PAGE24交通編號：單位編號：分類號：西部交通建設科技項目交通編號：單位編號：分類號：合同號：密級：無土工合成材料在黃土地區(qū)公路工程中的應用技術研究研究報告簡本寧夏××公路工程建設指揮部2005年1月一、項目概況根據(jù)寧夏××公路工程建設指揮部與交通部簽訂的《西部交通建設科研項目合同書》，本項研究計劃于2001年8月開始。寧夏古王公路鹽興公路工程建設指揮部與北京工業(yè)大學的合作研究合同于2002年7月簽訂。事實上，實際的研究工作始于2001年7月。古王高速公路試驗路段于2001年7月至同年10月進行土工玻纖格柵在路面的設計與鋪設。2003年8月16~20日和2003年9月19~23日，開展寧夏黃土地區(qū)公路病害調查，并對典型地段黃土取樣，用于分析黃土的物理力學性質。2001年10月開始土工合成材料的性能及應用研究調研，歷時近兩年，先后走訪了河北滄州東塑集團華通工程材料公司、銀川地區(qū)各高速公路、寧夏交通廳銀－古高速公路指揮部、泰安永佳土工合成材料廠、青島頤中格柵股份有限公司等土工材料生產(chǎn)廠家及設計、施工單位和現(xiàn)場。2003年3月課題組對銀古路、中郝路進行調研并制定試驗方案，4月試驗方案開始實施，同時，現(xiàn)場取土樣進行試驗。2003年7月，對銀古輔道開展調研并制定試驗方案，同年8月試驗方案實施并現(xiàn)場取樣委托試驗，同時，課題組成員進駐試驗路段工地，至11月底工程完工后撤回。其間的主要工作為，對土工膜和土工格柵的施工進行現(xiàn)場指導和監(jiān)督；埋設壓力盒、沉降板；建立觀測控制網(wǎng)并進行監(jiān)測（包括沉降觀測、應力應變觀測、側向位移觀測等）；補充土工試驗等。2004年4月，完成加筋路堤、路面裂縫方面的數(shù)值分析和計算。2004年5月完成了項目研究報告的初稿。2003年12月，交通部在西安對研究項目進行中期驗收。2004年4月，對試驗路段補充了彎沉測量。目前該試驗路段正在進行長期定時觀測。2004年5月，課題組完成研究報告初稿。2004年8月，由寧夏回族自治區(qū)交通廳組織區(qū)內(nèi)專家對研究報告初稿及課題進行了內(nèi)部評審，來自寧夏交通廳和設計院的專家對課題的研究及報告提出了評審意見。課題組在此基礎上，進行了較大幅度的修改，并根據(jù)專家意見，增加了部分研究內(nèi)容，加強了部分內(nèi)容的總結，并按“西部交通建設科技項目驗收要求”，準備了有關的材料。項目研究歷時三年多，聯(lián)合課題組先后組織了20多人，分5個專題，開展了系統(tǒng)的研究，取得了一系列成果，為系統(tǒng)解決黃土地區(qū)公路病害提供了可行的技術方法，培養(yǎng)了多名公路建設人才，完成了預期的研究目標。二、研究目標1、項目總體目標經(jīng)2001年8月審查會專家評審，項目可行性研究報告中原制訂的總體研究目標修訂為：⑴利用土工合成材料提高黃土地區(qū)高路堤、深路塹的整體穩(wěn)定性；⑵利用土工合成材料預防黃土地區(qū)公路的路面裂縫；⑶利用土工合成材料防治黃土地區(qū)公路地下水侵蝕；⑷根據(jù)黃土地區(qū)公路工程應用特點，研究選用適合的土工合成材料的類型。2、主要技術經(jīng)濟指標⑴通過對黃土地區(qū)的舊路進行調查分析，確認黃土地區(qū)產(chǎn)生公路病害的原因，確定利用土工合成材料治理及預防黃土地區(qū)公路病害的方法，實現(xiàn)技術上可行，經(jīng)濟上合理的目標；⑵調查、了解黃河中游黃土地區(qū)利用土工合成材料的情況及經(jīng)驗，確定技術經(jīng)濟指標；⑶根據(jù)調查、試驗、觀測和分析結果，得出在黃土地區(qū)選用土工合成材料的合適類型；⑷確定土工合成材料在黃土地區(qū)高路堤、高邊坡應用的合理層次。三、項目研究目的及意義黃土是一種顆粒級配均勻、多孔隙、天然含水量小、呈黃色、含有大量碳酸鹽的土，具有滲透性、濕陷性、易崩解等特性，在外荷載和自重作用下受水浸濕后容易濕陷變形。我國的黃土分布面積約64萬km2，占國土總面積的6.6％以上。主要分布在甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和河北等?。▍^(qū)）。其中以秦嶺以北、長城以南、太行山以西、日月山以東的黃河中游地區(qū)的關中、陜北、寧夏、豫西、隴東及隴中的黃土高原最為典型。厚層黃土連續(xù)覆蓋所形成的地貌景象，世所罕見。在西北地區(qū)，作為帶狀工程的公路大部分都處于不同時代、不同成因和不同地貌單元的黃土區(qū)。而黃土區(qū)在降雨作用下，土壤侵蝕，黃土沖溝及河谷區(qū)谷坡陡峻，滑坡、崩塌、滑塌、泥流等地質災害頻繁發(fā)生，對公路路基造成了嚴重的病害和毀壞，帶來了巨大的經(jīng)濟損失。同時，公路工程在溝壑縱橫、谷坡陡峻的地貌背景下，由于經(jīng)濟和技術條件的限制，不可避免地要進行大量的開挖或填筑，形成黃土高路堤、深路塹。另外，公路路基和邊坡大面積地暴露于野外，長期受自然因素的強烈侵蝕作用，在不利的水文條件下，物理力學性質經(jīng)常發(fā)生變化。公路由于受黃土本身特殊的工程特性（多孔隙、濕陷、滲水、收縮、抗剪強度各向異性等）和黃土地區(qū)特殊的氣候特征的影響，在各種自然營力，尤其是雨水侵蝕作用下，極易引發(fā)和加劇路基及邊坡的水毀病害，引起公路路基、路面產(chǎn)生不均勻沉降、沉陷和開裂，影響公路的正常使用。黃土地區(qū)公路病害嚴重影響了公路的使用功能，甚至導致公路結構的破壞。借鑒國內(nèi)外的先進經(jīng)驗，利用土工合成材料所具有的抗拉強度高、彈性模量大、熔點高等優(yōu)良的力學性能，防治公路病害是行之有效的途徑之一。目前，在新建、改建公路中，雖然土工合成材料已得到比較廣泛的應用，加筋補強、排水防滲等方面在理論和實踐中都取得了很大進展。但應該看到的是對于黃土地區(qū)土工合成材料的理論方面的研究幾乎是空白，過去的實踐經(jīng)驗也有待進一步總結。土工合成材料在西部黃土地區(qū)雖有應用，并取得一定的經(jīng)濟和技術效益，但也有不少失敗的教訓，如西部某省的一處加筋高路堤坍塌后，一直沒有很好總結原因，致使這一先進技術沒有得到進一步的推廣。由于缺乏總結和提高，理論遠落后實踐，設計上存在盲目性。因此，系統(tǒng)開展土工合成材料在黃土地區(qū)公路工程中應用的理論研究，對于提高西部地區(qū)交通工程技術人員的設計、施工和管理水平具有指導作用。寧夏地區(qū)黃土分布廣泛，因路基濕陷、邊坡滑坍等引起的公路病害時有發(fā)生。結合寧夏黃土地區(qū)公路工程建設，開展土工合成材料在黃土地區(qū)公路工程中的應用研究，形成綜合防治技術，對防止黃土地區(qū)公路病害、提高黃土地區(qū)公路修筑質量，具有重要的現(xiàn)實意義。本課題正是在這種背景下提出的。四、主要研究內(nèi)容及實施方案1.項目的主要研究內(nèi)容本項目主要開展了以下幾個方面的研究工作：⑴黃土地區(qū)公路病害及其成因研究；⑵土工合成材料及其路用適宜性；⑶土工合成材料防治路基病害的應用研究；⑷土工合成材料防治路面病害的應用研究；⑸土工合成材料防治公路邊坡及排水構造物病害的應用研究；⑹經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益及推廣應用前景分析。2.采用的研究方案、技術路線本項目涉及面廣、內(nèi)容多，根據(jù)研究內(nèi)容和研究目標，將本項目分解為五個子課題。各子課題在內(nèi)容和進度上相互關聯(lián)和依托，具體實施方案和技術路線如下：⑴黃土地區(qū)公路病害及其成因研究對選定的寧夏境內(nèi)業(yè)已建成的公路開展調查，主要收集公路設計、施工的基本情況和運營后出現(xiàn)的各種病害，以及沿線的工程地質條件、水文地質條件和氣候情況。分別建立不同線路的病害數(shù)據(jù)庫，通過整理分析，總結出病害的類型和成因，為進一步對病害進行整治奠定基礎。⑵土工合成材料及其路用適宜性廣泛收集國內(nèi)外土工合成材料方面的研究成果、工程實例和生產(chǎn)廠家的現(xiàn)狀，總結土工合成材料在公路工程中的應用范圍和形式，根據(jù)黃土地區(qū)公路病害的類型和成因，提出利用土工合成材料治理病害的方法、應用機理、選材和選型原則。⑶土工合成材料防治路基病害的應用研究在試驗和現(xiàn)場調查的基礎上，掌握試驗路段黃土的物理、力學和水理特性，用理論方法和極限平衡理論分析加筋路堤的變形、破壞和穩(wěn)定性，在此基礎上，提出加筋路堤的加固方案，選擇加筋材料，并付諸實施。同時，制訂詳細的現(xiàn)場試驗方案，對加筋和未加筋的試驗路段的變形演化、應力分布等進行系統(tǒng)的觀測，以評價加固效果、認識加固機理，為改進設計和防治路基病害提供依據(jù)。通過對試驗路段的系統(tǒng)研究，充分認識加筋體的變形和性態(tài)，提出加筋高路堤的設計方法和施工工藝。⑷土工合成材料防治路面病害的應用研究詳細調查黃土地區(qū)典型路面病害并建立數(shù)據(jù)庫，總結出路面病害的類型和成因。用數(shù)值分析方法研究瀝青路面溫度收縮裂縫的發(fā)生、發(fā)展過程及其規(guī)律。同時開展室內(nèi)試驗，考察不同的土工合成材料對路面的加固效果，篩選出效果明顯、經(jīng)濟技術合理的土工合成材料。在現(xiàn)場開展試驗，評價防治裂縫、車轍和路面變形的效果，進而提出路面加固的設計方法和施工工藝。⑸土工合成材料防治公路邊坡及排水構造物病害的應用研究在野外調查和室內(nèi)試驗的基礎上，揭示黃土的浸水破壞機理及其對黃土地區(qū)公路破壞的影響，提出公路邊坡坡面防護和排水構筑物病害的防治方法。3.依托工程本項研究的依托工程為銀（川）—古（窯子）—王（圈梁）高速公路、中（寧）—郝（家集）高速公路、鹽興二級公路、國道109線、黑（城）—海（原）二級公路、惠（安堡）—預（旺）三級公路以及在建和即將開工建設的其它黃土地區(qū)公路。由于實際的施工計劃和工程進度發(fā)生變動，只在銀古路和中郝路進行了試驗研究。4.研究進度與達到的目標根據(jù)寧夏古王公路鹽興公路工程建設指揮部與交通部簽訂的《西部交通建設科研項目合同書》，本項研究計劃于2001年8月開始。寧夏古王公路鹽興公路工程建設指揮部與北京工業(yè)大學的合作研究合同于2002年7月簽訂。實際研究工作于2001年7月業(yè)已開始。⑴應用土工合成材料防治路面病害的現(xiàn)場試驗研究 古王高速公路試驗路段于2001年7月至同年10月進行土工格柵的路面鋪設。在鋪設的4個月期間，課題組成員分別于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次到施工現(xiàn)場，進行施工指導，解決鋪設中出現(xiàn)的問題。試驗路段完工后，定期對試驗段路面的外觀狀況、裂縫樁號、裂縫總道數(shù)、裂縫總長度、裂縫寬度、裂縫變化規(guī)律、路面彎沉等指標進行了觀測分析，共觀測5次，時間安排如表1所列。表1古王高速公路試驗路段第一組觀測時間安排觀測次數(shù)第1次觀測第2次觀測第3次觀測第4次觀測第5次觀測觀測時間02年1月底02年3月底02年7月底02年10月底04年3月底銀古高速公路試驗路段于2003年7月至同年9月進行土工布鋪設。2003年10月課題組到長安大學聯(lián)系作對比實驗事宜。并開始定期對試驗段路面的外觀狀況、裂縫樁號、裂縫總道數(shù)、裂縫總長度、裂縫寬度、裂縫變化規(guī)律等指標進行觀測分析，時間安排如表2所列。表2古王高速公路試驗路段第二組觀測時間安排觀測次數(shù)第1次觀測第2次觀測第3次觀測第4次觀測第5次觀測觀測時間04年1月底04年3月底04年7月底04年10月底05年3月底⑵黃土地區(qū)公路病害調查研究2003年8月16~20日和2003年9月19~23日，課題組先后兩次對寧夏黃土地區(qū)公路病害進行了現(xiàn)場調查，并對典型地段的黃土取樣，用于分析黃土的物理力學性質?，F(xiàn)場調查研究主要根據(jù)寧夏黃土地區(qū)公路建設的實際情況，對已建成通車的高速公路及一、二、三級公路，采取實地調查、室內(nèi)資料分析和工程相關人員座談討論的方法進行。主要了解黃土的分布狀況；黃土地區(qū)公路的主要病害、危害程度及其范圍等；影響黃土地區(qū)公路病害的主要因素。為公路病害類型和成因分析及土工合成材料在黃土地區(qū)公路工程中的應用研究提供科學依據(jù)。調查路線選擇銀（川）—古（窯子）—王（圈梁）高速公路、姚（伏）—葉（盛）—中（寧）—郝（家集）高速公路、國道109線、省道202線興（仁）—海（原）、海（原）—同（心）二級公路、黑（城）—海（原）二級公路、國道309線寧夏段（宜蘭二級公路）、省道203線以及該區(qū)其它有代表性的公路。⑶土工合成材料的性能及應用研究調查該項內(nèi)容進行了三次集中性調查。①調查時間：2001年10月調查地點：銀川地區(qū)各高速公路、寧夏交通廳銀－古高速公路指揮部。調查內(nèi)容：寧夏地區(qū)高速公路中土工合成材料的應用情況，包括材料的種類、性能指標、工程使用及施工情況等。調查目的：了解土工合成材料在寧夏高速公路防治公路病害的應用情況，以便進一步研究土工合成材料的性能并將土工合成材料應用于寧夏黃土地區(qū)的病害防治工程中，如防止路堤沉降、防止路基不均勻沉降、防治路面縱向開裂、防止排水設施濕陷破壞、防止邊坡破壞、防止瀝青路面反射裂縫等。②調查時間：2002年8月調查地點：河北滄州東塑集團華通工程材料公司。調查內(nèi)容：該廠生產(chǎn)的土工合成材料如三維土工網(wǎng)墊、土工膜、土工格柵等產(chǎn)品廣泛應用于寧夏公路，因此調查該廠產(chǎn)品的主要技術指標，如抗拉強度、彈性模量、蠕變性能等。調查目的：深入研究土工合成材料的性能，進一步提供防治寧夏公路病害的選材依據(jù)，并為試驗路段設計方案及路面數(shù)值計算提供可靠的參數(shù)。③調查時間：2003年7月調查地點：泰安永佳土工合成材料廠、青島頤中格柵股份有限公司。調查內(nèi)容：調查土工網(wǎng)在公路軟地基中的應用，了解相應技術指標。調查玻纖格柵的特點，如高抗拉強度、長期蠕變性、與瀝青混合料的相容性、與集料嵌鎖作用等。調查目的：了解該廠產(chǎn)品的性能特點，獲取有關性能指標，研究適合于寧夏黃土地區(qū)的路基加固和防止反射裂縫方案。⑷應用土工合成材料防治路基、邊坡及排水構造物病害的現(xiàn)場試驗研究2003年3月課題組開始聯(lián)系現(xiàn)場路基試驗和黃土特性試驗事宜，對銀古路、中郝路進行調研并制定試驗方案。2003年4月銀古路、中郝路試驗方案開始實施，同時，現(xiàn)場取土樣進行試驗。2003年7月，對銀古輔道開展調研并制定試驗方案。8月，試驗方案實施并現(xiàn)場取樣委托試驗，同時，課題組成員進駐試驗路段工地，至11月底工程完工后撤回。其間的主要工作為，對土工膜和土工格柵的施工進行指導和監(jiān)督；埋設壓力盒、沉降板；建立觀測控制網(wǎng)并進行監(jiān)測（包括沉降觀測、應力應變觀測、側向位移觀測等）；補充土工實驗等。2004年4月，對試驗路段進行了彎沉測量。目前該試驗路段正處于長期定時觀測階段。⑸室內(nèi)實驗研究①黃土物理性質實驗包括顆粒分析、天然含水量、天然密度、干密度、土粒比重、飽和度、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、天然孔隙比等。②黃土力學性質實驗包括壓縮性質實驗、強度實驗、擊實實驗等。③黃土水理性質實驗包括滲透實驗、濕陷實驗、黃土的變形量與浸水時間、含水量及飽和度的關系實驗等。④土工合成材料路用性能實驗分別對加鋪與不加鋪玻璃纖維格柵以及加鋪聚酯長絲燒毛土工布三種情況，進行瀝青混合料的壓縮、低溫及疲勞性能實驗，以考察格柵鋪設不同位置以及鋪設不同的土工合成材料對瀝青混合料各項指標的影響。主要內(nèi)容包括小梁彎曲實驗、劈裂實驗、單軸壓縮實驗、疲勞實驗等。⑹土工合成材料防治黃土路基病害的理論研究與數(shù)值分析本項工作主要是對黃土地區(qū)加鋪土工合成材料（以下簡稱加筋）路堤的加筋機理和效果等進行研究。通過數(shù)值模擬計算分析，得出加筋路堤的應力分布、沉降變形等變化規(guī)律。同時，對不同路堤高度的加筋效果，以及圍繞著低溫下加筋對瀝青路面開裂的抑制效果也進行了研究。三、主要研究成果及其所突破的關鍵技術簡介1、主要研究成果基于上述研究目標所進行的系統(tǒng)研究工作，取得了以下主要成果：⑴黃土地區(qū)公路病害及其成因通過大量的野外外調查和廣廣泛的資料料收集，證證實黃土特特殊的工程程特性導致致了黃土地地區(qū)公路病病害的產(chǎn)生生，其中黃黃土的濕陷陷性是引起起路基破壞壞的主要因因素，而黃黃土濕陷性性與水（地地表、地下下水）的潛潛蝕作用導導致的路基基濕陷，對對公路危害害極大?？偨Y出黃土公路路病害的主主要類型，即即：路面、路路基和路堤堤路塹邊坡坡的破壞。由由于路基陷陷穴、強度度不足或過過分沉降，以以及溫度變變化等造成成路面開裂裂、車轍和和路面變形形。由于設設計、施工工不當，養(yǎng)養(yǎng)護不及時時，將會引引起黃土路路基陷穴、路路基沉降，甚甚至引起路路面縱向開開裂，公路路結構破壞壞。強烈的的沖刷、剝剝蝕和防排排水設置不當可可造成坡面面滑溜、路路堤局部滑滑坍和整體體滑坡、土土橋病害等等。雨水的的強烈沖刷刷作用引起起路堤邊坡坡表層黃土土濕陷、漿漿砌片石局局部下沉，從從而導致橋橋臺護坡體體失穩(wěn)滑塌塌，涵洞破破壞。⑵土工合成材料及及其適宜性性廣泛收集了國內(nèi)內(nèi)外資料，研研究了土工工合成材料料的種類及及性能，提提出了土工工合成材料料在黃土地地區(qū)公路工工程中的應應用機理及及選材原則則，并基于于黃土地區(qū)區(qū)公路病害害特征和成成因，優(yōu)選選出土工合合成材料防防治黃土地地區(qū)公路病病害的基本本方法。⑶土工合成材料防防治路基病病害的應用用技術在試驗路段，開開展了詳細細的路基病病害防治研研究。對試試驗路段的的黃土進行行了翔實的的室內(nèi)測試試，在有限限元分析的的基礎上，提提出了黃土土路堤的土土工格柵加加固方案和和現(xiàn)場觀測測技術，開開展了包括括變形、沉沉降、土壓壓力等在內(nèi)內(nèi)的現(xiàn)場詳細監(jiān)監(jiān)測。掌握握了加筋黃黃土路堤的的變形特點點和內(nèi)部應應力分布特特征，以及及格柵的加加固機理，在在此基礎上上進行了加筋筋高路堤的的理論分析析，提出了了設計方法法、適用范圍圍和觀測技技術、施工工工藝和應應注意的問問題。為黃黃土地區(qū)高高路堤加固固的合理設設計和施工工奠定了基基礎。通過鋪設復合土土工膜，結結合三七灰灰土結構，既既可增加地地基的承載載能力，又又可防止地地表水下滲滲，有效避避免了沉陷陷和陷穴的的發(fā)生。舊舊路加寬的的填方路段段采用土工工格柵補強強，可以有有效控制新新舊路基的的差異沉降降。⑷土工合成材料防防治路面病病害的應用用技術詳細調查了黃土土地區(qū)路面面病害，總總結出路面面病害的類類型和成因因。用有限限元法分析析了有、無無玻纖格柵柵時瀝青路路面溫度收收縮裂縫的的發(fā)生、發(fā)發(fā)展過程和和規(guī)律。同同時，在室室內(nèi)開展了了試驗，考考察在加鋪鋪與不加鋪鋪玻璃纖維維格柵以及及加鋪聚酯酯長絲燒毛毛土工布三三種情況下下，瀝青混混合料的壓壓縮、低溫溫及疲勞性性能，證實實加鋪玻纖纖格柵效果果明顯。在在現(xiàn)場開展展了大規(guī)模模試驗，有有效抑制了了裂縫、車車轍和路面面變形。提提出了玻纖纖格柵和長長絲燒毛土土工布在路路面工程中中的鋪設原原則、設計計方法和施施工工藝。⑸土工合成材料防防治公路邊邊坡及排水水構造物病病害的應用用技術在野外調查和室室內(nèi)實驗的的基礎上，掌掌握了黃土土的浸水破破壞機理及及其對黃土土地區(qū)公路路破壞的影影響，提出出了公路邊邊坡坡面防防護和排水水構筑物病病害防治方方法。采用土工格室與與三維土工工網(wǎng)結合的的方式護坡坡，不僅可可以保護路路基邊坡表表面免受雨雨水沖刷、減減緩溫差及及溫度變化化的影響，而而且還能防防止坡面失失穩(wěn)，保護護路基邊坡坡的整體穩(wěn)穩(wěn)定，并兼兼顧路基美美化和協(xié)調調自然環(huán)境境的效果。調查發(fā)現(xiàn)，由于于地表水的的局部滲漏漏而導致濕濕陷性的破破壞是黃土土地區(qū)公路路排水構造造物進出口口處破壞的的主要原因因。因此，防防治公路排排水構造物物破壞的關關鍵重點是防水水。在易造造成地表水水下滲及浸浸蝕的部位位，加鋪防防水土工材材料，必要要時對構造造物地基用