凍土地區(qū)公路病害芻議

馬世財

[摘要]針對公路工程中的凍土問題,就凍土地區(qū)公路主要病害及所采取的技術(shù)措施進行探討。

[關(guān)鍵詞]凍土 融沉 凍脹 解決 措施

中圖分類號:TU4文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910079-01

凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì),含有豐富的地下冰,水分產(chǎn)生遷移并具有相變變化特征,因此,凍土具有流變性,其長期強度遠低于瞬時強度特征,并具有融化下沉性和凍脹性。這些特性造成了凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物時,面臨的兩大工程問題:融沉和凍脹。路基、橋涵、隧道等都會受到這兩大工程問題的困擾。

一、凍土地區(qū)公路主要病害

(一)融沉。它是島狀多年凍土地區(qū)路基的主要病害之一。一般多發(fā)生在含冰量大的粘性土地段,當路基基底的多年凍土上部或路塹邊坡上分布有較厚的地下冰層時,由于地下冰層較淺,在施工及運營過程中各種人為因素的影響下,使多年凍土局部融化,上覆土層在土體自重和外力作用下產(chǎn)生沉陷,造成路基的嚴重變形,這種變形表現(xiàn)為路基下沉,路堤向陽側(cè)路肩及邊坡開裂、下滑,路塹邊坡溜坍等,融沉一般有以下特點:

1.融沉在空間上表現(xiàn)為不連續(xù)性。由于島狀多年凍土地區(qū),多年凍土已在部分區(qū)域消失,多年凍土的分布具有不連續(xù)性,凍土的厚度具有不均勻性,這直接導致了該地區(qū)道路融沉的不均勻性。有的路段在以較慢的速度連續(xù)下沉一段時間后,有時突發(fā)大量的沉陷,并使兩側(cè)部分地基土隆起。這是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后處于飽和狀態(tài),其承載力幾乎為零,加之路堤兩側(cè)融化深度不一使得基底形成一傾斜的凍結(jié)滑動面。在車輛荷載的作用下,過飽和粘性土順著凍結(jié)面擠出,路堤瞬間產(chǎn)生大幅度沉陷,通常稱為突陷。有的路段路堤在每年融化季節(jié)逐漸下沉,而在零星島狀多年凍土帶內(nèi),部分路基全部下沉。

2.融沉病害多發(fā)生在低路堤地段。島狀多年凍土地區(qū)道路的穩(wěn)定與多種因素有關(guān),它既取決于緯度地帶性的影響,又與路堤高度、坡向、填料類別、保溫設施及施工季節(jié)和施工后形成的地表特征、水文特征和凍土介質(zhì)特征等因素的綜合影響有關(guān)。上述諸多因素可總的歸結(jié)為土層的散熱和吸熱。當基底土層的散熱超過吸熱時,則地溫下降,人為上限就上升,路堤保持穩(wěn)定。如吸熱超過散熱則地溫上升,多年凍土融化,人為上限下降,路堤就會產(chǎn)生融沉病害。路堤越低,意味著在從上界流向地中的傳熱過程中,熱阻減小、路基自身的儲熱能力變小,因而不利于熱穩(wěn)定。路面的鋪筑,特別是黑色路面的鋪筑,由于路面的吸熱和封水作用,凍土原有的水熱交換平衡遭到破壞,其下的人為上限值較大,從而導致道路發(fā)生融沉的可能性增大。

(二)凍脹。凍脹的發(fā)生需要兩個必要條件:一是有充足的水分補給源,二是有水分補給的通道。凍脹本身不僅引起道路破壞,還可引起橋梁、涵洞基礎的凍害。這種病害在凍土地區(qū)早期修建的橋梁、涵洞工程中尤為突出。主要表現(xiàn)為基礎上抬、傾斜造成橋梁拱起,涵洞斷裂,甚至失效等破壞。

(三)翻漿。春融時,多年凍土地區(qū)的解凍緩慢,解凍時間長,而且在解凍期內(nèi)氣溫冷暖異常,導致在某一解凍深度停滯的時間可達幾天,加之積雪量大,融化后大量雪水下滲,這樣就可能在解凍層和未解凍層之間形成類似于凍結(jié)層的自由水。土基與地表土含水量會迅速增大而接近甚至超過液限含水量,使其失去承載能力,從而導致路基發(fā)生嚴重的翻漿。

(四)冰丘。冰丘的形成是由于冬季土壤凍結(jié)時,使地下水受到超壓及阻礙,隨著凍結(jié)厚度的增加,當壓力超過上覆凍土層的強度時,地下水就會突破地表,或以固態(tài)冰的狀態(tài)隆起或以地下水的狀態(tài)擠出地面漫流經(jīng)凍結(jié)后形成的積冰現(xiàn)象。也有可能在開挖路塹時由于人為的因素,造成地下水露頭,涌水后形成。

(五)路面損壞。在寒冷地區(qū),路面損壞是高級路面常見的道路破壞形式之一。它可以分四類:裂縫類、變形類、松散類、其他損壞類形包括泛油、磨光和各類修補等。路面的損壞可以直接導致其它道路病害的發(fā)生,而其它道路病害的發(fā)生加劇了路面的損壞。

(六)冰錐。冰錐的形成機理與冰丘基本相同,它們的形成和發(fā)展往往具有突發(fā)性的隆起和回落,具有危害時間長、范圍大、不宜處理的特點。

二、采取的技術(shù)措施

凍土作為一個世界性的科學難題,單一的措施很難取得好的效果,必須根據(jù)各地的自然氣候條件、土壤地質(zhì)條件采取相應的措施,進行合理的設計、施工與管理,才能保持工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定及其使用性能。

(一)合理設計。在設計階段,根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件,土建工程應根據(jù)不同情況,采取相應的不同設計原則:在年平均地溫較低的穩(wěn)定型多年凍土區(qū)應采取保持地基凍結(jié)狀態(tài)的設計原則;在年平均地溫較高、含冰量較少、基沉降量可以得到有效控制的地段,采用施工及運營期允許融化的原則;在極不穩(wěn)定的凍土地段,可采用鋪設保溫層、通風路基、清除富冰凍土、熱樁、以橋代路等綜合技術(shù)措施;在不融沉或弱融沉的少冰凍土、多冰凍土地區(qū)可采取不考慮建筑物熱力影響的常規(guī)設計方法;在各類凍土地區(qū)都必須加強對凍土的環(huán)境保護,對取棄土場、路基填筑方式等制定嚴格的技術(shù)要求。

(二)施工技術(shù)措施。適當提高路基填土高度,用天然土保溫,這種方法價格低廉,可普遍采用。青藏公路多年實踐經(jīng)驗表明,在多年凍土年平均地溫低于-115℃時,采用加高路基方法就可保證路基穩(wěn)定。而高于-115℃的地區(qū),多年凍土路基僅采用加高路基的方法是不能保證路基穩(wěn)定的,因為高路堤填筑后,由于左右路肩、邊坡的太陽輻射、地表湍流等地表與大氣之間的熱交換條件不同,使得路基的陽面地溫明顯高于陰面,因此陽面的融沉就大于陰面的融沉,出現(xiàn)路基陽面下沉、滑溜的現(xiàn)象。

采取主動降溫技術(shù)、減少傳入地基土的熱量、保證多年凍土的熱穩(wěn)定性,從而保證修筑在上面的工程質(zhì)量的穩(wěn)定性。主動降溫技術(shù)有很多,應根據(jù)凍土狀況的不同采取不同的工程措施:

1.在穩(wěn)定的凍土地段,采取以對流交換熱為主要作用。

2.對于極不穩(wěn)定多年凍土地段,可以采取“以橋代路”的工程結(jié)構(gòu),就是采取以橋梁結(jié)構(gòu)代替公路跨越凍土地區(qū)的設計方案。如青藏鐵路極不穩(wěn)定凍土區(qū)“以橋代路”橋梁由原來設計的50多公里增加到120多公里。

3.在路基中埋設工業(yè)保溫層(PU、EPS等),一般選擇5～10cm厚的保溫板,1993年在昆侖山等地推廣使用,效果良好。

4.除以上措施外,我們還可以在路基中埋設通風管,橋涵工程采用樁基礎等,同時建立完善的排水設施,防止地下冰融化導致的路基下沉。

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