談改進(jìn)融區(qū)道路路基的技術(shù)方案

昝雷娜

(石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)第五公路工程處,石家莊 050000)

談改進(jìn)融區(qū)道路路基的技術(shù)方案

昝雷娜

(石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)第五公路工程處,石家莊 050000)

提出了一種在保證施工安全前提下提高融區(qū)道路路基的新技術(shù)方案，即使用土工布和土工格柵；并對(duì)在多年凍土中使用土工布和土工格柵后，對(duì)基礎(chǔ)的機(jī)械性能和溫度變化進(jìn)行了計(jì)算、觀察和分析研究。

多年凍土;基礎(chǔ);土工布;土工格柵

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.018

1　引言

凍融區(qū)的建筑物及道路在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)凍土惡化、融區(qū)擴(kuò)散及融區(qū)新生等導(dǎo)致的問(wèn)題[1]。這些問(wèn)題是由人為影響或惡化的地表水引起的。

融區(qū)土壤具有流體彈性一致性和強(qiáng)度低的特點(diǎn)，尤其位于堤壩的下斜坡，由于土壤凍脹和邊坡穩(wěn)定性的失效[2]，容易產(chǎn)生不均勻沉降。為了消除凍區(qū)沉降帶來(lái)的危害，有人在凍土路基施工過(guò)程中提出了基礎(chǔ)改進(jìn)技術(shù)方案[3]。該方案包括3個(gè)步驟：(1)采用振動(dòng)器和鉆井設(shè)備工作平臺(tái)，使用密集技術(shù)保證基體上層的穩(wěn)定；(2)安裝土工布；(3)施工中鋪設(shè)土工格柵壓實(shí)路基。目前，隨著水泥砂柱及其膠結(jié)工藝的提高軟弱地基的施工技術(shù)的改進(jìn)，有效地減少了水泥用量，降低了建設(shè)成本。

安裝土工布技術(shù)可改善薄弱的基礎(chǔ)。該技術(shù)允許填料砂柱的構(gòu)造變形，將非黏性材料放置在一個(gè)均勻排列的層上，將結(jié)構(gòu)載荷傳遞至持力層。向外的徑向水平應(yīng)力不僅抵消軟土的內(nèi)向壓力，同時(shí)抵消了土工外殼的徑向阻力。在殼體中產(chǎn)生的周向拉力為柱提供了徑向支撐，保障了系統(tǒng)的平衡，從而使其在非常軟土中很實(shí)用。不過(guò)，對(duì)流體彈性一致性的土壤實(shí)現(xiàn)該方法的效率會(huì)降低。此外，由于土壤位于土工布列之間的低承載能力，該列必須緊密且有規(guī)律的間隔。

2　深入改進(jìn)融區(qū)土

深入改善土工織物套砂柱和土工格柵進(jìn)行矯正上述缺陷。此方法還解決了排水對(duì)土壤密度和強(qiáng)度提高的影響。本文采用了凍融地區(qū)高速公路的工藝參數(shù)，并進(jìn)行分析計(jì)算。其主要思想是，形成一列場(chǎng)，直接變化動(dòng)負(fù)荷，同時(shí)，通過(guò)控制軟土的穩(wěn)定性提高基礎(chǔ)性能。砂柱用作排水功能并提高飽和土固節(jié)強(qiáng)度。水分減少會(huì)導(dǎo)致土壤承載力的提高，并允許修改后的土承擔(dān)更大的負(fù)荷。

根據(jù)施工中參數(shù)及規(guī)范，設(shè)計(jì)施工中的多年凍土區(qū)，確定本模型的凍土厚度，包括解凍和凍結(jié)的土壤的熱傳導(dǎo)率，夏季和冬季溫度的平衡、凍土層的相變熱、每一層密度和濕度。分析高速公路的這些參數(shù)，模擬顯示路基應(yīng)力狀態(tài)，確定融區(qū)土形成的必然性及其在基地的發(fā)展。圖1為3.5m融區(qū)土3a內(nèi)的熱場(chǎng)預(yù)測(cè)及其發(fā)展。其厚度達(dá)15～20m，凍土層在路基下的不連續(xù)分布。

圖1　3.5m融區(qū)土3a內(nèi)的熱場(chǎng)預(yù)測(cè)及其發(fā)展

圖1中，hr表示融區(qū)土厚度；Ha為活性層的厚度；彩條表示溫度。

計(jì)算路基基礎(chǔ)穩(wěn)定下的活荷載，安全系數(shù)取為0.64～0.76。不考慮路基穩(wěn)定性，且在原來(lái)的施工條件下排除融區(qū)土的擴(kuò)散。地基的強(qiáng)度和應(yīng)變特性的下限值根據(jù)在固定區(qū)域內(nèi)的斜坡設(shè)定。問(wèn)題關(guān)鍵是不僅要定義凍土區(qū)域，而且要采取建設(shè)性和技術(shù)上的決策來(lái)改善土壤穩(wěn)定性。因此，為深入改善基礎(chǔ)，對(duì)施工過(guò)程中的土壤安裝了穩(wěn)定振動(dòng)器和鉆井設(shè)備。這包括安排橫向排水溝和用土工布覆蓋保護(hù)層，并強(qiáng)烈壓實(shí)地基。當(dāng)軟土密集通過(guò)一個(gè)保護(hù)層時(shí)，水從軟土中被擠出。排水管寬1.2m，深度不大于1m，半礫石過(guò)濾系數(shù)Kf>4m/d。排水管設(shè)置在有飽和水的土壤中，以減少水過(guò)濾的方法來(lái)加速地基固結(jié)。

排水開(kāi)挖、施工作業(yè)平臺(tái)的施工，應(yīng)在活動(dòng)層凍結(jié)前完成柱安裝，以充分利用水遷移到保護(hù)層和水平排水?dāng)D壓的優(yōu)點(diǎn)。該模型中，應(yīng)當(dāng)考慮如下限制：

式中，Ps是安全荷載能力，取決于活躍層深度范圍內(nèi)的最低值；Pr為土壤極限承載力，這取決于模型質(zhì)量、加載速度和振動(dòng)水平荷載；Pp是保護(hù)層荷載；Pw為孔隙水壓力。Ps取決于荷載的形狀、所定義的地平線的位置深度、土壤摩擦角和凝聚力。

工作平臺(tái)的集中建設(shè)，包括每天逐步增加荷載。每個(gè)步驟計(jì)算土的沉降，其取決于土的特性，計(jì)算有源層的沉降量Sa，及融區(qū)土的總沉降量St：

式中，ha、hT分別為源層和凍融層土的厚度；Pa和Pp分別為引起活性和保護(hù)層的荷載；Pr為土壤的調(diào)節(jié)負(fù)載；Ea和ET分別為有源層和凍融層土的變形模量。

土壓縮期間利用分層總和法計(jì)算沉降。壓縮循環(huán)操作所對(duì)應(yīng)的沉降變化的結(jié)論與可變負(fù)載（考慮土壤強(qiáng)度變化）的下一步關(guān)系還需確定。首先，確定構(gòu)建的工作平臺(tái)，土工布型，所述保護(hù)層的厚度應(yīng)根據(jù)振動(dòng)器下土的承載能力和鉆探設(shè)備確定。第二，基礎(chǔ)改進(jìn)時(shí)，安裝土工布砂柱可增加凍融區(qū)的底土強(qiáng)度特性。初始土壤特性與施加的荷載需要指定，并確定基底上部區(qū)域的荷載是提高的。曲線索引值m為所有層包括活荷載下區(qū)域的穩(wěn)定性的量。這個(gè)數(shù)值由豎直強(qiáng)度來(lái)確定，該數(shù)值由每一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的軟土地基上的安全負(fù)載能力率來(lái)定義的。索引m等于塔的直徑dc

本實(shí)例路基情況下，實(shí)驗(yàn)計(jì)算堤防基礎(chǔ)的基本參數(shù)分別定義為：塔徑為0.8～1.0m，柱間距為2.0～2.5m，土工布密度為400g/cm2。

用下面的公式計(jì)算振動(dòng)位移后的軟土厚度：

式中，籽i為軟土初始密度；是軟基柱鋼筋的百分比，可表示為：

柱施工時(shí)的振動(dòng)位移法或開(kāi)挖法均按照規(guī)范性文件進(jìn)行。在柱施工開(kāi)挖時(shí)，由于只有土工布列的環(huán)拉力，列之間的空間被壓縮。在這種情況下，最初的土壤密度應(yīng)乘以索引值。第二階段，在活荷載作用在土工格柵的網(wǎng)格時(shí)，檢查和預(yù)測(cè)土壤承載力。若不符合安全要求，應(yīng)用第三步的技術(shù)改進(jìn)。第三步是施工壓實(shí)網(wǎng)格。包括：將土工布?jí)|上面，安排保護(hù)砂層，集約化振動(dòng)壓實(shí)。移動(dòng)活載至列及列之間的空間，在安全系數(shù)范圍內(nèi)。負(fù)荷應(yīng)為最大值，考慮各層的承載能力。

歸根到底，確定土工布列及網(wǎng)之間區(qū)域限定的承載能力，并評(píng)估各列的軟土強(qiáng)度和變形的影響。一個(gè)列中的設(shè)計(jì)荷載由如下公式計(jì)算：

式中，Pz為各列間的區(qū)間負(fù)荷，P0為全部活荷載?；詈奢d分布Pz/P0取決于索引系數(shù)m，其包括土壓力指數(shù)、土壓力指數(shù)和基礎(chǔ)相對(duì)沉降。

移動(dòng)到一列中的負(fù)載應(yīng)設(shè)置低于承載能力、條件荷載效應(yīng)指數(shù)、施工重要度指數(shù)，并考慮到安全性。誘導(dǎo)軟土和一列套管的反壓力定義造成柱水平應(yīng)力，影響它們之間的區(qū)域不可忽視。引起柱合并的應(yīng)力值使用以下方法測(cè)定：

式中，Px為一列的水平應(yīng)力；Ps為軟土反應(yīng)性水平應(yīng)力，其可表示為：是施加的載荷分布因子，Kp為土壓力指數(shù)，Pz為水平約束應(yīng)力）。

在壓實(shí)及沉降的過(guò)程中振動(dòng)壓實(shí)并加入砂填料，通過(guò)將軟土替換為沙量作為結(jié)算量來(lái)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的自我調(diào)節(jié)。由于上層的砂墊層，活性層的土體變形模量增大。鋪設(shè)網(wǎng)格的頂側(cè)土工布?jí)|是最后一步。此墊被帶入橫向排水溝和用作防水層保護(hù)參透地表水的基座，如圖2所示。

圖2　融區(qū)土地地基改善

3　結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述技術(shù)，本研究進(jìn)行了如圖3的試驗(yàn)，利用條件最符合的土工長(zhǎng)砂柱。試驗(yàn)臺(tái)的頂部設(shè)計(jì)了便攜式壁架，以分別檢查負(fù)載沖擊時(shí)的列和它們之間的區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)果表明。在安裝格柵之后，沉降量變小且軟土強(qiáng)度增加，如圖4所示。

圖3　土工布砂樁聯(lián)合土工格柵的試驗(yàn)

圖4　在荷載P下結(jié)構(gòu)柱的沉降變化

評(píng)估排水系統(tǒng)，就必須考慮到不同水分遷移對(duì)凍結(jié)黏土和沙土的影響。粘土變潮濕，在霜凍區(qū)沙中水分流失。飽和砂土中，水不朝霜邊界流動(dòng)，以自由水形式流出。綜上所述，排水系統(tǒng)出入水和融區(qū)土的沉降利用密集壓實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。融區(qū)土的熱導(dǎo)率減小且傳播速度變慢時(shí)濕氣降低。這一事實(shí)決定了凍土融化及永久凍土層上移的客觀事實(shí)。

圖4中，1曲線為初步解決的沉降曲線；2曲線為改善列之間的區(qū)域沉降。

4　結(jié)論

這種使用土工布和土工格柵來(lái)深入改良融區(qū)土壤的技術(shù)，是利用土工布長(zhǎng)列和集約化基地的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同效應(yīng)表現(xiàn)為新質(zhì)量，形成一個(gè)緊湊的網(wǎng)格（改進(jìn)的地面和土工布層）上的土工布列的頂部。融區(qū)土水分減少導(dǎo)致厚度的減小。所以，這個(gè)新的基礎(chǔ)施工方法提供以下內(nèi)容：土工布列之間形成網(wǎng)格的土工長(zhǎng)列的區(qū)域，當(dāng)活荷載在土工格柵上移動(dòng)時(shí)，壓實(shí)使變形模量增大，軟基承載能力增加。

【1】張文慧,王保田.雙向土工格柵與黏土界面作用特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2007(5)：32-35.

【2】嚴(yán)秋榮,鄧衛(wèi)東,鄧昌中.高強(qiáng)土工格柵蠕變強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(4)：45-47.

【3】張孟喜,林青松,劉飛禹.循環(huán)荷載作用下土工格柵拉伸試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2010(7)54-55.

Discussion on the Technical Scheme of Improving Road Subgrade in Financial District

ZAN Lei-na
(Shijiazhuang Highway Bridge Construction Group Fifth Highway Engineering Department,Shijiazhuang 050000,China)

In this paper,a new technology scheme,which is based on the premise of ensuring the safety of construction,to improve the road embankment in the financial district,is used for the calculation of mechanical properties and temperature variation.

permafrost；base；geotextile；geogrid

U419.92

B

1007-9467（2016）05-0075-03

昝雷娜（1988～），女，河北無(wú)極人，助理工程師，從事公路橋梁研究，（電子信箱）569886703@qq.com。

2015-12-07