CN113152186B - 一种具有防渗排水功能的复合路堤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公路、铁路工程现场路堤的防水技术，尤其是一种具有防渗排水功能的复合路堤，包括截面为梯形的路堤承重结构层，路堤承重结构层的上底覆盖有路面层，路堤承重结构层的腰覆盖有路堤边坡植被层，路堤承重结构层内设有复合路堤防水结构，复合路堤防水结构包括置于路堤承重结构层上底下方的倾斜段，以及位于路堤边坡植被层与路堤承重结构层腰部之间的斜面段，倾斜段与斜面段相互连接；复合路堤防水结构从外至内依次为骨料防水层、外土工布薄层、多孔土工排水板、内土工布薄层。本发明可有效解决现有路堤排防水方法存在的缺陷与不足，为道路工程设计、施工、长期运营稳定和安全提供参考依据及技术保障。

Description

一种具有防渗排水功能的复合路堤

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及公路、铁路工程现场路堤的防水技术，尤其涉及一种具有防渗排水功能的复合路堤。

背景技术

在公路、铁路工程中，通常认为路基土体处于饱和状态，并基于饱和土力学原理对路基进行设计。然而在工程服役期内，由于路基土体常年受降雨、干旱等季节交替的影响，绝大多数情况下，位于地下水位以上的近地表土体均处于干湿循环的非饱和状态。因此，传统的路基设计方法考虑的因素较为单一，仍存在诸多不足之处，亟需将土体的含水状态从饱和向非饱和领域扩展延伸，以更好地改进、优化路基设计方案并应用于工程实际。

由于受到负孔隙水压力作用，处于非饱和状态下的路基土体内部存在基质吸力，相比于饱和状态，其强度及承载力更高，稳定性也更好。然而在夏季强降雨作用下，洪涝灾害导致雨水渗入会打破路基土体原有的非饱和状态，随着土体含水量与饱和度的升高，负孔隙水压力随之增大，土体基质吸力下降，其强度和承载力降低，进而导致路基发生失稳破坏。与之相反，在秋冬枯水旱季，随着地下水的蒸发及植被的蒸腾作用，路基土体含水量与饱和度下降，土颗粒间的基质吸力作用增强，使得路基承载力提高及稳定性增强。因此，随着季节的交替变化，处于干湿循环非饱和状态下的路基土体的行为响应具有很大的差异性。

为保证公路、铁路路基在服役期内长期处于稳定状态，传统的排防水方法主要有铺设防渗隔层、排水板或布置排水管道等。然而，传统的排水方法存在诸多不足之处，例如工艺复杂、容易失效、维修困难以及成本高昂等。因此，基于非饱和土力学原理，本发明研发了一种复合路堤防渗排水技术及工法，可有效解决现有路堤排防水方法存在的缺陷与不足，为道路工程设计、施工、长期运营稳定和安全提供参考依据及技术保障。

发明内容

本发明旨在解决现有路堤排防水方法存在的工艺复杂、容易失效、维修困难以及成本高昂等缺陷与不足，并基于非饱和土力学原理，研发一种简单有效、成本低廉且易于操作的复合路堤防渗排水技术，为道路工程设计、施工、以及维持长期服役性能提供技术保障。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有防渗排水功能的复合路堤，包括截面为梯形的路堤承重结构层，路堤承重结构层的上底覆盖有路面层，路堤承重结构层的腰覆盖有路堤边坡植被层，路堤承重结构层内设有复合路堤防水结构，复合路堤防水结构包括置于路堤承重结构层上底下方的倾斜段，以及位于路堤边坡植被层与路堤承重结构层腰部之间的斜面段，倾斜段与斜面段相互连接；所述复合路堤防水结构从外至内依次为骨料防水层、外土工布薄层、多孔土工排水板、内土工布薄层。

作为更进一步的优选方案，所述多孔土工排水板水平和竖直方向的最大抗拉强度分别大于10kPa和20kPa，多孔土工排水板包括中间的板芯,以及板芯两侧的夹板，所述板芯的孔隙率至少为95％，板芯的孔径大于夹板的孔径。

作为更进一步的优选方案，所述骨料防水层包括若干刚性聚乙烯网格组成，刚性聚乙烯网格内由横纵向布置的刚性聚乙烯条带形成若干槽体，槽体内填充骨料颗粒。

作为更进一步的优选方案，骨料颗粒包括粗骨料层和细骨料层，粗骨料层中的粗骨料颗粒为d_粗，粗骨料颗粒径范围为5mm<d_粗<20mm，细骨料层中的细骨料颗粒为d_细，细骨料颗粒粒径范围为0.075mm<d_细<2mm，细骨料层与粗骨料层的进水值比满足ψ_w细/ψ_w粗>10，粗骨料层的进水值满足ψ_w<1kPa；细骨料层铺设于粗骨料层的上方，且粗、细骨料层的厚度至少各为20cm。

作为更进一步的优选方案，骨料防水层的表面堆放有装有有机土的高强土工编织袋，路堤边坡植被层位于高强土工编织袋上。

作为更进一步的优选方案，所述复合路堤两侧地面设有边沟。

相比于传统的路堤防水技术，本发明具有以下多方面优点：

(1)选材方面：本发明中复合路堤防水结构层涉及的防水骨料来源于建筑垃圾，变废为宝，有利于资源的高效利用与环境的可持续发展。用于加速排水的非纺织多孔排水板可通过工厂批量化生产，且具有较高的抗拉强度，可有效提高路堤边坡的抗滑裂破坏稳定性与耐久性。

(2)原理方面：本发明涉及非饱和土力学领域研究的核心原理——毛细屏障原理。该原理简单明了，通过合理配制粗、细骨料层的粒径级配，并基于粗、细骨料层间土-水特征及渗透性差异，便可有效发挥防水效果，使得路堤结构层及下部基层永久保持非饱和状态，从而维持路基运营的长期稳定性和耐久性。

(3)工艺方面：本发明对于复合路堤防水结构层采用横向分层分段铺设，双层非纺织的多孔土工排水板直接铺设在防水结构的最下层，再通过刚性聚乙烯网格辅助控制上部骨料防水层的铺设，排水板与外部骨料防水层及下部承重结构层之间各布设一层土工布隔开。最后，再完成路堤边坡植被层以及面层铺筑。而路堤承重结构层则采用纵向分层压实填筑。本发明摒弃了工艺复杂、容易失效且维修困难的传统路堤防水方法，整个工艺流程简单易实现，且施工效率高。

(4)造价方面：实现本发明的技术效果所需造价低廉，有利于实际工程中的成本控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A部分放大图；

图3为刚性聚乙烯网格结构示意图；

图4为多孔土工排水板结构示意图；

图5为本发明三维结构示意图；

其中，1、路面层，2、自然降雨，3、路堤承重结构层，4、内土工布薄层，5、多孔土工排水板，6、外土工布薄层，7、骨料防水层，8、路堤边坡植被层，9、边沟，10、地基表面，11、地基土层，12、雨水在复合路堤防水结构层里沿横向流动的方向，13、刚性聚乙烯网格，14、刚性聚乙烯条带，15、夹板，16、板芯，17、高强土工编织袋。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

毛细屏障效应作为非饱和土力学领域研究的重要原理之一，是实现本发明技术的核心原理。在非饱和状态下，不同粒径级配土体骨料间的土-水特征存在差异性，导致水流在其中的运移规律不同。因此，在不同粒径级配土体骨料层间的交界面处会存在毛细屏障效应，可有效阻止水流进一步入渗。基于非饱和土力学原理，本发明解决的关键技术难题是寻找到复合要求的防水层材料，使得毛细屏障效应最大化发挥，并优化路堤结构的设计方案，提高路基长期防渗排水效果。

本发明的一种具有防渗排水功能的复合路堤，基于非饱和土力学原理的复合路堤防渗排水技术，该复合路堤防水结构层的排防水功能可使其内部路堤填料长期处于非饱和状态，以防止雨水渗入导致相关道路病害发生，维持路基的长期耐久性和稳定性。路堤边坡采用高强土工编织袋快速堆叠铺筑形成美观的植被层，有利于增加绿化面积并改善环境，实现人与自然和谐共生。

结构上包括截面为梯形的路堤承重结构层3，路堤承重结构层3的上底覆盖有路面层1，路堤承重结构层3的腰覆盖有路堤边坡植被层8，其特征在于：所述路堤承重结构层3内设有复合路堤防水结构，复合路堤防水结构包括置于路堤承重结构层3上底下方的倾斜段(倾角大于7°)，以及位于路堤边坡植被层8与路堤承重结构层3腰部之间的斜面段，倾斜段与斜面段相互连接；所述复合路堤防水结构从外至内依次为骨料防水层7、外土工布薄层6、多孔土工排水板5、内土工布薄层4；复合路堤两侧地面设有边沟9。

自然降雨2同时作用于路面和路堤边坡表面，并通过横向排水汇入边沟9内，最终沿纵向排到路基以外。

内土工布薄层4，用于防止路堤承重结构层内的细颗粒进入非纺织的多孔土工排水板5，造成排水堵塞。

外土工布薄层6，用于防止上部骨料防水层7内的细颗粒进入非纺织的多孔土工排水板5，造成排水堵塞；内土工布薄层4和外土工布薄层6均能起到加强作用，以防止路堤排水结构层发生开裂或刺穿。

多孔土工排水板5水平和竖直方向的最大抗拉强度分别大于10kPa和20kPa，多孔土工排水板5包括中间的板芯16,以及板芯16两侧的夹板15，由于本发明中将防水结构层布设在路堤边坡表层，可进一步增强路堤的抗滑裂破坏稳定性，形成复合的路堤防水结构。这里，对所选用排水板的相关参数规定为：①在水平和竖直方向上的最大抗拉强度分别大于10kPa和20kPa，确保排水板在竖直方向上具有较高的抗拉强度；②为防止路堤复合防水结构层发生破裂或刺穿时，仍能保持较高的排水能力，板芯的孔隙率至少为95％；③排水板的上下表层孔径较小，以防止颗粒层的细颗粒进入排水板，造成排水孔堵塞；④由于排水板厚度往往很薄，为增强防水效果采用双层排水板。

上下两层夹板除了可防止土体细颗粒进入堵塞排水孔径外，还起到加强的作用，连同可渗水的内土工布薄层4和外土工布薄层6可防止复合路堤防水结构层发生破裂和刺穿，进而提高路堤边坡的整体稳定性和长期耐久性。

骨料防水层7包括由若干刚性聚乙烯网格13组成，刚性聚乙烯网格13内由横纵向布置的刚性聚乙烯条带14形成若干槽体，槽体内填充骨料颗粒。

要求刚性聚乙烯条带14的宽度大于20cm，铺设过程中，刚性聚乙烯网格13可取到定位和控制粗、细骨料防水层厚度的作用，以便实现快速铺设施工。此外，刚性聚乙烯条带14表面布有多孔，骨料防水层内的水流可沿横向和纵向穿过其中，以实现路堤的横向快速排水。

骨料颗粒包括粗骨料层和细骨料层，粗骨料层中的粗骨料颗粒为d_粗，粗骨料颗粒径范围为5mm<d_粗<20mm，细骨料层中的细骨料颗粒为d_细，细骨料颗粒粒径范围为0.075mm<d_细<2mm，细骨料层与粗骨料层的进水值比满足ψ_w细/ψ_w粗>10，粗骨料层的进水值满足ψ_w<1kPa；细骨料层铺设于粗骨料层的上方，且粗、细骨料层的厚度至少为20cm。

骨料防水层7的表面堆放有装有有机土的高强土工编织袋17，路堤边坡植被层8位于高强土工编织袋17上。

在自然降雨情况下，路堤的边坡面及路面(存在裂缝时)常遭受到雨水的冲刷、侵蚀及入渗作用。随着路堤内部土体含水量与饱和度升高，局部土体由非饱和状态转变为饱和状态，导致土体基质吸力、强度、承载力逐渐降低，进而引起车辙、翻浆、冒泥、差异性沉降等一系列道路病害，路基整体抗滑裂破坏稳定性也随之变差。为防止雨水入渗导致相关道路病害发生，使地下水位以上路基土体长期处于非饱和状态，从而维持路基的长期耐久性和稳定性，本发明基于非饱和土力学原理，实现了复合路堤防渗排水技术。具体实施步骤如下：

(1)根据路堤防水结构层材料的参数规定，选取复合要求的防水材料。在新建道路工程当地，就近选取废弃的建筑垃圾作为颗粒防水层材料7，如废弃砖石瓦砾、混凝土、沥青碎石等。

通过工厂批量化的生产非纺织的多孔土工排水板5、可渗水内土工布薄层4和外土工布薄层6、刚性聚乙烯网格13、高强土工编制袋17等铺设复合路堤防水结构层所需的一系列材料。

根据非饱和土力学原理，在非饱和状态下不同粒径级配土体骨料层间存在毛细屏障效应，能有效阻止水流穿过层间交界面。为使毛细屏障效应最大化发挥，增强隔水效果，需选出粗、细两种粒径级配的颗粒材料，并保证两种粒径级配合搭配合理。

(2)如附图1所示，按照由内到外、先下后上的顺序完成路堤各结构层的填筑及铺设。首先通过纵向分层填筑路堤承重结构层3，并保证每层填料的粒径级配、最优含水量、压实度等参数均满足相关规范与标准的要求。待完成路堤承重结构层填筑后，接着在其两侧及上部铺设复合路堤防水结构层内土工布薄层4、多孔土工排水板5、外土工布薄层6和骨料防水层7，并采用横向分段分层的方法铺设。最后，在复合路堤防水结构层的两侧及上部分别铺筑路堤边坡植被层8和路面层1。

(3)在铺设非纺织的多孔土工排水板5前，先在已铺设好的路堤承重结构层3的两侧及上部铺设一层可渗水的内土工布薄层4。铺设好双层非纺织的多孔土工排水板5之后，在其两侧及上部各铺设一层可渗水的外土工布薄层6。土工布和双层非纺织多孔土工排水板的联合作用，可防止复合路堤防水结构层发生破裂或刺穿，进而有效提高路堤边坡的整体抗滑裂破坏稳定性和长期耐久性。

(4)为实现骨料防水层7快速铺设的同时，又能有效控制层厚均匀，采用附图2所示的刚性聚乙烯网格13辅助铺设。待可渗水的外土工布薄层6铺设完成后，首先将刚性聚乙烯网格13铺设在其表面并固定，再由下往上地往网格内填充建筑垃圾骨料，边填筑边压实使其达到特定的密实度要求，最后完成骨料防水层的铺筑。

(5)在铺筑路堤边坡植被层8时，为实现快速施工的同时，又能满足路堤边坡长期稳定性，采用多个具有标准尺寸的高强编织袋17堆叠铺筑，如附图4所示。可在高强编织袋内填充营养土壤，并种植环保草种或低矮灌木，有利于增加绿化面积且美观，实现人与自然的和谐共生。

(6)最后，完成路面层的铺筑.

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有防渗排水功能的复合路堤，包括截面为梯形的路堤承重结构层（3），路堤承重结构层（3）的上底覆盖有路面层（1），路堤承重结构层（3）的腰覆盖有路堤边坡植被层（8），其特征在于：所述路堤承重结构层（3）内设有复合路堤防水结构，复合路堤防水结构包括置于路堤承重结构层（3）上底下方的倾斜段，以及位于路堤边坡植被层（8）与路堤承重结构层（3）腰部之间的斜面段，倾斜段与斜面段相互连接；所述复合路堤防水结构从外至内依次为骨料防水层（7）、外土工布薄层（6）、多孔土工排水板（5）、内土工布薄层（4）；

所述骨料防水层（7）包括若干刚性聚乙烯网格（13），刚性聚乙烯网格（13）内由横纵向布置的刚性聚乙烯条带（14）形成若干槽体，槽体内填充骨料颗粒；

所述骨料颗粒包括粗骨料层和细骨料层，粗骨料层中的粗骨料颗粒为d _粗，粗骨料颗粒径范围为5 mm < d _粗< 20 mm，细骨料层中的细骨料颗粒为d _细，细骨料颗粒粒径范围为0.075mm < d _细< 2 mm，细骨料层与粗骨料层的进水值比满足ψ _w细/ ψ _w粗> 10，粗骨料层的进水值满足ψ _w< 1 kPa；细骨料层铺设于粗骨料层的上方，且粗骨料层的厚度至少为20 cm，细骨料层的厚度至少为20 cm。

2.根据权利要求1所述的一种具有防渗排水功能的复合路堤，其特征在于：所述多孔土工排水板（5）水平和竖直方向的最大抗拉强度分别大于10 kPa和20 kPa，多孔土工排水板（5）包括中间的板芯（16）,以及板芯（16）两侧的夹板（15），所述板芯（16）的孔隙率至少为95%，板芯（16）的孔径大于夹板（15）的孔径。

3.根据权利要求1所述的一种具有防渗排水功能的复合路堤，其特征在于：所述骨料防水层（7）的表面堆放有装有有机土的高强土工编织袋（17），路堤边坡植被层（8）位于高强土工编织袋（17）上。

4.根据权利要求1所述的一种具有防渗排水功能的复合路堤，其特征在于：所述复合路堤两侧地面设有边沟（9）。

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