土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用？

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》,本研究项目计划于2001年8月开始。宁夏古王公路延兴公路工程建设指挥部与北京工业大学于2002年7月签订了合作研究合同。实际上实际的研究工作是从2001年7月开始的。

2006年7月5438+0至同年6月10，谷王高速公路试验段设计铺设土工格栅。2003年8月16~20日和2003年9月19~ 23日，在宁夏黄土地区进行了公路病害调查，并在典型路段取样分析黄土的物理力学性质。土工合成材料的性能与应用研究始于2001年6月，历时近两年。我们走访了河北沧州苏东集团华通工程材料公司、银川高速公路、宁夏交通厅银谷高速公路指挥部、泰安永嘉土工合成材料厂、青岛钟毅格栅有限公司等土工合成材料生产厂家、设计和施工单位及现场。2003年3月，课题组对银古路和中昊路进行了调研，并制定了试验方案。4月，实施检测计划，同时现场取土样进行检测。2003年7月，对银古辅路进行了调查，并制定了测试计划。同年8月，实施试验计划，委托现场取样。同时，课题组成员进驻试验段施工现场，并于11年底项目完成后撤出。其间，主要工作是现场指导和监督土工膜和土工格栅的施工；埋设压力箱和沉降板；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，完成了加筋路堤和路面裂缝的数值分析计算。项目研究报告初稿于2004年5月完成。

2003年6月5日至2月，交通部在Xi安对该研究项目进行了中期验收。

2004年4月，测试部分增加了挠度测量。目前，试验段正在进行长期定期观测。

2004年5月，研究小组完成了研究报告的初稿。

2004年8月，宁夏回族自治区交通厅组织专家对研究报告初稿和课题进行了内部评审，宁夏交通厅和设计院的专家对课题的研究和报告进行了评议。在此基础上，课题组进行了较大修改，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，并根据《西部交通建设科技项目验收要求》准备了相关材料。

2004年8月，宁夏回族自治区交通厅组织专家对研究报告初稿和课题进行了内部评审，宁夏交通厅和设计院的专家对课题的研究和报告进行了评议。在此基础上，课题组进行了较大修改，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，并根据《西部交通建设科技项目验收要求》准备了相关材料。

二、研究目标

1，项目总体目标

经过2001年8月的专家评审，项目可行性研究报告中最初制定的总体研究目标修改如下:

(1)利用土工合成材料提高黄土地区高路堤和深路堑的整体稳定性；

⑵用土工合成材料防治黄土地区公路路面裂缝；

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的应用特点，研究和选择了适宜的土工合成材料类型。

2.主要技术经济指标

(1)通过对黄土地区旧路的调查和分析，确定黄土地区公路病害的成因，确定采用土工合成材料治理和预防黄土地区公路病害的方法，达到技术上可行、经济上合理的目标；

(2)调查了解黄河中游黄土地区使用土工合成材料的情况和经验，确定技术经济指标；

⑶根据调查、试验、观测和分析结果，得出了黄土地区适宜的土工合成材料类型；

⑷确定黄土地区高路堤、高边坡应用土工合成材料的合理水平。

三、项目研究的目的和意义

黄土是一种颗粒分布均匀、孔隙多、天然含水量小、颜色偏黄、含大量碳酸盐的土壤。具有渗透性、湿陷性、易崩解的特点，在外荷载和自重作用下，遇水浸泡后易塌陷变形。

中国黄土分布面积约64万平方公里，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、河北等省(区)。其中以关中、陕北、宁夏、豫西、甘肃东部以及黄河中游、秦岭以北、长城以南、太行山以西、日月山以东的黄土高原最为典型。厚厚的黄土连续覆盖形成的地貌，世界罕见。

在我国西北地区，作为带状工程的公路大多位于不同时代、不同成因、不同地貌单元的黄土地区。然而，黄土地区在降雨、水土流失、沟谷陡坡的作用下，滑坡、崩塌、滑塌、泥石流等地质灾害频发，给公路路基造成了严重的病害和破坏，带来了巨大的经济损失。同时，由于经济技术条件的限制，公路工程不可避免地需要在纵横沟壑、谷坡陡峭的地貌背景下进行大量的开挖或填筑，形成黄土高路堤、深路堑。此外，公路路基和边坡大面积暴露于野外，长期受到自然因素的强烈侵蚀。在不利的水文条件下，物理力学性质经常发生变化。受黄土本身特殊的工程特性(孔隙性、湿陷性、渗透性、收缩性、各向异性抗剪强度等)的影响。)和黄土地区特殊的气候特点，公路在各种自然力特别是雨水冲刷作用下，容易引发和加剧路基、边坡的水损害病害，造成路基、路面不均匀沉降、沉陷、开裂，影响公路的正常使用。

黄土地区的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。借鉴国内外先进经验，利用土工合成材料抗拉强度高、弹性模量大、熔点高等优良力学性能，是防治公路病害的有效途径之一。目前，虽然土工合成材料已广泛应用于新建和改建公路，但在加筋、排水和防渗方面的理论和实践都取得了很大进展。但需要注意的是，黄土地区土工合成材料的理论研究几乎是空白，以往的实践经验有待进一步总结。

虽然土工合成材料在西部黄土地区得到了应用，并取得了一定的经济和技术效益，但也有很多失败的教训，如西部某省某加筋高路堤的失败，至今没有很好的总结，导致先进技术没有得到进一步推广。由于缺乏总结和完善，理论远远落后于实践，设计存在盲目性。因此，对土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用进行系统的理论研究，将对提高我国西部交通工程技术人员的设计、施工和管理水平起到指导作用。

宁夏黄土分布广泛，因路基塌陷、边坡坍塌等引发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，对预防黄土地区公路病害，提高公路建设质量具有重要的现实意义。本课题就是在这种背景下提出的。

四、主要研究内容和实施方案

1.项目的主要研究内容

本项目主要开展了以下研究工作:

(1)黄土地区公路病害及其成因研究；

(2)土工合成材料及其道路适用性；

⑶应用土工合成材料防治路基病害的研究；

⑷土工合成材料在路面病害防治中的应用研究；

(5)土工合成材料在公路边坡和排水结构病害防治中的应用研究；

[6]经济、社会和环境效益分析及推广应用前景。

2.采用的研究方案和技术路线。

这个项目涉及面广，内容多。根据研究内容和目标，本项目分为五个子课题。各分题在内容和进度上相互关联，相互依存。具体实施方案和技术路线如下:

(1)黄土地区公路病害及其成因研究。

对选取的宁夏境内公路进行调查，主要收集公路设计和施工的基础资料，运营后的各种病害，以及沿线的工程地质条件、水文地质条件、气候条件等。分别建立不同线路的疾病数据库，通过整理分析总结出疾病的类型和病因，为进一步治疗疾病奠定基础。

(2)土工合成材料及其道路适用性。

广泛收集了国内外土工合成材料的研究成果、工程实例和生产厂家现状，总结了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，提出了应用土工合成材料处治病害的方法、应用机理、材料选择和选用原则。

⑶应用土工合成材料防治路基病害的研究。

通过试验和现场调查，掌握了试验段黄土的物理、力学和水力特性，并采用理论方法和极限平衡理论对加筋路堤的变形、破坏和稳定性进行了分析。在此基础上，提出了加筋路堤的加固方案，并对加筋材料进行了选择和实施。同时，制定详细的现场试验方案，系统观测加固前后试验段的变形演化和应力分布，以评价加固效果，了解加固机理，为改进设计和防治路基病害提供依据。

通过对试验段的系统研究，充分认识了加筋体的变形和性状，提出了加筋高路堤的设计方法和施工工艺。

⑷应用土工合成材料防治路面病害的研究。

对黄土地区典型的路面病害进行了详细调查并建立了数据库，总结了路面病害的类型和成因。通过数值分析研究了沥青路面温度收缩裂缝的发生、发展过程和规律。同时进行室内试验，考察不同土工合成材料对路面的加筋效果，筛选出效果明显、经济技术合理的土工合成材料。在现场进行试验，评价其防止裂缝、车辙和路面变形的效果，进而提出路面补强的设计方法和施工工艺。

5.土工合成材料在公路边坡和排水结构病害防治中的应用研究。

在野外调查和室内试验的基础上，揭示了黄土水毁机理及其对黄土地区公路水毁的影响，提出了公路边坡防护和排水结构病害防治的方法。

3.依托项目

本研究的配套项目为银(川)-古(瑶子)-王(全良)高速公路、中(宁)-好(集集)高速公路、盐兴二级公路、国道109、黑(成)-海(元)二级公路、惠(安保)-预公路。由于实际施工计划和工程进度的变化，只对银古路和中豪路进行了测试和研究。

4.研究进展和实现的目标

根据宁夏古王公路延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》，本研究项目计划于2001年8月开始。宁夏古王公路延兴公路工程建设指挥部与北京工业大学于2002年7月签订了合作研究合同。实际研究工作开始于2001年7月。

⑴土工合成材料防治路面病害的现场试验研究。

同年7月2001至6月20010，谷王高速公路试验段铺设土工格栅路面。在4个月的铺设过程中，课题组成员分别于2001年7月初、7月下旬、8月初、8月下旬、9月初、9月下旬、6月下旬7次到施工现场指导施工，解决铺设中的问题。

试验段完成后，定期对试验段的路面外观、裂缝桩号、裂缝总数、裂缝总长度、裂缝宽度、裂缝变化规律、路面弯沉等指标进行5次观测分析，时间进度见表1。

2003年7月至同年9月，在银古高速公路试验段铺设土工织物。2003年6月5438-10月，课题组联系长安大学进行对比实验。并开始定期观测分析试验路段的路面外观、裂缝桩号、裂缝总数、裂缝总长度、裂缝宽度、裂缝变化规律等指标。时间表如表2所示。

⑵黄土地区公路病害调查研究

2003年8月20日16~ 20日和2003年9月19~ 23日，课题组对宁夏黄土地区的公路病害进行了两次实地调查，并对典型路段的黄土取样分析其物理力学性质。

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和一、二、三级公路采用现场调查、室内数据分析和工程相关人员讨论的方式。主要了解黄土的分布；黄土地区公路的主要病害、破坏程度和范围；影响黄土地区公路病害的主要因素。为分析公路病害的类型和成因，以及土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用提供了科学依据。

调查路线为银(川)-古(瑶)-王(全良)高速公路、瑶(阜)-叶(盛)-中(宁)-好(集)高速公路、国道109、省道202邢(仁)-海(元)、海(元)。

⑶土工合成材料的性能和应用研究与调查。

对此内容进行了三次集中调查。

①调查时间:2001年10月。

调查地点:银川地区高速公路和宁夏交通厅银古高速公路指挥部。

调查内容:土工合成材料在宁夏高速公路中的应用，包括材料的种类、性能指标、工程使用和施工。

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

②调查时间:2002年8月

考察地点:河北沧州苏东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，如三维土工布垫、土工膜、土工格栅等产品，广泛应用于宁夏公路。为此，考察了该厂产品的主要技术指标，如抗拉强度、弹性模量和蠕变性能。

调查目的:深入研究土工合成材料的性能，进一步为宁夏公路病害防治选材提供依据，为试验路段设计方案和路面数值计算提供可靠参数。

③调查时间:2003年7月。

调查地点:泰安永嘉土工合成材料厂和青岛钟毅格栅有限公司

考察内容:考察土工织物在公路软基中的应用，了解相应的技术指标。考察玻璃纤维格栅的抗拉强度高、长期蠕变、与沥青混合料的相容性、与集料的互锁性等特性。

调查目的:了解该厂产品的性能特点，获取相关性能指标，研究适合宁夏黄土地区的路基加固和反射裂缝防治方案。

⑷土工合成材料防治路基、边坡和排水结构病害的现场试验研究。

2003年3月，课题组开始接触现场路基试验和黄土特性试验，并对银古路和中豪路进行了调查，制定了试验方案。2003年4月，银古路和中豪路的试验方案开始实施，同时现场取土样进行试验。

2003年7月，对银古辅路进行了调查，并制定了试验方案。8月，实施了测试方案，并委托进行了现场取样。同时，课题组成员进驻试验段施工现场，并于11年底项目完成后撤出。其间的主要工作是指导和监督土工膜和土工格栅的施工；埋设压力箱和沉降板；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，测量了试验段的挠度。目前，试验段处于长期定期观测阶段。

5.室内实验研究

①黄土物理性质试验。

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

②黄土的力学性质试验

包括压缩性能试验、强度试验、击实试验等。

③黄土的水力特性试验

包括入渗试验、湿陷性试验、黄土变形与浸泡时间的关系、含水量与饱和度试验等。

④土工合成材料的路用性能试验。

分别在添加玻璃纤维格栅和不添加聚酯长丝烧毛土工布三种情况下，对沥青混合料的抗压、低温和疲劳性能进行试验，以考察铺设不同位置的格栅和不同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、单轴压缩实验和疲劳实验。

[6]土工合成材料防治黄土路基病害的理论研究和数值分析。

本工作主要研究黄土地区土工合成材料(以下简称加筋)路堤的加筋机理和效果。通过数值模拟和分析，得到了加筋路堤的应力分布、沉降和变形情况。同时，还研究了不同路堤高度的加筋效果以及加筋对沥青路面低温开裂的抑制作用。

五、主要研究成果和关键技术突破。

1，主要研究成果

基于上述研究目标，系统的研究工作取得了以下主要成果:

(1)黄土地区公路病害及其成因

通过大量的现场调查和广泛的资料收集，证明了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造成路基破坏的主要因素，而黄土的湿陷性和水(地表水和地下水)的潜在侵蚀造成路基塌陷，对公路危害极大。

总结了黄土公路病害的主要类型，即路面损坏、路基损坏和路堤路堑边坡损坏。路基沉陷、强度不足或沉降过大、温度变化等原因造成路面开裂、车辙、路面变形。由于设计、施工不当，养护不及时，黄土路基会下沉，路基沉降，甚至路面纵向开裂，破坏公路结构。强烈的侵蚀、剥蚀和不适当的防排水设置会造成边坡滑移、路堤局部滑坡、整体滑坡和土桥病害。雨水的强烈冲刷作用使路堤边坡表面黄土坍塌，灌浆片石局部下沉，导致桥台护坡体失稳坍塌，涵洞破坏。

(2)土工合成材料及其适用性

广泛收集国内外资料，研究土工合成材料的种类和性能，提出土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用机理和选材原则，并根据黄土地区公路病害的特点和成因，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

在试验段，对路基病害防治进行了详细的研究。基于试验段黄土的详细室内试验，提出了基于有限元分析的黄土路堤土工格栅加筋方案和现场观测技术，并进行了包括变形、沉降和土压力在内的详细现场监测。掌握了加筋黄土路堤的变形特征和内应力分布特征以及格栅的加筋机理。在此基础上，对加筋高路堤进行了理论分析，提出了加筋高路堤的设计方法、适用范围、观测技术、施工工艺及应注意的问题。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，结合三七灰土的结构，可以提高地基承载力，防止地表水下渗，从而有效避免沉降和塌陷的发生。土工格栅用于加固旧路加宽填方路段，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

对黄土地区的路面病害进行了详细调查，总结了路面病害的类型和成因。用有限元法分析了有无玻璃纤维格栅沥青路面温度收缩裂缝的发生、发展过程和规律。同时，通过室内试验，考察了添加玻璃纤维格栅和不添加聚酯长丝烧毛土工布三种情况下沥青混合料的抗压、低温和疲劳性能，证明添加玻璃纤维格栅效果明显。现场进行了大规模试验，有效抑制了裂缝、车辙和路面变形。提出了玻璃纤维格栅和长丝烧毛土工布在路面工程中的铺设原理、设计方法和施工工艺。

⑸土工合成材料防治公路边坡和排水结构病害的应用技术。

在野外调查和室内试验的基础上，掌握了黄土的破坏机理及其对黄土地区公路破坏的影响，提出了排水构筑物的护坡和病害防治方法。

土工格室和三维土工布的结合，既能保护路基边坡表面不受雨水侵蚀，减缓温差和温度变化的影响，又能防止边坡失稳，保护路基边坡的整体稳定性，兼顾路基美化和协调自然环境的效果。

研究发现，地表水局部渗漏引起的塌陷破坏是黄土地区公路排水构筑物进出口处破坏的主要原因。因此，防止公路排水结构破坏的关键是防水。实践证明，在易引起地表水入渗和侵蚀的部位铺设防水土工材料，必要时用三七灰土处理构筑物基础，可取得良好的防治效果。

2.关键技术

基于上述研究目标，开展了系统的研究工作，取得了以下主要研究成果和关键技术:

(1)黄土地区公路病害及其成因

黄土的湿陷性和水(地表水和地下水)的潜在侵蚀和冲刷是黄土公路破坏的主要原因。黄土公路病害的主要类型有路基沉陷、强度不足或沉降过大、温度变化引起的路面开裂、车辙和路面变形。由于设计、施工不当，养护不及时，黄土路基下沉，路基沉降，甚至路面纵向开裂，公路结构遭到破坏；强烈的侵蚀、剥蚀和防排水不当造成边坡滑移、路堤局部滑坡和整体滑坡、土桥病害等。由于雨水的强烈冲刷作用，路堤边坡表面黄土坍塌，灌浆片石局部下沉，导致桥台护坡体失稳坍塌，涵洞破坏。

⑵土工合成材料的性能及应用研究。

提出了土工合成材料在黄土公路工程中的应用机理和选材原则。根据黄土公路的病害特点和成因，提出了选择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筋技术；

②高路堤加固设计方法；

③黄土加固机理的数值分析方法；

④黄土路基加固设计与施工技术；

⑤黄土公路沉降塌陷防治技术；

⑥采用土工格栅加筋技术控制旧路加宽填方段新老路基的差异沉降。

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