了DK44+700右側(cè)邊坡作為新型柔性加筋土邊坡沉降觀測代表性測試斷面，DK44+700右側(cè)邊坡測點布置見圖5所示，DK44+700右側(cè)邊坡沉降曲線變化如圖6所示。

圖5 DK44+700右側(cè)邊坡測點布置(單位:m)

圖6 DK44+700右側(cè)邊坡沉降曲線變化

由圖6可見:

1)該邊坡從2011年7月27日施工完開始觀測，由于氣候、施工造成凍土融化及加筋土邊坡填筑段施加的荷載作用，所有觀測點均發(fā)生沉降;從2011年8月下旬開始，靠近線路的D11，D12，D13沉降觀測點發(fā)生了向上的隆起，而其他觀測點繼續(xù)發(fā)生沉降;從2011年10月下旬開始所有測點均發(fā)生沉降，到2012年1月22日達到一個較大值，之后，由于地基土及填土發(fā)生凍脹，所有觀測點均發(fā)生了向上的隆起。2012年4月底至7月中旬各測點均比較穩(wěn)定，未發(fā)生較大沉降變形;2012年8月之后，由于凍土發(fā)生不同程度融化，各測點均發(fā)生了不同程度沉降，到2012年10月20日沉降最大值發(fā)生在D17處，沉降量為136 mm。

2)由于各測點變形受到氣候、在邊坡上所處位置、保溫層厚度、鋪設保溫板與否等影響，變化規(guī)律不完全相同?？傮w趨勢和規(guī)律是:由于施工擾動等因素作用，發(fā)生了較大的變形;經(jīng)過一個凍融循環(huán)后變形規(guī)律比較明顯，變形曲線較平緩。

3)新型柔性加筋土邊坡最大沉降量發(fā)生在D17路肩位置上。從變形發(fā)展規(guī)律來看，該位置還會有變形發(fā)生，但其值不會太大，不會對加筋土護坡的穩(wěn)定性和路基結(jié)構(gòu)造成較大影響。

5 結(jié)語

在新建拉薩至日喀則鐵路TJ-2標路基施工中對新型柔性加筋土防護結(jié)構(gòu)進行了室內(nèi)顆粒分析試驗、剪切試驗、凍融循環(huán)試驗、拉拔試驗及現(xiàn)場監(jiān)測，并得到以下結(jié)論:

1)根據(jù)室內(nèi)顆粒分析和現(xiàn)場剪切試驗，確定填料為粗粒土，屬于A組填料，顆粒級配良好。凍融循環(huán)試驗顯示，高強聚酯經(jīng)編土工格柵破壞時的應變＜10%，并且5%應變時的抗拉強度＜100 kN/m，其強度和變形能滿足使用要求。

2)通過土工格柵與土的室內(nèi)拉拔試驗得知，隨法向應力的增大，剪應力峰值及其對應的拉拔位移均隨之增大;角礫石嵌固作用好，在壓實后變位相對困難，角礫石的摩擦系數(shù)及黏聚力比中砂、黏性土大且穩(wěn)定;未飽和角礫石界面黏聚力比中砂、黏性土、飽和角礫石都大，因而在加筋土的設計和施工中宜優(yōu)選未飽和角礫石作為加筋土邊坡的填料。

3)加筋土邊坡沉降測試結(jié)果表明，邊坡最大沉降136 mm，發(fā)生在D17路肩位置上，該位置還會有變形發(fā)生，但其值不會太大，不會對加筋土護坡的穩(wěn)定性和路基結(jié)構(gòu)造成較大影響。

將高強聚酯經(jīng)編土工格柵加筋土預制混凝土塊防護結(jié)構(gòu)，用于多年凍土地區(qū)路基邊坡防護的設計與施工中切實可行，它在保護多年凍土和保證邊坡本身的穩(wěn)定性方面能夠滿足要求。

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［4］裴建中，竇明健，胡長順，等.土工合成材料在多年凍土地區(qū)路基病害處治中的應用技術(shù)研究［J］.冰川凍土，2002，21(6):785-789.

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［6］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 17689—2008 土工合成材料塑料土工格柵［S］.北京:中國標準出版社，2008.