季凍區(qū)舊路改擴建路基加寬技術分析

宮再福,楊友臣

(黑龍江省嘉昌路橋建筑有限責任公司)

國民經(jīng)濟的快速發(fā)展對公路交通的要求越來越高,由于交通量的迅速增加,現(xiàn)有公路的等級已經(jīng)不能滿足通行能力的要求,迫使許多公路、城市道路等進行舊路加寬改造,提高其道路等級和通行能力。利用現(xiàn)有舊路,對其進行加寬改造,可提高其道路等級或改善道路服務功能,從而改善現(xiàn)有道路路網(wǎng)結(jié)構,具有較高的技術經(jīng)濟價值,同時舊路利用可以少占土地并有利于環(huán)境保護。目前對原有公路按通行能力、使用功能進行改擴建是目前公路建設中的一個重要途徑。

在舊路改擴建路基拓寬工程中,如何解決新舊路基的不均勻沉降,避免新老構造物結(jié)合處產(chǎn)生縱向裂縫成為首要難題,而季凍地區(qū)路基拓寬在冬季還要受到凍融循環(huán)影響,產(chǎn)生不均勻凍脹、翻漿等病害。

1 新舊路基不均勻沉降的形成原因和防治措施

舊路基經(jīng)過多年的使用,路基土的密實度和形成的結(jié)構狀態(tài)、邊坡的穩(wěn)定、基底的固結(jié)均處于穩(wěn)定狀態(tài),新加寬路基與舊路基相比,由于在材料、沉降速率、壓實等多方面與舊路基存在差異,因此在新老路基的銜接面容易產(chǎn)生滑移、差異沉降以及縱向裂縫等破壞。

在舊路路基邊坡上挖臺階,使新筑路基與舊路連成一體。黑龍江省七臺河—樺南公路(簡稱七—樺公路)改擴建采取的措施是當填方≤2m時,舊路邊坡全部挖除;當填方≥2m時,從路肩頂面至路肩頂面以下 2m,舊路邊坡全部挖除;2m以下舊路邊坡橫向挖 2m的大臺階。若遇到開挖條件不好時,則開挖部位的選擇尤為關鍵。在沈陽—大連(簡稱沈大)公路改擴建中,由于原路基的邊坡經(jīng)過多年的雨雪沖刷,造成邊坡松散、流失,使邊坡變陡,因此將開挖部位從土路肩邊緣改為從硬路肩邊緣向下開挖,每級臺階高80cm,寬度隨邊坡坡度確定。這一措施雖然加大了路基開挖的工程量,但是卻大大加強了新舊路基的結(jié)合程度。

開挖臺階應與填筑路基同步進行,每級臺階高度內(nèi)的路基填筑完成后,再進行第二級臺階的施工。寒冷地區(qū)高等級公路的路基加寬,對填筑較高的路堤宜將壓實度提高 1%～2%,這樣有利于減少其沉降量。

2 路基中鋪設土工合成材料

在開挖臺階的基礎上,同時加鋪土工合成材料,可防止或緩解由于新舊路基的不均勻沉降引起的開裂。沈大改擴建工程中應用了 TGDG型土工格柵,使用效果良好。TGDG型土工格柵的具體指標見表 1。

表 1 TGDG型單向拉伸高密度聚乙烯土工格柵技術指標

在七樺公路改擴建工程中,在路基填土較高的路段,基底兩側(cè)各 2.0m設置防凍型 TGSG20-20型雙向 60kN/m鋼塑土工格柵。綏芬河—滿洲里(簡稱綏滿)公路改擴建工程在臺階底面全寬范圍內(nèi)采用單向拉伸塑料土工格柵 TGDG系列,最低抗拉強度 30kN/m,最大拉伸率 5%。

沈大公路改擴建工程表明,季凍區(qū)鋪設土工合成材料通常以鋪設 2～3層為宜,當鋪設二層土工合成材料時,鋪設在基頂下 80cm處和基底上 80cm處,路面結(jié)構的受力狀態(tài)最佳。通過挖臺階與土工合成材料的結(jié)合使用,沈大改擴建工程新舊路基結(jié)合部位沿縱向裂縫寬度≤0.5mm,新舊路基整體工后一年不均勻沉降量≤1.7cm,取得較好效果。

3 不均勻凍脹形成機理及防治措施

3.1 不均勻凍脹形成的原因

季凍區(qū)公路改擴建路基加寬,改變了已經(jīng)達到凍融平衡狀態(tài)的舊路路基路面的狀況。由于新舊路基填土的非均質(zhì)性水溫情況的改變,以及環(huán)境的多變性,使新舊路基產(chǎn)生不均勻凍脹,這一情況在季凍區(qū)是比較普遍發(fā)生的。不均勻凍脹使路面結(jié)構產(chǎn)生開裂,而且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,破壞會越來越嚴重。我國季節(jié)性凍土分布廣泛,遍及長江以北10余省市,占全國總面積的 53.5%,北方地區(qū)如東北的松遼平原、三江平原、大小興安嶺、長白山、完達山等地區(qū)的黑鈣土、栗鈣土中富含蒙脫石類粘土礦物,塑性較大易吸收水分,當采用此類土進行填筑時,會受到該地區(qū)的冰凍溫度的反復作用,使這些地區(qū)成為凍脹、翻漿病害易發(fā)生的區(qū)域。

土中水是發(fā)生凍脹的必要條件,只有當土中水超過一定的界限時,才會產(chǎn)生凍脹,即土的含水量大于起始凍脹含水量 W0。一般情況下,W0=(0.8～0.839)WP。表 2列出了根據(jù)土的凍脹率來劃分季凍區(qū)路基土的凍脹等級。

表 2 季凍區(qū)路基土的凍脹等級

3.2 防治措施

(1)換填法

采用非凍脹性材料換填凍脹土,盡量增大路基工作區(qū)與地表水或地下水的距離。換土適合于路基標高受到限制,不能加高路基且附近有粗粒土或砂性土的路段。在寒冷地區(qū)路面以下 0.8m范圍內(nèi)盡可能把強度高,水穩(wěn)定性好的粗顆粒材料填筑在路基上層。在換填深度的選擇上,根據(jù)日本和我國的實踐經(jīng)驗,置換理論上的最大凍深的 80%范圍內(nèi)的凍脹性土,可有效地防止路基凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。

七樺公路改擴建工程中,沿線所經(jīng)水田路段采用清除基底淤泥及粘土,換填透水性粗顆粒材料。哈爾濱—大慶公路改擴建工程中,沿線有季節(jié)性積水形成的河灘、濕地路段,由于積水較深,采用筑島圍堰方法排水,填筑的砂礫高出常水位 30cm將水排擠出路基范圍,既減少沉降又解決凍脹開裂問題。

粉煤灰也是季凍區(qū)很好的路基填料,它的滲透性能很好,使凍脹有所緩解,又含有 CaO等活性物質(zhì),使其具有自硬能力。因此采用粉煤灰修筑的路基具有一定的抗凍性,根據(jù)對長春—扶余高速公路粉煤灰路基的試驗,其凍深比土質(zhì)路基減少 30%～50%。

(2)藥劑法

減少路基不均勻凍脹也可以借助于鹽漬作用,即采用含鈉或鈣的鹽類,使土產(chǎn)生鹽漬作用,增加抗水性,可獲得較好效果。近年來還出現(xiàn)了一種新型路基土填料—氣泡混合輕質(zhì)土,這種填土材料最先在日本應用。即在路基填土原料中按一定的比例添加固化劑、水和預先制作的氣泡,充分混合攪拌形成輕型填土材料。由于此類材料容重小,減重性能好,可大幅度地降低填土荷重,導熱系數(shù)小,隔熱效果好,因此采用這種新型材料在寒冷地區(qū)進行路基加寬,既可以有效地減少新老路基不均勻沉降,又可以防止不均勻凍脹的發(fā)生。

(3)隔離法

隔離法主要用于隔水和隔溫。用于隔水用途時,可在加寬路基頂面下 0.5～0.8m處,設置毛細隔斷層,阻斷毛細水上升通道,避免底下水分升至路堤內(nèi)部,保持上部土基干燥,為防止隔斷層受污染阻塞而失效,在其上部應鋪一層反濾層(草皮或土工織物)。用于隔溫措施時,可設置保溫護道和護腳,在飽冰凍土及地下冰地段填筑路堤,當靠近基底仍有飽冰凍土層或地下冰層,并且有可能融化時,在填方坡腳一側(cè)或兩側(cè)設置保溫護道或護腳,明顯有利于路基的熱穩(wěn)定性。材料可選用導熱性弱又可就地取材的材料,如塔頭草、泥炭和苔蘚等。另外,在俄羅斯的寒冷地區(qū)采用路基頂面鋪設泡沫塑料隔溫層方法,增大熱阻,人為隔斷由外部環(huán)境傳向路基的冷熱變化,在道路使用年限內(nèi)使路基溫度場處于相對穩(wěn)定狀態(tài),消除了凍害,取得了成功經(jīng)驗。

4 結(jié)束語

當前在我國,舊路改擴建工程仍然是提高道路等級、改善道路行車條件的一個重要手段,與新建公路相比,其具有施工難度大,工藝復雜,質(zhì)量要求高的特點。季凍區(qū)舊路路基的加寬,受自然環(huán)境因素的影響,新舊路基的不均勻沉降和不均勻凍脹是迫切需要解決的問題,因此,在此方面的技術分析具有重要的現(xiàn)實意義。

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