分層加筋技術(shù)在凍土路基裂縫防治中的應(yīng)用

郭韞武

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計院,烏魯木齊 830011)

1 概述

青藏鐵路多年凍土地區(qū)長度為546.43 km,融沉、凍脹和不良凍土現(xiàn)象是其主要工程地質(zhì)問題。受多年凍土工程地質(zhì)特性的影響,多年凍土地區(qū)路基工程產(chǎn)生不同于一般地區(qū)的特殊病害,主要有地基融沉,路塹邊坡溜坍,不同結(jié)構(gòu)物、不同地質(zhì)條件銜接部位的不均勻沉降,路基開裂等[1]。為保證凍土路基穩(wěn)定,青藏鐵路在保護(hù)多年凍土的路基結(jié)構(gòu)中,分層鋪設(shè)土工格柵,有效抑制了路基裂縫的產(chǎn)生或發(fā)展,取得了很好的效果。本文介紹了分層加筋技術(shù)試驗研究及其應(yīng)用,供青藏鐵路養(yǎng)護(hù)維修及類似工程參考。

2 凍土路基裂縫

凍土路基裂縫,是多年凍土工程地質(zhì)特性與路基工程共同作用的結(jié)果。

2.1 主要影響因素[1]

影響多年凍土工程地質(zhì)條件的主要有以下三大因素。

(1)融沉性

土體含冰是多年凍土有別于其他類巖土的根本所在,是引起地基融沉、邊坡溜坍等病害的關(guān)鍵因素。低含冰量凍土融化對路基工程產(chǎn)生的影響較輕,而高含冰量凍土融化則易導(dǎo)致路基工程發(fā)生沉降變形,影響路基工程的正常使用。

(2)地溫

多年凍土土體溫度(簡稱地溫)是反映多年凍土熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo),一般用年平均地溫(Tcp)表示,即年較差為零的深度處的地溫。年平均地溫低,多年凍土的蓄冷量大,熱穩(wěn)定性好；年平均地溫高,多年凍土的蓄冷量小,熱穩(wěn)定性差。

(3)環(huán)境變化

環(huán)境變化使多年凍土的熱穩(wěn)定性發(fā)生變化。氣溫變化、人為活動將引起多年凍土地溫場變化；地面積水將減小多年凍土的冷儲量；植被退化會致多年凍土吸收的太陽輻射熱量增加,多年凍土的冷儲量減小。

2.2 機(jī)理分析

路基是跨越各種地質(zhì)、地貌、凍土環(huán)境的長距離帶狀結(jié)構(gòu)物,具有與大自然接觸廣的特點(diǎn),氣溫、多年凍土地基的年平均地溫、含冰量、太陽輻射、凍結(jié)層上水、路基斷面的結(jié)構(gòu)形式、路基邊坡的朝向、施工季節(jié)、施工方式等都會影響路基基底下多年凍土地基的熱穩(wěn)定性,尤其是多年凍土上限附近的厚層地下冰和高含冰量凍土,從而導(dǎo)致多年凍土路基發(fā)生融沉。

在反復(fù)的凍結(jié)和融化作用下,最大融化深度范圍內(nèi)的路基土體相應(yīng)地發(fā)生凍脹和融沉變形,導(dǎo)致路基土體強(qiáng)度下降,尤其在凍脹和融沉變形較大的表層,土體強(qiáng)度下降幅度較大。再者,由于路基陰陽坡受太陽輻射強(qiáng)度差別的影響,導(dǎo)致路基溫度場、多年凍土人為上限的橫向不對稱,產(chǎn)生橫向的不均勻沉降。兩方面因素導(dǎo)致多年凍土路基易出現(xiàn)縱向裂縫[2](圖1)。裂縫寬度在幾毫米甚至幾十毫米,長度在幾米甚至幾十米。

圖1 路基裂縫

2.3 裂縫防治

在多年凍土區(qū)修建路基工程,關(guān)鍵在于保護(hù)凍土地基不發(fā)生融化和退化,使工程結(jié)構(gòu)置于穩(wěn)固的地基上。保護(hù)措施從工作原理可分為主動保護(hù)和被動保護(hù)兩類,根據(jù)應(yīng)用情況分為主動保護(hù)、被動保護(hù)。能夠促使地基或路基土體散熱,降低土體溫度,維持凍結(jié)狀態(tài),從而防止融沉或凍脹變形的工程措施,稱為主動保護(hù)措施,如熱棒、片石氣冷、碎石護(hù)坡、通風(fēng)管路基等。采用隔熱材料或其他工藝降低導(dǎo)熱系數(shù),增強(qiáng)保溫效果,防止路基與大氣進(jìn)行熱交換,從而防止季節(jié)性融沉和凍脹病害的工程措施,稱為被動保護(hù)措施,如增加路基填高、保溫材料等[3]。

在凍土路基中分層鋪設(shè)土工格柵,利用土工格柵良好的抗拉性能,能夠提高路堤土體的強(qiáng)度,增強(qiáng)路堤的整體穩(wěn)定性,減少路基土體自中心向兩側(cè)的水平位移,抑制路堤裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,是防治裂縫的有效措施。

3 凍土路堤加筋試驗[4]

為準(zhǔn)確評價和預(yù)測加筋對凍土路堤變形約束的有效性,為設(shè)計提供合理的技術(shù)指標(biāo)、提出合理的施工工藝,指導(dǎo)設(shè)計與施工,2001年在清水河建立了加筋土路堤試驗工程,長150 m,現(xiàn)場測試工作時期為2001年11月底～2004年12月底。

3.1 加筋材料室內(nèi)實(shí)驗

清水河加筋土路堤采用的土工格柵為滌綸經(jīng)編土工格柵,其化學(xué)成分屬于聚酯纖維,其產(chǎn)品各項指標(biāo)見表1。

表1 滌綸纖維土工格柵各項指標(biāo)

土工格柵抗拉強(qiáng)度有橫向與縱向之分,因此分別對現(xiàn)場采用的土工格柵,在橫縱方向上分別進(jìn)行了拉伸試驗。清水河加筋路堤采用為滌綸經(jīng)編土工格柵,網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm,幅寬5.3 m,具體試驗結(jié)果見表2。

表2 滌綸纖維土工格柵測試項目

通過對土工格柵的抗拉試驗,得到縱向、橫向抗拉強(qiáng)度分別是29.956 kN/m和25.376 kN/m,滿足設(shè)計要求[5]。

3.2 現(xiàn)場測試

試驗主要研究了不同加筋間距的效果對比,即：在路基面以下3.5 m范圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵,其間距分別為0.6 m和0.9 m,土工格柵抗拉強(qiáng)度不小于30 kN/m[6]。

對加筋土路堤陽坡路肩與陰坡路肩的水平位移量比較發(fā)現(xiàn)(表3)：無加筋路基的分別為58.6 mm和28.4 mm；0.6 m加筋間距的分別為19.8 mm和12.0 mm,分別減小了66.2%和57.8%；而0.9 m加筋間距的分別為29.9 mm和22.2 mm,分別減小了49.0%和21.8%。說明加筋路基能有效地減小路基的水平位移,從而能抑制路基裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

表3 不同加筋方式下路肩水平位移對比

3.3 加筋路基裂縫情況

2002年8月以后,在加筋土試驗段內(nèi),路基的不同位置處出現(xiàn)有長度、寬度和形狀各不相同的裂縫,具體分布情況見表4。

表4 清水河試驗段加筋路堤裂縫調(diào)查情況

試驗說明：在加筋段,裂縫以縱向裂縫為主,出現(xiàn)的部位主要是在陽坡護(hù)道的陽坡坡面上,而加筋路堤的保溫護(hù)道中沒有設(shè)置土工格柵；在無加筋地段,路堤邊坡上也出現(xiàn)了縱向裂縫,裂縫開裂處比較粗糙說明加筋對于抑制路基裂縫的產(chǎn)生是有效的。

另外,在加筋段的裂縫開裂程度明顯比普通路基的裂縫要小,并且延伸的長度相對較短。對于2種加筋方式,0.6 m加筋間距斷面比0.9 m加筋間距斷面的開裂程度要小。說明采用0.6 m加筋較0.9 m加筋的效果好。

3.4 主要研究結(jié)論

(1)采用土工格柵的加筋路堤較之非加筋路堤其變形要均勻,說明土工格柵加筋層對防止路基縱向裂縫的產(chǎn)生、提高路基的整體性有明顯的作用。

(2)0.6 m加筋間距比0.9 m加筋間距的效果更加明顯。

4 加筋技術(shù)應(yīng)用

青藏鐵路首次在凍土路基中分層鋪設(shè)土工格柵,加筋路基總長81.75 km[1],加筋技術(shù)在高含冰量凍土路基工程中得到廣泛應(yīng)用。

4.1 高含冰量凍土地段路堤

在采用主動保護(hù)凍土措施的基礎(chǔ)上,填土高度大于3 m時,在路堤上部2 m范圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵；填土高度大于6 m時,在路堤上部4 m范圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵。土工格柵鋪設(shè)間距0.9 m,最上一層距離路基面0.4 m[7]。見圖2、圖3。

圖2 設(shè)置片石護(hù)坡地段路基斷面形式

圖3 設(shè)置片石氣冷、片石護(hù)坡地段路基斷面形式

4.2 高含冰量凍土地段路塹

為保護(hù)路塹邊坡下的高含冰量凍土,邊坡超挖換填粗顆粒土保溫。填筑保溫層前,在開挖的路塹邊坡上挖臺階,臺階與保溫層間鋪設(shè)土工格柵,使保溫層與其下多年凍土的緊密結(jié)合,防止因保溫層沿?fù)Q填開挖面蠕滑導(dǎo)致的塹頂開裂[7]。路基斷面形式見圖4。

圖4 高含冰量凍土路塹斷面形式

5 結(jié)語

青藏鐵路自開通運(yùn)營以來,列車在多年凍土地區(qū)按設(shè)計速度100 km/h運(yùn)行平穩(wěn),多年凍土地區(qū)路基工程沉降變形穩(wěn)定可控,多年凍土路基片石氣冷、碎石護(hù)坡、熱管、分層加筋、排水、以橋代路等多年凍土路基工程成套工程技術(shù)措施安全可靠[1]。工程實(shí)踐表明：在凍土路基中分層鋪設(shè)土工格柵,利用其良好的抗拉性能,可提高填土強(qiáng)度,增強(qiáng)填土路基的整體穩(wěn)定性,減少路基土體的水平位移,是抑制路基裂縫產(chǎn)生、發(fā)展的有效手段。同時,分層加筋技術(shù)也是對加筋土工程應(yīng)用范圍的擴(kuò)展,豐富了加筋技術(shù)的內(nèi)涵。

[1] 鐵道第一勘察設(shè)計院.青藏鐵路建設(shè)總結(jié)·勘察設(shè)計卷[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計院,2007.

[2] 張魯新,原思成,楊永平.青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形裂縫發(fā)生機(jī)理及其防治[J].第四紀(jì)研究,2003,23(6):604-609.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

[4] 葛建軍,曹元平.青藏鐵路多年凍土路基新結(jié)構(gòu)試驗研究[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計院,2007.

[5] 鐵道第一勘察設(shè)計院.青藏鐵路高原多年凍土區(qū)工程設(shè)計暫行規(guī)定(上冊)[S].2003年局部修訂版.北京：中國鐵道出版社,2003.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10118—2006 鐵路路基土工合成材料應(yīng)用設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

[7] 王多青.多年凍土路基工程技術(shù)探索與實(shí)踐[J].鐵道建筑技術(shù),2009(9):60-64.