1、土工合成材料加固法在既有铁路路基基床加固中的应用土工合成材加固法是通过在基床土中埋设强度较大的土工合成加筋材料，使加筋材料和土形成一种复合体，由此来提高土体的稳定性、减少土压力，增大地 基承载力、抑制地基的侧向变形的技术方法。 它一般置于基床面、内部或各结构 层之间，具有加固补强、排水、反滤、隔离、保护和止水防渗等性能。可起到防 止基床软化、翻浆冒泥、下沉外挤、道碎陷槽、积水以及保温等作用。用于基床加固的土工合成材料主要有土工膜、复合土工膜、防排水板、土工 格室、土工格栅、无纺土工布、聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯、软式透水管等。4.5.1 适用范围土工合成材料加固法适用于既有铁路路基基床翻浆冒泥、
2、冻害或基床土质不良（Ip2 12、Wl32%）而其强度足够但具备产生翻浆冒泥病害条件，或基床土 软弱强度不足、下沉外挤、或基床积水等地段，可采用土工合成材料加强基床和 改善排水条件。4.5.2 优缺点土工合成材料加固基床的主要优点：具有强度高、一定范围的变形模量与基 床土兼容协调、施工工期短、使用寿命长、投资较低、整治效果良好，适用于各 种土质、风化岩质基床的病害整治。主要缺点：施工需要在线路封锁（“揭盖”与 “不揭盖”）或架空线路、限 速慢行的条件下进行，对既有线行车运营干扰较大；土工合成材料性能本身的不 稳定性（如延伸率大，存在一定的蠕变和应力松弛现象）以及施工因素、外部环 境、气候条件等
3、因素一定程度上可能影响其强度，在设计中均应予以考虑。4.5.3 土工合成材料的特性土工合成材料的特性应满足路基基床的使用条件和应用条件。其特性指标包括：物理特性、力学特性、水理特性和耐久特性等四个方面，工程设计时应根据 其材料类型和工程需要确定特性试验项目。（1）物理特性指标主要有单位面积质量、厚度（及其与压力的关系）、材料比重、开孔尺寸等； （2）水理特性包括垂直渗透系数、平面渗透系数、於堵性、防水性等；(3)力学特性包括条带的抗拉强度、断裂时的延伸率、抗撕裂强度、抗顶破强度、抗刺破 强度、直剪摩擦、拉拔摩擦、蠕变等；(4)耐久特性包括抗紫外线能力、化学稳定性(抗酸、抗碱能力)、细菌和生物稳
4、定性等。4.5.4 土工合成材料的应用效能土工合成材料应用于既有路基基床加固中，应根据基床病害类型、原因、作 用机理、病害分布范围、部位及其程度、发展趋势等选用不同特性的土工合成材 料。土工合成材料的应用效能如下：(1)排水功能土工合成材料的排水功能是指利用土工织物将不必要的降雨、土中多余的水分收集起来，并将其排出的性能。较厚的针刺无纺织物和某些具有较多孔隙的复 合型土工合成材料都可以起到排水通道的作用。(2)反滤功能反滤功能是指把土工合成材料铺设在被保护的土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。 同时允许土中渗流或气体通过土工合成材料，
5、 以避免由于孔隙水压力的升高而造 成土体的失稳。从而防止流土和管涌现象的发生。其反滤效果取决于：土工织物 的物理特性，如孔隙大小、开孔率、厚度和压缩性等；土的粒径、级配、孔隙率、 粘聚力和渗透系数等；上覆应力状态；水力条件，如层流、紊流、水力梯度、单 向渗流和复向渗流等条件。(3)隔离功能土工合成材料的隔离功能是指把土工织物置于两种粒径相异或性质相异材 料或土之间，将它们相互隔开，以免相互混合的性能。由于土工织物具有一定的 抗拉、抗刺破、抗撕裂强度和抗变形性能，能适应应力、变形和各种环境的变化， 所以具备整体连续性的土工织物就可以起到隔离作用。 在隔离性能应用中，土工 织物应具有足够的耐磨性。
6、作为隔离用的土工织物的渗透性应大于所隔离土的渗 透性，并不被於堵。当没有水流作用时，土工膜同样也可以起到隔离性能。(4)加固补强土工合成材料的加固补强功能是指利用土工织物在受剪切时发挥的抗拉作 用，依靠土与土工合成材料的相互作用，分散载荷，提高地基的模量，传递拉应 力，限制土体的侧向位移，增大土的抗变形能力，减少沉降量，从而提高土工结 构的稳定性和抗变形能力。(5)防渗功能利用土工合成材料中的弱透水材料防止液体的渗透、气体的挥发，以保护环 境或建筑物的安全。(6)保护功能土工合成材料的保护性能意为限制或防止土体受外界环境作用而破坏的性能，可用于防冲、防冻、防浪、防冻、防震、固砂、防止盐碱化及泥
7、石流等。4.5.5 土工合成材料的应用设计土工合成材料应用于路基基床加固设计应从确保工程质量、安全、经济、长 期使用性能等因素进行综合考虑。主要包括以下几个方面：破坏后果：基床病害类型、范围、程度及其发展趋势可能引起的相应后果；不利工况：基床土质、排水条件、荷载等影响；经济工期因素：造价以及工期相应的影响；材料及施工因素：材料供应(运输、储存和堆放)、施工经验、施工难易 度、检验检测标准等。土工合成材料设计属于 功能设计”的范畴，即根据土工合成材料应用的主要 功能和设计计算确定土工合成材料要求的性能指标，结合材料试验结果和不同的 折减系数得到土工合成材料的允许特性指标。根据土工合成材料的应用部
8、位、目的以及设计要求，破坏后可能产生的相应 后果，确定设计采用的安全系数 Fs。安全系数：FsTa（式 4-5-1）其中：Ta 1 TFiD FcR FcD FbD式中：Ta 土工合成材料设计容许抗拉强度；Ts设计要求的土工合成材料抗拉强度;FiD 铺设时机械破坏影响系数；FcR 材料蠕变影响系数；FcD 化学剂破坏影响系数；FbD 生物破坏影响系数；T 由加筋材料拉伸试验测得的极限抗拉强度。其中，FiD、FcR、FcD、FbD四项影响系数应按实际经验确定；无经验时， 其乘积宜采用2.55.0;当变形控制要求高、材料蠕变性大、施工条件差时，应 采用大值。(1) 土工合成材料封闭层设计既有铁路路
9、基已产生基床翻浆冒泥、冻害地段，或基床土质不良(Ip12Wl32%)而基床土的强度足够，具备有产生翻浆冒泥、冻害条件的地段，可 在基床表面或基床表层内铺设土工合成材料封闭层。防止地表水下渗造成基床表层的软化，减弱动荷载对基床土的挤压与抽吸作用，阻隔翻浆体上冒污染道床。当路堑地段地下水位较高时，应同时加深侧沟或设纵向渗沟降低地下水位；整治裂隙泉眼的翻浆冒泥时，应在泉眼处增加横向引、排水措施。1)材料选择及技术性能土工合成材料封闭层可选用不透水的塑料排水板、土工膜、复合土工膜、氯丁橡胶软板及聚乙烯软板、无纺土工织物等，以及目前国内一种新型PVC加筋毛细防排水板，以复合土工膜应用较多。当用来防治基床
10、严重冻害时，还应铺设 保温材料，如厚度不小于5cm的聚苯乙烯泡沫塑料板或聚氨酯。土工合成材料的技术性能应满足下列要求：复合土工膜、土工膜的渗透系数不应大于 10-11cm/s,断裂强度不应小于 20kN/m, CBR顶破强度不应小于2.5 kN ,膜厚不应小于0.3mm,在严寒地区应 满足抗冻要求；无纺土工织物的等效孔径 O95和垂直渗透系数kv应满足设计要求，断裂强 度不应小于12kN/m, CBR顶破强度不应小于1.5kN;保温层的表观密度、抗压强度、导热系数、吸水率等性能指标应满足设计 要求，且耐久性能好。2）断面布置形式土工合成材料封闭层应铺设于对应钢轨位置（双线地段为内侧钢轨位置）轨
11、 枕底下不小于0.35m,以免道床捣固的损害；铺设宽度至少应满足上部荷载应力 扩散宽度（即沿轨枕两端头底面起以 45。扩散角传力至路基面），且不外露于道 床。根据实际应用，一般应全断面铺设，且基床表面设不小于4%横向排水坡，以利于排水。土工合成材料上下均应铺设砂保护层，上部砂层厚度不小于0.1m,下部砂层厚度不宜小于0.05m,总厚度应大于等于0.2m。在双层道床地段，可利 用道床的砂垫床，在单层道床地段可将下部0.10m厚的道碎置换为砂层。具体的图4-5-1土工合成材料铺设于基床表面注：1.道床厚h3+中粗砂厚h2标准道床厚度；2 .中粗砂 h1+h20.02m；3 .中粗砂含泥量不得大于
12、5%。图4-5-2土工合成材料封铺设在基床底层表面（2） 土工合成材料基床表层补强设计既有线路基基床土软化、强度不足、下沉外挤等病害地段，可在基床内铺设 土工格栅、土工格室进行基床补强，可起到提高基床承载力与稳定性的作用。因土质不良和水的作用造成基床土软弱，抗剪强度降低，在列车动荷载作用 下产生沉降同时将向两侧扩张，并伴随有路肩的隆起，表现出“深陷槽”、“外挤 土垄”等特征，最终导致基床受剪切破坏，直接影响线路上部结构的稳定。可在 基床表层内铺设土工格室或土工格栅， 形成有较大刚度和强度的基床表层，扩散 了基床应力，从而满足了下部基床土的容许承载力， 减少基床变形、消除基床病 害。1）材料选择
13、及技术性能基床表层补强应选用质轻、延伸率小、强度高、耐腐蚀、韧性好的抗拉材料。 一般采用土工格栅（经拉伸的平面材料）、土工格室（三维材料），以土工格室应 用最多且最为理想。材料技术性能：土工格室：土工格室抗拉（张）强度可达23.0MPa,抗环境开裂大于1000h, 低温脆化稳定达-23C,按国际检测常温剥离强度达 101N/cm。土工格栅：土工格栅极限抗拉强度不应小于 110kN/m； 土工格栅极限抗拉 强度对应的延伸率，高密度聚乙烯土工格栅不应大于12%,其他土工格栅不应大 于 10%。2）断面布置形式基床表层补强置换层铺设于基床表层内，铺设宽度应满足轨道与列车上部荷 载作用扩散至基床表层的
14、分布宽度加适当的安全宽度，一般应全断面铺设至路肩处或侧沟外缘。置换层上下均应铺设中粗砂保护层，上部保护层厚不小于0.1m,下部保护层厚度不小于0.05m。可保持基床的排水能力，避免地表水滞留在基床 而软化土体，若采用土工格室置换层其格室内应充填渗水填料。置换层与下部砂 层问视工程需要可加设150200g/m2的土工织物12层，或土工复合材料（复合 土工膜、防排水板），还起到反滤（土工织物下的基床形成一定厚度的滤层阻隔 软化泥浆上冒道床）、隔离（防止道碎陷入基床形成道碎囊）防渗、排水作用。具体断面布置形式如图4.5.3所示。图4-5-3 土工合成材料加固补强布置图注：1.土工合成材料右侧所示为土
15、工格室，左侧所示为其他土工合成材料；2 .中粗砂 h1+h2）0.02m；3 .中粗砂含泥量不得大于 5%。3）设计与计算由于基床土软弱、强度降低，在列车动荷载作用下，发生下沉外挤的变形， 采用土工合成材料进行基床加固补强后加筋土垫层抗变形机理目前尚未十分明 了，计算理论尚不成熟。本文介绍三种加筋垫层承载力计算方法，供借鉴。改进的太沙基极限承载力里理论西林（ 1966）、山内等（ 1979）根据太沙基极限承载力基本公式，在原地基的极限承载力qi项里，加进了考虑土工合成材料张力的网兜效应q2,地基隆起平衡镇压效应q3和埋深平衡镇压效应q4等承载力分项，见图4-5-4。即：qd qi q2 q3
16、q，acNc asinTNqDfNq (4-5-2)Br式中：Nq 加筋垫层白极限承载力(kPa);a地基的形状因数，考虑到施工对地基的扰动降低土体强度的影响系数，a =2/3 ；c 土的内聚力（kPa）;Nc、Nq 为承载力因数；T 加筋材的抗拉强度（kN/m）;基础两侧加筋材与水平面的夹角（ ）;B 基础宽度（m）;地基土重度（kN/m3）;r 基础两侧地基土隆起的假想圆半径（m）;Df 基础沉降（m）。改进的太沙基极限承载力理论应用较多，效果也比较好。在工程设计中推荐采用它来计算加筋土垫层的承载力和承载力增量。Florkiewicz (1990)承载力公式图4-5-5水平向增强复合地基上
17、的条形基础O其中,图4-5-5所示为一水平向增强体复合地基上的条形基础（铁路路基） 刚性条形基础宽度为B,下卧层厚度为Z0的加筋复合土层，具似黏聚力为 Cr内摩擦角为。；复合土层的天然土层黏聚力为C,内摩擦角为。Florkiewicz认为基础的极限荷载qfB是无加筋体（Cr=0）的双层土体系的常规承载力q0B和由加筋引起的承载力提高值qf B之和，即：qf =q0qf =q0+ g 0c tan 0（4-5-3）B式中一一考虑的方向与加筋体方向的倾斜角;0一一加筋体材料的纵向抗拉强度。当量厚度理论采用土工格室进行基床表层加固补强时，其结构特点是置换层由二维变为三维，即土工格室与充填材料构成的垫
18、层， 可大幅度提高基床刚度，具有明显的 扩散荷载作用，降低基床表面的动（静）应力水平，可防止基床侧挤和道碎陷槽 病害的发生。据西南交通大学的研究，土工格室与充填材料构成的垫层扩散后应 力可按“当量厚度理论”计算。片一批J一、一或床（cl门一堂床及整面横断面应力分布;L“机扰贼断面应力分市；（心）轨枕传畸而应力分布； L”设士工格富后应力分布图4-5-6当量厚度理论计算图未铺设土工格室前，传递至基面应力P为：铺设土工格室（厚度为t）后，则传递至基面应力p为:PPoa ba 2(h Zg) tg b 2(h Zg) tg Zg为当量厚度:Zg3 E1,E2式中：a、b:分别为轨枕长度、宽度,(a
19、2htg ) (b 2htg )PoH枕下道床厚度；扩散角（一般为450）;t 土工格室高度；Ei、E2分别为土工格室和基床土的弹性模量。 、 、. 、一 一 当土工格室图度为10cm时，加固前后基面应力比P/P =1.86,即应力降低53.8%在既有线基床病害整冶设计中，可根据基床实际软弱程度，调整土工格室 厚度，使扩散后应力满足基床承载力要求。4.5.6 土工合成材料的施工既有铁路采用土工合成材料整治基床病害的施工，应根据施工条件可以采用封锁线路或架空轨道等施工方法。封锁施工分“揭盖”与“不揭盖”两种。其中“不揭盖”方式用千斤顶支撑轨道，挖除道床。其基本的作业工序见图4.5.7。图4.5.
20、7 土工合成材料施工流程（一）扣轨施工采用的轨束梁架空结构应根据规定类型、运营条件、架空跨度计算 确定。扣轨施工的基本作业工序具体见图4.5.8。图4.5.8 土工合成材料施工流程（二）土工合成材料的施工要点：（1）挖除道床、基床，整平基面开挖基面达到设计标高，且清除软弱基床部分后整平基面，要求基面应做成 向路基外侧不小于4%的排水坡，然后摊铺下层砂垫层并夯实，基面及砂垫层不 应含有尖锐杂物及碎石。（2）铺设土工合成材料1）铺设土工合成材料可采取沿线路纵向与横向铺设两种方法。2）铺设土工合成材料平面卷材（土工膜、复合土工膜、土工织物、防排水 板、土工格栅等）时，应平贴基面铺设，将其一端固定沿线
21、路纵向或横向推卷展 开卷材，随铺随盖其上层砂保护层并夯实。 铺设时土工合成材料要完全伸展，必 须保持平整、无皱折或褶曲。铺设土工格室时，在整平夯实的底砂基面上将土工格室的一端用钢筋或小木 桩固定住，用力将其拉展开，使其每个空格展开成标准菱形，菱边线成一条线， 从而达到充分展开成型的要求，再用钢筋或小木桩将另一端固定，而后在其空格 内充填渗水填料（碎石或中粗砂）并捣实。填完一联土工格室后，拔出钢筋或小 木桩，将下一联土工格室与前一联间用连接件连接牢固，连接强度不低于设计强 度。重复前述工序直至全部铺设完。最后再在土工格室上铺设上砂层保护层并夯 实。3）铺设土工合成材料时，应将其强度大的方向置于垂
22、直于线路的方向上。4）铺设土工合成材料时，应注意材料的连接。土工膜、复合土工膜一般采用搭接、粘接或焊接方式，用于基床防水或冻害 整治时，宜采用粘接或焊接方式。搭接宽度不得小于 30cm；采用粘接或焊接时， 接缝宽度不应小于10cm,且连接处的各项技术指标不应低于设计要求，且不得 渗水；采用搭接方式时，搭接宽度不应小于 30cmo 土工膜、复合土工膜、排水 板等纵向连接时，如线路有纵坡，应使高端压在低端上；当线路为平坡时，可将 新铺的一端垫在相邻已铺好的一端之下。土工格栅一般采用搭接或缝接的方式，搭接宽度不得小于30cm,采用缝接法时，缝接纯应采用不小于4mm粗的尼龙纯或聚乙烯纯，抗拉强度不小于
23、设计 要求。聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯间应连接牢固，接缝应密室。土工格室二单件间应使用特制连接件连接牢固，连接强度不得低于设计值。（3）恢复轨道恢复轨道，捣固整理后，恢复完整，以保证列车安全运行。4.5.7 土工合成材料加固法的质量检测（1） 土工合成材料质量控制土工合成材料质量检测的控制程序为：选材一订货一到货检验一取样送检一试验报告鉴定一通知使用。具体程序如下：选材一一根据设计要求的材质性能指标， 在国家主管部门批准的定点生产厂 家中招标择优选取。订货一一由建设单位(或施工单位)与厂家签定供货合同，施工单位根据施 工进度提出订货计划，厂家按计划要求供货。到货检验一一材料运至施工现场后，由施工
24、单位对材料类别、规格、型号、 数量进行验收，并对产品合格证、出厂检验单、质量保证书等进行核定。现场材 料应有标志牌，并应注明商标、产品名称、代号、等级、规格、执行标准、生产 厂家、生产日期、毛重、净重等。取样送检一一材料到货检验后，由施工单位取样并送至国家认可的检测机构 进行检测并出具测试报告。试验报告鉴定一一检测结果合格。通知使用一一材料取样检验评定合格，批准同意使用后，通知施工单位组织 人员进行施工。（2） 土工合成材料施工质量控制铺设的土工合成材料和砂垫层上下底面高程误差、纵横向及平整度，应满足 设计要求。施工质量应符合表4.5.1的要求。表4.5.1路基基床加固中土工合成材料施工质量要求序号项目允许偏差检验数量检查方法1下承层平整拱度符合设计要求每100m或每作业段检查3处尺量2材料搭接宽度5.0cm每100m检查3处尺量3横向铺设宽度每边+ 5cm每100m检查3处尺量4砂垫层厚度+ 2cm每100m垫层长检查3处尺量5土工膜、复合土工膜粘接 或焊接处的抗渗性不允许渗漏每100m或每作业段检查3处尺量
