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复合土工膜隔断层施工工艺

复合土工膜隔断层施工技术是在现代土工合成材料与路基施工工艺相结合的基础上发展起来的, 是利用复合土工膜的众多优越性能经过隔离不同的路基介质达到反滤、 防渗、 排水、 加筋、 保温等目的。
1 工艺特点
( 1) 复合土工膜质量轻, 方便运输, 造价较低。
( 2) 复合土工膜采用人工铺设, 操作简单, 施工难度小, 施工功效较高。
( 3) 由于土工膜为高分子合成材料, 其不易发生化学反应, 对环境污染较小, 在路基反滤、 防渗、 排水等施工中可广泛推广使用。
2 适用范围
复合土工膜( 布) 分透水和不透水两种, 根据工程对滤水或隔水的需求, 选择使用在下列工程中:
( 1) 挡墙及岸墙后的排水层及其背面排水系统中的滤层。
( 2) 软基隔离, 应用于加速软基固结的排水带或排水板中, 作为其中重要组成部分。
( 3) 冻胀区用于截断毛细水上升, 防止冻害。
( 4) 干旱区防止毛细水上升造成盐碱化。
( 5) 膨胀土地区路基用于防水、 保温、 防风化。
3 工艺原理及设计要求
3.1 工艺原理
复合土工膜是用土工织物与土工膜复合而成的不透水材料, 它主要用于排水和加筋, 复合土工膜分为一布一膜和两布一膜, 幅宽4～6m, 重量为200～1500g／m, 抗拉、 抗撕裂、 顶破等物理学性能指标高, 能满足水利、 市政、 建筑、 交通、 地铁、 隧道等土木工程需要。由于其所选用高分子材料且生产工艺中添加了防老化剂, 可在非常规温度环境中使用。复合土工膜在路基隔断层防排水及特殊路基地质中发挥着重要作用。
隔离是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料, 使它们不互相混杂。例如将碎石和细粒土隔离, 软土和填土之间隔离等等。隔离能够为工程带来许多预期的良好效应。
3.2 原理作用
( 1) 经过隔离层, 引起应力扩散作用, 使地基土的沉降量得到一定程度的均化。
( 2) 隔离并提供排水面, 加速地基土固结, 使承载力提高。
( 3) 隔离层起整体性作用, 可使要求的地基粗粒料支持层的厚度减少, 节约建筑材料。
( 4) 地基中有部分软弱区域, 或有小范围洞穴, 铺隔离层有架桥作用, 以掩盖和减弱洞穴区或软弱区的影响。
( 5) 在地下水位较高的地基中, 隔离层能够切断毛细水上升, 防止盐碱化, 或减弱冻胀。
( 6) 道路基床中, 隔离是防治翻浆冒泥的有效措施。
( 7) 隔离层还起一定的保温作用。
3.3 工艺设计要求
为了重点阐明隔离层的受力状态, 能够图1作示意性解释。
图1( a) 为在粗粒土上覆盖细粒土, 并有荷载作用; 图1( b) 为在细粒土上填筑粗粒土; 图1( c) 则既有粗、 细粒土的相邻, 又有渗流运动; 图1( d) 则是在两种不同界面处有孔穴存在。在这几种情况中, 明显看出, 在标有号码”1”处, 隔离材料在粗粒土的孔隙部位或两种材料界面的孔穴部位将受到来自受压软土的挤顶作用, 为此, 要求隔离材料必须有足够的抗顶破能力; 在标有号码”2”处, 隔离材料则将受到由粗土粒棱角施加的穿刺力, 故隔离材料还应有抵抗刺破的能力。

图1 土工合成材料的隔离作用
( a) 碎石地基; ( b) 软基(无渗水);
( c) 软基( 有渗水) ; ( d) 裂缝地基
1—顶破; 2—刺破

设计及验算的内容应根据隔离层预计的工作条件来确定, 具体参数及允许承载力计算如下:
3.3.1 非持力层情况
若隔离层不要求承受施工应力以外的较大荷载, 不需要按受力部位来考虑, 则按”反滤”和”排水”的要求来选择隔离材料即可。排水能力校核如下:
某种土工织物用作排水时是否合适, 需要先计算两种导水率: 一个是由需要排除的水量q( 亦即来水量) 计算得要求的导水率θr, 另一个是根据所提供织物的指标算出的织物可提供的导水率θa, 按以上所述, 它们能够按式( 1) 计算:
θr=q/i
}
( 1)
θa=Khδ
式中 Kh——水平渗透系数;
δ——土工织物厚度;
q——单位宽度的来水量;
i——水流经过织物时的水力梯度。
显然, 合格的土工合成材料应该满足下式:
θa≥Fsθr
( 2)
式中 Fs——安全系数, 一般应不小于3。
3.3.2 持力层情况
若受上覆荷载作用, 如图2所示情况, 则除满足反滤和排水外, 还要考虑隔离材料抵抗顶破和刺破的能力。

图2 土工织物顶破与刺破分析

( 1) 顶破强度分析, 顶破强度PM计算如下。

PM=Fs[( d50-dc) /dM]qu
( 3)
dM为Mullen胀破仪的直径; qu为地基土的极限承载力, 可借土力学一般方法计算; d50为假设大颗粒的平均粒径为; dc为颗粒与土工织物的平均接触面直径。
故用作隔离的土工织物的Mullen试验的顶破强度应不小于按式( 3) 算得的数值。
建议dc取值如下:
碾压夯实
带棱角颗粒dc＝( 1/4) d50
圆钝颗粒 dc＝( 1/2) d50
( 2) 刺破强度分析。仍按图2, CD段的顶刺情况与CBR试验的相似。同样, 按两种情况接触面周边径向拉力相等, 且考虑一定的安全系数Fs( 至少为3) , 可得到CBR刺破强度FCBR的计算式如下:

FCBR=FsFp( dCBR/Dc)
( 4)
式中 dCBR——CBR试验圆柱顶杆直径;
Fp——为接触点处颗粒所受向下压力和向上反力之差。故用作隔离的土工织物的刺破强度应不小于按式( 4) 算得的数值。
4 工艺流程
土工膜隔断层施工工艺流程见图3。
图3 土工膜隔断层施工工艺流程图
基底处理
铺设垫层
铺土工膜
回 填
碾 压
验 收
结 束
下一层
5 操作要点
5.1 施工前的准备工作
( 1) 设计文件复核, 明确施工具体部位, 工程数量, 相关技术指标。
( 2) 复合土工膜厂家选定, 选购第一批材料。
( 3) 材料送检( 委外试验) 。
( 4) 测量放线。
5.2 施工工艺
( 1) 基地处理, 根据隔断层设计意图, 采用不同的处理方式。挖除表层松散并平整基底。
( 2) 铺设下垫层, 一般采用砂或砂类土, 作用有两点, 一是构成反滤层, 二是保证土工膜均匀受力。
( 3) 铺设土工膜, 采用木桩或石块固定就位, 其搭接长度纵向和横向宜为100cm。对于有特别防渗要求的可采用焊接。
( 4) 回填填筑材料, 为防止土工膜被挤压、 褶皱, 尽量采用人工摊铺, 对于排水隔离层, 摊铺最小厚度为50cm。
( 5) 填料压实, 对于大面积排水隔离层宜采用重型机械压实, 对于其它下面积隔离层采用人工夯实。
5.3 推荐的主要施工技术参数
( 1) 隔离层土工膜最小抗拉强度不应小于50Pa。
( 2) 对于排水隔离层, 隔离层顶面需高出地下水位30cm以上。
( 3) 铺设土工膜, 采用木桩或石块固定就位, 其搭接长度纵向和横向宜为100cm。
6 主要机具设备
铺设土工膜仅需要路基填筑的辅助施工机具, 结合路基施工, 一个作业面需要的机械设备见表1。
表1 主要机具设备表
序 号
设备名称
规格型号
数量
作用
1
自卸汽车
20t

根据工程量决定设备数量
2
压路机
18T
1
填料压实
3
推土机
山推220
1
清表及填料摊铺
4
装载机
ZL50
1
转运表层弃土
5
平地机
PY185
1
填料平整
7 劳动力组织
一个作业面需人员: 领工员1名, 测量人员2名, 辅助工6～8名, 负责装卸土工膜及土工膜的现场铺设和就位, 负责土工膜铺设前基底的局部平整。其它驾驶员及施工机械操作手根据设备配备需求确定。
8 质量要求及控制要点
8.1 质量要求及质量控制要点
( 1) 必须认真做好基底处理, 确认清除干净或换填完成之后再填筑路堤。
( 2) 铺设土工布进场的土工布必须放在棚内, 以防阳光暴晒和雨水淋浇造成其老化。
( 3) 隔断层设置层位应高出地面和地表长期积水位30cm以上, 以隔断水分和盐分进入路基上层或路面基层。当填土达到土工布隔断层高程时, 按设计要求挂线平整后铺设土工布。土工布应沿线路方向铺设, 幅面铺展平顺以避免其受拉。
( 4) 设置防渗层时, 自线路中心向两边顶面横坡不应小于4%。
( 5) 坡面铺设采用自下而上进行, 坡顶、 坡脚应以锚固沟或其它可靠方法固定, 防止其滑动。
( 6) 土工布的连接采用纵横向搭接或缝合, 采用搭接时, 搭接宽度以100cm为宜, 误差不得超过5 cm。
( 7) 复合土工膜铺设应力求平顺, 松紧适度, 不得绷拉过紧; 复合土工膜应与土面密贴, 不留空隙。
( 8) 土工布铺好后要及时回填, 回填第一层应以人力摊铺, 厚度不得小于0.5m, 以防土工布损坏和变形。
8.2 质量通病处理
( 1) 基底处理不到位, 局部, 软硬不均, 起伏较大, 造成土工膜铺设后在填料压实工程中被撕裂, 因此要做好基底处理工作, 在铺设前认真检查基底, 采用人工局部处理。
( 2) 土工膜铺设过程中绷拉过紧或存在褶皱, 因此在铺设过程中要严格控制土工膜的铺设, 适当增加人员, 确保铺设平顺。
9 施工安全及环保注意事项
对于复合土工膜施工, 基本无安全和环保问题, 与之相应的路基挖填施工的安全及环保, 按一般路基机械施工的相关要求执行。
10 工程实例
10.1 设计概况
( 1) 河南平临高速公路5合同段K32+500～K32+550、 K32+700～K33+354为挖方段, 设计路床为换填60cm厚砂砾石。施工单位开挖至换填底面标高后, 发现有大量地下水出露。
( 2) 路床换填面以下大部分为透水性强的砂粘土, 局部为弱膨胀土。
( 3) 由于路堑挖方高度为0～8m, 区段内地下水为承压水, 路堑两侧大气降雨会使地下水位进一步升高, 进而渗透到路床甚至路面, 这必会给今后路基工程质量带来隐患。设计要求路床超挖60cm后铺设复合土工膜并回填砂砾石, 设置隔断层。
10.2施工机械选型
见表２。
表2 施工机械选型表
序 号
设备名称
规格型号
数量
作用
1
自卸汽车
解放双桥20t
2
装卸运输
2
压路机
洛阳路通18T
1
填料压实
3
推土机
山推
1
清表及填料摊铺
4
装载机
ZL50
1
转运表层弃土
5
平地机
PY185
1
填料平整
10.3 施工参数
( 1) 土工膜搭接宽度不小于1m。
( 2) 填料回填厚度为0.6m。
10.4 施工效果
经过设置隔断层, 自通车运营一年半以来, 到现场查看, 路面无开裂和沉降, 双侧路肩无涌水, 原路床的渗水及微膨胀得到了较好地治理。
10.5 施工照片
见图4、 图。
图4 土工膜铺设

图5 摊铺填料及压实