凍土地區路基病害防治措施現狀及展望

陳澎軍 張虎偉 張 輝

1 凍土的概念和分布

凍土是一種由固體礦物顆粒、粘塑性冰包裹體、液相水及氣態包裹體組成的特殊的土體。其成分、結構及物理力學性質均不同于一般的土體。凍土對溫度十分敏感且性質易變,對寒區經濟開發、工程建設以及人類的生存和發展有著重要的影響。我國凍土的分布面積大約 700多萬平方千米,巨大的影響范圍使我國的公路建設工程不可避免的遭遇凍土所帶來的一系列問題。

2 凍土的基本性質

1)凍土的溫度敏感性。在凍土的物理力學性能中溫度是最重要的影響因素。凍土的力學性能與負溫成正比關系且溫度的變化導致其他性能變化。

2)凍土的相變性。所謂凍土的相變是指凍土中冰的形成和融化,溫度降低,土中水凍結土體變得堅固;溫度升高,冰融化成水,土體變的松軟。凍土的力學性能主要取決于土中水的數量和狀態,而水的狀態又取決于溫度的高低,所以凍土的相變是由溫度決定的。在高溫度時,隨著單位溫度的變化,未凍水含量的變化比較大;而低溫度時,隨著單位溫度的變化,未凍水的含量變化不大。凍土的相變主要發生在劇烈相變區。

3)凍土的流變性。在外荷載作用下,凍土中應力和應變隨時間變化的特性成為凍土的流變性。流變性是凍土的重要性質之一。它主要包括三個方面:外荷載保持不變時,其變形隨時間繼續增加的蠕變性能;應變保持不變,應力隨時間增加而衰減的松弛性能;凍土的強度隨作用荷載的時間增加而逐漸降低,即長期強度小于瞬時強度的性能。

4)凍土的凍脹性和融縮性。凍土的凍脹和融縮特性是導致凍土路基破壞的主要原因。當溫度降低時,土中的水分向凍結鋒面遷移,并在此結成冰。由于冰的體積大于相同質量的水,所以導致凍土的凍脹。而當溫度升高時,凍土中的冰逐漸融化成水,從而造成融化下沉。

3 凍土地區路基的病害特征

1)凍脹。道路凍脹特別是不均勻凍脹可以使路面開裂、不平,影響車輛的正常行駛,具有巨大的危害。道路凍脹是土質、水分、氣溫綜合作用的結果。溫度在 0℃以下時,水變成冰,因而溫度是發生凍脹的前提。但同時,必須保證有充足的水分對土體凍結前及凍結期給予水分補給,凍脹現象才會發生。

2)融沉。融沉是多年凍土地區路基的主要病害之一。當路基基底分布有較厚的地下冰層時,在施工及營運等人為因素的作用下,凍土發生局部融化,路基在上覆荷載的作用下產生下沉,對路基造成嚴重破壞。融沉病害的影響因素主要包括地域、路基高度、填料類別、水文特征等因素。

3)翻漿。翻漿是伴隨凍脹而發生的,凍脹是翻漿形成過程中一個十分重要的發展階段。入冬后路基表面開始凍結,使路面開裂。春融期間,路面及上部路基融化較快,而路基下部的凍結層仍處于凍結狀態,凍土層里的冰水較多而又無法排除,就會使路基上部處于飽水狀態,強度降低,在外荷載的作用下便會出現翻漿冒泥現象。道路翻漿的影響因素有土質,水分,溫度,車載及路面等級。

4 凍土路基病害的基本防治措施

4.1 設計方面

在設計階段,根據不同的工程地質條件,采取相應的不同設計原則。在年平均地溫較低的穩定型多年凍土區應采取保持地基凍結狀態的設計原則;在年平均地溫較高、含冰量較少、路基沉降量可以得到有效控制的地段,采取允許融化的原則。

特別的凍土地溫控制是凍土地區道路設計首先要解決的問題。現代規模較大的凍土地溫控制技術出現在 20世紀 60年代,隨后美國、前蘇聯和我國一些凍土區路基都采用了不同形式的地溫控制措施。1985年,C.E.Heuer等提出用能量的觀點進行主動和被動凍土地溫控制的概念劃分:被動地溫控制措施在運行期間不要人為提供動力,也沒有任何持續運動的機械部件,是凍土地溫控制最常用的技術;主動地溫控制措施,需要動力支持或溫控系統中有持續運動的部件。兩種措施最顯著的區別在于凍結過程的人為可控制性和是否提供能量消耗。在凍土區的道路施工中根據具體的地質條件和工程要求對地溫控制方式進行合理的設計。

4.2 施工方面

在排水上,當路基所處地段凍土含冰量高時,必須保持路基的凍土處于凍結狀態,排水系統與路基坡角應保持足夠距離,嚴禁坡腳滯水;在基底處理上,當路基的地下冰層較薄時,可將其挖出并用填料進行回填壓實,再修筑路基,填料需選用保溫隔水性能均較好的細粒土,同時控制好土的濕度使其達到最優含水量。當基底處于排水困難的地段時應在其底部設置一層隔離層;在路基高度的設置上,要使其達到防治翻漿與不超過路基凍脹值要求的最低填土高度;在路基壓實上,采用重型擊實標準進行檢驗,使路基在不小于 20 t的壓路機碾壓 2遍 ～3遍后不出現任何彈軟現象為宜。

5 凍土區路基處理技術研究方向

凍土地區路基處理最新發展,主要集中在凍土區路基處理機械、材料、設計計算理論、施工工藝、現場監測技術等各方面。

新材料的使用,提高了凍土區路基處理的效能。林樂彬,劉寒冰等人提出采用氣泡混合輕質土在道路凍土地基保護中的試驗研究。他們指出鋪設人工隔熱保溫層可以降低路堤的高度,減少防凍層厚度,是非常有效的技術措施。傳統的隔溫材料主要有草皮、泥炭、草甸土層、粘性土、塑料泡沫隔溫材料等。氣泡混合輕質土是新開發的人工隔熱保溫材料,具有導熱系數小,抗凍融性能好、強度高、工藝簡單、施工速度快的特點。在我國北方某一級公路使用該材料進行試驗鋪筑,通過對試驗段隔熱效果的檢測和道路使用狀況的檢測,表明其隔熱效果良好,能夠較好的防止公路的季節性凍脹與永久凍土路基的融沉。霍凱成,黃繼業等提出采用復合土工膜整治道路翻漿。土工合成材料具有較大的孔隙,其滲透系數與粗砂相當,可以保持良好隔斷毛細管的作用;其次土工合成材料的親水性比土的親水性差,因而可以減少毛細管上升的高度。因此土工合成材料可切斷毛細管,使下部土中水分不能供給其上部的土層。1999年在 109國道改建工程中進行了使用該材料的試驗觀測,路基土的含水量和含冰量是歷年來最低的,證明鋪設復合土工膜效果明顯,防治凍脹引起的翻漿方法可行。

總之對于凍土區路基病害防治措施的發展應注重以下幾個方面:

1)要完善各種路基處理措施的設計理論,從而更好的指導凍土區路基處理實踐的進一步發展。

2)積極進行防凍脹、防融沉材料的研制,開展復合路基及新技術的推廣和應用研究。

3)發展凍土區路基處理的原位測試和監測技術,為實現公路工程建設的動態設計和信息化施工奠定基礎。

6 結語

凍土的性質復雜,凍土區內路基的病害類型繁多且形成原因的理論分析尚未完善。傳統的凍土區路基病害防治措施在一定程度上取得了不錯的效果,但是隨著環境、氣候的變化,工程質量要求的提高以及國家公路建設的發展戰略,新的防治措施的研究日益重要。伴隨著凍土理論的逐步完善和材料科學的進步,新型的材料被不斷地用于凍土區路基病害的防治工程中,并取得了很好的效果,未來的防治措施的重點就在于這種新的有效的防凍害材料的研究上。

[1] 李瑞杰.青藏鐵路多年凍土分析與路基防護技術[J].路基工程,2008(3):180-181.

[2] 王雙杰,陳建兵,章金釗.保溫護道對凍土路基地溫特征的影響[J].中國公路學報,2006,19(1):12-14.

[3] 魏 智,金會軍,韓旭軍.國內外凍土區路基地溫控制措施[J].路基工程,2010(2):32-35.

[4] 李祝龍,章金釗.青藏公路凍土路基沉降的模糊綜合評判[J].公路,2000(2):1-24.

[5] 韓同春.翻漿冒泥的調查和治理[J].鐵路地質與路基,1997,16(4):52-57.

[6] 劉永智,吳春柏,張建民.高原多年凍土地區公路路基溫度場現場實驗研究[J].公路,2000(2):5-8.

[7] 宋 琿,朱 明,袁文忠.季節性凍土地區路基的凍脹與融沉[J].路基工程,2007,130(1):26-28.

[8] 林樂彬,劉寒冰,韓 碩,等.氣泡混合輕質土在道路凍土地基保護中的試驗研究[J].公路交通科技,2009,26(6):55-58.

[9] 王鐵行.多年凍土地區路基計算原理及臨界高度研究[D].西安:長安大學,2001.

[10] 霍凱成,黃繼業,羅國榮.路基凍脹機制及凍害防范整治措施探討[J].巖石力學與工程學報,2002,21(7):1109-1113.