冻土地区路基病害防治措施现状及展望

陈澎军 张虎伟 张 辉

1 冻土的概念和分布

冻土是一种由固体矿物颗粒、粘塑性冰包裹体、液相水及气态包裹体组成的特殊的土体。其成分、结构及物理力学性质均不同于一般的土体。冻土对温度十分敏感且性质易变,对寒区经济开发、工程建设以及人类的生存和发展有着重要的影响。我国冻土的分布面积大约 700多万平方千米,巨大的影响范围使我国的公路建设工程不可避免的遭遇冻土所带来的一系列问题。

2 冻土的基本性质

1)冻土的温度敏感性。在冻土的物理力学性能中温度是最重要的影响因素。冻土的力学性能与负温成正比关系且温度的变化导致其他性能变化。

2)冻土的相变性。所谓冻土的相变是指冻土中冰的形成和融化,温度降低,土中水冻结土体变得坚固;温度升高,冰融化成水,土体变的松软。冻土的力学性能主要取决于土中水的数量和状态,而水的状态又取决于温度的高低,所以冻土的相变是由温度决定的。在高温度时,随着单位温度的变化,未冻水含量的变化比较大;而低温度时,随着单位温度的变化,未冻水的含量变化不大。冻土的相变主要发生在剧烈相变区。

3)冻土的流变性。在外荷载作用下,冻土中应力和应变随时间变化的特性成为冻土的流变性。流变性是冻土的重要性质之一。它主要包括三个方面:外荷载保持不变时,其变形随时间继续增加的蠕变性能;应变保持不变,应力随时间增加而衰减的松弛性能;冻土的强度随作用荷载的时间增加而逐渐降低,即长期强度小于瞬时强度的性能。

4)冻土的冻胀性和融缩性。冻土的冻胀和融缩特性是导致冻土路基破坏的主要原因。当温度降低时,土中的水分向冻结锋面迁移,并在此结成冰。由于冰的体积大于相同质量的水,所以导致冻土的冻胀。而当温度升高时,冻土中的冰逐渐融化成水,从而造成融化下沉。

3 冻土地区路基的病害特征

1)冻胀。道路冻胀特别是不均匀冻胀可以使路面开裂、不平,影响车辆的正常行驶,具有巨大的危害。道路冻胀是土质、水分、气温综合作用的结果。温度在 0℃以下时,水变成冰,因而温度是发生冻胀的前提。但同时,必须保证有充足的水分对土体冻结前及冻结期给予水分补给,冻胀现象才会发生。

2)融沉。融沉是多年冻土地区路基的主要病害之一。当路基基底分布有较厚的地下冰层时,在施工及营运等人为因素的作用下,冻土发生局部融化,路基在上覆荷载的作用下产生下沉,对路基造成严重破坏。融沉病害的影响因素主要包括地域、路基高度、填料类别、水文特征等因素。

3)翻浆。翻浆是伴随冻胀而发生的,冻胀是翻浆形成过程中一个十分重要的发展阶段。入冬后路基表面开始冻结,使路面开裂。春融期间,路面及上部路基融化较快,而路基下部的冻结层仍处于冻结状态,冻土层里的冰水较多而又无法排除,就会使路基上部处于饱水状态,强度降低,在外荷载的作用下便会出现翻浆冒泥现象。道路翻浆的影响因素有土质,水分,温度,车载及路面等级。

4 冻土路基病害的基本防治措施

4.1 设计方面

在设计阶段,根据不同的工程地质条件,采取相应的不同设计原则。在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则;在年平均地温较高、含冰量较少、路基沉降量可以得到有效控制的地段,采取允许融化的原则。

特别的冻土地温控制是冻土地区道路设计首先要解决的问题。现代规模较大的冻土地温控制技术出现在 20世纪 60年代,随后美国、前苏联和我国一些冻土区路基都采用了不同形式的地温控制措施。1985年,C.E.Heuer等提出用能量的观点进行主动和被动冻土地温控制的概念划分:被动地温控制措施在运行期间不要人为提供动力,也没有任何持续运动的机械部件,是冻土地温控制最常用的技术;主动地温控制措施,需要动力支持或温控系统中有持续运动的部件。两种措施最显著的区别在于冻结过程的人为可控制性和是否提供能量消耗。在冻土区的道路施工中根据具体的地质条件和工程要求对地温控制方式进行合理的设计。

4.2 施工方面

在排水上,当路基所处地段冻土含冰量高时,必须保持路基的冻土处于冻结状态,排水系统与路基坡角应保持足够距离,严禁坡脚滞水;在基底处理上,当路基的地下冰层较薄时,可将其挖出并用填料进行回填压实,再修筑路基,填料需选用保温隔水性能均较好的细粒土,同时控制好土的湿度使其达到最优含水量。当基底处于排水困难的地段时应在其底部设置一层隔离层;在路基高度的设置上,要使其达到防治翻浆与不超过路基冻胀值要求的最低填土高度;在路基压实上,采用重型击实标准进行检验,使路基在不小于 20 t的压路机碾压 2遍 ～3遍后不出现任何弹软现象为宜。

5 冻土区路基处理技术研究方向

冻土地区路基处理最新发展,主要集中在冻土区路基处理机械、材料、设计计算理论、施工工艺、现场监测技术等各方面。

新材料的使用,提高了冻土区路基处理的效能。林乐彬,刘寒冰等人提出采用气泡混合轻质土在道路冻土地基保护中的试验研究。他们指出铺设人工隔热保温层可以降低路堤的高度,减少防冻层厚度,是非常有效的技术措施。传统的隔温材料主要有草皮、泥炭、草甸土层、粘性土、塑料泡沫隔温材料等。气泡混合轻质土是新开发的人工隔热保温材料,具有导热系数小,抗冻融性能好、强度高、工艺简单、施工速度快的特点。在我国北方某一级公路使用该材料进行试验铺筑,通过对试验段隔热效果的检测和道路使用状况的检测,表明其隔热效果良好,能够较好的防止公路的季节性冻胀与永久冻土路基的融沉。霍凯成,黄继业等提出采用复合土工膜整治道路翻浆。土工合成材料具有较大的孔隙,其渗透系数与粗砂相当,可以保持良好隔断毛细管的作用;其次土工合成材料的亲水性比土的亲水性差,因而可以减少毛细管上升的高度。因此土工合成材料可切断毛细管,使下部土中水分不能供给其上部的土层。1999年在 109国道改建工程中进行了使用该材料的试验观测,路基土的含水量和含冰量是历年来最低的,证明铺设复合土工膜效果明显,防治冻胀引起的翻浆方法可行。

总之对于冻土区路基病害防治措施的发展应注重以下几个方面:

1)要完善各种路基处理措施的设计理论,从而更好的指导冻土区路基处理实践的进一步发展。

2)积极进行防冻胀、防融沉材料的研制,开展复合路基及新技术的推广和应用研究。

3)发展冻土区路基处理的原位测试和监测技术,为实现公路工程建设的动态设计和信息化施工奠定基础。

6 结语

冻土的性质复杂,冻土区内路基的病害类型繁多且形成原因的理论分析尚未完善。传统的冻土区路基病害防治措施在一定程度上取得了不错的效果,但是随着环境、气候的变化,工程质量要求的提高以及国家公路建设的发展战略,新的防治措施的研究日益重要。伴随着冻土理论的逐步完善和材料科学的进步,新型的材料被不断地用于冻土区路基病害的防治工程中,并取得了很好的效果,未来的防治措施的重点就在于这种新的有效的防冻害材料的研究上。

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