基床防排水層土工合成材料工作特性試驗研究

王亞飛 李立 彭鍇

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063

TB 10118—2006《鐵路路基土工合成材料應(yīng)用設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，新建鐵路和既有鐵路路基基床采用中粗砂0.10～ 0.15 m+土工合成材料+中粗砂0.05 m 的加固結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)TB 10118—2006 要求，土工合成材料上部砂墊層厚度不應(yīng)小于10 cm。在鐵路路基基床防排水層中，中粗砂砂墊層主要具有排水和減少施工損傷的功能［1］。復(fù)合土工膜、毛細排水板等［2-4］土工合成材料常被應(yīng)用于鐵路基床加固與處理的防排水層中。部分學(xué)者采用現(xiàn)場試驗［5-6］、理論計算［7］、數(shù)值模擬［8］、室內(nèi)試驗等［9-11］方法，探討了復(fù)合土工膜的基本物理特性、動載情況下的受力變形特征、施工工藝等［12-13］。以上研究多集中于基床防排水層材料本身的工程特性及材料的鋪設(shè)工藝，對基床防排水層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化研究較少。

橡膠合成纖維土工布是近年來發(fā)展的一種新型基床加固材料。由于橡膠合成纖維土工布具有較高的強度、韌性和耐久性，多被用于既有線基床翻漿冒泥等病害整治工程。既有線基床整治時，利用大機拋床中修，同步鋪設(shè)橡膠合成纖維土工布，并取消其砂墊層保護層，高效利用了施工作業(yè)的封鎖天窗點［14］。該材料在既有線基床整治中的應(yīng)用為鐵路路基基床防排水層的構(gòu)造優(yōu)化提供了啟示，但相關(guān)研究主要為既有線整治中的施工工藝研究，其材料特性和實際工作性能研究較少。

為此，針對橡膠合成纖維土工布及傳統(tǒng)復(fù)合土工膜兩種材料，通過室內(nèi)試驗對比研究其基本力學(xué)性能；通過現(xiàn)場填筑試驗，研究不同砂墊層厚度及填料施工工藝對材料的施工損傷?？偨Y(jié)兩種材料的性能優(yōu)缺點和基床防排水層施工工藝，得到材料施工損傷設(shè)計參數(shù)，探討基床防排水層的構(gòu)造優(yōu)化，可為相關(guān)規(guī)范的修編及工程設(shè)計提供借鑒。

1 基本力學(xué)試驗

選用鐵路工程常用的復(fù)合土工膜和橡膠合成纖維土工布型號作為試驗材料，根據(jù)Q/CR 549.3—2016《鐵路工程土工合成材料 第3 部分：土工膜》中附錄D和F 規(guī)定的試驗方法，取原始樣各5 片開展拉伸試驗和頂破強力測定試驗。施工前復(fù)合土工膜與橡膠合成纖維土工布經(jīng)緯向拉伸曲線見圖1、圖2。

圖1 復(fù)合土工膜原始樣拉伸曲線

圖2 橡膠合成纖維土工布原始樣拉伸曲線

拉伸試驗時，預(yù)拉力狀態(tài)下的標(biāo)距長度為10 cm。根據(jù)拉伸曲線，復(fù)合土工膜經(jīng)緯向拉伸曲線變化規(guī)律一致。當(dāng)伸長率小于10%時，隨伸長率增大拉力增長較快；伸長率繼續(xù)增大，隨伸長率增大拉力增長速率減小。這表明伸長率小于10%時復(fù)合土工膜抵抗變形能力較強，伸長率大于10%后抵抗變形能力減弱。復(fù)合土工膜最終發(fā)生柔性破壞。橡膠合成纖維土工布經(jīng)向、緯向拉伸曲線變化規(guī)律略有不同。當(dāng)經(jīng)向伸長率較小時，橡膠合成纖維土工布抵抗變形能力較強，隨伸長率增大抵抗變形能力略有減?。欢曄虻挚棺冃文芰﹄S緯向伸長率增大逐漸增大。橡膠合成纖維土工布最終發(fā)生脆性斷裂。

通過5 次平行試驗，統(tǒng)計測定的復(fù)合土工膜和橡膠合成纖維土工布原始樣的抗拉斷裂強度、斷裂伸長率和頂破強力平均值見表1?？芍合鹉z合成纖維土工布具有較低的伸長率、較高的抗拉強度和頂破強力，其抗拉斷裂強度、頂破強力約為復(fù)合土工膜的5倍和3倍。

表1 土工合成材料基本力學(xué)性能

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗工況

為優(yōu)化基床加固防排水層的構(gòu)造形式及其施工工藝，設(shè)計了不同砂墊層厚度、填料松鋪厚度和碾壓方式對材料施工損傷影響的現(xiàn)場填筑試驗。在試驗場地交替鋪設(shè)復(fù)合土工膜和橡膠合成纖維土工布（圖3），每工況試驗段長度由單幅土工合成材料寬度決定，試驗方案見表2。工況1—工況4 碾壓方式為靜壓1 遍+弱振N遍+靜壓1 遍；工況5—工況8 碾壓方式為靜壓1 遍+弱振1 遍+強振N遍+弱振1 遍+靜壓1 遍。試驗在已施工至基床底層部位的路堤上開展，場地表面為壓實后的A、B組填料平整面。

圖3 分區(qū)鋪設(shè)土工合成材料

表2 試驗設(shè)計方案

2.2 試驗步驟

1）膜下砂墊層施工。根據(jù)試驗方案鋪設(shè)不同設(shè)計厚度的砂墊層，整平后在各單幅土工合成材料順線路方向兩端（小里程和大里程處）隨機測定并記錄實際砂墊層鋪設(shè)厚度。

2）土工合成材料鋪設(shè)。根據(jù)試驗分區(qū)方案，人工交替鋪設(shè)不同土工合成材料。

3）膜上砂墊層施工。按試驗方案鋪設(shè)不同設(shè)計厚度砂墊層，整平后用壓路機靜壓一遍。在各單幅土工合成材料順線路方向兩端（小里程和大里程處）隨機測定并記錄實際膜上砂墊層鋪設(shè)厚度。

4）填料施工。重載運輸車松鋪第一層填料，平地機整平后采用重型壓路機進行碾壓，記錄碾壓遍數(shù)和壓實厚度?，F(xiàn)場同步測定填料的地基系數(shù)K30和壓實系數(shù)，記錄并保存試驗數(shù)據(jù)。直至填料滿足設(shè)計要求的壓實質(zhì)量。

5）土工合成材料取樣。對碾壓后的土工合成材料開挖取樣。順線路方向連續(xù)開挖寬度不小于2 m 的條形基槽取樣，記錄樣品外觀質(zhì)量。

6）損傷樣試驗。測定施工后開挖的土工合成材料的基本性能參數(shù)，記錄試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 施工工藝

不同試驗分區(qū)整平或靜壓后，測定實際膜下、膜上砂墊層厚度見表3?？芍汗r3—工況8 膜下砂墊層設(shè)計厚度為5 cm，現(xiàn)場采用平地機施工整平，膜下砂墊層實際厚度為2.5～ 9.0 cm，平均為4.7 cm。工況3—工況6 膜上砂墊層設(shè)計厚度為5 cm，砂墊層整平并靜壓后，測得膜上砂墊層實際厚度為5.0～7.8 cm，平均為5.7 cm。采用平地機整平砂墊層過程中，工況5復(fù)合土工膜在邊緣處被刮起，但無較大影響。工況7—工況8 膜上砂墊層設(shè)計厚度為10 cm，測得砂墊層實際厚度為7.2～ 11.0 cm，平均為8.9 cm。

表3 砂墊層厚度實測值

工藝試驗觀測和測量結(jié)果表明，較難精準控制薄層砂墊層的施工厚度。當(dāng)砂墊層設(shè)計厚度為5 cm 時，機械平整厚度控制難度較大，膜上施工時容易刮起土工合成材料，采用人工粗平可減小純機械平整對土工合成材料的損傷。因此，當(dāng)砂墊層設(shè)計厚度較小時，宜采用人工攤鋪或人工粗平+機械平整的施工方法。當(dāng)膜上砂墊層設(shè)計厚度為10 cm 時，采用純機械施工基本可行。砂墊層的上料均可采用裝載機上料。膜上、膜下兩層砂墊層厚度不大時，可在砂墊層鋪設(shè)完畢后一起靜壓。

填料碾壓完成后，第一層填料壓實厚度見表4。可知：施工過程中，填料實際松鋪厚度均大于最大松鋪設(shè)計厚度35.0 cm，為達到基床底層壓實質(zhì)量，施工采用強振為主的碾壓工藝。壓實后厚度約為27.4～51.4 cm，大于一般施工工藝碾壓厚度的控制值。

表4 第一層填料壓實厚度

碾壓后隨機抽取4 處測定壓實系數(shù)，抽取2 處測定地基系數(shù)，結(jié)果見表5?？芍撼惶幍鼗禂?shù)測定結(jié)果較小外，壓實質(zhì)量基本滿足高速鐵路基床壓實標(biāo)準。

表5 壓實系數(shù)測定結(jié)果

3.2 施工損傷

工況1 和工況2 分別鋪設(shè)復(fù)合土工膜和橡膠合成纖維土工布，施工時上下均未鋪設(shè)砂墊層，填料碾壓后取出的土工合成材料損傷樣見圖4。外觀質(zhì)量檢查工況1 復(fù)合土工膜破損嚴重，破洞約30 個/m2；工況2橡膠合成纖維土工布破損一般，局部存在破損。工況3—工況8土工合成材料均設(shè)有砂墊層保護，施工碾壓后，上覆5～ 10 cm 砂墊層的復(fù)合土工膜損傷樣肉眼可見1～ 2 處小孔破損，上覆10 cm 砂墊層損傷樣并未見明顯改善，而橡膠合成纖維土工布肉眼均未見破損孔洞。外觀質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)小孔破損絕大部分來自上層填料的穿刺，而下部已施工完成的較平整的碾壓面對材料的損傷極少。施工損傷樣品的外觀質(zhì)量檢驗表明，不鋪設(shè)砂墊層難以保證在試驗條件下兩種材料的水力學(xué)性能滿足設(shè)計要求；鋪設(shè)砂墊層時，砂墊層厚度對復(fù)合土工膜的水力學(xué)性能影響較小。橡膠合成纖維土工布具有更強的抗頂破能力，上部砂墊層厚度5 cm時基本可保證隔水性能。

圖4 施工后未鋪設(shè)砂墊層時土工合成材料

按Q/CR 549.3—2016 的試驗方法，測定復(fù)合土工膜和橡膠合成纖維土工布施工損傷樣的基本力學(xué)性能參數(shù)，并與表1中原始樣的力學(xué)參數(shù)進行對比，定義原始樣與損傷樣對應(yīng)性能指標(biāo)參數(shù)之比為施工損傷系數(shù)，試驗結(jié)果見表6、表7。其中，k1、k2、k3分別為經(jīng)向抗拉斷裂強度、緯向抗拉斷裂強度、頂破強力的施工損傷系數(shù)。

表6 復(fù)合土工膜基本性能參數(shù)與施工損傷系數(shù)

表7 橡膠合成纖維土工布基本性能參數(shù)與施工損傷系數(shù)

由表6、表7 可知：①橡膠合成纖維土工布具有更強的抵抗施工損傷的性能。其中，復(fù)合土工膜經(jīng)向和緯向的抗拉斷裂強度施工損傷系數(shù)平均值分別為1.66 和1.62，橡膠合成纖維土工布為1.01 和1.11；頂破強力兩者分別為1.86和1.07，在防頂破性能上兩者差距更明顯。②工況7、工況8的材料損傷系數(shù)并未明顯減小，表明不同砂墊層厚度對單種材料的抗拉斷裂強度、斷裂伸長率、頂破強力等力學(xué)性能的施工損傷影響不大，砂墊層厚度具有可優(yōu)化的空間。但結(jié)合外觀質(zhì)量檢查結(jié)論，鋪設(shè)砂墊層相比不鋪設(shè)砂墊層能有效減少施工后土工合成材料破損小孔數(shù)量，從而影響其隔水性能。

需說明的是，試驗填料最大粒徑dmax=75 mm，平均粒徑d50=14 mm，復(fù)合土工膜抗拉強度15 kN/m，頂破強力2.5 kN。相關(guān)研究表明，在土工合成材料平面通水量較大時，上部砂墊層對基床排水的泄排貢獻基本可以忽略［15］，此時其功能在理論上以減少土工合成材料的施工損傷為主。從減小工程造價的角度出發(fā)，當(dāng)采用更小粒徑、級配良好填料（如dmax≤ 60 mm，d50≤ 10 mm 中-粗礫石土以下填料），并采用弱振碾壓施工，同時提高材料頂破強力指標(biāo)（如頂破強力大于等于4.0 kN），土工合成材料的施工損傷會大大降低，從而可針對性優(yōu)化基床防排水層的砂墊層厚度。

4 結(jié)論

1）橡膠合成纖維土工布具有較低的伸長率、較高的強度，其抗拉斷裂強度和頂破強力約為復(fù)合土工膜的5 倍和3 倍，表現(xiàn)出較大的剛度，斷裂時呈脆性破壞。橡膠合成纖維土工布的施工損傷系數(shù)明顯小于復(fù)合土工膜，具有較強的抗施工損傷性能。

2）薄層砂墊層采用純機械施工難以有效控制鋪設(shè)厚度，宜采用人工攤鋪或人工粗平與機械平整相結(jié)合的施工方法。厚度不小于10 cm 時，采用純機械施工基本可行。

3）砂墊層厚度在0～ 10 cm 時，施工對兩種材料的力學(xué)性能影響較小。但鋪設(shè)砂墊層相比不鋪設(shè)砂墊層能有效減少施工后土工合成材料破損小孔數(shù)量，從而影響其隔水性能。

4）當(dāng)材料的平面通水量滿足基床排水需求時，僅考慮施工損傷因素，理論上可在提高材料強度、優(yōu)化填料級配及其施工工藝的條件下，針對性優(yōu)化基床防排水層的砂墊層厚度。