凍土地區(qū)路基病害防治措施現(xiàn)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(tài)包裹體組成的特殊的土體。其成分、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)均不同于一般的土體。凍土對(duì)溫度十分敏感且性質(zhì)易變,對(duì)寒區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)、工程建設(shè)以及人類的生存和發(fā)展有著重要的影響。我國(guó)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(guó)的公路建設(shè)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(zhì)

1)凍土的溫度敏感性。在凍土的物理力學(xué)性能中溫度是最重要的影響因素。凍土的力學(xué)性能與負(fù)溫成正比關(guān)系且溫度的變化導(dǎo)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(jié)土體變得堅(jiān)固;溫度升高,冰融化成水,土體變的松軟。凍土的力學(xué)性能主要取決于土中水的數(shù)量和狀態(tài),而水的狀態(tài)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(shí),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(shí),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(fā)生在劇烈相變區(qū)。

3)凍土的流變性。在外荷載作用下,凍土中應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)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(zhì)之一。它主要包括三個(gè)方面:外荷載保持不變時(shí),其變形隨時(shí)間繼續(xù)增加的蠕變性能;應(yīng)變保持不變,應(yīng)力隨時(shí)間增加而衰減的松弛性能;凍土的強(qiáng)度隨作用荷載的時(shí)間增加而逐漸降低,即長(zhǎng)期強(qiáng)度小于瞬時(shí)強(qiáng)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(dǎo)致凍土路基破壞的主要原因。當(dāng)溫度降低時(shí),土中的水分向凍結(jié)鋒面遷移,并在此結(jié)成冰。由于冰的體積大于相同質(zhì)量的水,所以導(dǎo)致凍土的凍脹。而當(dāng)溫度升高時(shí),凍土中的冰逐漸融化成水,從而造成融化下沉。

3 凍土地區(qū)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(zhì)、水分、氣溫綜合作用的結(jié)果。溫度在 0℃以下時(shí),水變成冰,因而溫度是發(fā)生凍脹的前提。但同時(shí),必須保證有充足的水分對(duì)土體凍結(jié)前及凍結(jié)期給予水分補(bǔ)給,凍脹現(xiàn)象才會(huì)發(fā)生。

2)融沉。融沉是多年凍土地區(qū)路基的主要病害之一。當(dāng)路基基底分布有較厚的地下冰層時(shí),在施工及營(yíng)運(yùn)等人為因素的作用下,凍土發(fā)生局部融化,路基在上覆荷載的作用下產(chǎn)生下沉,對(duì)路基造成嚴(yán)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(fā)生的,凍脹是翻漿形成過程中一個(gè)十分重要的發(fā)展階段。入冬后路基表面開始凍結(jié),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(jié)層仍處于凍結(jié)狀態(tài),凍土層里的冰水較多而又無法排除,就會(huì)使路基上部處于飽水狀態(tài),強(qiáng)度降低,在外荷載的作用下便會(huì)出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象。道路翻漿的影響因素有土質(zhì),水分,溫度,車載及路面等級(jí)。

4 凍土路基病害的基本防治措施

4.1 設(shè)計(jì)方面

在設(shè)計(jì)階段,根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件,采取相應(yīng)的不同設(shè)計(jì)原則。在年平均地溫較低的穩(wěn)定型多年凍土區(qū)應(yīng)采取保持地基凍結(jié)狀態(tài)的設(shè)計(jì)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(qū)道路設(shè)計(jì)首先要解決的問題?，F(xiàn)代規(guī)模較大的凍土地溫控制技術(shù)出現(xiàn)在 20世紀(jì) 60年代,隨后美國(guó)、前蘇聯(lián)和我國(guó)一些凍土區(qū)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(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)和被動(dòng)凍土地溫控制的概念劃分:被動(dòng)地溫控制措施在運(yùn)行期間不要人為提供動(dòng)力,也沒有任何持續(xù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件,是凍土地溫控制最常用的技術(shù);主動(dòng)地溫控制措施,需要?jiǎng)恿χС只驕乜叵到y(tǒng)中有持續(xù)運(yùn)動(dòng)的部件。兩種措施最顯著的區(qū)別在于凍結(jié)過程的人為可控制性和是否提供能量消耗。在凍土區(qū)的道路施工中根據(jù)具體的地質(zhì)條件和工程要求對(duì)地溫控制方式進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

4.2 施工方面

在排水上,當(dāng)路基所處地段凍土含冰量高時(shí),必須保持路基的凍土處于凍結(jié)狀態(tài),排水系統(tǒng)與路基坡角應(yīng)保持足夠距離,嚴(yán)禁坡腳滯水;在基底處理上,當(dāng)路基的地下冰層較薄時(shí),可將其挖出并用填料進(jìn)行回填壓實(shí),再修筑路基,填料需選用保溫隔水性能均較好的細(xì)粒土,同時(shí)控制好土的濕度使其達(dá)到最優(yōu)含水量。當(dāng)基底處于排水困難的地段時(shí)應(yīng)在其底部設(shè)置一層隔離層;在路基高度的設(shè)置上,要使其達(dá)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(shí)上,采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn),使路基在不小于 20 t的壓路機(jī)碾壓 2遍 ～3遍后不出現(xiàn)任何彈軟現(xiàn)象為宜。

5 凍土區(qū)路基處理技術(shù)研究方向

凍土地區(qū)路基處理最新發(fā)展,主要集中在凍土區(qū)路基處理機(jī)械、材料、設(shè)計(jì)計(jì)算理論、施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等各方面。

新材料的使用,提高了凍土區(qū)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(zhì)土在道路凍土地基保護(hù)中的試驗(yàn)研究。他們指出鋪設(shè)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(shù)措施。傳統(tǒng)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(zhì)土是新開發(fā)的人工隔熱保溫材料,具有導(dǎo)熱系數(shù)小,抗凍融性能好、強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單、施工速度快的特點(diǎn)。在我國(guó)北方某一級(jí)公路使用該材料進(jìn)行試驗(yàn)鋪筑,通過對(duì)試驗(yàn)段隔熱效果的檢測(cè)和道路使用狀況的檢測(cè),表明其隔熱效果良好,能夠較好的防止公路的季節(jié)性凍脹與永久凍土路基的融沉?；魟P成,黃繼業(yè)等提出采用復(fù)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(shù)與粗砂相當(dāng),可以保持良好隔斷毛細(xì)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(xì)管上升的高度。因此土工合成材料可切斷毛細(xì)管,使下部土中水分不能供給其上部的土層。1999年在 109國(guó)道改建工程中進(jìn)行了使用該材料的試驗(yàn)觀測(cè),路基土的含水量和含冰量是歷年來最低的,證明鋪設(shè)復(fù)合土工膜效果明顯,防治凍脹引起的翻漿方法可行。

總之對(duì)于凍土區(qū)路基病害防治措施的發(fā)展應(yīng)注重以下幾個(gè)方面:

1)要完善各種路基處理措施的設(shè)計(jì)理論,從而更好的指導(dǎo)凍土區(qū)路基處理實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展。

2)積極進(jìn)行防凍脹、防融沉材料的研制,開展復(fù)合路基及新技術(shù)的推廣和應(yīng)用研究。

3)發(fā)展凍土區(qū)路基處理的原位測(cè)試和監(jiān)測(cè)技術(shù),為實(shí)現(xiàn)公路工程建設(shè)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

凍土的性質(zhì)復(fù)雜,凍土區(qū)內(nèi)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(tǒng)的凍土區(qū)路基病害防治措施在一定程度上取得了不錯(cuò)的效果,但是隨著環(huán)境、氣候的變化,工程質(zhì)量要求的提高以及國(guó)家公路建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)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(xué)的進(jìn)步,新型的材料被不斷地用于凍土區(qū)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(diǎn)就在于這種新的有效的防凍害材料的研究上。

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