凍土地區(qū)凍脹病害防治措施研究現(xiàn)狀

范榮全，胡榮兵，李 暢，王 斌，呂學(xué)海

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059；3.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610041)

近些年來中國在寒冷地區(qū)開展的工程建設(shè)活動越來越多，例如青藏鐵路、川藏鐵路、中俄輸油管線、藏中聯(lián)網(wǎng)等大型工程，這些工程在建設(shè)、運行時將會面臨許多由于凍土而帶來的諸多問題，如凍脹、融沉、凍拔等，其中凍土的凍脹問題是中國東北、華北、西北季凍區(qū)土木工程建設(shè)過程中所遇到的主要問題[1]。

土的凍脹是指土體溫度降低至冰點以下時，土中水分結(jié)冰體積膨脹，同時未凍區(qū)水分在水勢梯度作用下向凍結(jié)前緣遷移加劇的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致建筑工程的不均勻變形甚至破壞[2-3]。在凍土地區(qū)進(jìn)行人類工程活動必須提前做好凍土工程地質(zhì)勘查工作，對于大型建筑物理應(yīng)選擇較為良好的建筑地基，對于鐵路、公路及輸電線路等線狀工程則應(yīng)進(jìn)行合理選線。鑒于客觀條件限制，可能發(fā)生凍脹病害的工程則必須做好凍脹防治措施，由此在對凍土凍脹機理研究的基礎(chǔ)上探討如何對這一病害進(jìn)行有效防治具有較大的現(xiàn)實意義。

1 凍脹病害防治研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外大量專家學(xué)者對凍土凍脹理論的不斷深入研究，揭示了凍脹現(xiàn)象的產(chǎn)生必須同時滿足3個條件：①具有凍脹敏感性土，例如黏性土或粉土等；②地基土中含有一定的水分，或者地下水位較高；③外界空氣溫度低于0℃。只有3個條件同時滿足才會發(fā)生凍脹，缺一不可。因此，對凍脹病害的防治主要從凍脹病害形成的條件入手。

1.1 改良土質(zhì)

改良土質(zhì)法主要是指通過挖方換填，挖除粉粒含量較高的土并用較純凈的砂礫換填以減小凍脹破壞的方法。采用換填法來進(jìn)行凍脹控制的前提是不同土質(zhì)對于凍脹作用的敏感性具有較大差異。Chamberlin[4]于1981年按照土的粒徑級配對各種土的凍脹敏感性進(jìn)行了系統(tǒng)歸類。而不同國家對于不同級配土的凍脹敏感性判斷依據(jù)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，美國、法國等多以凍脹速率來衡量，而前蘇聯(lián)、英國及中國等則多采用凍脹率為依據(jù)。陳肖柏等[5]對不同級配的砂礫料試樣在不同凍結(jié)速率下進(jìn)行了多組凍脹敏感性試驗得出：在溫度恒定條件下，砂礫料的凍脹速率隨著細(xì)粒土含量增大而增大。李洪升等[6]基于廣義強度準(zhǔn)則，提出了一種較合理的地基土換填抗凍脹能力評價方法，并通過擋墻基礎(chǔ)的實例進(jìn)行了計算。葉陽升等[7]提出了鐵路路基填料凍脹性分類的具體方案，該方案闡明了土的凍脹敏感性，有利于在實際工程中合理選擇最優(yōu)填料進(jìn)行換填施工。黑龍江省低溫建筑研究所通過中粗砂換填地基的防凍害試驗，測得了基礎(chǔ)和基礎(chǔ)凍深內(nèi)的基側(cè)、基底下面換填中粗砂后，凍脹力可以減少84%～88%[8]。

地基土的換填具有較好的效果，在工程實踐中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。中國東北地區(qū)修建房屋時在基礎(chǔ)底部及側(cè)面均采用中粗砂進(jìn)行換填，而且經(jīng)過長時間的檢驗，驗證了該方法對凍脹的防治卓有成效。此外，在凍土地區(qū)公路、鐵路修建過程中也大量應(yīng)用換填路基的處理措施。田亞戶等[9]通過熱力耦合理論分析得出青藏鐵路多年凍土區(qū)路基排水渠道周圍換填非凍脹土可使其穩(wěn)定性顯著提高。國道213線、新疆天山公路、青藏公路均在適宜地段采用砂礫石或是中粗砂對路基進(jìn)行換填，而且事實證明該法的確起到了有效防治凍脹病害的作用[10-12]。白靜等[13]經(jīng)過一系列室內(nèi)PE管道淺埋試驗分析得出在黑龍江等季凍區(qū)內(nèi)優(yōu)先使用爐渣換填對凍脹防治的效果更好。

1.2 控制水分

地基土中水分的存在是促成凍脹病害產(chǎn)生的很重要的一個因素，當(dāng)土中水分含量較少時是不足以產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象的，只有當(dāng)土中含水量達(dá)到起始凍脹含水量時才會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。因此控制地基土中水分含量是防止凍脹的一個根本措施。

按照水的來源將凍脹的防治分為排除地表水和隔離地下水兩類。對地表水主要是通過設(shè)置排水系統(tǒng)來進(jìn)行排水。針對水量較為充沛的建筑群周圍可設(shè)置截、排水溝；對于公路、鐵路等線狀工程則應(yīng)在其周圍設(shè)置天溝、側(cè)溝、擋水埝、盲井等來排水。值得注意的是各種防排水溝必須要與線路之間保持一定距離，以免水分滲流影響工程。對地下水的控制可以分為隔水層法與非隔水層法。

1.2.1隔水層法

在實際工程中多采用隔離層來限制地下水的遷移，因此對于隔離層法研究極為重要。宋暉等[14]將隔離層分為透水性和不透水性2種，前者多為砂礫、爐渣、碎石等構(gòu)成，厚度10～15 cm；而后者則是由各種不透水膜料制成，可進(jìn)一步分為開敞式和封閉式2種。

工程中使用最廣泛的隔離層是土工膜，作為一種柔性防滲材料，其具有防滲效果好、施工方便、造價低等優(yōu)勢，因此在水電站大壩、垃圾場、圍堰等工程中得以廣泛應(yīng)用[15-16]。由于土工膜厚度一般只有0.5～2.0 mm，因此在各項施工過程中是極易造成損壞的，Nosko等[17-18]通過對大約325萬m2水文土工膜進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析得出超過70%的損壞是發(fā)生在膜上保護層鋪設(shè)階段，還有少部分發(fā)生在鋪設(shè)和運行階段，因此對于施工期間土工膜的監(jiān)測極為重要。其中電學(xué)探測法能較為準(zhǔn)確地定位出具體的受損位置，而且操作簡便，因而在土工膜監(jiān)測中應(yīng)用較多[19]。

土工膜作為隔水層在各類工程中得以廣泛應(yīng)用，并且都取得了較好的效果。陳立杰等[20]以甘肅靖會總干渠的梯形渠道為例，用軟件模擬了復(fù)合土工膜防凍脹的效果，結(jié)果表明其法向及切向凍脹力可減小30%～48%。俞永科等[21]在高原水庫防滲中使用了復(fù)合土工膜進(jìn)行防凍脹處理，事實證明該措施能夠達(dá)到庫區(qū)的防滲要求，增強工程抵御凍脹能力。單既連等[22]在西藏塘河水電站利用復(fù)合土工膜來解決引水渠的防滲抗凍脹問題，經(jīng)過時間的驗證和監(jiān)測數(shù)據(jù)的證明，整個施工地段沒有凍脹凸起，達(dá)到了預(yù)期的目的。曹立、王永順等[23-24]闡明了土工膜在凍區(qū)鐵路路基凍脹防治中的基本工作原理及其所取得的良好效果。

1.2.2非隔水層法

非隔水層法包括抬高基底法和化學(xué)法2種，雖不是直接通過鋪設(shè)隔水層阻止地下水的遷移，但其本質(zhì)仍為控制土中的水分。

抬高基底法多用于公路、鐵路建設(shè)中，其原理是將線路路基提高到一定高度，使得地基土中水分的毛細(xì)作用無法對路基造成影響，該法在地下水位較高或是地表排水不暢的地段使用較多。一般公路最小填筑高度H可由下式確定[25]：

H=h1+hc

(1)

式中h1——路基必須具備的干土層厚度；hc——路基土層危險毛細(xì)上升高度。

通過化學(xué)方法來防治凍脹主要有2個原理，一個是在土體中添加可溶鹽來降低土中水分的冰點，從而提高凍脹產(chǎn)生的難度；另一個是添加特殊的化學(xué)試劑來加強土的憎水性，使得凍結(jié)時的水分遷移作用大大減弱從而達(dá)到預(yù)防凍脹的效果。在實際的運用中，北方許多火車站排水不暢，便在地基中加入食鹽來降低水的冰點，使得凍脹作用減弱；在許多季節(jié)性凍土區(qū)，經(jīng)常會在樁基側(cè)面涂抹瀝青瑪蹄脂之類的憎水性物質(zhì)來克服凍脹。張登良等[26-28]通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場驗證研究了瀝青瑪蹄脂混合料在防凍脹方面的效果，并給出了有針對性的適合不同條件的配合比設(shè)計方法。

1.3 控制溫度

控制溫度法一般是指在地基表面設(shè)置保溫層，作為防凍脹最為有效的方法之一，該法的實質(zhì)是通過增大熱阻來降低熱交換強度，從而使得凍結(jié)深度和凍脹量減小。20世紀(jì)50年代，挪威開創(chuàng)了在路基工程中使用保溫材料的先河，并積累了一定的經(jīng)驗[29]。隨后陸續(xù)有多個國家開始在地基中通過設(shè)置保溫層來預(yù)防凍脹病害，其中使用最多的材料是聚苯乙烯泡沫板。

張彥武等[30]通過對比試驗從經(jīng)濟、技術(shù)、防凍脹效果3個方面對聚苯乙烯泡沫板在渠道防凍脹中的特點進(jìn)行了闡述，指明了該措施具有較大的綜合優(yōu)勢；王英浩等[31]通過現(xiàn)場試驗結(jié)合計算機模擬技術(shù)，分析了聚苯乙烯泡沫板作為保溫層對于渠系水工建筑物溫度場的影響作用，并給出了確定其最佳厚度和位置的具體方法。隨著聚苯乙烯泡沫板的研究愈加深入，越來越多的工程中開始使用這一材料，例如新疆芳草湖農(nóng)場東干渠改擴建工程、高臺縣友聯(lián)灌區(qū)三清干渠改建工程、十三陵抽水蓄能電站等工程均采用聚苯乙烯泡沫板對凍脹病害進(jìn)行防治[32-34]。

當(dāng)然保溫材料是多種多樣的，聚苯乙烯泡沫板只是其中一種，在實際工程活動中還有許多材料被加以利用。例如挪威在鐵路路基底鋪設(shè)泥炭質(zhì)保溫塊，該材料不但保溫效果好，而且持水能力較強，因此取得了很不錯的效果；中國東北大慶地區(qū)創(chuàng)造性地將煉油產(chǎn)生的石蠟渣廢料加以利用，將其置于房屋四周地基之下，使得地基深度明顯減小，保障了建筑物的安全[25]。

1.4 其他防治凍脹的措施

上述3種方法分別從土質(zhì)、水分、溫度3個方面出發(fā)，介紹了凍脹防治方面采取的相關(guān)措施。除此之外還有一些其他的方法被運用于實際工程中的凍脹防治。凍脹病害的本質(zhì)是地基土膨脹作用于基礎(chǔ)，前述各種方法均圍繞地基展開。那么同樣可以從基礎(chǔ)方面來考慮，即選擇具有抗凍脹性的基礎(chǔ)形式或者將基礎(chǔ)埋置于合適的深度以達(dá)到防治凍脹的目的。程國棟[25]等給出了凍土地區(qū)中比較常見的3種擴大式基礎(chǔ)形式(圖1)。艾小芃等[35]針對擴大式基礎(chǔ)的特點，提出了其抗凍拔的設(shè)計與校核方法；黃潤哲等[36]系統(tǒng)介紹了擴大式基礎(chǔ)的時間運用及計算方法、步驟、參考數(shù)據(jù)；王力威等[37]從設(shè)計、抗凍特點等方面對擴大式基礎(chǔ)在工程中的應(yīng)用做了闡述。

a)混凝土墩式基礎(chǔ) b)鋼筋混凝土擴大柱基 c)爆擴短樁 圖1 常見擴大式基礎(chǔ)形式

基礎(chǔ)所受到的凍脹力分為兩部分，一部分是基礎(chǔ)側(cè)面受力，另一部分是基礎(chǔ)底面受力。基礎(chǔ)埋置深度決定了基礎(chǔ)底面受力情況，因此除了合理選擇基礎(chǔ)的形式之外，其埋置深度對于防治凍脹來說也是至關(guān)重要的。一般來說，基礎(chǔ)的埋深需要滿足建筑物對地基強度和穩(wěn)定性的要求，可以根據(jù)建筑物級別、使用年限以及地基土的性質(zhì)綜合確定。中國《工業(yè)與民用建筑地基設(shè)計規(guī)范》中對季節(jié)凍土區(qū)基礎(chǔ)最小埋深給出了具體規(guī)定[38]。

2 凍脹防治方法評述

通過對上述防治凍脹方法的總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，不論是改良土質(zhì)、控制水分和溫度還是選擇合適的基礎(chǔ)形式和埋深，每一種方法出發(fā)點不同，都具有各自的優(yōu)缺點。

a)基于不同土質(zhì)凍脹敏感性不同的原理，通過改良土質(zhì)的方式來防治凍脹，其施工較為簡單，尤其是當(dāng)能夠就近獲取填料時成本會大大降低，所以該方法在工程實踐中應(yīng)用極為廣泛，而且其效果在中國東北地區(qū)房屋建筑及藏區(qū)公路、鐵路等工程中得到了有效驗證。但是有些工程所在地缺乏優(yōu)質(zhì)天然填料，因此研發(fā)成本低廉的人工填料是該方法今后能夠廣泛應(yīng)用的基本保證。

b)包括土工膜在內(nèi)的各種塑料薄膜隔水層具有可塑性強、延展性好的特點，能夠有效防止水分的遷移，而且施工成本較低，在水電站庫區(qū)、渠道等凍脹防治方面使用較多，而且都取得了較為理想的效果，但是該方法的劣勢也較為明顯，即施工過程中極易損壞，導(dǎo)致凍脹防治效果大幅降低。因此有必要重點研發(fā)抗損性能良好的隔水層材料，并總結(jié)在施工過程中如何有效避免其發(fā)生損壞。使用化學(xué)法進(jìn)行凍脹防治效果雖然很好，但是其成本高昂，因此該法并未得以廣泛推廣。所以研究低價、環(huán)保的化學(xué)工業(yè)原料是研究該方法今后應(yīng)重點關(guān)注的方向。

c)綜合考慮施工成本和防治效果，鋪設(shè)保溫層是各種凍脹防治措施中極具優(yōu)勢的一種方法。保溫層不但能夠維持地基土溫度，還能一定程度上起到控制土中水分遷移的作用。聚苯乙烯泡沫板作為最常見的一種保溫材料，其抗凍性、耐久性等綜合性能還有待進(jìn)一步深入研究。此外，還應(yīng)該結(jié)合實際情況，因地制宜地將當(dāng)?shù)氐母鞣N工業(yè)廢料利用起來，既經(jīng)濟又環(huán)保。

d)工程建筑受凍脹病害是地基土與基礎(chǔ)相互作用的結(jié)果，因此也可從基礎(chǔ)方面來考慮凍脹的防治，基礎(chǔ)類型及埋深的合理選擇能夠?qū)A(chǔ)抵抗凍脹作用起到良好的效果。不過不是所有建筑都可以選擇所需的基礎(chǔ)形式，也受到一定限制。所以該法仍需與前述3種方法配合使用。

綜上所述，為了在降低成本的同時提高凍脹防治效果，要從實際情況出發(fā)合理利用當(dāng)?shù)靥烊徊牧希惨e極引入各種新型材料，達(dá)到經(jīng)濟投入與預(yù)期效果之間的最佳平衡。

3 結(jié)論

經(jīng)過國內(nèi)外眾多學(xué)者的不懈努力及大量工程實踐的檢驗，人們對于凍土地區(qū)凍脹防治措施的研究取得了一定成果。通過對多項凍脹防治措施的歸納總結(jié)，得到如下結(jié)論。

a)目前凍脹防治措施的研究主要是從改良土質(zhì)、控制水分、控制溫度及合理選擇基礎(chǔ)類型和埋深幾個方面考慮。換填地基土的方法成本較低且施工簡便，但是必須考慮填料獲取的難易程度；鋪設(shè)土工膜隔水層價格低廉，但是在施工過程中極易受損；保溫法防治凍脹的經(jīng)濟成本和效果相對較為合理，要特別注意保溫材料的最優(yōu)選擇；擴大式基礎(chǔ)能夠增大基礎(chǔ)的錨固能力但成本較高，無法大規(guī)模應(yīng)用。

b)各項凍脹防治措施也各有其優(yōu)劣勢，每一項工程所面臨的實際工況都不盡相同，所以根據(jù)實際情況如何將多種凍脹防治措施以最優(yōu)的組合方式結(jié)合起來應(yīng)用于實踐中是今后研究的重點方向。