多年凍土地區路基病害處治技術研究

毛雪松++劉飛飛

0 引言

中國多年凍土分布面積約為215萬km2，主要分布在青藏高原、東北大小興安嶺以及西部的高山上。隨著西部大開發戰略和東北振興計劃的推進，寒區道路工程建設快速發展，青藏公路、中尼公路、新藏公路以及北黑公路均穿越多年凍土區。多年凍土作為一種特殊的地質體，對于水熱變化極為敏感[1]。道路的修筑改變了原有凍土內部的水熱狀況；黑色路面、陽坡面的吸熱作用致使路基內部凍土上限下降[2-3]；大氣降水和地下水使得路基內部含水率增大；氣溫的周期變化使得路基土體處于凍脹與融化交替作用的狀態，因此凍土路基的力學性能變異性極大[4]。在惡劣的自然環境和繁重的交通荷載作用下，路基的不均勻變形[5-7]、縱向裂縫[8-10]和邊坡疏松[11]是多年凍土地區典型的病害形式。本文以青藏公路五道梁段為依托，針對典型的病害類型，在分析現有病害處治措施的基礎上，提出具體的路基病害整治措施[12-14]。

1 多年凍土地區路基典型病害的類型和特點

項目組針對青藏公路K2966～K3360路段進行路基病害調查，調查結果如表1所示。從表1中可以看出，該調查路段內典型的路基病害形式是內部縱向裂縫、不均勻變形和邊坡疏松。

1.1 縱向裂縫

縱向裂縫是與行車方向基本平行并伴有少量支縫的長直裂縫，如圖1所示，寬為幾厘米至幾十厘米，長度從幾米到幾十米不等，多發生在距路邊緣3～5 m的行車道內、緊急停車帶或路肩部位。75%以上的縱向裂縫發生在路基高度大于2.5 m的路段，且陽坡路段多于陰坡路段。

1.2 路基不均勻變形

凍脹、融沉及翻漿等病害導致路基不均勻變形破壞[15]，表現形式為橫向不均勻變形和縱向波浪變形，如圖2所示。路基的橫向不均勻破壞主要表現為路基、路面有深度大于3 cm的豎向變形或路面下凹。青藏公路路基最大橫向不均勻下沉變形從幾厘米到幾十厘米不等，最大處達到20 cm。路基的縱向不均勻變形主要呈現波浪變形，波峰波谷非常明顯，破壞路段從十幾米至上百米不等，不均勻下沉的變形從幾厘米至十幾厘米不等。

1.3 邊坡的疏松

邊坡疏松是青藏公路路基的一種典型病害形式，主要表現為邊坡土體松散，降雨過后，邊坡上會有小型的沖溝，如圖3所示。青藏公路沿線普遍存在邊坡疏松現象，邊坡疏松將導致邊坡局部垮塌、路基寬度變窄等破壞。

2 路基病害產生的原因

凍土地區路基病害產生的原因有內因與外因，內因是凍土的工程性質，外因包括特殊的氣候條件和工程因素。

2.1 凍土的工程性質

凍土對氣候、水文和地表條件的變化極其敏感，具有融沉、凍脹等特殊的工程性質，而凍土的凍脹、融沉是土中水的凍結與冰的融化作用，是溫度與水分綜合作用的結果。多年凍土區路基可分為季節活動層和多年凍土層，地溫、含水量和含冰量極大地影響季節活動層和多年凍土層的力學性能。路基修筑在季節活動層上，活動層的力學性質是影響其穩定性的關鍵因素[16]。隨著全球氣候變暖，加之道路的修筑，使得多年凍土層上限下降，凍土轉化為融土，這也是路基承載能力下降的關鍵因素之一。

2.2 特殊的氣候條件

青藏公路處于高海拔低溫的氣候區域，凍結過程與融化過程一樣，均是周期氣候的產物。青藏高原的降雨主要集中在每年6～9月，這種集中降水從路基的邊坡下滲到路基內部（青藏公路路基排水是散排）。氣候降溫引起土體凍結，由于土體中水分的不均勻性和水分遷移通道的差異，致使凍結過程中路基土體產生的凍脹變形不均勻。隨著氣溫上升，土體中的冰融化，含水量的增大使土體強度產生弱化，在行車荷載的作用下，被弱化的土層就會發生變形，而其下的凍土層卻具有很高的強度，致使弱化土層產生水平向的變形，路面表現為融沉或翻漿現象[17]。在氣候周期變化下，路基土體常年處于凍脹和融化狀態，結構疏松，承載能力下降極快。

2.3 工程因素

道路的修筑過程，改變了原有的地表水熱平衡狀態。路基斷面類型、路基填料和路面性質都是影響路基病害的原因。路基的斷面類型指路基的高度、寬度以及排水設施等。路基高度和寬度的不同會引起熱阻和熱儲差異；路基高度越大，會使得因陽坡面接收太陽輻射熱而產生的熱阻、熱儲的差異越明顯。排水設施是否完備，決定著滲入路基水分的多少。路基填料性質直接影響路基承載能力和穩定性。瀝青路面的鋪筑增大了對太陽輻射能量的吸收，減少了蒸發耗熱，致使路基內部地溫增加，引發融沉現象。

3 多年凍土地區路基病害處治措施

以青藏公路五道梁段為依托，分別針對縱向裂縫、路基不均勻變形和邊坡疏松三大類病害提出整治措施。

3.1 路基縱向裂縫的處治措施

青藏公路K3052+000附近縱向裂縫發育嚴重，該路段位于豎曲線底端，路基填料為含有砂礫的紅粘土，路基右側距坡腳1 m左右有大面積積水，最寬的縱向裂縫已達到14 cm。針對該路段病害，提出柔性枕梁結合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫的措施，如圖4所示。

3.1.1 柔性枕梁結合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫的工作原理

柔性枕梁既有在平面上抗拉強度高的優勢，又有在豎直方向上抗折性能好等特點，能起到橋聯裂縫的作用。采用此種結構處治裂縫，在荷載應力作用下，裂縫寬度變化不明顯，而且該結構具有良好的抵抗路基變形的能力。但柔性枕梁的不足之處在于：碎石粒徑大于土工格柵網格的尺寸，當格柵繃緊后局部格柵承受拉力不均勻，當拉力超過格柵的抗拉強度時會造成格柵斷開；柔性枕梁處治完畢一段時間后，原路面結構重鋪的面層與老路面接觸面上會出現2條反射裂縫；裂縫的繼續發育可能會導致枕梁底部格柵由于拉應力增大而斷裂。

鑒于此，采用凸榫式土工膜袋來加強抗裂效果。凸榫式土工膜袋利用高壓注漿機把適當配比的水泥漿灌入多孔的土工膜袋中，使得在膜袋袋孔附近形成凸榫結構，增強與土體之間的摩阻力，將已變形土體與未變形土體良好地結合在一起，防止縱向裂縫擴張，從而確保路基穩定。

3.1.2 施工流程

具體的施工流程為：標出處治位置及范圍；開挖基床；查明裂縫深度走向；鉆孔取芯；放入土工膜袋；高壓灌注水泥砂漿；封口；灌縫并填實；壓實松軟部位；鋪土工格柵及土工布；連接并固定土工合成材料；回填碎石，壓實；土工合成材料反包及固定；鋪筑路基土料，壓實；鋪筑水穩基層，壓實；鋪筑瀝青面層，壓實；開放交通。

3.1.3 施工技術要點

（1）查明縱向裂縫特點。按照設計將原路基路面開挖成臺階式基床，以便查明縱向裂縫發育的長度、深度和寬度。

（2）邊坡橫向成孔。利用洛陽鏟將鉆孔內殘留物清理干凈，注意避免孔壁的砂或土粒掉落。

（3）土工膜袋入孔。利用小型鋼釬將制作好的土工膜袋放入鉆孔中，鋼釬要水平緩慢推進，以免擾動孔壁的砂或土顆粒。

（4）高壓灌注水泥砂漿。在合適的水灰比下均勻攪拌砂漿，在配砂漿時控制好稠度，過稠容易堵住壓漿機，過稀不僅影響凸榫效果，而且過量的水分將加劇此處縱向裂縫的產生。

（5）灌縫并搗實。使用水泥砂漿對基床上開挖后露出的裂縫進行灌注并搗實。

（6）鋪土工格柵及土工布。在挖好的基床上將土工合成材料（土工格柵在下，土工布在上）展鋪在上面，預留反包長度和搭接長度，土工格柵和土工布的幅長方向均垂直于裂縫方向，縱橫向的搭接寬度均須不小于20 cm。

（7）回填碎石，壓實。回填碎石的粒徑不得大于碾壓層厚度的1/2，每層填筑厚度不宜大于15 cm。使用小型靜碾壓路機進行充分壓實，不宜使用夯式壓實機械壓實，以免砸壞碎石或破損土工合成材料。

（8）土工合成材料反包及固定。用土工布及土工格柵將回填的碎石包好，使其兩端相互搭接并拉緊，應用延伸率較小的鐵絲在搭接部位呈“之”字型穿綁，使土工合成材料與包裹的碎石形成一個整體，從而實現協同受力。

（9）按照原有路面結構鋪筑基層和面層。

3.2 路基不均勻變形處治技術

青藏公路K3036+000附近路側經常有季節性積水，路基內部含水量較大，路基的承載能力較低，路基不均勻變形已造成路面破壞嚴重，路面平整度極差，最高處和最低處的變形已經接近50 cm。針對此種情況，提出采用干拌水泥碎石樁來處治路基的不均勻變形，樁體及其布置如圖5所示。

3.2.1 干拌水泥碎石樁的工作原理

干拌水泥碎石樁是應用水泥碎石混和料置換路基土體，對原路基土體具有擠密作用；水泥碎石混合料與路基內水分發生物理化學作用，吸收水分，降低路基的含水量；同時干拌水泥碎石樁與原路基土體組成復合地基，以達到提高路基承載能力、減緩路基變形的目的。

3.2.2 施工流程

干拌水泥碎石樁的施工流程主要包括樁位的設計及測放、成孔、填料的夯實、封孔及最終的罩面整平5個工序。

3.2.3 高寒地區不均勻變形處治技術要點

（1）在進行干拌水泥碎石樁處治前，首先要進行現場平整度及不均勻變形測試。在采用鉆機成孔的過程中，要嚴格控制成孔的尺寸、深度、垂直度，防止孔位偏差。

（2）成孔和孔內回填夯實的施工順序為：在成孔過程中，要采用隔排隔樁跳打，且宜從里向外間隔進行，以起到擠密路基土的作用，成孔后要及時進行回填。

（3）在成孔的過程中很有可能會出現縮孔現象，因此可加入適量的水泥進行多次沖擊，以保證成孔質量，并在成孔后立即回填。

（4）在樁身進行夯填前，首先要打底夯，并進行回填夯擴。

（5）由于在打樁及樁身回填的過程中會產生熱量，或回填材料會帶入熱量，擾動多年凍土；因此，在回填過程中，前兩次的回填料要采用液氮進行降溫。

3.3 邊坡疏松處治技術

特殊的氣候條件致使青藏公路沿線邊坡密實程度較差，大氣降水的滲入、溫度周期變化產生的凍結與融化致使邊坡疏松嚴重。隨著邊坡部分土體強度下降，瞬時強降雨后，坡面上會形成沖溝，路肩強度不足，當車輛荷載作用時就容易發生滑塌現象。K3003+750附近路基高度約2 m，陽坡土體疏松嚴重，有水溝沖蝕現象；鑒于此，采用在邊坡挖除重填過程中拌入土壤固化劑進行回填的處治措施，如圖6所示。

3.3.1 土壤固化劑加固邊坡的工作原理

土壤固化劑是一種由多個強離子組合而成的水溶性化學物質，通過電化原理改變土顆粒雙電層結構，使土體的膠質電離，失去表面陽性，產生一系列置換水反應和離子交換作用，改變土體表面電荷特性，增強土顆粒之間的結合能力，將土體的親水性變為疏水性，同時使土易于壓實，形成強度較高、結構穩定的整體。

3.3.2 施工流程

邊坡疏松處治的流程為：標出處治位置及范圍；開挖邊坡；拌入土壤固化劑；土體分層回填、壓實；邊坡坡面的整形。

3.3.3 施工技術要點

（1）在挖除重填之前先量好坡度、路基高度，進行準確放線，標出邊坡的處治范圍。

（2）在挖除過程中，由上至下逐級開挖，從路肩上開始，在距路緣石30 cm處開挖第一層臺階，挖深30 cm，第一個臺階寬度為120 cm；緊接著開挖下一個臺階，從第一個臺階的根部向外45 cm處開挖，臺階寬度也是120 cm，把挖除土統一堆到路面上，以便后續回填。

（3）稀釋土壤固化劑，土體中固化劑摻配率為0.014%；然后將稀釋的固化劑和挖出的路基土進行人工拌和；再呈臺階狀分層填筑并壓實。

（4）修整邊坡，并在邊坡表面噴灑土壤加固劑。

4 結語

（1）對青藏公路K2966～K3360路段進行路基病害調查，結果表明路基縱向裂縫、不均勻變形和邊坡疏松是多年凍土地區路基病害的主要形式；同時分析了各類病害的發育特征。

（2）從凍土工程性質、特殊氣候條件和工程因素3個方面，初步分析了多年凍土地區路基病害產生的原因。

（3）以青藏公路五道梁段為依托，分別提出了柔性枕梁結合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫技術、干拌碎石樁處治路基不均勻變形技術和土壤固化劑加固邊坡的處治技術；闡述了各類技術的工作原理、施工流程和施工技術要點。

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