土工格栅膨胀土换填施工技术

□李红炉（河南省水利第二工程局）

一、引言

南水北调中线一期工程总干渠膨胀土试验段工程（南阳段）（以下简称南阳试验段）是研究南水北调工程中膨胀土地区渠坡处理方案的试验性项目，南阳试验段一期工程针对不同的膨胀土类型分为填方试验区、弱膨胀试验区、中膨胀试验区，其中填方试验区分2个试验亚区，弱膨胀试验区分4个试验亚区、中膨胀试验区分7个试验亚区，共13个试验亚区。边坡处理方案采用有非膨胀土换填、水泥改性土换填、土工格栅膨胀土换填、土工袋膨胀土换填等形式，土工格栅膨胀土换填是膨胀土地区渠坡处理方案之一。

膨胀土中含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，是一种遇水膨胀、强度骤减、失水干缩、坚硬而又常有收缩裂隙的高塑性粘土。膨胀土渠坡易产生溜坍、坍塌、滑坡等严重事故，还会造成收缩开裂、膨胀、松散、剥落等，会对工程建设产生严重的破坏性。在土中加“筋”，约束膨胀土这种缩胀性质，是土工格栅膨胀土换填的主要目的。

二、土工格栅与膨胀土作用机理

用土工格栅分层铺设在换填的膨胀土边坡中能起到加筋补强、防止浅层溜坍，其作用机理主要是利用土工格栅格网与土接触面的摩擦作用，土工格栅与土体共同承受内、外荷载作用，使土中的垂直应力和水平应力经土工格网面层水平扩散，转化为土工格栅格网与土界面的剪应力，利用土工格栅表面与土的摩擦作用，土对土工格栅的被动阻抗作用，土工格栅孔眼对土的锁定作用以及加筋补强作用，土工格栅能有效地阻止土体侧向位移，并承受相应界面的剪应力，从而降低了土体受力，消弱了膨胀土自身因水量变化而产生的缩胀应力。

三、填筑工艺要求

（一）土料

格栅填土的加工主要采取现场填筑面外的场地内，按照碎土工艺使用碎土机碎土，土料粒径不超过5cm，再将碎好含水率合格的土料，铺填在作业面上。土料按中、弱试验区使用原渠道开挖土，中、弱膨胀土性能参数由长江水利委员会长江勘测规划设计研究院试验提供，成果见表1。

表1 土工试验成果表

（二）土工格栅

土工格栅采用耐久性能、耐温性能、施工性能好的70（50）HDPE单向土工格栅，幅宽＞1.0m。抗拉强度70（50）KN∕m，蠕变强度（20℃）25（20）kN∕m，碳黑含量≥2.0﹪，70HDPE单向土工格栅用于一级马道及马道以下边坡，50HDPE单向土工格栅用于一级马道以上边坡填土。

（三）反包工艺

土工格栅采用人工分层铺设，铺设方向垂直坡面，向上层包裹形成搭接，小反包两层压实土削坡后反包一层，反包厚度50cm，反包至上层结构面长度≥100cm；大反包每两层压实土（厚度50cm）铺设一层土工格栅，直到填筑至坡顶再全部削坡。削坡采用人工、机械配合，避免层间土工格栅损坏，然后从底层格栅开始连接，拉紧反包至坡顶，每层间土工格栅分别用塑料连接扣与反包格栅绑紧。格栅尾部与未开挖坡面形成顺坡面向上的延伸，延伸长度50cm，尾部固定。格栅之间搭接采用土工格栅连接棒连接，与土体之间的连接采用Φ6mmU型锚固钢筋，间距≤1.5m。

（四）碾压控制指标

根据试验段试验要求及室内试验、碾压工艺试验成果，长江水利委员会长江勘测规划设计研究院提出具体填筑施工指标及碾压参数见表2。

表2 填筑施工指标及碾压参数表

四、施工程序

施工程序为：编制施工方案→测量放样→基面验收→格栅铺设→土料运输→进占铺填。

五、施工准备

完成填筑基础面的清理和排水工作，清除基础面上的浮土及小土埂至新鲜土面，大面基本平整即可；完成基础中观测仪器的钻孔、埋设和防护等工作；完成填筑基础面的地质编录和基础验收；四是落实填筑材料、施工机械及设备。

六、施工方法

（一）土工格栅小反包填筑

1.基面清理，按照施工图要求开挖边坡（设计坡度1∶2），清除坡面及渠基浮土，要求基层平整度不超过±5cm，表层应湿润无杂物，经监理工程师验收后开始下步工序施工。

2.测量放线，为保证边坡压实，结合机械作业安全等因素，在施工放样时需考虑水平向≥90cm的超填宽度。每层填筑前，先放出填筑土料的铺料（加超宽）边线，并撒上白灰线加以标示。

3.碎土运输，采用液压碎土机对膨胀土碎土，土料粒径不超过5cm，再将碎好的土料调整至设计要求的含水率，用铲车或挖掘机装车运至施工现场。

4.土工格栅铺设，从处理层底层开始铺设格栅材料，将格栅底部与尾部自由端用Φ6mmU型钢筋固定于开挖坡面和地面或填筑层面，土工格栅的纵轴线应垂直渠道轴线方向。

5.膨胀土铺筑，固定前用张拉梁将格栅自由端拽紧，用机械在拉紧后的格栅上面采用进占法填土，推土机推平，每层虚铺厚度为32～33cm，车辆与施工机械等不得直接碾压格栅，以免格栅损坏和松懈。

6.碾压，再用20t的振动平碾进行碾压，根据弱、中膨胀土的不同要求碾压至要求遍数后进行干密度取样试验，满足设计要求的压实度后进行上层土填筑。

7.格栅反包，每填铺压实两层土约50cm，对边坡进行削破，将下层格栅反包到土层上面≥1.0m，与上层格栅用连接棒连接。反包时用钩具钩住土工格栅的格栅网孔或张拉梁对加筋格栅施加拉力，使结构面上的反包格栅绷紧并用6mmU型钢筋固定于填筑层面。

8.为保证上层超宽碾压，削坡土再翻填至已反包格栅的边坡处，重复上述程序，直至填筑完成，再拆除翻填料。

（二）土工格栅大反包施工方法

1.基面清理、测量放线、碎土运输、膨胀土填筑、碾压工序同小反包施工方法。

2.土工格栅铺设，每2层压实土（50cm厚）铺设1次，但不进行包裹，每层格栅自由端留在填土外表面。

3.土工格栅反包，填筑至坡顶后，再一次性削坡。削坡采用人工、机械配合，避免层间土工格栅损坏，然后从底层格栅开始连接，拉紧反包至坡顶，每层间土工格栅分别用塑料连接扣与反包格栅绑紧。

七、注意事项

一是土工格栅在用锚固钢筋锚固反包时，需要用张拉梁拉紧，土工格栅是弹性材料，如果没有拉紧，换填后土工格栅会产生松弛或出现褶皱现象，这样就无法起到约束土体变形的作用。二是土工格栅填筑时边线处必须超填超压，保证反包土体的密实性。三是整体大反包时需要从最下面一层土工格栅一直拉到顶，使用卷扬机与张拉梁配合拉紧效果明显。四是加强土料含水量的控制，以保证土料的含水率接近最优，这是达到设计压实度的前提。五是土工格栅是一种抗老化,抗蠕变性能较好,抗拉强度高,能与填土共同作用的拉筋材料，储存和堆放必须避免阳光照射,并保持通风、干燥和远离高温源,以保证材料性能不受影响，延长材料的使用寿命。六是避免损伤铺设的土工格栅，土层表面如有坚硬突出物,则易顶破或损伤土工格栅，在铺设前,应将场地平整压实,严禁施工机械直接在土工格栅上碾压。

八、结论分析

土工格栅换填护坡对膨胀土边坡能起到一定的加固补强作用，但土工格栅的条带形成了微弱的渗水通道，对于挖方渠段的贴坡换填不利于边坡的稳定，对于填方渠段在合理的换填厚度（南阳试验段工程设计换填厚度为垂直坡面2m）下能有效地防治膨胀土边坡常见的溜坍、坍塌、滑坡等事故。

土工格栅膨胀土换填施工所需要的人工较多，工艺复杂，对土的含水率要求较高，受天气影响较大，施工费用高。

小反包施工每层削坡、翻填，工序较多，施工麻烦，但效果更好；大反包施工一次性削坡、反包，工序少，施工相对简单，但对土体整体约束性相对较差。

格栅反包后，边坡如果不加防护，土体易受雨水冲刷破坏。南水北调南阳试验段工程中，一级马道以下边坡（过水流断面）采用576g/m2复合土工膜及衬砌混凝土板防护，一级马道以上边坡采用袋装腐植土植草保护。

[1]SL237—1999，土工试验规程[S].

[2]王年香.高液限土路基设计与施工技术[M].北京：中国水利水电出版社.2005.