加筋土技术在铁路工程中的应用

王守彦

（中铁六局太原铁建北同蒲项目部，山西 朔州 037600）

1 概述

土的抗压性能较好，相对抗剪性能较差，且基本无抗拉能力，在工程应用上受到很大的限制，尤其是在软土地基上筑堤，软土强度低、压缩系数大，很容易产生地基失稳破坏、沉降过大及不均匀沉降。

国内对加筋路堤的研究已经有近几十年的历史，它是在路堤内加入具有抗拉性能的土工合成材料组成的一种复合体，土与加筋材料之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能，达到稳定土体的目的，从而提高了土体强度。随着科学技术的发展，在解决道路用地、边坡加陡和提高边坡耐久性问题时，加筋土路堤在工程建设中将逐步得到应用。

研究表明，土工格栅具有高强度、低延伸率及高稳定性等优点，将其埋入土中，与土产生较大的界面摩擦咬合力，可以增大土体模量、改善土体受力条件、提高土体结构的稳定性。新型土工合成材料——土工格栅，在近几年高速公路建设中广泛应用并很快扩展到铁路建设领域。但是，当前对土工格栅与土相互作用机理的认识还不够，土工格栅加筋土结构的理论研究落后于工程实践。

2 土工格栅的性能指标

加筋材料的设计取值有两个重要指标，即强度和变形，土工格栅是受力构件，它的质量好坏是确保该工程能否成功及长久稳定的关键，因此使用时应充分重视土工格栅的材质和强度（包括2%应变时的瞬时屈服强度和长期的蠕变强度），特别是蠕变强度。要求施工中按每批次不少于一组（一组不少于3个试件）或每10万m2不少于一组进行蠕变强度试验，检测土工格栅能否满足设计要求。

在玉蒙铁路中，设计要求土工格栅拉伸屈服强度不小于60 kN/m，屈服伸长率不大于11.5%，2%应变时拉伸强度不小于14 kN/m，20℃时测得的长蠕变强度不小于21 kN/m，最小碳黑含量不小于2%，（幅宽≥1.0 m）。在施工中，土工格栅采用山东省泰安路德工程材料有限公司生产的单向拉伸高密度聚乙烯土工格栅，通过云南理工大学实验室试验，其性能指标均满足设计要求。

3 土工格栅加固路堤的原理及加固效果分析

3.1 土工格栅加固路堤的原理分析

目前，对于土工格栅的作用机理的研究主要有有限元分析、准粘聚力原理、均质等代材料原理、弹塑性层板理论、摩擦加筋原理。在这些理论中，由于有限元分析可以考虑各种复杂边界条件、加荷条件、水与土骨架上的应力耦合关系和时间因素等，因此在分析土工格栅的加筋机理方面发挥了重要的作用。研究认为，土工格栅与土的相互作用主要有以下几种情况：土工格栅表面与土的摩擦作用；土体对格栅的被动阻抗作用；土工格栅孔眼对土的锁定作用。

3.2 土工格栅加固路堤的效果分析

研究表明，影响加筋效果的主要因素有：加筋层数、筋材模量、软基模量、填土高度和软土层厚度等。

（1）加筋路堤较无加筋路堤就路堤底部的竖向位移、堤址点垂线下地基深度的水平位移及地表的水平位移都有不同程度的减小，尤其水平位移减小更大。

（2）加筋边坡的结构性能与土工格栅的抗拉强度、加筋层数密切相关，土工格栅加筋边坡的沉降和侧向位移随土工格栅的抗拉强度增加、加筋层数增多及边坡变缓而相应的变小。筋材模量越大，加筋效果越明显，沉降和侧向约束作用就越大，所以在工程运用中应尽量采用抗拉强度大、延伸率高的土工格栅。

（3）与不加筋边坡相比，土工格栅加筋路堤边坡大大提高了边坡的稳定性和承载能力。在路堤边坡不失稳的情况下可以加快路堤的填筑速率。

（4）路堤底部的竖向位移和堤址点的水平位移对路堤高度很敏感，随着路堤高度减小，其加筋效果越明显。

（5）对中等深厚和深厚软土地基，土工格栅加筋效果明显，加筋不仅对地表的水平位移约束作用明显，而且对减少路堤底部的竖向位移也有一定的作用。

（6）土工格栅与土体沿接触面的水平滑移限制了加速度沿接触面向路基内传递，降低了加速度的影响范围和路基中加速度的大小，减小了土体的变形，从而提高路面承受交通荷载的能力。

（7）土工格栅在加筋路堤中的作用是利用其一定强度对土体施加侧向约束作用，降低土体应力水平，使沉降更均匀。在堤内表现为减少了堤的拉裂，在土基内表现为降低了剪应力水平。

4 土工格栅加筋土路堤的施工工序及施工工艺

土工格栅优良加筋性能的发挥和工程加固效果的体现与土工格栅的施工工序及施工工艺水平有着密切的关系，如果施工方法不当，工艺粗糙，显然难以达到预期效果。此外，填料的选择及压实也是决定加筋土路堤质量的关键。

4.1 加筋土路堤的施工工序

施工准备→测量放线→整平场地→检测地基承载力→合格后平铺第一层土工格栅→分两次填筑填料→检测压实度→合格后平铺下一层土工格栅→直至路基本体施工完成→检测压实度→路基基床施工。

4.2 加筋土路堤的施工工艺

（1）在整平场地时，清除树根草皮，凹坑填平，平整度局部高差不大于10 cm。将清除的地表土集中堆放，晾晒，破碎后用2 cm网筛过筛，装入土工网眼袋内，作为种植土。

（2）在检测地基承载力合格后立即铺设第一层土工格栅，土工格栅的下料长度应根据路基宽度提前计算好，预留不小于2 m的回折包裹长度。土工格栅在铺设时，应拉直、拉紧，不得卷曲、扭结，将强度高的方向布置在路堤横断面方向，并及时用U型钉（可采用直径为8 mm的U型钉，U型钉可以由施工单位自行加工）固定。土工格栅受力方向的连接必须牢固，连接强度不低于材料容许抗拉强度，纵向采用搭接，搭接长度不小于一个节点。在非受力方向即沿线路纵向，土工格栅的搭接用U型钉固定。

（3）每层最外侧坡面安放土工网眼袋，土工网眼袋为袋长80cm，袋宽50 cm，网眼尺寸0.5 cm×0.5 cm的方形网，内装种植土（种植土来源于清除的地表土），为坡面植物生长提供土质条件。在施工路基沿线建一处种植土加工拌和场地，制备满足要求的种植土，装袋后再运到现场填筑。当路基清表土不足时，可采用黏沙土，过工程筛后，按重量比加入5%的复合肥，拌和均匀后装袋备用。每层土工格栅包裹土工网袋后应向路基内回折，回折长度不小于2 m，并采用高密度聚氯已烯土工棒与上层土地工格栅连接成整体，土工棒尺寸为 110 cm（长）×4 cm（宽）×0.5 cm(厚)，确保连接处强度不小于土工格栅材料的本体强度。

（4）填料的选择与压实。土工格栅包裹式加筋土所采用的填料类型和压实度决定了加筋土结构所受的侧向压力大小，因此填料必须是A、B、C组填料，严禁采用膨胀土作填料，应在现场和取土场位置取土样做填料的膨胀性试验，看是否满足设计要求。若不满足，则不得用于加筋路堤填料。

填料每层厚度为40 cm，在施工中应分为两次填筑，填料的粒径不得大于15 cm。填土顺序应先填土工格栅两端，然后再依次扩大，车辆不得直接在铺好的土工格栅上行走。

（5）正式碾压前必须先进行试碾压。根据碾压机械、填料及摊铺厚度，初步确定碾压遍数和碾压方法，碾压后进行压实度检测，取得相关施工参数，以指导后续施工。填料碾压时含水率应控制在最佳含水率左右。碾压顺序先由两端向路堤中心碾压，严禁出现反向顺序，压路机应顺路堤纵向行驶，严禁出现横向行驶碾压。下一次碾压的轮迹应与上一次碾压的轮迹重叠轮迹宽度的1/3。未压实的加筋体，不允许运输车辆在上面行驶，若需临时行驶，其车速不得大于5km/h，并不准急刹车，以免造成土工格栅的错位。

路堤两侧边缘各1.5 m范围用小型机械碾压以达到设计规定的密实度。土工网眼袋的种植土采用人工夯拍的方法压实压紧即可。

密实度应分层检测，其中每40 cm一层可采用密实度一项指标检测，每80 cm一层可采用密实度和地基系数双项指标控制检测。压实度或地基系数任何一项不合格都不得进入下一层填筑，必须继续碾压，直至达到设计标准为止。

（6）对已经施工的坡面，要及时做好植被防护，以覆盖坡面外露的土工格栅，防止暴露在大气中。

土工格栅路堤的边坡防护采用先喷播植草后移栽灌木的形式。喷播的主要原材料为：①粘结剂（80 g/m2）；②1~2 cm长的干燥稻草（200 g/m2）；③复合肥（20 g/m2）；④种植土；⑤草籽。①~④的混合物称为客土。

采用搅拌机对混合基材进行搅拌，考虑到基材的特点，单斗混合基材的搅拌时间控制在2~3 min为宜。直接将客土与草种的混合材料喷播到坡面上，无需挂三维网或铁丝网；需一次喷播到位，客土厚度为3~5 cm；喷播施工进程中喷射尽可能从正面进行，避免仰喷，凹凸部及死角部分要充分喷播。

喷播完成后应注意观察草的长势，并设专门观察人员，发现病虫害及时采取措施治理。

为减小对客土层的破坏，草长起来后采用人工移栽的方式对灌木进行移栽。在路基坡脚、坡面上间距0.5 m呈品字形交错布置。为移植后的灌木苗能充分生长，在移植施工时，必须穿过土工格栅间的空隙，将灌木苗种植在网眼袋的土体内，以使灌木苗有足够营养土壤。整个移栽的过程必须小心谨慎操作，严禁在施工中破坏土工格栅及路基本体填料。

（7）加强对坡面植被的养护。浇水时用高压喷雾器使水成雾状均匀地湿润坡面基材混合物，注意控制好喷头与坡面的距离和移动速度，保证无高压射流冲击坡面形成径流。在旱季养护次数一天两次，具体视坡面的湿润程度而定，时间宜在早上10点之前或晚上6点之后。同时，应防止对草灌植物的人为破坏，以及牛羊等牲畜的啃食或践踏。

5 土工格栅加筋土路堤在施工中应注意的问题

（1）土工格栅在铺设时，不容许有褶皱，应拉直、拉紧，将强度高的方向布置在路堤横断面方向，并用U型钉及时固定。

（2）铺设土工格栅的土层表面应平整，不得有坚硬凸出物、严禁碾压机械直接在土工格栅表面上进行碾压。

（3）土工格栅摊铺后应及时填筑填料以防止日晒老化，并碾压至设计要求密实度；所用填料最大粒径不得大于15 cm，每层分两次填筑。

（4）由于压路机的碾压，土工网眼袋会出现向路堤外侧的水平位移，所以应观测最初两层加筋土路堤宽度，即两边的土工网眼袋外侧的距离在碾压前与碾压后的变化并做好记录，在随后的施工中应预留好土工网眼袋的外挤量。

（5）在加筋土路堤施工中应尽量避免设置马道，当必须设置马道时，为避免在拆除马道时破坏土工格栅的完整，马道与路基接口处的土工格栅应与本层加筋路堤的土工格栅同时回折包裹，并及时填补马道顶部与路堤的高差以便继续使用马道。

（6）接触网支柱预留基础应与路基同步施工，并在相应高度预留土工格栅连接的拉环，以便与周围土工格栅牢固连接，土工格栅回折后及与接触网支柱预留基础连接处采用土工棒穿连。

（7）必须做好坡面灌草护坡的施工、养护、防治病害并做好必要的补植工作，确保灌木和草尽快成活，形成坡面的绿色防护能力。必要时可在坡面覆盖无纺布，以利草籽发芽生长。

6 加筋路堤在玉蒙铁路工程中的应用效果

玉蒙铁路在鸡街至蒙自区间为中——强膨胀土，其中DIK138+040~DIK138+990和 DIK139+890~DIK140+905两段位于鸡街—蒙自区间，为填方地段，平均填高约6 m，因膨胀土不能用作路堤填料，需外借合格填料填筑。该两段路基位于平坦的耕地地区，且离既有米轨铁路及村庄较近，若按一般路基设计，占用耕地面积多，且外借合格填料的数量也很大。为此设计采用了包裹式土工格栅加筋路堤。加筋路基不但在性能上较一般路基要好能够提高路堤的稳定性，而且还节约了大面积的耕地、节省了大量的填料。

DIK138+040~DIK138+990和DIK139+890~DIK140+905两段加筋路堤的长度之和为1 965 m，边坡设计坡度为1∶0.5，路堤平均高度为6 m，与边坡为1∶1.5的一般路堤设计相比，经计算，按加筋路堤设计，所需填料为12.7万m3，所占耕地为2.68 hm2，若按一般路堤设计，则所需填料为19.8万m3，所占耕地为5.09hm2，由此可见，此两段加筋路堤与按一般路堤设计相比较，节约填料约7.1万m3，节省耕地约2.41 hm2。

7 结束语

玉蒙铁路DK138+040~DK138+990和DK139+890~DK140+905两段路堤，为全国铁路在正线上首次采用的土工格栅加筋路堤，土工格栅加筋路堤具有结构性能稳定、施工简单、少占耕地、保护环境等优点。该项目被选为铁道部科技司重大科研项目的试验工点，该工点的成功实践，不仅在设计和施工上是创新，在玉蒙铁路工程建设上也是一个创新。

随着对加筋土路堤的深入研究，复合土工材料在建筑领域的使用将更为广泛与合理，也将发挥更大的作用，尤其在铁路建设领域，随着列车运行速度的提高，荷载的不断加重，对路基的强度及稳定性要求也越来越高，加筋土结构的发展前景也将更为广阔。