土工合成材料在铁路路基工程中的应用

土工合成材料在铁路路基工程中的应用周宝良中铁济南勘察设计咨询院有限公司山东济南250001摘要介绍土工合成材料几种典型的加筋机理,结合工程实践,对土工合成材料在铁路路基工程中的应用进行探讨,并提出了实际应用中存在的问题,同时指出对土工合成材料的应用要做到“用对、用好、用精”。关键词土工合成材料加筋机理应用前的极限应力状态下仍能处于弹性稳定状态,此时若要加筋土体达到极限平衡而破坏,必须增大主应力1至被动极限平衡时的1F,土体加筋前后的极限应力圆如图1所示。1引言土工合成材料在我国铁路路基工程中已有三十多年的应用经验,实践表明,合理采用土工合成材料加筋加固的工程具有良好的工程效益、经济效益和环境效益,并且展现出广阔的应用前景。2土工合成材料加筋机理211界面摩擦作用理论土与筋材界面存在着摩阻力,约束土体的侧向位移,增大了土体的刚度,提高了加筋土体的强度和稳定性。根据这种理论,就可以用一个摩阻力代表加筋土中筋材的作用,然后按常规无加筋的情况进行稳定计算,接触面摩擦力的大小可以根据作用在界面的正应力和接触面摩擦系数求得。212约束增强作用理论在土体中加筋后,土与筋材界面之间存在剪应力,约束了土体的侧向变形,使接触面上土单元的侧向应力增大了3,从而使加筋土体在未加筋由图1土体极限应力圆可以看出,加筋土体的抗剪强度和承载能力都明显增强了,加筋土的抗剪强度RTANR增大一个粘聚力了1。CR,与无加筋土相比,相当于CR,同时加筋土的承载能力增大周宝良,男,工程师。地段一般不需要加宽双块式无碴轨道的路基面在直线上为梯形,在曲线上为渐变的台阶状,并根据曲线半径计算外侧加宽值。3接触网立柱内侧至轨道中心距的确定较为复杂,主要受接触网悬挂类型及安装方式、弓网关系和机车类型等诸多因素的制约,对路基面宽度影响较大。4电缆槽为外置时,电缆槽宽度或布置型式是主要因素决定了路基面宽度电缆槽为内置时,接触网立柱内侧至轨道中心距是主要因素决定了路基面宽度。5综合比较表3,电缆槽内置置于接触网立柱内侧方案的路基面宽度明显小于外置方案,在路基土石方、基床表层级配碎石和用地等工程数量上均具有比较明显的优点。但目前,国内电缆槽内置方案在电缆槽施工方法、路基面排水、电缆槽外侧填料等方面还存在一些技术问题,尚未运用在时速300350KM/H客运专线无碴轨道的设计标准中。如果解决了上述技术问题,电缆槽内置方案至少在200250KM/H客运专线无碴轨道将得到广泛的应用。参考文献1高速铁路技术1铁道部工程管理中心1铁道科学研究院,20031812京沪高速铁路设计暂行规定1铁建设2004157号1收稿日期2005091416全国中文核心期刊路基工程2006年第1期总第124期当路堤填料土质较差或路堤边坡较高时,改建铁路或增建二线路堤帮宽条件困难时,受地形限制需要加陡路堤边坡时,均可采用土工合成材料对路堤进行加筋补强。对这类加筋工程,通常是在路堤内自下而上铺设多层高模量的土工织物、土工格栅或土工垫等土工合成材料,来限制填土的侧向位移,以提高路堤的稳定性。312软土地基加固处理在软土地基与填土之间铺设一层或多层具有一定刚度和抗拉力的土工织物,其上填筑一定厚度的砂垫层,然后再填筑路堤,可加速软土地基的排水固结和沉降稳定。此外,在路基沉降时产生挠曲变形,使路基底部的土工织物产生拉应力,分担了部分竖向荷载。同时作用于土工织物与地基土间抗剪阻力又能相对地约束地基的位移,从而提高了地基承载力,增加了路堤的稳定性。313台背路基填土加筋主要是利用土工合成材料与构造物之间的锚固力以及与回填土之间的嵌锁力、界面摩阻力,将结构物与回填土连为一体,以提高其整体性,减少两者之间不均匀沉降。但这种情况只有当地基具有足够的承载力,在填土自重与列车荷载的作用下,路基不致破坏而产生大的沉降时,土工合成材料加筋才会产生明显的效果。314既有线基床加固处理对基床翻浆冒泥病害整治,通常是在基床表面铺设土工膜或复合土工膜进行隔离与排水。在雨量较少地区、病害程度较轻时,亦可采用300G/M2以上的无纺土工织物进行反滤和排水处理对基床下沉外挤病害,可在基床表层内铺设土工格室,格室内填充砂砾石或合格填料土,以分散基床应力与提高基床的刚度,引排基床积水。315过滤与排水土工合成材料可以单独或与其它材料配合,作为过滤体和排水体用于暗沟、渗沟、坡面防护等铁路路基工程结构中。316路基防护路基防护主要包括坡面防护和冲刷防护。土质边坡可采用拉伸网草皮、固定草种布或网格固定撒种岩石边坡防护可采用土工网或土工格栅沿河浸水路基可采用土工织物软体沉排、土工膜袋进行冲刷防护。317土工格栅碎石桩加固碎石桩在软基处理中常用作提高地基承载力、降低压缩量、加速地基固结速度的措施。其加固方3CRKPRFKP22SY1RF1KPSY式中KP常数,与土的性质及筋材特性有关RF筋材的极限抗拉强度SY土体中加筋层间距、R为加筋前后土体的内摩擦角。213张力膜理论如图2,当土体在荷载作用自重和超重下产生下沉时,铺设于土中的加筋薄膜也产生了垂向挠曲,薄膜的挠度等于接触面处土体的竖向变形。由于加筋薄膜因变形拉伸而产生张拉力作用,使其分担了一部分竖向荷载,从而使下层基础的负荷得以减轻。筋材挠度越大,加筋效果越好,并与筋材的埋设位置有关。当筋材下沉时,其上土层也随之下沉,由此,土层中将产生一种“拱效应”,应力被扩散,延迟了土体破坏面的出现。214应力扩散理论如图3,加筋垫层使传递到地基中的应力大为减小。因此界面上除摩擦力以外,筋材和砂垫层构成的加筋垫层也对地基承载力的提高起了良好的作用。若筋材的预应变为26,则在安全系数FS的提高中,摩擦作用和应力扩散作用分别约占1517和4417。并且认为,对于采用土工织物加筋的复合地基来说,应力扩散作用要大于土工织物的抗拉作用。3土工合成材料在铁路工程中的应用311路堤加筋周宝良土工合成材料在铁路路基工程中的应用17法有在碎石桩外裹一层土工格栅或织物在距桩顶一定深度范围23倍桩径内分层水平铺设土工格栅或织物,等等。可以显著地提高桩的承载力,尤其当桩径比较小时,效果更好。护砌2土工格栅伸入路基边坡的长度采用215M,格栅竖向层间距为015M,每层格栅铺设填土后再回折向上反包,其上码放碎石草袋,然后填土上料,整平压实,压实系数应达到K019,分层施工3路基边坡土工格栅表层撒铺0105M厚松土,松土上撒播草籽4边坡开挖深度与格栅埋入深度相结合,根据埋深周界设计成台阶,每层台阶高度为015M5采用单向格栅,其抗拉强度不小于25KN/M,格栅扩宽接长时,纵向搭接长度不小于012M,外边回折反包埋入长度不小于014M。414实施后运营效果该段路基病害整治措施实施后,经过近两年的运营,经历了几个雨季的考验,未再发生路基病害,工程效果及环境效益显著。4应用实例下面以津浦线济南铁路局管辖内部分地段路基水害处理为例,简单介绍土工合成材料的设计应用。411路基水害概况津浦线K323700K327000位于山东境内黄河铁路桥北端,路基高816M,受连降大雨影响,路基发生边坡严重塌方、冲刷,原建的浆砌片石路肩墙裂缝、外移、直至倾倒破坏。抢险中,曾在路基边坡及路肩抛填大量碎石草袋,入许多抗滑木桩。412路基水害成因部分边坡打该段路基填料系粉砂土,土质不良路堤较高,填土压实度不够,尤其是边坡土质松散,整体性差路基遇水土质软化,强度降低,造成边坡滑动、坍塌路基面下沉,路肩墙高出路基面,造成5土工合成材料应用中存在的问题1在工程实际应用中,设计对土工合成材料的技术指标、施工工艺和方法常有特定要求,但个别工程实施后达不到预期效果。主要原因是施工技术问题,部分施工人员对这一新型材料还比较生疏,施工设备和方法比较落后,操作不规范,以致施工质量达不到设计要求。2土工合成材料本身制约着工程质量,有些产品工艺落后,成本较高,质量难以达到规定标准。3工程施工中,部分单位在购买材料时低价竟标,更有相当多的单位没有检测设备和检测人员,没有把好质量关。因此,笔者认为土工合成材料在生产及施工应用上,还缺乏必要的、严格的行业管理。路基基床排水不畅,道碴积水,方、路肩墙倾倒破坏。413路基水害治理同时路基上部塌设计中曾考虑三种处理方法进行技术经济比选浆砌片石护坡方案浆砌片石护坡加边坡支撑渗沟方案土工格栅加固方案。由于土工格栅加固方案具有以下优点铺设土工格栅,能加强新老路基填土的联结,大大提高路基边坡的整体性和稳定性边坡加筋后,部分地段可采用陡于既有路基的边坡,从而避免因路肩加宽、边坡外移而增加路基填土、征地、桥涵接长等工程,显著降低了工程投资路基边坡用格栅覆盖,种草后草根在格栅上盘根错节,草在边坡上的附着力大大增强,提高了边坡的抗冲刷能力。为此,路基边坡方案,如图4所示。采用土工格栅加固6体会与结束语土工合成材料作为一项新技术,在我国应