高填路堤变形研究及压实技术

西部交通建设科技项目合同号：2001-318-000-30路用防排水材料的开发研究报告简本贵州省交通规划勘察设计研究院同济大学2003年12月 目录目录...................................................................................................................................I1引言...............................................................................................................................12国内外研究与应用状况概述.......................................................................................1（1）土工防排水材料应用技术研究概况.....................................................................1（2）土工防排水材料产品调研发现的问题.................................................................2（3）我国西部公路排水设施调研.................................................................................23土工防排水材料水力学性能研究...............................................................................3（1）土工织物室内试验研究及结果分析.....................................................................3（2）土工膜室内试验研究及结果分析.........................................................................5（3）塑料盲沟室内试验研究及结果分析.....................................................................5（4）公路专用系列盲沟材料的研发及性能改进.........................................................6（5）土工防排水材料产品分类指标体系研究.............................................................64土工防排水材料试验工程应用研究...........................................................................75土工防排水材料在公路排水设施中应用技术指南编写...........................................86结语...............................................................................................................................8（1）主要结论.................................................................................................................8（2）创新点.....................................................................................................................9（3）用户报告.................................................................................................................9（4）查新结论...............................................................................................................10-I- 1引言现有公路损坏中水毁现象尤其严重，主要原因之一是公路排水设施设置不当，施工质量难以保证，以及传统排水材料难以满足公路排水设施的要求等。因此，交通部决定在西部交通建设科技项目中开展“排水成套技术研究”。本课题是“排水成套技术”的组成部分，承担单位贵州省交通规划勘察设计研究院联合了同济大学、北京神州瑞琪环保科技有限公司，针对公路排水设施中新型材料的应用开展研究工作，其主要研究内容为：（1）公路防排水设施类型及其对土工防排水材料的性能要求；（2）土工防排水材料性能测试分析及其应用研究；（3）土工防排水材料分类技术研究及新型排水材料的开发；（4）应用土工防排水材料构筑路界排水、地下排水、路面边缘排水与支挡结构排水等设施的设计施工工艺及质量评定标准。2国内外研究与应用状况概述土工合成材料应用于岩土工程是近二十年来发展起来的一门新技术。土工合成材料的主要功能可以分为：过滤、排水、防渗、隔离、加筋、防护等六个方面。土工防排水材料在公路防排水中的应用研究在国外已受到广泛关注，并取得了显著效果。（1）土工防排水材料应用技术研究概况国内外对土工合成材料在反滤、防渗（防水）和排水方面开展了许多研究，也取得了许多成果。但土工防排水材料在公路排水设施中的应用技术还存在许多需要改进和完善的问题。将透水性土工织物用于滤层要满足挡土、透水、防淤堵、强度和耐久性要求，目前的设计准则存在使用的指标不统一，有些指标存在理论缺陷，不能准确真实反映其性能特征；指标测试方法不统一；某些指标的测试条件不明确，测试过程复杂且人为干扰因素多；土工织物渗透系数与土的渗透系数的关系仍不明确；基于经验的判断方法仍不能有效地判断土工织物滤层潜在的淤堵等问题。用于防渗的土工膜具有良好的防渗性能（渗透系数在10-9-10-13cm/s），能够满足要求。但受到损伤会产生较大的渗漏量。目前对土工膜的研究主要集中于如何减少损伤和损伤后的渗漏量计算。排水材料的应用技术指标最关键的就是其排水能力。对排水性能的研究一般-1- 是基于水力学原理，结合试验测试获取计算公式。目前的研究主要集中在探讨各种测试方法对其性能测试结果的影响，以及如何用简单易行的指标和方法来表征其排水性能。（2）土工防排水材料产品调研发现的问题选取国内外一些土工合成材料生产厂家的部分产品进行调研，对目前土工合成材料的基本性能做较全面的了解后，发现以下几个问题：1)参数指标的类别与参数的规定值不同；2)试验规范与产品说明不一致；3)可用于防排水设计的参数不全。总之，目前厂家对其产品所提供的技术参数还不能完全满足工程设计的要求，不便于工程设计使用。（3）我国西部公路排水设施调研公路排水设施应用状况调研工作于2001年10月开始，2002年4月基本结束，历时近7个月时间。选择了贵州省贵阳至新寨和贵阳至黄果树两条高等级公路作为主要调研对象，对四川省内宜公路和成灌公路也作了相应的调查，调查里程近千公里。调研内容包括公路防排水设施构造、布设及设计方法的现行规范及指导性手册；公路排水设施现状等。调研发现，目前存在的问题主要有：图1贵新公路K38+000右侧边沟全貌1)地下排水：渗沟的设计流量计算还不准确，渗沟的埋深计算缺乏针对性；2)路界排水：边沟排水量及构造的设计偏于保守；3)路面内部排水与排水基层：排水效果还有待验证，仍未推广应用；4)中央分隔带排水：防渗层起不到防渗作用，横向排水管易产生淤塞，通-2- 信人孔的设置阻断了中央分隔带排水，造成中央分隔带积水或水渗入人孔；5)边坡排水与支挡结构物（挡土墙等）排水：泄水孔反滤层易发生淤堵。6)土工合成材料在公路排水设施中的应用较少。仅在中央分隔带排水中得到一些应用。3土工防排水材料水力学性能研究本次研究选取了5种土工织物（3种为热熔型，2种为针刺型）、1种土工膜（一布一膜）、6种塑料盲沟（中空圆形、中空矩形、实心圆形、实心矩形）进行试验。（1）土工织物室内试验研究及结果分析1)物理指标试验用称量法测量土工织物单位面积质量。土工织物厚度测试采用专门的厚度测试仪，为了研究分析土工织物在不同压力作用下厚度的变化情况，本次试验分别测试了其在2KPa、20KPa和200KPa三个压力下的厚度值。在试验的基础上，计算了土工织物的孔隙率，分析了土工织物厚度和空隙率随压力的变化情况。2)等效孔径试验本次试验采用干筛法和湿筛法两种方法测量土工织物的等效孔径。选用不同的土工织物和振筛时间，分别进行了标准分级砂干筛法和混合级配标准砂干筛法，试验结果均无任何规律，无法确定土工织物的等效孔径，试验中干筛法全部失败。最终用湿筛法测定了5种土工织物的等效孔径O95。结合对颗粒通过土工织物孔隙通道的过程分析，总结了干筛法和湿筛法各自的特点。3)垂直渗透系数试验在进行土工织物垂直渗透系数测试时，首先铺置一层、二层和三层土工织物试样进行了第一批试验，以研究厚度对垂直渗透系数的影响。根据试验结果无法确定垂直渗透系数，但可得出如下结论：垂直渗透系数随水力梯度的增加而减小，且土工织物越厚，这种趋势越明显；土工织物越厚，垂直渗透系数越小。根据《公路土工合成材料试验规程》的规定，采用多层土工织物进行了第二批渗透试验。试验结果符合《规程》的要求，按照《规程》办法可求得渗透系数。-3- 考虑到渗透系数与水力梯度关系密切，实际工程应用中采用一个单一的值无法反映土工织物的实际渗透能力，故对试验结果作了进一步分析。在达西定律的基础上，采用非线性回归分析中的指数关系对渗透系数与水力梯度关系进行拟合，应用回归公式来确定工程现场实际水力梯度下土工织物的实际渗透系数值。本次渗透系数试验研究提出了对现行土工织物渗透系数取值的改进意见，考虑了实际水力梯度对渗透系数的影响，使之能反映工程条件下土工织物的真实渗透能力。4)淤堵试验本次研究从理论上对淤堵试验适用条件进行了探讨。根据多层介质渗透理论及细颗粒在多孔介质中的迁移理论推导得到淤堵试验判断土工织物发生淤堵的条件，也即淤堵试验的适用前提。为了研究影响土工织物滤层淤堵的因素，分别采用热熔型土工织物和针刺型土工织物（共五种），以及三种土（贵州红粘土、内蒙古风积砂和西北黄土）、三种水力梯度并根据正交设计来进行淤堵图2淤堵试验试验，测试分析参量有渗透流速v、土的渗透系数ks、系统的渗透系数ksg和梯度比GR。采用极差分析法和离差分析法，分别以24h的梯度比GR和系统渗流速度作为评价指标对试验结果进行了分析。试验研究与理论分析的结果均表明，采用梯度比作为判断土与土工织物系统是否产生淤堵的标准存在缺陷，通过本次试验研究，系统的渗流速度与渗透系数可以作为淤堵判断指标。对试验结果采用非线性回归分析，可以很好拟和系统渗透系数ksg或渗流速度v与水力梯度i的关系，从而求取系统的稳定渗透系数ksg或稳定渗流速度v作为淤堵的判定标准，也可直接采用72小时时刻的系统渗透系数或渗流速度值作为判断指标。-4- 5)土工织物强度试验选用140g和300g两种聚脂长丝无纺土工织物，进行了常温一次性测试、高温老化后一次性试验、常温循环荷载试验、浸水试验。通过试验结果分析了土工织物延伸率、单位面积质量、抗拉强度和抗拉模量之间的关系，以及循环加载、高温老化、浸水对延伸率、抗拉强度等的影响。（2）土工膜室内试验研究及结果分析选择了一布一膜的复合土工膜试样，进行了土工膜模拟损伤渗漏试验和土工膜压实损伤渗漏试验。模拟损伤渗漏试验设计了穿孔试验和切口试验，以测试这两种破损方式下土工膜渗流量与破损口形状及几何尺寸的关系。压实损伤渗漏试验是利用室内压实试验或CBR压实试验的方法对土工膜进行压实损伤模拟，研究压实对土工膜损伤量以及所导致的渗漏量的判断和计算方法。试验结果在一定程度上验证了土工膜渗漏量计算理论的正确性，说明了土工膜在防渗方面具有较高的可靠性。试验结果也表明，粒径较小的土粒、细砂、小碎石等在压实过程中对土工膜基本不会产生破损性损伤，只有当颗粒物粒径达到一定尺寸后（譬如2.36mm）才会对土工膜产生明显的破损性损伤。因此，在土工膜施工过程中加铺小粒径的细砂可以起到有效保护土工膜的作用。（3）塑料盲沟室内试验研究及结果分析对塑料盲沟材的设计原理、主要形式和特点进行了分析，并通过室内试验研究了塑料盲沟材的压缩变形规律以及其排水能力（通水量）随作用水力梯度之间的关系，同时对计算塑料盲沟材上覆土压力和车辆荷载的方法作了简要的介绍。研究结果表明，塑料盲沟材能图3塑料盲沟压缩变形试验够承受一定的荷载作用，且孔隙率的减小量较小，但在实际工程应用中必须先计算其所承受荷载大小及变形后的排水能力。-5- 在对南京水科院吴福生的试验研究成果进行分析的基础上，选择了实心矩形、中空矩形、实心圆形、中空圆形四种塑料盲沟材，取试样长度2m，最大水头损失为6cm左右进行了通水量试验。根据水力学力量，按照下式对试验结果进行拟合分析，得出了各试件的通水量计算公式。图4塑料盲沟通水量试验5.0Q=Ki或Q=Ki（3-1）公式中Q为流量，i为水力梯度，系数K反映了塑料盲沟材在一定水头差作用下所能通过的流量，可根据其判断塑料盲沟排水能力的大小。（4）公路专用系列盲沟材料的研发及性能改进针对现有塑料盲沟材料存在材料丝径较粗、丝间距不规则、使用年限不确定、结构整体受力不均匀、以及缺乏公路工程应用的针对性等不足，对塑料盲沟的结构和成型工艺作了相应改进，研制开发了适用公路工程排水设施的塑料盲沟芯体材料产品系列。新型的公路专用塑料盲沟为空间网状丝接结构，采用优质高分子材料丝接聚合而成，整体受力状态良好，力学性能优异，具有同等强度条件下表面开孔率高、耐久性好、环保等特点，并已经获得了国家专利证书。专利号：ZL02205114.7。可以广泛应用于公路地下排水、支挡结构物排水、路面中央分隔带及边缘排水、边坡排水等工程及隧道内环向排水等方面。（5）土工防排水材料产品分类指标体系研究通过室内试验研究，分析了土工织物单位面积质量、厚度与孔隙率之间的关系，等效孔径与物理参数之间的关系，垂直渗透系数与物理参数之间的关系，垂直渗透系数与等效孔径之间的关系，对等效孔径的概念进行了探讨，总结了土工织物、土工膜及塑料盲沟关键性的设计指标。在土工防排水材料设计标准方面，通过土的级配理论及土工织物滤层设计的过滤准则展开理论分析，并以典型公路排水设施的排水量计算结果为依据，提出了新的挡土、透水与防淤堵准则及相关防渗、排水设计标准。在调研现有土工合-6- 成材料分类方法，以及征求专家及部分科研设计单位意见的基础上，最终基于室内试验研究成果建立了土工防排水材料产品及应用技术分类体系，对公路土工防排水材料进行分类并提出产品系列化的关键性指标。4土工防排水材料试验工程应用研究本阶段选用相应的土工防排水材料，构筑依托工程的防排水设施，通过材料的选择、排水设施的设计、施工工艺的控制、现场试验和长期跟踪观测，以验证室内试验结果，总结土工防排水材料在公路排水设施中应用的设计方法、施工工艺和质量评定标准。完成的工作如下：（1）根据调研结果，选定在依托工程上实施地下排水、挡土墙墙背排水、路面边缘排水、中央分隔带排水、边坡防护排水共五个试验段。具体的试验段位置如下表所示。表4-1试验路段的选择依托工程项目名称试验段桩号试验内容清镇至镇宁高速公路K70+600～K70+900低洼平坦地段排水清镇至镇宁高速公路K52+680～K52+880挡墙（墙背）排水清镇至镇宁高速公路K41+000～K41+200中央分隔带排水清镇至镇宁高速公路K41+000～K41+200路面边缘排水贵阳至新寨高速公路K210+333～K210+525边坡防护排水（2）按照《公路排水设计规范JTJ018-97》的规定，参考公路设计手册《路基》和《公路排水设计手册》进行试验段的水文分析和水力学计算。（3）根据（复合）土工防排水材料调研结果和室内性能指标测试结果，结合对排水设施的水力学分析，选择合适的（复合）图5地下排水试验段出水口土工防排水材料，进行试验段-7- 排水设计，并制定相应的施工工艺和观测方案。（4）根据观测方案，在施工中和施工后的不同季节、气候对排水设施及排水材料进行监测，以验证室内试验的结果。（5）对观测数据进行分析，评价采用新型材料后排水设施的排水效果、施工工艺及经济效益。通过依托工程的实施，总结了土工防排水材料在公路排水设施中的应用技术，提出了合理的应用形式、科学的设计施工工艺和质量评定标准，以及存在的问题和改进建议。同时，也解决了公路建设中遇到的实际问题，取得了较好的经济效益和社会效益。5土工防排水材料在公路排水设施中应用技术指南编写根据课题研究成果，参照国内外有关文献资料，编写了《（复合）土工防排水材料在公路排水设施中应用技术指南》。该应用技术指南主要提出了公路土工防排水材料分类与技术指标，对土工防排水材料在公路地下排水、支挡结构物排水、中央分隔带排水、路面边缘排水、边坡排水等设施中应用的方法作了详尽阐述，可作为工程技术人员应用土工合成材料进行公路排水设计时参考的依据，也可指导土工合成材料生产厂家进行产品生产和改进。6结语（1）主要结论1)为现行规范及测试规程的修订完善提供了依据。ò通过研究确认湿筛法是可靠的土工织物等效孔径测试方法；ò提出基于概率的土工织物等效孔径概念；ò提出用非线性回归分析来求取土工织物渗透系数的方法，以反映水力梯度对渗透系数的影响，更具适用性；ò研究淤堵影响因素的大小关系，分析现行淤堵试验及其判断准则的理论缺陷，并得出了梯度比准则的适用条件；ò提出用系统渗透系数或渗流速度作为新的淤堵判断指标。-8- 2)促进了土工合成材料在公路排水中的应用。ò研究土工膜在公路排水设施中的应用技术；ò研究塑料盲沟通水量与水力梯度的关系，提出了通水能力系数以表征其通水能力。3)研发了适用于公路排水的新型塑料盲沟材料。4)为土工防排水材料在公路排水中的应用提供了指导。ò建立了公路土工防排水材料分类指标体系及应用标准，填补土工防排水材料的应用技术空白；ò编写了公路土工防排水材料应用技术指南。5)对挡土准则、淤堵特性、性能指标测试方法、材料分类标准、排水设施计算理论等有待进一步研究（2）创新点1)研究了土工织物等效孔径、垂直渗透系数、物理参数等各参数间的相关关系；2)提出了基于概率的等效孔径概念；3)建议选用湿筛法作为土工织物等效孔径测试方法；4)提出了对现行土工织物垂直渗透系数取值的改进意见；5)探讨了现行淤堵试验梯度比GR指标的适用条件，建议将系统渗透系数作为土工织物满足滤层要求的判断参数；6)提出了（复合）土工防排水材料的分类技术指标体系；7)总结了（复合）土工防排水材料在不同工程应用场合的设计方法、施工工艺和质量评定标准。（3）用户报告依托工程业主认为：-9- ò将新型土工合成防排水材料应用于地下排水，不仅造价便宜，施工简单，而且效果非常显著；ò用防渗土工膜作为防渗层，施工方便，防水效果显著，且避免了沥青涂层对环境的污染，值得推广；ò路面边缘增设渗沟可提高路面营运性能，减小养护成本；ò软式透水管和塑料盲沟各有所长，可针对不同的场合选用。（4）查新结论经国家一级查新机构——上海科学技术情报所查新，结论如下：ò该课题研究成果与国内外同类技术相比，提出了基于概率的土工织物等效孔径概念、梯度比判断土工织物淤堵的适用前提、以及用土与土工织物系统渗透系数作为淤堵判断指标，具有新颖性。ò探讨了以贵州为代表的我国西南多雨地区土工织物淤堵指标适用前题条件和新的判断指标，并建立了公路土工防排水材料分类指标体系，还给出了针对公路地下排水、支挡结构排水、中央分隔带排水、路面边缘及边坡坡面排水等设施的土工防排水材料应用技术指南，更具有可操作性，因而具有先进性。-10-