拉日铁路冻土路基边坡新型柔性加筋土防护试验研究

赵立财

(天津大学建筑工程学院，天津 300072)

由于多年冻土区尤其是高温极不稳定区的高含冰量使得冻土热稳定性差，冻胀及融沉性强，极易出现路基边坡下沉、变形、开裂等病害［1］，因此，保证冻土地区路基边坡的稳定性至关重要。多年冻土地区修建的路基工程，在现有的技术、经济条件下，不可避免地会发生一定的变形。若采用传统的浆砌片石护墙、骨架护坡，在寒季施工存在很多困难，而且不能适应冻融循环所造成的变形［2-3］。因此，对新型柔性护坡结构的研究十分必要。

本文结合新建拉萨至日喀则铁路TJ-2标路基边坡施工，在角砾石、黏性土、粗粒土路堤边坡进行了新型柔性加筋土边坡加固［4］。在路堤边坡填筑施工中使用加筋材料是为了增强路基填土界面处的摩擦力，提高路基的整体稳定性，同时在一定程度上加陡路基边坡［5］。在边坡坡面采用预制混凝土块与加筋材料连接，使其形成加筋土预制混凝土块结构，可有效防止雨水对坡面的冲刷［6］。本试验主要研究多年冻土区采用加筋土结构加固路堤边坡的工程效果及适用性，为后续多年冻土区新建铁路路基边坡防护的设计和施工提供依据。

1 工程概况

新建拉萨至日喀则铁路 TJ-2标，正线长度45.7 km，路基长度32.6 km，路堤边坡坡率1∶1.25，边坡最高9.5 m。选用DK44+380——DK44+870段路基边坡作为加筋土边坡的试验段。试验段地处山前冲、洪积平原，地势开阔，地势北低南高，地形略有起伏，地面高程介于3 500～3 600 m。地表植被发育较好，覆盖率一般为15%～30%。出露地层主要为第四系全新统风积细砂层及下第三系砂岩层。试验段地震基本烈度为7度，年平均地温－8℃ ～－0.5℃，属于低温多年冻土区，冻土上限为2.5～3.0 m。地表水主要是冲沟中的季节流水，为大气降水补给;地下水主要为冻土层上水，主要由温暖季节冻结层融化补给。试验段岩性分层情况如表1所示。

表1 试验段岩性分层情况

2 加筋土边坡设计

加筋材料选用双向高强聚酯经编土工格栅，其抗拉强度设计值为100 kN/m，路基边坡加筋层的竖向间距ΔH=0.3 m，加筋长度L=6 m;护坡坡面采用C20混凝土在定型钢模中进行预制，预制尺寸(长×宽 ×高)为0.50 m×0.48 m×0.30 m和0.25 m×0.48 m×0.30 m 2种，路基填筑厚度为每层30 cm，即每铺1层加筋层就安装1层预制块，进行一次路基填筑，预制块面板与面板之间以M7.5水泥砂浆砌筑;预制块与加筋材料紧密连接，形成加筋土预制混凝土块边坡结构。加筋土边坡结构示意如图1，混凝土预制块与土工格栅加筋材料连接示意如图2。

图1 加筋土边坡结构示意(单位:m)

整个施工工序为:①开挖;②清底、整平;③铺设高强聚酯经编土工格栅;④粗颗粒料填筑;⑤吊装混凝土块;⑥插筋;⑦水泥砂浆砌筑;⑧重复③，④，⑤，⑥，⑦，直至整个边坡完工。

图2 混凝土预制块与土工格栅加筋材料连接示意(单位:mm)

3 室内试验成果与分析

3.1 填料的物理力学性能指标

根据室内颗粒分析和现场剪切试验，确定填料为粗粒土，属于A组填料，其天然含水率为6.24%，最大干重度为18.0 kN/m3，最大粒径为60 mm，颗粒级配良好。通过现场直剪试验，得到土体黏聚力为0，内摩擦角为35.3°。并将填料按照不同含水率制成干重度22.3 kN/m3的试样，在地温－25℃的环境中使土体充分冻结，测试冻结后的冻胀量以及地温0℃的环境中受冻土样融化后的融沉量，得到填料的平均冻胀率3.5% ＜η≤6.0%，为Ⅲ级冻胀土。

3.2 土工格栅冻融循环试验

本试验段地处高含冰冻土地段，应先对所用材料在多次冻融循环作用下的抗拉性能进行测试。测试在拉力机上进行，试验按照GB/T 17689—1999执行。对高强聚酯经编土工格栅，分别对其冻融2，5，10，11，15，20，25，30，40，50，60 次后进行抗拉试验。每次冻融循环为24 h。每次取5个试样进行试验，取其平均值。测试结果见表2。

表2 土工格栅在冻融循环作用下的力学参数测试结果

从表2的数据可以看出，高强聚酯经编土工格栅破坏时的应变都＜10%，并且5%应变时的抗拉强度都＜100 kN/m，故而强度和变形能满足规范(GB/T 17689—2008)要求。

3.3 拉拔试验与分析

拉拔试验的目的是测定高强聚酯经编土工格栅埋在土内时与周围土体的摩擦特性。所用试样分别是现场的角砾石、黏性土和中砂，对角砾石在饱和和未饱和两种情况下进行试验。试验中对每种土样施加的垂直荷载(即剪应力)分别为20，35，50 kPa，拉拔试验试件如图3所示。具体试验结果如图4及表3所示。

图3 拉拔试验试件示意(单位:cm)

图4 各种土体的剪应力与法向应力、拉拔位移关系

表3 拉拔试验结果

由图4可知，室内拉拔试验的τ－ΔL曲线具有明显的非线性关系。随着法向应力p的增大，界面剪应力的峰值及其对应的拉拔位移均随着增大。这是由于抗拔阻力是沿筋带长度由施力端向埋入端逐渐传递发挥作用的缘故，上覆压力越大，达到峰值抗拔力时的过程越长，需发生的位移量越大。

由表3拉拔试验结果可知:①土工格栅与中砂、黏性土、未饱和角砾石的摩擦系数分别为0.471，0.394，0.534。可以看出，在法向应力的作用下，角砾石嵌固作用好，在压实后变位相对困难，所以砾石土比粗砂、黏性土的摩擦系数大;②土工格栅与中砂、黏性土的界面黏聚力分别为4.72，4.32 kPa，均相当小，并且不稳定，所以建议在类似填料的加筋土中计算锚固长度时可以忽略不计黏聚力，而土工格栅与未饱和角砾石、饱和角砾石的界面黏聚力分别为12.6，2.42 kPa，这是由于未饱和角砾石颗粒比较粗，土工格栅上的孔眼对土起到了锁定作用，因而产生的黏聚力较大，可优选未饱和角砾石作为加筋土边坡的填料。

4 加筋土边坡现场监测与分析

本文选取了DK44+700右侧边坡作为新型柔性加筋土边坡沉降观测代表性测试断面，DK44+700右侧边坡测点布置见图5所示，DK44+700右侧边坡沉降曲线变化如图6所示。

图5 DK44+700右侧边坡测点布置(单位:m)

图6 DK44+700右侧边坡沉降曲线变化

由图6可见:

1)该边坡从2011年7月27日施工完开始观测，由于气候、施工造成冻土融化及加筋土边坡填筑段施加的荷载作用，所有观测点均发生沉降;从2011年8月下旬开始，靠近线路的D11，D12，D13沉降观测点发生了向上的隆起，而其他观测点继续发生沉降;从2011年10月下旬开始所有测点均发生沉降，到2012年1月22日达到一个较大值，之后，由于地基土及填土发生冻胀，所有观测点均发生了向上的隆起。2012年4月底至7月中旬各测点均比较稳定，未发生较大沉降变形;2012年8月之后，由于冻土发生不同程度融化，各测点均发生了不同程度沉降，到2012年10月20日沉降最大值发生在D17处，沉降量为136 mm。

2)由于各测点变形受到气候、在边坡上所处位置、保温层厚度、铺设保温板与否等影响，变化规律不完全相同。总体趋势和规律是:由于施工扰动等因素作用，发生了较大的变形;经过一个冻融循环后变形规律比较明显，变形曲线较平缓。

3)新型柔性加筋土边坡最大沉降量发生在D17路肩位置上。从变形发展规律来看，该位置还会有变形发生，但其值不会太大，不会对加筋土护坡的稳定性和路基结构造成较大影响。

5 结语

在新建拉萨至日喀则铁路TJ-2标路基施工中对新型柔性加筋土防护结构进行了室内颗粒分析试验、剪切试验、冻融循环试验、拉拔试验及现场监测，并得到以下结论:

1)根据室内颗粒分析和现场剪切试验，确定填料为粗粒土，属于A组填料，颗粒级配良好。冻融循环试验显示，高强聚酯经编土工格栅破坏时的应变＜10%，并且5%应变时的抗拉强度＜100 kN/m，其强度和变形能满足使用要求。

2)通过土工格栅与土的室内拉拔试验得知，随法向应力的增大，剪应力峰值及其对应的拉拔位移均随之增大;角砾石嵌固作用好，在压实后变位相对困难，角砾石的摩擦系数及黏聚力比中砂、黏性土大且稳定;未饱和角砾石界面黏聚力比中砂、黏性土、饱和角砾石都大，因而在加筋土的设计和施工中宜优选未饱和角砾石作为加筋土边坡的填料。

3)加筋土边坡沉降测试结果表明，边坡最大沉降136 mm，发生在D17路肩位置上，该位置还会有变形发生，但其值不会太大，不会对加筋土护坡的稳定性和路基结构造成较大影响。

将高强聚酯经编土工格栅加筋土预制混凝土块防护结构，用于多年冻土地区路基边坡防护的设计与施工中切实可行，它在保护多年冻土和保证边坡本身的稳定性方面能够满足要求。

［1］冯桂云，谢颖川.多年冻土区路基融沉变形分析［J］.公路工程，2013(3):5-10.

［2］董昶宏，赵相卿.青藏铁路多年冻土区路基变形特征及影响因素分析［J］.铁道标准设计，2013(6):5-8.

［3］张会建.多年冻土区路基施工技术［J］.北方交通，2012(7):6-8.

［4］裴建中，窦明健，胡长顺，等.土工合成材料在多年冻土地区路基病害处治中的应用技术研究［J］.冰川冻土，2002，21(6):785-789.

［5］马巍，程国栋，吴青柏.青藏铁路建设中动态设计思路及其应用研究［J］.岩土工程学报，2004，26(4):537-540.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 17689—2008 土工合成材料塑料土工格栅［S］.北京:中国标准出版社，2008.