土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用

一、项目概况

根据宁夏××公路工程建设指挥部与交通部签订的《西部交通建设科研项目合同书》，本项研究计划于2001年8月开始。宁夏古王公路盐兴公路工程建设指挥部与北京工业大学的合作研究合同于2002年7月签订。事实上，实际的研究工作始于2001年7月。

古王高速公路试验路段于2001年7月至同年10月进行土工玻纤格栅在路面的设计与铺设。2003年8月16~20日和2003年9月19~23日，开展宁夏黄土地区公路病害调查，并对典型地段黄土取样，用于分析黄土的物理力学性质。2001年10月开始土工合成材料的性能及应用研究调研，历时近两年，先后走访了河北沧州东塑集团华通工程材料公司、银川地区各高速公路、宁夏交通厅银－古高速公路指挥部、泰安永佳土工合成材料厂、青岛颐中格栅股份有限公司等土工材料生产厂家及设计、施工单位和现场。2003年3月课题组对银古路、中郝路进行调研并制定试验方案，4月试验方案开始实施，同时，现场取土样进行试验。2003年7月，对银古辅道开展调研并制定试验方案，同年8月试验方案实施并现场取样委托试验，同时，课题组成员进驻试验路段工地，至11月底工程完工后撤回。其间的主要工作为，对土工膜和土工格栅的施工进行现场指导和监督；埋设压力盒、沉降板；建立观测控制网并进行监测（包括沉降观测、应力应变观测、侧向位移观测等）；补充土工试验等。2004年4月，完成加筋路堤、路面裂缝方面的数值分析和计算。2004年5月完成了项目研究报告的初稿。

2003年12月，交通部在西安对研究项目进行中期验收。

2004年4月，对试验路段补充了弯沉测量。目前该试验路段正在进行长期定时观测。

2004年5月，课题组完成研究报告初稿。

2004年8月，由宁夏回族自治区交通厅组织区内专家对研究报告初稿及课题进行了内部评审，来自宁夏交通厅和设计院的专家对课题的研究及报告提出了评审意见。课题组在此基础上，进行了较大幅度的修改，并根据专家意见，增加了部分研究内容，加强了部分内容的总结，并按“西部交通建设科技项目验收要求”，准备了有关的材料。

2004年8月，由宁夏回族自治区交通厅组织区内专家对研究报告初稿及课题进行了内部评审，来自宁夏交通厅和设计院的专家对课题的研究及报告提出了评审意见。课题组在此基础上，进行了较大幅度的修改，并根据专家意见，增加了部分研究内容，加强了部分内容的总结，并按“西部交通建设科技项目验收要求”，准备了有关的材料。

二、研究目标

1、项目总体目标

经2001年8月审查会专家评审，项目可行性研究报告中原制订的总体研究目标修订为：

⑴利用土工合成材料提高黄土地区高路堤、深路堑的整体稳定性；

⑵利用土工合成材料预防黄土地区公路的路面裂缝；

⑶利用土工合成材料防治黄土地区公路地下水侵蚀；

⑷根据黄土地区公路工程应用特点，研究选用适合的土工合成材料的类型。

2、主要技术经济指标

⑴通过对黄土地区的旧路进行调查分析，确认黄土地区产生公路病害的原因，确定利用土工合成材料治理及预防黄土地区公路病害的方法，实现技术上可行，经济上合理的目标；

⑵调查、了解黄河中游黄土地区利用土工合成材料的情况及经验，确定技术经济指标；

⑶根据调查、试验、观测和分析结果，得出在黄土地区选用土工合成材料的合适类型；

⑷确定土工合成材料在黄土地区高路堤、高边坡应用的合理层次。

三、项目研究目的及意义

黄土是一种颗粒级配均匀、多孔隙、天然含水量小、呈黄色、含有大量碳酸盐的土，具有渗透性、湿陷性、易崩解等特性，在外荷载和自重作用下受水浸湿后容易湿陷变形。

我国的黄土分布面积约64万km2，占国土总面积的6.6％以上。主要分布在甘肃、宁夏、青海、内蒙古、陕西、山西、河南和河北等省（区）。其中以秦岭以北、长城以南、太行山以西、日月山以东的黄河中游地区的关中、陕北、宁夏、豫西、陇东及陇中的黄土高原最为典型。厚层黄土连续覆盖所形成的地貌景象，世所罕见。

在西北地区，作为带状工程的公路大部分都处于不同时代、不同成因和不同地貌单元的黄土区。而黄土区在降雨作用下，土壤侵蚀，黄土冲沟及河谷区谷坡陡峻，滑坡、崩塌、滑塌、泥流等地质灾害频繁发生，对公路路基造成了严重的病害和毁坏，带来了巨大的经济损失。同时，公路工程在沟壑纵横、谷坡陡峻的地貌背景下，由于经济和技术条件的限制，不可避免地要进行大量的开挖或填筑，形成黄土高路堤、深路堑。另外，公路路基和边坡大面积地暴露于野外，长期受自然因素的强烈侵蚀作用，在不利的水文条件下，物理力学性质经常发生变化。公路由于受黄土本身特殊的工程特性（多孔隙、湿陷、渗水、收缩、抗剪强度各向异性等）和黄土地区特殊的气候特征的影响，在各种自然营力，尤其是雨水侵蚀作用下，极易引发和加剧路基及边坡的水毁病害，引起公路路基、路面产生不均匀沉降、沉陷和开裂，影响公路的正常使用。

黄土地区公路病害严重影响了公路的使用功能，甚至导致公路结构的破坏。借鉴国内外的先进经验，利用土工合成材料所具有的抗拉强度高、弹性模量大、熔点高等优良的力学性能，防治公路病害是行之有效的途径之一。目前，在新建、改建公路中，虽然土工合成材料已得到比较广泛的应用，加筋补强、排水防渗等方面在理论和实践中都取得了很大进展。但应该看到的是对于黄土地区土工合成材料的理论方面的研究几乎是空白，过去的实践经验也有待进一步总结。

土工合成材料在西部黄土地区虽有应用，并取得一定的经济和技术效益，但也有不少失败的教训，如西部某省的一处加筋高路堤坍塌后，一直没有很好总结原因，致使这一先进技术没有得到进一步的推广。由于缺乏总结和提高，理论远落后实践，设计上存在盲目性。因此，系统开展土工合成材料在黄土地区公路工程中应用的理论研究，对于提高西部地区交通工程技术人员的设计、施工和管理水平具有指导作用。

宁夏地区黄土分布广泛，因路基湿陷、边坡滑坍等引起的公路病害时有发生。结合宁夏黄土地区公路工程建设，开展土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用研究，形成综合防治技术，对防止黄土地区公路病害、提高黄土地区公路修筑质量，具有重要的现实意义。本课题正是在这种背景下提出的。

四、主要研究内容及实施方案

1.项目的主要研究内容

本项目主要开展了以下几个方面的研究工作：

⑴黄土地区公路病害及其成因研究；

⑵土工合成材料及其路用适宜性；

⑶土工合成材料防治路基病害的应用研究；

⑷土工合成材料防治路面病害的应用研究；

⑸土工合成材料防治公路边坡及排水构造物病害的应用研究；

⑹经济、社会、环境效益及推广应用前景分析。

2.采用的研究方案、技术路线

本项目涉及面广、内容多，根据研究内容和研究目标，将本项目分解为五个子课题。各子课题在内容和进度上相互关联和依托，具体实施方案和技术路线如下：

⑴黄土地区公路病害及其成因研究

对选定的宁夏境内业已建成的公路开展调查，主要收集公路设计、施工的基本情况和运营后出现的各种病害，以及沿线的工程地质条件、水文地质条件和气候情况。分别建立不同线路的病害数据库，通过整理分析，总结出病害的类型和成因，为进一步对病害进行整治奠定基础。

⑵土工合成材料及其路用适宜性

广泛收集国内外土工合成材料方面的研究成果、工程实例和生产厂家的现状，总结土工合成材料在公路工程中的应用范围和形式，根据黄土地区公路病害的类型和成因，提出利用土工合成材料治理病害的方法、应用机理、选材和选型原则。

⑶土工合成材料防治路基病害的应用研究

在试验和现场调查的基础上，掌握试验路段黄土的物理、力学和水理特性，用理论方法和极限平衡理论分析加筋路堤的变形、破坏和稳定性，在此基础上，提出加筋路堤的加固方案，选择加筋材料，并付诸实施。同时，制订详细的现场试验方案，对加筋和未加筋的试验路段的变形演化、应力分布等进行系统的观测，以评价加固效果、认识加固机理，为改进设计和防治路基病害提供依据。

通过对试验路段的系统研究，充分认识加筋体的变形和性态，提出加筋高路堤的设计方法和施工工艺。

⑷土工合成材料防治路面病害的应用研究

详细调查黄土地区典型路面病害并建立数据库，总结出路面病害的类型和成因。用数值分析方法研究沥青路面温度收缩裂缝的发生、发展过程及其规律。同时开展室内试验，考察不同的土工合成材料对路面的加固效果，筛选出效果明显、经济技术合理的土工合成材料。在现场开展试验，评价防治裂缝、车辙和路面变形的效果，进而提出路面加固的设计方法和施工工艺。

⑸土工合成材料防治公路边坡及排水构造物病害的应用研究

在野外调查和室内试验的基础上，揭示黄土的浸水破坏机理及其对黄土地区公路破坏的影响，提出公路边坡坡面防护和排水构筑物病害的防治方法。

3.依托工程

本项研究的依托工程为银（川）—古（窑子）—王（圈梁）高速公路、中（宁）—郝（家集）高速公路、盐兴二级公路、国道109线、黑（城）—海（原）二级公路、惠（安堡）—预（旺）三级公路以及在建和即将开工建设的其它黄土地区公路。由于实际的施工计划和工程进度发生变动，只在银古路和中郝路进行了试验研究。

4.研究进度与达到的目标

根据宁夏古王公路盐兴公路工程建设指挥部与交通部签订的《西部交通建设科研项目合同书》，本项研究计划于2001年8月开始。宁夏古王公路盐兴公路工程建设指挥部与北京工业大学的合作研究合同于2002年7月签订。实际研究工作于2001年7月业已开始。

⑴应用土工合成材料防治路面病害的现场试验研究

古王高速公路试验路段于2001年7月至同年10月进行土工格栅的路面铺设。在铺设的4个月期间，课题组成员分别于2001年7月上旬、7月下旬、8月上旬、8月下旬、9月上旬、9月下旬、10月下旬共7次到施工现场，进行施工指导，解决铺设中出现的问题。

试验路段完工后，定期对试验段路面的外观状况、裂缝桩号、裂缝总道数、裂缝总长度、裂缝宽度、裂缝变化规律、路面弯沉等指标进行了观测分析，共观测5次，时间安排如表1所列。

银古高速公路试验路段于2003年7月至同年9月进行土工布铺设。2003年10月课题组到长安大学联系作对比实验事宜。并开始定期对试验段路面的外观状况、裂缝桩号、裂缝总道数、裂缝总长度、裂缝宽度、裂缝变化规律等指标进行观测分析，时间安排如表2所列。

⑵黄土地区公路病害调查研究

2003年8月16~20日和2003年9月19~23日，课题组先后两次对宁夏黄土地区公路病害进行了现场调查，并对典型地段的黄土取样，用于分析黄土的物理力学性质。

现场调查研究主要根据宁夏黄土地区公路建设的实际情况，对已建成通车的高速公路及一、二、三级公路，采取实地调查、室内资料分析和工程相关人员座谈讨论的方法进行。主要了解黄土的分布状况；黄土地区公路的主要病害、危害程度及其范围等；影响黄土地区公路病害的主要因素。为公路病害类型和成因分析及土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用研究提供科学依据。

调查路线选择银（川）—古（窑子）—王（圈梁）高速公路、姚（伏）—叶（盛）—中（宁）—郝（家集）高速公路、国道109线、省道202线兴（仁）—海（原）、海（原）—同（心）二级公路、黑（城）—海（原）二级公路、国道309线宁夏段（宜兰二级公路）、省道203线以及该区其它有代表性的公路。

⑶土工合成材料的性能及应用研究调查

该项内容进行了三次集中性调查。

①调查时间：2001年10月

调查地点：银川地区各高速公路、宁夏交通厅银－古高速公路指挥部。

调查内容：宁夏地区高速公路中土工合成材料的应用情况，包括材料的种类、性能指标、工程使用及施工情况等。

调查目的：了解土工合成材料在宁夏高速公路防治公路病害的应用情况，以便进一步研究土工合成材料的性能并将土工合成材料应用于宁夏黄土地区的病害防治工程中，如防止路堤沉降、防止路基不均匀沉降、防治路面纵向开裂、防止排水设施湿陷破坏、防止边坡破坏、防止沥青路面反射裂缝等。

②调查时间：2002年8月

调查地点：河北沧州东塑集团华通工程材料公司。

调查内容：该厂生产的土工合成材料如三维土工网垫、土工膜、土工格栅等产品广泛应用于宁夏公路，因此调查该厂产品的主要技术指标，如抗拉强度、弹性模量、蠕变性能等。

调查目的：深入研究土工合成材料的性能，进一步提供防治宁夏公路病害的选材依据，并为试验路段设计方案及路面数值计算提供可靠的参数。

③调查时间：2003年7月

调查地点：泰安永佳土工合成材料厂、青岛颐中格栅股份有限公司。

调查内容：调查土工网在公路软地基中的应用，了解相应技术指标。调查玻纤格栅的特点，如高抗拉强度、长期蠕变性、与沥青混合料的相容性、与集料嵌锁作用等。

调查目的：了解该厂产品的性能特点，获取有关性能指标，研究适合于宁夏黄土地区的路基加固和防止反射裂缝方案。

⑷应用土工合成材料防治路基、边坡及排水构造物病害的现场试验研究

2003年3月课题组开始联系现场路基试验和黄土特性试验事宜，对银古路、中郝路进行调研并制定试验方案。2003年4月银古路、中郝路试验方案开始实施，同时，现场取土样进行试验。

2003年7月，对银古辅道开展调研并制定试验方案。8月，试验方案实施并现场取样委托试验，同时，课题组成员进驻试验路段工地，至11月底工程完工后撤回。其间的主要工作为，对土工膜和土工格栅的施工进行指导和监督；埋设压力盒、沉降板；建立观测控制网并进行监测（包括沉降观测、应力应变观测、侧向位移观测等）；补充土工实验等。

2004年4月，对试验路段进行了弯沉测量。目前该试验路段正处于长期定时观测阶段。

⑸室内实验研究

①黄土物理性质实验

包括颗粒分析、天然含水量、天然密度、干密度、土粒比重、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数、天然孔隙比等。

②黄土力学性质实验

包括压缩性质实验、强度实验、击实实验等。

③黄土水理性质实验

包括渗透实验、湿陷实验、黄土的变形量与浸水时间、含水量及饱和度的关系实验等。

④土工合成材料路用性能实验

分别对加铺与不加铺玻璃纤维格栅以及加铺聚酯长丝烧毛土工布三种情况，进行沥青混合料的压缩、低温及疲劳性能实验，以考察格栅铺设不同位置以及铺设不同的土工合成材料对沥青混合料各项指标的影响。

主要内容包括小梁弯曲实验、劈裂实验、单轴压缩实验、疲劳实验等。

⑹土工合成材料防治黄土路基病害的理论研究与数值分析

本项工作主要是对黄土地区加铺土工合成材料（以下简称加筋）路堤的加筋机理和效果等进行研究。通过数值模拟计算分析，得出加筋路堤的应力分布、沉降变形等变化规律。同时，对不同路堤高度的加筋效果，以及围绕着低温下加筋对沥青路面开裂的抑制效果也进行了研究。

五、主要研究成果及其所突破的关键技术简介

1、主要研究成果

基于上述研究目标所进行的系统研究工作，取得了以下主要成果：

⑴黄土地区公路病害及其成因

通过大量的野外调查和广泛的资料收集，证实黄土特殊的工程特性导致了黄土地区公路病害的产生，其中黄土的湿陷性是引起路基破坏的主要因素，而黄土湿陷性与水（地表、地下水）的潜蚀作用导致的路基湿陷，对公路危害极大。

总结出黄土公路病害的主要类型，即：路面、路基和路堤路堑边坡的破坏。由于路基陷穴、强度不足或过分沉降，以及温度变化等造成路面开裂、车辙和路面变形。由于设计、施工不当，养护不及时，将会引起黄土路基陷穴、路基沉降，甚至引起路面纵向开裂，公路结构破坏。强烈的冲刷、剥蚀和防排水设置不当可造成坡面滑溜、路堤局部滑坍和整体滑坡、土桥病害等。雨水的强烈冲刷作用引起路堤边坡表层黄土湿陷、浆砌片石局部下沉，从而导致桥台护坡体失稳滑塌，涵洞破坏。

⑵土工合成材料及其适宜性

广泛收集了国内外资料，研究了土工合成材料的种类及性能，提出了土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用机理及选材原则，并基于黄土地区公路病害特征和成因，优选出土工合成材料防治黄土地区公路病害的基本方法。

⑶土工合成材料防治路基病害的应用技术

在试验路段，开展了详细的路基病害防治研究。对试验路段的黄土进行了翔实的室内测试，在有限元分析的基础上，提出了黄土路堤的土工格栅加固方案和现场观测技术，开展了包括变形、沉降、土压力等在内的现场详细监测。掌握了加筋黄土路堤的变形特点和内部应力分布特征，以及格栅的加固机理，在此基础上进行了加筋高路堤的理论分析，提出了设计方法、适用范围和观测技术、施工工艺和应注意的问题。为黄土地区高路堤加固的合理设计和施工奠定了基础。

通过铺设复合土工膜，结合三七灰土结构，既可增加地基的承载能力，又可防止地表水下渗，有效避免了沉陷和陷穴的发生。旧路加宽的填方路段采用土工格栅补强，可以有效控制新旧路基的差异沉降。

⑷土工合成材料防治路面病害的应用技术

详细调查了黄土地区路面病害，总结出路面病害的类型和成因。用有限元法分析了有、无玻纤格栅时沥青路面温度收缩裂缝的发生、发展过程和规律。同时，在室内开展了试验，考察在加铺与不加铺玻璃纤维格栅以及加铺聚酯长丝烧毛土工布三种情况下，沥青混合料的压缩、低温及疲劳性能，证实加铺玻纤格栅效果明显。在现场开展了大规模试验，有效抑制了裂缝、车辙和路面变形。提出了玻纤格栅和长丝烧毛土工布在路面工程中的铺设原则、设计方法和施工工艺。

⑸土工合成材料防治公路边坡及排水构造物病害的应用技术

在野外调查和室内实验的基础上，掌握了黄土的浸水破坏机理及其对黄土地区公路破坏的影响，提出了公路边坡坡面防护和排水构筑物病害防治方法。

采用土工格室与三维土工网结合的方式护坡，不仅可以保护路基边坡表面免受雨水冲刷、减缓温差及温度变化的影响，而且还能防止坡面失稳，保护路基边坡的整体稳定，并兼顾路基美化和协调自然环境的效果。

调查发现，由于地表水的局部渗漏而导致湿陷性的破坏是黄土地区公路排水构造物进出口处破坏的主要原因。因此，防治公路排水构造物破坏的关键重点是防水。在易造成地表水下渗及浸蚀的部位，加铺防水土工材料，必要时对构造物地基用三七灰土进行处理，实践证明可以取得良好的防治效果。

2.关键技术

基于上述研究目标进行了系统的研究工作，取得了以下主要研究成果和关键技术：

⑴黄土地区公路病害及其成因

黄土的湿陷性与水（地表、地下水）的潜蚀和冲刷作用是导致黄土公路破坏的主要原因。黄土公路病害的主要类型有由于路基陷穴、强度不足或过分沉降，以及温度变化等造成的路面开裂、车辙和路面变形；由于设计、施工不当，养护不及时引起的黄土路基陷穴、路基沉降，甚至引起路面纵向开裂，公路结构破坏；强烈的冲刷、剥蚀和防排水不当造成的坡面滑溜、路堤局部滑坍和整体滑坡、土桥病害等；雨水的强烈冲刷作用引起的路堤边坡表层黄土湿陷、浆砌片石局部下沉，从而导致桥台护坡体失稳滑塌，涵洞破坏等。

⑵土工合成材料性能及其应用研究

提出了土工合成材料在黄土公路工程中的应用机理及选材原则，基于黄土公路的病害特征和成因提出了选用土工合成材料防治黄土地区公路病害的基本方法。

⑶土工材料防治路基病害的应用技术

①黄土路基土工格栅加固技术；

②高路堤加筋设计方法；

③黄土加筋机理的数值分析方法；

④黄土路基加固设计与施工技术；

⑤黄土公路沉陷和陷穴防治技；

⑥旧路加宽的填方路段应用土工格栅补强控制新旧路基的差异沉降技术。

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