大興安嶺南部地區路基凍害因素分析及防治措施

孫鐵楓

(黑龍江省哈同公路公司)

1 路基凍害的形成

在冰凍季節因負溫作用,使土中水分凍結成為凍土,凍土據其凍融情況分為:季節性凍土、隔年凍土和多年凍土。呼倫貝爾大興安嶺南部地區為季節性凍土區,即路基土層冬季凍結,春季開始融化,夏季全部融化。在季節性凍土區,隨著土中水的凍結和融化,會發生一些獨特的凍土現象,這種現象嚴重地威脅著地區的公路質量。

凍土現象是由凍結和融化兩種作用引起。路基中含細粒土層多和含水量大,在凍結時,往往會發生體積膨脹,使路面隆起成丘,即出現凍脹現象。路基發生凍脹的原因,不僅是由于含水量過大使水分凍結為冰時其體積要增大的緣故,而主要還由于路基土凍結時,周圍未凍結區土中的水分會向表層凍結區遷移集聚,使凍結區土層中水分增加,凍結后的冰晶體不斷增大,土體積也隨之發生膨脹隆起。到春暖解凍時,由于土層上部積聚的冰晶體融化,使路基中含水量大大增加,下面的凍層還未融化,存有不透水層,使水不易向下滲透。如果水不能及時排出,路基上處于飽和狀態,路基軟化,強度降低,在車輛(特別是超載車輛)反復荷載作用下,輕者路面變得彈軟,重者路面開裂、冒漿,即翻漿現象。凍脹與翻漿構成了對路基的危害,即路基凍害。凍脹會使路基隆起,使柔性路面鼓包、開裂,使剛性路面錯縫折斷。翻漿在該地區危害更大,由于負溫低、作用時間長、凍結線深,又屬季節性凍土區,因此,翻漿持續時間長,面積大,會使路面遭到完全破壞,甚者達到阻斷交通。

2 影響路基凍害的因素

(1)土的因素。凍脹與翻漿通常易發生在細粒土中,特別是粉質亞粘土(由于本地區受大興安嶺和嫩江流域地理影響,該區域土質多為粉質亞粘土)。這些土凍結時水分遷移積聚最強烈,凍脹現象嚴重。凍融時,積聚在土基上層過多的水分不易及時排出,使土基濕度過大,強度降低而發生翻漿。這是因為這類土具有較顯著的毛細管現象,吸水飽水強、塑性大,具有較通暢的水源補給通道,同時,這類土的顆粒較細,表面空隙大,土粒礦物成分親水性強,從而能使大量結合水遷移和積聚,而導致路基凍害。

(2)水的因素。當路基土層中含水量大或地下水位較高處就易發生凍脹現象。路基含水量不同,凍脹程度不同,但這種凍脹的凍脹量一般較小。當凍結區附近地下水位較高,毛細水上升高度能夠達到或接近凍結線,使凍結區能夠得到外部水源的補結時,將發生比較強烈的凍脹。實踐表明一般凍起高度可達25～200mm。此凍脹多發生在地下水位較高的低路堤處,以及地下水聚集較多的路堤與路塹的變化點處。

3 預防凍害的措施

(1)換填。呼倫貝爾南部屬高寒季凍區,又是大興安嶺向松嫩平原過渡的淺山嶺重丘地帶,由于受地理原因影響地下淤泥溝壑多,工程地質構造復雜,在路基施工中,要嚴格執行有關規范的規定,不使雜物混入填筑路基土中。遇到粉土、粉砂亞粘土等凍脹土而水文條件又不良時,必須采取挖除,換以物理力學性質較好的土。本地區山嶺重丘廣泛地分布粗粒巖性土質——碎(礫)石類土(碎石土、天然級配砂礫、風化砂礫)強度高,滲水性及水穩性好,不易發生水分的遷移積聚,同時毛細現象不顯著,因而不會發生強烈凍脹。因此在本地區采用碎(礫)石類土修筑路基,既經濟又是防止凍害主要措施之一。在選用碎石類土時,注意不要使用含有粒徑過大的塊石,用這種填料填筑路基上層會影響路基強度的均勻性,促成不均勻變形,使基面失去平整性。在容易發生凍害的路堤與路基的交接處,要注意路基填筑高度,設計時是否滿足臨界高度 80cm,否則施工時必須向下換填碎(礫)石類土,使之滿足要求。

(2)防水。呼倫貝爾南部地區水資源極為豐富,僅莫力達瓦旗 10000km2的地域,水資源就占內蒙古水資源 40%;水文地質條件更為復雜,地面水系多,地下水位高,夏季降水量大而且集中。在該地區路基施工中,必須做好防水。首先必須按設計要求做好排水工程,以及施工場地附近的臨時排水設施,使路床面始終保持良好的排水狀態后,方能進行路基施工。在路基填筑雨季施工時,要保證“三度”,即應用鏟運機平整每層填土,保證平整度;做成 2%～4%雙向橫坡,保證拱度;還要隨填壓并保證壓實度。一定防止壓實前被雨淋,禁止包漿。填料壓實時的含水量應控制在最佳含水量上下 2%個百分點范圍內,對壓實度已檢驗合格的路段,經雨后還應進行復壓后再進行上一層填料。在修筑路面結構層前,應用不小于 20t的壓路機對路基進行碾壓至無輪跡,發現彎沉檢測不合格區域既軟彈現象應及時處理。其次在路塹施工中,經常遇有裂隙水、層間水、潛水層、泉眼等地下水,由于隱藏在深處,往往多數是設計中疏漏的,而地下水易引起強烈凍害,在施工中必須采取切斷、攔截、降低等措施。本地區由于碎(礫)石多,一般多采用填石滲溝。填石滲溝的底部和中間用較大碎石或卵石(粒徑 3～5cm)填筑,在碎石或卵石的兩側和上部,按一定比例分層(層厚約 15cm)填較細顆粒的粒料(中砂、粗砂、礫石),作成反濾層,逐層的粒徑比例,大致按 4∶1遞減,砂石料顆粒小于 0.15mm的含量不應大于 5%,埋深不得小于當地最低凍結線。施工中經過對國道 111線部分凍害地段進行上述治理,經過近兩年的觀測沒有出現過冬季成丘、夏季翻漿現象,防治效果理想。有時也采用其他方法,如提高路基、設砂墊層、設隔離層、設管式滲溝等。在防治措施的選擇上,應對施工路段進行詳細觀察,找出易造成凍害的主要條件,然后按其程度,依據因地制宜就地取材的原則,經濟合理選擇防治的方法。

[1]中華人民共和國交通行業標準.公路路基施工技術規范(JTJ-95)[S].北京:人民交通出版社,1995.

[2]洪毓康.土質學與土力學[M].北京:人民交通出版社,1987.

[3]嚴家級.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]中華人民共和國交通行業標準.公路工程技術標準(JTJ01-88)[S].北京:人民交通出版社,1993.