复合土工膜处治高寒低填路基病害的研究

张志永 常瑞祥 杜晓宇 扎 西

（ 中交路桥北方工程有限公司，北京100024）

1 概述

国外复合土工膜应用于大坝防渗开始于1959 年,最先应用于欧 洲 (Sembenelliand Rodriguez 1996)和加拿大(Lacroix 1984),广泛用于混凝土坝、 土石坝等上游面的防水层。 通过减少通过坝体的渗漏量,土工膜的防渗作用在很大程度上延长了大坝的使用年限,并取得了良好的防渗效果。

本文提出一种复合土工膜,即“ 两布一膜”的结构形式,根据公路低填路段的施工过程荷载情况及后期车辆运营情况对复合土工膜的技术指标进行规定, 确保复合土工膜在施工过程及后期公路荷载情况下保持良好的工作性能,增加耐久性。并根据高寒地区的冻土深度、地下水位情况、路基填筑高度情况三者的关系,合理确定复合土工膜的设置位置以更好的发挥其特性。最后通过对未处理原装地基含水率、处理后的路基进行不同深度的含水率的检测,分析复合土工膜处理方式效果分析,提出复合土工膜的应用前景。

2 工程概况

项目地处高海拔、严寒区,环境条件恶劣,平均海拔在4500m以上,属于高原亚干旱气候区。 项目区近50 年来的最大冻深为2.98m, 大地标准冻深取那曲地区1961～2010 年近50 年来的最大冻深平均值2.15m,属于较大冻深的季节性冻土地区。 项目路线沿线经过山麓坡脚的地势低洼地带,湿地中植被发育,分布有腐殖土及细粒土,承载力低,由于土体呈饱和状态,冬季冻胀严重,春季消融时已形成翻浆现象。 路基在该段以低填、 浅挖路基形式通过。

3 技术分析

天然地基的承载力对低填路基表面的弯沉值影响显著,掌握天然地基模量,预测路基表面的承载力,会降低路基表面弯沉不达标的风险。低填浅挖路基往往是路基病害频发的部位,再加上高海拔严寒冻融循环等不良气候特点,使得病害更加显著。低填浅挖路基一般处理方式有：翻挖碾压、挖除换填、增加碎石盲沟等方案中的一种或者几种相结合, 方案的主要目的是提升填料的质量,增加地基承载力,并遏制地下水上升至路床内或冻深范围内,该处理措施很难保证路基中的含水率稳定,究其原因,无论是盲沟还是路基填料很难彻底隔断外界水的侵入, 最终为季节性冻土路基埋下质量隐患。

表1 复合土工膜隔断层与传统低填浅挖路基处理方案经济分析对比 单位：元

4 复合土工膜隔断层设置技术要求

4.1 复合土工膜的技术指标

为了有效的隔断外界水, 隔断层采用一种防渗复合土工膜。施工时为有效的保护土工膜并发挥其作用, 防止施工过程及后期路基运营时的荷载对其的破坏作用,结构形式采用一种“ 两布一膜”的复合型结构,即布/ 膜/ 布结构。 布的主要作用是保护膜,而膜主要是隔水作用。 防渗复合土工膜用于阻断冻土中的水分向路基方向迁移,例如设置于路床底面及侧面,对路床的土体或者冻深范围内的土体形成包裹结构, 为土体提供一个稳定的环境。

根据公路的荷载情况,地基承载力在63-66kPa 之间,低填路基处理深度在40cm,综上提出对于复合土工膜的具体参数要求不低于以下标准： 土工布采用无纺织, 单层布质量≥150 克/平米, 中间防渗膜厚≥0.3mm、 总厚度≥2.4mm, 极限抗拉强度≥17kN/m,极限伸张率≥30%,CBR 顶破强度≥3.0kN,撕破强度≥0.42kN,垂直渗透系数<1×10-11cm/s,幅宽偏差正负1%,并具有防冻、抗紫外线的功能。

4.2 复合土工膜设置位置选取

分别有冻土深度线、地下水位线,在路基填筑高度相对较高时,两条线不相交,路基冻深内不受地下水影响,复合土工膜位置可设在冻深线附近或者原地面。 当路基填筑为低填路路堤时,路基部分或者全断面处于冻土范围内, 则地下水侵入路基范围内,则路基受到季节性冻土影响严重, 复合土工膜设置位置在冻深线附近或者路床底。

5 复合土工膜隔断层与传统低填路基处理方式实用效果对比

现有低填浅挖路基处理方案有：翻挖碾压、换填及设置盲沟等方案, 现将方案对比, 以100m 长低填浅挖段为例, 路基宽度26m,处理厚度50cm,复合土工膜隔断层与传统低填浅挖路基处理方案经济分析对比情况见表1。

根据上表可得：a.从处理质量效果分析,方案②、③明显优于方案①,考虑到本技术适用于高海拔严寒冻融地区,方案①很容易受到地表水或地下水影响,易引起路基冻胀、翻浆病害,所以不推荐。 b.从工程造价、节约材料及劳动强度等方面分析,方案③优于方案②,若处理厚度加大,则经济性差别更大;从处理效果分析,两个处理原理不同,方案②是通过优化填料来控制毛细水的上升,并配合盲沟排出积水,控制路基填料的含水率。 方案③是隔断外界水进入路基,保持路基含水率处于合适状态,同样避免路基在冻融环境下出现冻胀、翻浆等病害。 经对不同处理方案下路基含水率检测, 复合土工膜处治下路基的含水率更加稳定,采用砂砾处理的路基局部出现含水率增大的情况。

6 施工工艺

对复合土工膜或土工膜的施工技术与质量控制应该予以足够的重视,国外学者Nosko 等对16 个国家超过300 处场地大约325 万m2的土工膜质量检测数据进行了分析,结果发现,高达97%的土工膜破损发生在施工铺设阶段。

施工工艺流程图如图1 所示。

图1 施工工艺流程图

6.1 实施准备

物资机械准备, 施工前根据工程量合理配置施工人员和机械,机械主要有挖掘机、装载机、运输车、压路机、平地机等。

根据工程量购置材料,即土工布及土工膜(或者为土工复核材料),材料需按照要求和频率进行检测,确保质量满足要求。

6.2 现场实施

6.2.1 测量放样

根据低填浅挖路基处理的长度、 宽度及深度放样出位置及标高,并做好明显标志。

6.2.2 路床开挖

作业人员根据放样情况组织机械设备开挖至设计标高位置,然后组织压路机对开挖出的表面进行碾压。

6.2.3 标高检测

测量人员对碾压完成的顶面进行标高复测, 若满足设计及规范要求,则进行下一道工序,否则继续进行标高整修,直至满足设计要求。

6.2.4 压实度检测

试验人员对碾压完成的顶面进行压实度检测, 若满足要求,则进行下一道工序,否则继续进行碾压直至压实度满足要求。

6.2.5 铺设防渗土工膜

铺设防渗土工布,按照一布、一膜、一布的顺序分别铺筑,复合土工膜则一次铺筑完成。铺筑时土工膜宽度不足,需分几次铺筑才能满足路基宽度时,注意首先要保证搭接宽度不小于20cm,土工膜两侧应预留富足的宽度,以便于后面将路基侧面包裹,预留宽度应大于低填浅挖处理的厚度。 复合土工膜焊接时采用双焊缝,两条焊缝之间留有空腔,每隔一定距离将焊缝焊死密闭。空腔的作用是便于后续充气检查焊缝的质量。

6.2.6 回填土方

试验检测人员对开挖出的土进行检测,若含水率等各项指标满足要求,则利用翻挖的土方进行回填,否则应进行处理,例如通过晾晒达到含水率要求,然后再回填土方。回填土方按照一般路基分层填筑工艺实施。

6.2.7 下一步施工

尽快施工路面结构层,防止降雨等水分进入土工膜内。

7 应用前景

复合土工膜虽然已经广泛应用在水利工程中,但在公路路基病害处理中是一种新型的防渗材料,由于其防渗性能优越、抗冻性能好、施工便捷、工程造价低等优点,在未来公路病害处理中会有广泛的应用前景,但是公路不同于水利工程,公路施工及后期运营中存在着大量的荷载传递, 对复合土工膜的耐久性有着较大影响,是后续应用和研究中重要的工作之一。