大興安嶺地區(qū)公路工程凍害試驗(yàn)段研究

喬保平

一、任務(wù)與工作概況

大興安嶺是“高寒禁區(qū)”，無霜期只有80余天，存在大面積島狀、連續(xù)多年凍土。在公路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程中，由于凍害造成的公路路面凍脹、下沉變形問題非常嚴(yán)重，直接影響行車安全及林區(qū)旅游、礦產(chǎn)開發(fā)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為查明造成凍害的地質(zhì)、氣候等原因，初步解決本地區(qū)因季節(jié)凍土凍脹、多年凍土融化下沉造成的路基變形問題，于2015年2月開始在漠大線二級(jí)公路K103km處選取130米試驗(yàn)段做科學(xué)研究，2016年5月15日結(jié)束外業(yè)勘察、勘測(cè)、測(cè)溫及監(jiān)測(cè)等工作。

本次科學(xué)試驗(yàn)采用設(shè)備及完成工作

本試驗(yàn)于2015年2月27日開始引點(diǎn)布點(diǎn)；2015年3月1日開始野外勘察及測(cè)試，2016年5月15日結(jié)束。凍土路基試驗(yàn)段選在漠大線二級(jí)公路K103km處，長(zhǎng)130米，該段路面每年沉降變化較大，代表性極強(qiáng)。具體試驗(yàn)工作如下：

1、首先布置地質(zhì)勘察，查明路基下地層巖性，凍土結(jié)構(gòu)，凍土類型，共布置5個(gè)斷面10個(gè)勘探孔；地溫觀測(cè)孔4個(gè)深度16米，距離路基5米外，孔內(nèi)分別布設(shè)一根熱敏地溫觀測(cè)線，每根觀測(cè)線安裝30個(gè)熱敏感應(yīng)溫度測(cè)試探頭，共120個(gè)；

2、路基地面觀測(cè)及地溫觀測(cè)

為了更精確測(cè)定路面的沉降凍脹量，采用高精度定位儀RTK一臺(tái)，電子DL-2007水準(zhǔn)儀一臺(tái)，條碼標(biāo)尺水準(zhǔn)尺兩個(gè)；在試驗(yàn)路段路中心線上，布設(shè)27個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，平均15天觀測(cè)次，連續(xù)觀測(cè)一個(gè)周期年，水準(zhǔn)點(diǎn)引用800米外鐵路橋面處國(guó)家點(diǎn)高程。地溫觀測(cè)時(shí)間為一年，每15天觀測(cè)一次，與沉降觀測(cè)同步。

3、查閱收集該段路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙一套，原設(shè)計(jì)原則是保持凍結(jié)設(shè)計(jì)原則，不破壞原地表植被結(jié)構(gòu)，路基為500mm厚砂礫石墊層，6%水泥混凝土水穩(wěn)層300mm厚，路面層為30%水泥混凝土200mm厚。

二、野外測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)分析

1、地質(zhì)勘察：2015年3月20日開始地質(zhì)勘察，經(jīng)踏勘，本地區(qū)地貌單元為山間平地，地層巖性以沖洪積地層為主；經(jīng)鉆探及室內(nèi)土樣分析，本路段地基土地層巖性為：0～8米為粉粘土，黃褐色，凍結(jié)，可見大量薄冰及網(wǎng)狀?yuàn)A冰，冰厚2～5mm不等，融化后軟可塑，干強(qiáng)度中，有韌性； 8～15米花崗巖全風(fēng)化層，黃褐色，肉紅色，中密，凍結(jié)，可見少量細(xì)小（0.5mm以下）的冰晶體，融化后很濕，呈粗細(xì)砂狀；15米以下為花崗巖強(qiáng)風(fēng)化，呈礫砂狀，凍結(jié)，整體凍土，無冰晶及夾冰。

2、本路段地基土凍土類型：根據(jù)勘察及試驗(yàn)結(jié)果分析，該地段的3.0米以上為季節(jié)凍土，粘性土平均含水量在35%以上，塑性含水量在23%左右，根據(jù)季節(jié)凍土凍脹性分類，該試驗(yàn)段季節(jié)凍土凍脹類別屬于強(qiáng)凍脹；3.0米以下凍土屬于連續(xù)、銜接型多年凍土；總含水量大于35%，局部含冰層總含水量達(dá)到40%，根據(jù)總含水量劃分多年凍土融沉性分類，屬于富冰型凍土，類別為融沉；飽冰型凍土，類別為強(qiáng)融沉；根據(jù)地溫-0.5～-1.2℃，該路段地基土屬于不穩(wěn)定凍土帶和基本穩(wěn)定帶。

3、經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè)地溫，勘查區(qū)為銜接多年凍土，季節(jié)最大融化深度為3～4米；一段面出現(xiàn)特殊現(xiàn)象，融化至6.0米；每年的5月5日開始自上而下開始融化，10月下旬開始自上而下、自下而上同時(shí)凍結(jié)，至11月10日左右融化凍土全部又凍結(jié)完畢。

4、根據(jù)路基試驗(yàn)段27點(diǎn)地面高程一年的監(jiān)測(cè)結(jié)果，融化下沉的最低點(diǎn)在10月21～30日，而凍脹最高點(diǎn)在4月20～28日之間，平均高差為10cm。

三、分析凍害產(chǎn)生原因

根據(jù)一年的觀測(cè)資料，結(jié)合地質(zhì)地貌、氣候變化分析該試驗(yàn)段造成路基沉降、凍脹的主要原因有以下幾點(diǎn)。

1、根據(jù)地溫觀測(cè)及分析，該試驗(yàn)段路面吸熱導(dǎo)致路基最大融化深度達(dá)3.0～4.0米，綜合分析，形成凍害的主要原因?yàn)榧竟?jié)凍土的強(qiáng)凍脹及季節(jié)凍土完全融化和1米左右厚多年凍土融化造成的路基土綜合下沉；第一段面處地溫融化深度達(dá)到6米，主要原因是地溫管周側(cè)回填時(shí)沒有封閉好，由地表水直接流入孔內(nèi)造成的，該斷面路面沉降與其它路段一致，屬于異常案例。

2、公路建設(shè)后，由于路基的填高，堵塞公路上游地表水自由排泄通道，使地表水不能正常排泄到公路下游低洼地帶，在公路上游大量積水形成人工湖泊，并使路基土長(zhǎng)期浸泡水中，造成融化的路基土及地基土含水量增大達(dá)飽和狀態(tài)。冬季隨著氣溫的下降，季節(jié)凍深的逐漸加大，地基土內(nèi)結(jié)合水凍結(jié)呈冰，路基土及地基土體積膨脹并逐漸開始向上產(chǎn)生不均勻凍脹。

3、根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)，平均融沉量10cm；建設(shè)路基結(jié)構(gòu)層厚度1.0米。自5月8日開始，隨著氣溫的回暖，路基自上而下開始逐漸融化，直至10月26日左右融化至最深4米，在重型貨車通過時(shí)，上部壓力不斷導(dǎo)入路基，使路基中水分因受壓被擠出，路基土不同程度的被壓密，產(chǎn)生不均勻沉降。

4、公路路基最底層，回填土應(yīng)回填碎石土，該路段沒有碎石土墊層，造成路基土與自然地面接觸帶骨架膠結(jié)強(qiáng)度不夠大，也是引起變形原因之一。

四、病害處理方案

1、路基結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)厚度不足：根據(jù)地溫測(cè)試分析，最大融化深度4米，已建公路路基結(jié)構(gòu)層總厚度1.0米，不能確保路基下凍土始終保持凍結(jié)；建議路基結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)厚度不小于4.0米，路基底部?jī)蓚?cè)應(yīng)增設(shè)寬1.5米以上，高3米的三角形輔助路基。

2、因修建公路后，路基形成天然大壩，阻隔地表水及淺層孔隙潛水向下游排泄，由于長(zhǎng)期積水使路基及地基土含水率增大，冬季產(chǎn)生強(qiáng)烈凍脹；設(shè)計(jì)時(shí)宜在公路低洼地段增設(shè)排水管涵，及時(shí)排出上游大氣降水，保持路基最優(yōu)含水率。

3、在多年凍土地區(qū)，路基底部墊層應(yīng)設(shè)計(jì)厚度50～100cm、直徑不小于20cm的碎石土做路基基底墊層，以增強(qiáng)路基的骨架強(qiáng)度，同時(shí)增大底部墊層與自然地面接觸的孔隙，減小地表水向上部路基土的遷移，也便于地表水向低洼地段排泄。