應用碎石樁法的路基凍害防治試驗研究

王曉華 趙兵霞

(化工部鄭州地質工程勘察院，河南鄭州 450011)

0 引言

近年來隨著極端氣候的頻繁出現，大量的已建、新建鐵路路基將面臨季節凍土區帶來的凍脹與融沉等路基凍害。凍土路基的病害主要為凍脹、融沉、縱裂、波浪、橫裂、扭曲、反拱等［1］。近年來有許多學者對凍土的防治做了研究，其中，郭奕清［2］對于凍土地區路基的主要病害分析與防治措施進行了研究;任國華［3］對路基凍害成因及其治理方法進行了探討;王正秋［4］研究了粒度成分對細砂凍脹性的影響;周有才等［5］探討了中粗砂換填地基的防凍害效果;卞曉琳等［6］對于土體凍脹與地下水關系做了大量研究;周景明等［7］對于多年凍土地區的路基施工做了研究;扈長龍等［8］研究了季節凍土區凍脹成因及防治措施;劉建坤等［9］對于季節凍土區鐵路路基變形監測及凍害原因進行了分析;賈振忠［10］研究了遼西地區路基凍害的防治措施;龐國良［11］探討了季節凍土最大凍深的問題;國際學者Kondratjev V G.等［12］也對凍土防治問題做了研究。總之，對于凍土的防治與治理應該也必須得到社會廣泛的研究與關注，而且目前可以將防治道路凍害的措施歸納為以下幾類:

1)采用非凍害材料換填凍害土的“置換法”;

2)在路基中設置隔溫層，提高凍害土的溫度，減少凍害的“隔溫法”;

3)在凍脹土中摻入石灰和水泥，改變其凍結性質，降低凍結溫度的“穩定處理法”;

4)利用沒有毛細作用的大粒徑顆粒土或者隔水材料的“隔水法”。

本試驗針對錦州至承德鐵路K39+780 m里程附近的凍害，并依據現場路基土體的實際水文地質情況，得到毛細水上升是導致土體產生嚴重凍害的主要原因，因此切斷水分上升通道，阻斷水源的補給是一個行之有效的措施。本實驗最終決定采用在已建的路基中埋設橫向碎石樁法來解決路基的凍脹問題。試驗將路基簡化為箱體模型，并在其中按不同的間距和不同樁直徑來測定其水分遷移情況，以此最終確定能夠起到隔水作用的最合適間距與最合適樁徑。

1 工程實例

錦承線K39+780 m位于阜新市新邱區。錦承線K39+780 m里程附近凍害最為嚴重，歷史最大凍脹量達30 mm，已經嚴重威脅到行車安全。該地區土體的基本物理力學指標見表1。

表1 K39+780 m處路基土基本物理力學指標

2 試驗簡介

依據路堤的實際填土情況，首先按高度比為1∶2制作試驗用箱體，箱體尺寸為150 cm(長)×50 cm(寬)×80 cm(高)。在箱體底部布設地下水模擬補給通道，即箱體兩邊各布設3個進水閥。然后依據錦承線下線K39+780 m處的鐵路路基的實際情況布設土層。箱體中下層土體約15 cm，之后設置不同間距和不同直徑的橫向碎石樁，見圖1。

通過測量同一直徑所對應的不同間距時不同深度處含水量的變化量來確定橫向碎石樁的最佳間距和最佳直徑。其間距和直徑見表2，橫向碎石樁實物見圖2。通過距箱底高10 cm的地方插入進水管，向其中注水并控制其水位依次為10 cm，12 cm，15 cm，20 cm。

圖2 橫向碎石樁實物布設圖

表2 橫向碎石樁參數 cm

3 結果分析

通過測量不同直徑、不同間距的橫向碎石樁的阻水效果，繪制出含水量隨深度的變化圖像(結果見圖3～圖5)。

圖3試驗水位依次設定為10 cm，12 cm，15 cm，20 cm，測定5 cm，15 cm，25 cm不同深度處含水量。直徑為15 cm，間距25 cm。

圖4試驗水位依次設定為10 cm，12 cm，15 cm，20 cm，測定5 cm，15 cm，25 cm深度處含水量。直徑為20 cm，間距30 cm。

圖5試驗水位依次設定為10 cm，15 cm，20 cm，30 cm，35 cm，測定5 cm，15 cm，25 cm，35 cm，45 cm和50 cm深度處含水量。直徑為25 cm，間距35 cm。

圖3 含水量隨深度的變化（一）

圖4 含水量隨深度的變化（二）

圖5 含水量隨深度的變化（三）

圖6 溫度與凍結高度的變化關系圖

試驗結果表明，橫向碎石樁具有明顯的阻斷毛細水上升的效果。隨著樁間距的減小和樁徑的增大，地下水上升程度減小。從試驗結果即實際工程操作的難易程度來看，樁的直徑為20 cm，間距為30 cm效果較好。樁的直徑過大，不利于工程施工，且對于地下水位上升的阻礙效果增加的不是很理想(對比圖4與圖5可以看出);樁的直徑過小，雖然施工方便，但阻水效果不明顯(對比圖3與圖4可以看出)。

雖然橫向碎石樁的阻止毛細水上升的效果得到了確認，但對于土體凍結過程中的分凝作用是否也有效;或者說所研究的土體分凝作用是否明顯，仍需要凍土試驗進一步驗證。

圖6為不同取土深度時，溫度與凍結高度的變化情況。可以看出，溫度從20℃降至0℃以下時，土體發生凍脹，且凍脹量較為明顯。土體發生凍結后，隨著溫度的降低，凍脹量幾乎不再變化，但此時土體強度會顯著增加，有研究認為當溫度低于-70℃時，土體強度才會停止增加［1］。

本試驗的實驗結果是土體中鋪設5根直徑分別為15 cm，20 cm，25 cm，間距分別為25 cm，35 cm，45 cm橫向碎石樁時的結果。根據以上實驗結果分析，可知橫向碎石樁上層土體的凍脹量較下層土體的凍脹量有較大的減小，此試驗結果符合設計試驗結果。因此在實際工程當中可以采用在路基中增加橫向碎石樁的辦法，阻止毛細水的上升，減小表層土體的凍脹量。

4 結語

1)在路基土體中按一定間距布設橫向碎石樁，能有效阻斷地下水位的上升，從而可以顯著的控制土體凍害程度，同時能夠提高路基的承載力。在現有路基防凍害處理中，這是一種切實可行的工程措施。

2)為確定切實可行的工程措施，研究了土體的強度及凍融特性與橫向碎石樁布設尺寸之間的關系。本試驗結果建議樁的直徑為20 cm，間距為30 cm效果較好。但考慮到模型的尺寸效應，建議在實際施工中將此直徑和間距適當擴大。

［1］ Tzytovich H A.Translated by Zhang Changqing，Zhu Yuanlin.Frozen Soil Mechanics［M］.Beijing:Science Press，1985.

［2］ 郭奕清.凍土地區路基的主要病害分析與防治措施［J］.山西建筑，2007，33(27):309-310.

［3］ 任國華.路基凍害成因及治理方法淺議［J］.煤炭技術，2005(12):108.

［4］ 王正秋.粒度成分對細砂凍脹性的影響［J］.冰川凍土，1980(3):24-28.

［5］ 周有才.中粗砂換填地基的防凍害效果［J］.冰川凍土，1986(3):227-232.

［6］ 卞曉琳，何 平，施燁輝.土體凍脹與地下水關系的研究進展［J］.中國農村水利水電，2007(4):27.

［7］ 周景明，李新宇，王世杰.多年凍土地區的路基施工［J］.黑龍江科技信息，2010(19):254.

［8］ 扈長龍，馬玉龍.淺談季凍區凍脹成因及防治［J］.黑龍江科技信息，2010(18):258.

［9］ 田亞護，溫立光，劉建坤.季節凍土區鐵路路基變形監測及凍害原因分析［J］.鐵道建筑，2010(7):104-107.

［10］ 賈振忠.淺談遼西地區路基凍害防治措施［J］.北方交通，2010(2):14-16.

［11］ 龐國良.關于季節凍土最大凍深的討論［J］.冰川凍土，1986(3):253-254.

［12］ Kondratjev V G.Problems and Ways of permafrost preservation in the Roadbed Basis［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2004，26(S1):8-11.