《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《路基工程建養(yǎng)維全過程 “水控制”關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用》

1項(xiàng)目名稱:路基工程建養(yǎng)維全過程“水控制冶關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

2完成單位:中國民航大學(xué)、天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司、民航機(jī)場規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司

3主要完成人:霍海峰、雷華陽、肖成志、戴軒、張文振、雷曉雨、馬新巖、馮興

　(一)項(xiàng)目背景

　　土體工程特性與土中水分息息相關(guān),水的存在較大程度影響著土體的強(qiáng)度、變形和水力指標(biāo)的發(fā)展,一定程度上講,路基工程即是對土中“水冶控制的過程。然而,路基工程建設(shè)發(fā)展至今,很多“水控制冶問題并未得到有效解決。

　　主要表現(xiàn)在:

　　(1)真空預(yù)壓法是目前處理軟土地基的常用手段,由于軟土細(xì)粒含量高、滲透性差,隨著水分的遷移,黏土顆粒聚集于排水板附近形成淤堵泥層。

　　(2)水分進(jìn)入路基后難以排出,主要是因?yàn)榕潘泻笃?路基中土體為非飽和土,其土中水產(chǎn)生吸力。而水分必須從高壓往低壓排,故工程上常用的碎石排水層和土工排水板在中后期水分排出困難。

　　(3)雨水沖刷機(jī)理不明確,防沖刷穩(wěn)定性評價方法缺失,造成邊坡防沖刷加固技術(shù)缺乏理論基礎(chǔ)。

　　(二)技術(shù)概括

　　項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際,針對道路工程中地基、路基和邊坡與“水冶相關(guān)的主要工程問題做研究,

　　包括:(1)軟基加固中后期排水效率低下;(2)進(jìn)入路基的水分難以排出,軟化土體或產(chǎn)生凍脹;(3)雨水沖蝕路基邊坡,其沖刷機(jī)制和評價標(biāo)準(zhǔn)不明。采用室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合、理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬相結(jié)合、工程應(yīng)用與長期監(jiān)測相結(jié)合等技術(shù)手段,對提高軟土地基固結(jié)效率技術(shù)、主動排出路基非飽和土中水分技術(shù)以及防治邊坡沖刷技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。

　　(三)適用范圍

　　項(xiàng)目研究成果可推廣到一般地區(qū)公路、鐵路、機(jī)場和市政道路等相關(guān)領(lǐng)域。

　　(四)獲獎情況

　　中國交通運(yùn)輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎三等獎。

　　主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下:

　　1軟土地基加速固結(jié)技術(shù)

　　研發(fā)注氣增壓式真空預(yù)壓技術(shù),通過增大土體與排水板的壓力差,促進(jìn)水分遷移,在有限工期內(nèi)大幅提高固結(jié)度,實(shí)現(xiàn)快速固結(jié)的目的。研發(fā)交替式真空預(yù)壓技術(shù),通過間歇改變土體內(nèi)部水分和細(xì)顆粒的運(yùn)移方向,避免由于細(xì)顆粒短時間內(nèi)集聚,而在排水板附近形成淤堵泥層的現(xiàn)象,提高真空預(yù)壓對地基土的處理效果。研發(fā)化學(xué)真空預(yù)壓聯(lián)合固結(jié)技術(shù),通過有效的化學(xué)改性,增強(qiáng)土體滲透性,加快土體固結(jié)速率。

　　2路基內(nèi)部主動排水技術(shù)

　　研發(fā)一種高吸力土工布,其由異形纖維編制而成,此纖維具有強(qiáng)吸力可吸附土基中的水分;將土工布置于路基中,兩端搭出,搭出的水分通過蒸發(fā)作用排出;兩端水分減少后中部纖維內(nèi)的水分補(bǔ)充;中部纖維水分減少后又繼續(xù)吸附土基中的水分,如此不斷循環(huán)實(shí)現(xiàn)水分的主動排出。

　　3路基邊坡防沖刷技術(shù)

　　采用坡面糙率和攔淤柵模型分別反映三維網(wǎng)墊和坡面植被攔截作用,計(jì)算網(wǎng)墊和坡面植被引起的坡面沿程水頭損失,建立三維網(wǎng)墊植草護(hù)坡時坡面徑流速度的計(jì)算表達(dá)式。建立黏聚力與網(wǎng)墊類型、根系密度和坡面深度的計(jì)算表達(dá)式,進(jìn)而提出了最優(yōu)護(hù)坡組合。

　　(一)軟土地基加速固結(jié)技術(shù)

　　針對傳統(tǒng)真空預(yù)壓法存在耗能大、排水板淤堵和處理周期長等問題,研發(fā)注氣增壓式真空預(yù)壓法、交替式真空預(yù)壓法和化學(xué)-真空預(yù)壓聯(lián)合法技術(shù),實(shí)現(xiàn)軟土地基的高效、節(jié)能、安全的固結(jié)。

　　1注氣增壓式真空預(yù)壓技術(shù)

　　通過增大土體與排水板的壓力差,加速排水固結(jié),實(shí)現(xiàn)有限工期內(nèi)大幅提高土體固結(jié)度的目的。

　　技術(shù)方案及原理:采用排水板間打設(shè)增壓管路的方式,間隔固定時間從增壓管通入穩(wěn)定氣流,增大土體與排水板間的壓力差,實(shí)現(xiàn)自由水在較

　　大壓力差下的定向流動,達(dá)到有限工期內(nèi)大幅度提高固結(jié)度及增加沉降量的目的。增壓過程不僅增大膜內(nèi)外壓力差,且對排水板上的細(xì)顆粒產(chǎn)生強(qiáng)迫沖刷作用,顯著提高排水效果。

　　2交替式真空預(yù)壓技術(shù)

　　采用交替使用真空管道的方式,改變土體內(nèi)部細(xì)顆粒的運(yùn)移方向,延緩真空預(yù)壓過程中土顆粒短時間內(nèi)集聚,避免排水板附近形成淤堵泥層,揭示土顆粒和水分遷移規(guī)律,提高真空預(yù)壓處理效果。

　　技術(shù)方案及原理:針對深淺層交替式真空預(yù)壓法,采用長短排水板間隔布置,將長排水板與短排水板間歇分別施加真空荷載,形成反向壓力差,造成土顆粒雙向運(yùn)移,預(yù)防淤堵泥層形成。

　　3化學(xué)-真空預(yù)壓聯(lián)合技術(shù)

　　開展化學(xué)-真空預(yù)壓聯(lián)合加固技術(shù)研究,通過化學(xué)改性,增強(qiáng)土體滲透性,提高加固效果。技術(shù)方案及原理:利用化學(xué)固化劑法和真空預(yù)壓法各自的優(yōu)點(diǎn),提前將化學(xué)試劑與土體攪拌,二者將發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),可增大土體內(nèi)部孔隙,改善原有土體的滲透性,相同壓力差下加速土體固結(jié)。

　　(二)路基內(nèi)部主動排水技術(shù)

　　1雨水入滲主動排水技術(shù)

　　利用高吸力土工布吸附路基中水分,通過兩側(cè)搭出的土工布蒸發(fā)作用,實(shí)現(xiàn)水分從路基-土工布-環(huán)境的單向遷移,實(shí)現(xiàn)主動排水效果。技術(shù)方案及原理:研發(fā)了具有異形截面的高吸力纖維,較大的比表面積可產(chǎn)生強(qiáng)比表面能,具有強(qiáng)吸濕性;四個“枝干冶兩兩間構(gòu)成半封閉毛細(xì)通道,便于水分的遷移。將纖維組成長絲,并進(jìn)一步編織成土工布,將土工布平鋪于路基中,兩端露出。纖維的強(qiáng)吸力可吸附土基中的水分;兩端土工布中的水分通過蒸發(fā)作用排出,致使端部土工布的含水率下降;而對于多孔介質(zhì),含水率與吸力成反比,纖維端部含水率變小會造成吸力增大,從而吸附中部纖維的水分向兩端遷移;中部纖維水分減少后又繼續(xù)吸附土基中的水分,如此不斷循環(huán)實(shí)現(xiàn)水分的主動排出。

　　2凍土區(qū)防凍脹技術(shù)

　　寒區(qū)建設(shè)的道路常發(fā)生凍脹、翻漿現(xiàn)象,在新建道路中提前鋪設(shè)土工布,在既有道路后期插入排水棒,切斷水分和水汽上升路徑,達(dá)到減緩凍脹量的效果。

　　技術(shù)方案及原理:當(dāng)?shù)叵滤簧仙蛘呱蠈勇坊鶅雒洉r,地下水在毛細(xì)作用下會向上遷移進(jìn)入路基,并引發(fā)各種病害。將土工布置于路基底部可切斷水分或水汽的上升路徑,毛細(xì)水或水汽沿著土工布橫向排出路基,大幅降低水分上升的概率,從而減緩路基的凍脹效應(yīng)。

　　(三)路基邊坡防沖刷技術(shù)

　　(1)三維土工網(wǎng)墊噴播植草防護(hù)坡坡面防沖

　　刷機(jī)理分析:利用三維土工網(wǎng)墊噴播植草加固路基邊坡,通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論推導(dǎo),揭示邊坡防沖刷機(jī)理。

　　技術(shù)方案及原理:結(jié)合水力學(xué)和河流動力學(xué)相關(guān)原理,利用護(hù)坡面糙率反映坡面上三維網(wǎng)墊的作用,計(jì)算網(wǎng)墊引起的坡面沿程水頭損失;通過引入攔淤柵來模擬坡面植被對坡面徑流的影響,建立坡面植被引起的徑流局部水頭損失;綜合兩部分計(jì)算結(jié)果,建立三維網(wǎng)墊噴播植草護(hù)坡時坡面徑流速度的計(jì)算表達(dá)式。

　　(2)三維土工網(wǎng)墊噴播植草防護(hù)坡坡面防沖刷穩(wěn)定性評價。

　　技術(shù)方案及原理:分析坡面深度、網(wǎng)墊、草籽植株密度及土質(zhì)變化對坡面黏聚力的影響,建立黏聚力與網(wǎng)墊類型、根系密度和坡面深度的計(jì)算表達(dá)式。結(jié)合護(hù)坡體淺層土體力學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算,建立降雨滲流情況下采用三維網(wǎng)墊植草護(hù)坡的路基和路塹邊坡的有限元模型。

　　成果已成功應(yīng)用于天津、廣東等沿海地區(qū)多項(xiàng)軟土地基加固工程,既保證了地基加固效果,又顯著縮短了工期,降低了工程造價,同時提升了環(huán)保性能,社會及環(huán)境效益明顯。

　　成果被廣泛用于河北省高速公路邊坡和天津市環(huán)城高速公路設(shè)計(jì)中,施工效率高,邊坡防護(hù)效果好,其成本控制降低了1/3,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,應(yīng)用前景廣闊。

　　課題研究成果解決了路基工程建設(shè)運(yùn)營過程中與“水冶相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題,為實(shí)體工程提供了系統(tǒng)、可靠的技術(shù)支撐。

　　(一)完善“水控制冶技術(shù),提升行業(yè)技術(shù)水平研發(fā)了軟土地基加速固結(jié)技術(shù),有效解決了軟土地基加固技術(shù)難題。研發(fā)了路基主動排水技術(shù),實(shí)現(xiàn)了非飽和土路基的水分排出。研發(fā)了三維土工網(wǎng)墊噴播植草防護(hù)坡坡面防沖刷技術(shù),提出三維土工網(wǎng)墊植草護(hù)坡防護(hù)設(shè)計(jì)。相關(guān)技術(shù)可在鐵路、公路建設(shè)運(yùn)營過程中產(chǎn)生潛在的安全效益。

　　(二)服務(wù)道路建設(shè)領(lǐng)域,提供技術(shù)支撐項(xiàng)目成果應(yīng)用在東北地區(qū)公路改擴(kuò)建工程、東南沿海軟土地基加固、石家莊太行山區(qū)邊坡加固項(xiàng)目等,技術(shù)的應(yīng)用推動了凍土地區(qū)、多雨地區(qū)、軟土地區(qū)以及山區(qū)道路建設(shè)。