《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《路基工程建养维全过程 “水控制”关键技术研发及应用》
1项目名称:路基工程建养维全过程“水控制冶关键技术研发及应用
2完成单位:中国民航大学、天津大学、河北工业大学、中国铁路设计集团有限公司、民航机场规划设计研究总院有限公司
3主要完成人:霍海峰、雷华阳、肖成志、戴轩、张文振、雷晓雨、马新岩、冯兴
(一)项目背景
土体工程特性与土中水分息息相关,水的存在较大程度影响着土体的强度、变形和水力指标的发展,一定程度上讲,路基工程即是对土中“水冶控制的过程。然而,路基工程建设发展至今,很多“水控制冶问题并未得到有效解决。
主要表现在:
(1)真空预压法是目前处理软土地基的常用手段,由于软土细粒含量高、渗透性差,随着水分的迁移,黏土颗粒聚集于排水板附近形成淤堵泥层。
(2)水分进入路基后难以排出,主要是因为排水中后期,路基中土体为非饱和土,其土中水产生吸力。而水分必须从高压往低压排,故工程上常用的碎石排水层和土工排水板在中后期水分排出困难。
(3)雨水冲刷机理不明确,防冲刷稳定性评价方法缺失,造成边坡防冲刷加固技术缺乏理论基础。
(二)技术概括
项目结合工程实际,针对道路工程中地基、路基和边坡与“水冶相关的主要工程问题做研究,
包括:(1)软基加固中后期排水效率低下;(2)进入路基的水分难以排出,软化土体或产生冻胀;(3)雨水冲蚀路基边坡,其冲刷机制和评价标准不明。采用室内试验与现场应用相结合、理论推导与数值模拟相结合、工程应用与长期监测相结合等技术手段,对提高软土地基固结效率技术、主动排出路基非饱和土中水分技术以及防治边坡冲刷技术进行了系统深入的研究。
(三)适用范围
项目研究成果可推广到一般地区公路、铁路、机场和市政道路等相关领域。
(四)获奖情况
中国交通运输协会科学技术进步奖三等奖。
主要技术创新点如下:
1软土地基加速固结技术
研发注气增压式真空预压技术,通过增大土体与排水板的压力差,促进水分迁移,在有限工期内大幅提高固结度,实现快速固结的目的。研发交替式真空预压技术,通过间歇改变土体内部水分和细颗粒的运移方向,避免由于细颗粒短时间内集聚,而在排水板附近形成淤堵泥层的现象,提高真空预压对地基土的处理效果。研发化学真空预压联合固结技术,通过有效的化学改性,增强土体渗透性,加快土体固结速率。
2路基内部主动排水技术
研发一种高吸力土工布,其由异形纤维编制而成,此纤维具有强吸力可吸附土基中的水分;将土工布置于路基中,两端搭出,搭出的水分通过蒸发作用排出;两端水分减少后中部纤维内的水分补充;中部纤维水分减少后又继续吸附土基中的水分,如此不断循环实现水分的主动排出。
3路基边坡防冲刷技术
采用坡面糙率和拦淤栅模型分别反映三维网垫和坡面植被拦截作用,计算网垫和坡面植被引起的坡面沿程水头损失,建立三维网垫植草护坡时坡面径流速度的计算表达式。建立黏聚力与网垫类型、根系密度和坡面深度的计算表达式,进而提出了最优护坡组合。
(一)软土地基加速固结技术
针对传统真空预压法存在耗能大、排水板淤堵和处理周期长等问题,研发注气增压式真空预压法、交替式真空预压法和化学-真空预压联合法技术,实现软土地基的高效、节能、安全的固结。
1注气增压式真空预压技术
通过增大土体与排水板的压力差,加速排水固结,实现有限工期内大幅提高土体固结度的目的。
技术方案及原理:采用排水板间打设增压管路的方式,间隔固定时间从增压管通入稳定气流,增大土体与排水板间的压力差,实现自由水在较
大压力差下的定向流动,达到有限工期内大幅度提高固结度及增加沉降量的目的。增压过程不仅增大膜内外压力差,且对排水板上的细颗粒产生强迫冲刷作用,显著提高排水效果。
2交替式真空预压技术
采用交替使用真空管道的方式,改变土体内部细颗粒的运移方向,延缓真空预压过程中土颗粒短时间内集聚,避免排水板附近形成淤堵泥层,揭示土颗粒和水分迁移规律,提高真空预压处理效果。
技术方案及原理:针对深浅层交替式真空预压法,采用长短排水板间隔布置,将长排水板与短排水板间歇分别施加真空荷载,形成反向压力差,造成土颗粒双向运移,预防淤堵泥层形成。
3化学-真空预压联合技术
开展化学-真空预压联合加固技术研究,通过化学改性,增强土体渗透性,提高加固效果。技术方案及原理:利用化学固化剂法和真空预压法各自的优点,提前将化学试剂与土体搅拌,二者将发生一系列物理化学反应,可增大土体内部孔隙,改善原有土体的渗透性,相同压力差下加速土体固结。
(二)路基内部主动排水技术
1雨水入渗主动排水技术
利用高吸力土工布吸附路基中水分,通过两侧搭出的土工布蒸发作用,实现水分从路基-土工布-环境的单向迁移,实现主动排水效果。技术方案及原理:研发了具有异形截面的高吸力纤维,较大的比表面积可产生强比表面能,具有强吸湿性;四个“枝干冶两两间构成半封闭毛细通道,便于水分的迁移。将纤维组成长丝,并进一步编织成土工布,将土工布平铺于路基中,两端露出。纤维的强吸力可吸附土基中的水分;两端土工布中的水分通过蒸发作用排出,致使端部土工布的含水率下降;而对于多孔介质,含水率与吸力成反比,纤维端部含水率变小会造成吸力增大,从而吸附中部纤维的水分向两端迁移;中部纤维水分减少后又继续吸附土基中的水分,如此不断循环实现水分的主动排出。
2冻土区防冻胀技术
寒区建设的道路常发生冻胀、翻浆现象,在新建道路中提前铺设土工布,在既有道路后期插入排水棒,切断水分和水汽上升路径,达到减缓冻胀量的效果。
技术方案及原理:当地下水位上升或者上层路基冻胀时,地下水在毛细作用下会向上迁移进入路基,并引发各种病害。将土工布置于路基底部可切断水分或水汽的上升路径,毛细水或水汽沿着土工布横向排出路基,大幅降低水分上升的概率,从而减缓路基的冻胀效应。
(三)路基边坡防冲刷技术
(1)三维土工网垫喷播植草防护坡坡面防冲
刷机理分析:利用三维土工网垫喷播植草加固路基边坡,通过室内试验和理论推导,揭示边坡防冲刷机理。
技术方案及原理:结合水力学和河流动力学相关原理,利用护坡面糙率反映坡面上三维网垫的作用,计算网垫引起的坡面沿程水头损失;通过引入拦淤栅来模拟坡面植被对坡面径流的影响,建立坡面植被引起的径流局部水头损失;综合两部分计算结果,建立三维网垫喷播植草护坡时坡面径流速度的计算表达式。
(2)三维土工网垫喷播植草防护坡坡面防冲刷稳定性评价。
技术方案及原理:分析坡面深度、网垫、草籽植株密度及土质变化对坡面黏聚力的影响,建立黏聚力与网垫类型、根系密度和坡面深度的计算表达式。结合护坡体浅层土体力学性能进行仿真计算,建立降雨渗流情况下采用三维网垫植草护坡的路基和路堑边坡的有限元模型。
成果已成功应用于天津、广东等沿海地区多项软土地基加固工程,既保证了地基加固效果,又显著缩短了工期,降低了工程造价,同时提升了环保性能,社会及环境效益明显。
成果被广泛用于河北省高速公路边坡和天津市环城高速公路设计中,施工效率高,边坡防护效果好,其成本控制降低了1/3,取得了较好的经济和社会效益,应用前景广阔。
课题研究成果解决了路基工程建设运营过程中与“水冶相关的关键技术问题,为实体工程提供了系统、可靠的技术支撑。
(一)完善“水控制冶技术,提升行业技术水平研发了软土地基加速固结技术,有效解决了软土地基加固技术难题。研发了路基主动排水技术,实现了非饱和土路基的水分排出。研发了三维土工网垫喷播植草防护坡坡面防冲刷技术,提出三维土工网垫植草护坡防护设计。相关技术可在铁路、公路建设运营过程中产生潜在的安全效益。
(二)服务道路建设领域,提供技术支撑项目成果应用在东北地区公路改扩建工程、东南沿海软土地基加固、石家庄太行山区边坡加固项目等,技术的应用推动了冻土地区、多雨地区、软土地区以及山区道路建设。
