季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹翻漿淺析

季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹翻漿淺析【摘要】在季節(jié)性凍土地區(qū),為使公路減少凍脹翻漿等病害,需要對(duì)路基的設(shè)計(jì)、施工工藝等進(jìn)行改進(jìn),文章結(jié)合xx國道xx段改建工程的實(shí)際情況和室內(nèi)模型試驗(yàn),對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)和施工提出了一些建議。【關(guān)鍵詞】季節(jié)性凍土;路基;凍漲;翻漿1季節(jié)性凍土概述和工程背景111季節(jié)性凍土概述現(xiàn)在學(xué)術(shù)界普遍把凍土分為季節(jié)性凍土、隔年凍土和多年凍土。在天然條件下冬季凍結(jié),夏季全部融化的土層,稱為季節(jié)性凍土;冬季凍結(jié),一兩年內(nèi)不融化的土層,稱為隔年凍土。而凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年或三年以上的土層稱為多年凍土。我國季節(jié)凍土區(qū)面積51317×104km2,約占國土面積的5315%,分布在東北、華北、川西北及內(nèi)蒙古地區(qū),其凍結(jié)深度由南向北逐漸增厚,最大達(dá)3m左右。在冬季負(fù)溫作用下,造成地表土層中孔隙水結(jié)冰,致使其體積膨脹9%左右。而另一方面在負(fù)溫梯度作用下,其下部未凍結(jié)的水分源源不斷地向上遷移,并凍結(jié)成冰透鏡體,使得土體出現(xiàn)大幅度膨脹,其總凍脹量在011m～01112工程背景國道xx線xx至xx公路改建工程(以下簡(jiǎn)稱xx公路),全長225km,位于青藏高原東緣與川西北高原結(jié)合部,全線四分之三路段位于海拔3200～3800m的季節(jié)性凍土地區(qū)。公路兩側(cè)均為草原牧區(qū),若爾蓋濕地位于公路右側(cè)。該地區(qū)由于溫差大、強(qiáng)紫外線等因素作用,公路路面常出現(xiàn)早期干澀、老化、開裂等現(xiàn)象。在冬季路基發(fā)生凍漲后會(huì)造成路面高低不平,路面發(fā)生龜裂,但車輛還可以低速行駛;然而在翌年春季,路基就會(huì)發(fā)生融沉病害現(xiàn)象,使得道路翻漿而喪失承載能力,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,也造成行車不便和很大浪費(fèi)。2影響季節(jié)性凍土路基凍脹的因素和凍脹機(jī)理2.1季節(jié)性凍土路基的凍脹機(jī)理目前,包括國內(nèi)一些季節(jié)性凍土的專家也一致認(rèn)為季節(jié)性凍土凍脹的機(jī)理一共有三個(gè),即適用于細(xì)粒土路基的毛細(xì)理論、適用于黏性土路基的第二凍脹理論和介于二者之間的分凝凍脹理論。雖然這三個(gè)理論的機(jī)理不盡相同,但是對(duì)于影響路基土凍脹的因素上的看法是一致的。由于受地理環(huán)境、取土來源和工程造價(jià)限制,又由于本項(xiàng)目的公路路基填土大部分為粉質(zhì)土和粉質(zhì)黏土,對(duì)于防止路基發(fā)生凍脹翻漿病害提出了挑戰(zhàn)。這里只介紹與本文相關(guān)的毛細(xì)凍脹理論和第二凍脹理論。2.1.毛細(xì)理論認(rèn)為凍脹壓力及抽吸壓力是產(chǎn)生冰透鏡體的原因,并與土粒的多孔基質(zhì)的幾何關(guān)系有關(guān)。對(duì)冰透鏡體形成的機(jī)理進(jìn)行了研究,并提出了判斷一個(gè)新的冰透鏡體的生成方法。這里應(yīng)用孔隙正應(yīng)力(用σn表示)的概念來判斷冰透鏡體的形成。當(dāng):σn>p0(1)時(shí)(p0為約束壓力),土骨架被擠開,新的冰透鏡體形成。與此同時(shí),原來孔隙中水的負(fù)壓迅速消失,冰的壓力即快速下降到約束壓力的水平。2.1.2Miller第二凍脹理論假設(shè)路基土自上而下凍結(jié),則表面部分為凍結(jié)狀態(tài),下部為未凍脹狀態(tài),中間為凍結(jié)邊緣區(qū)。凍結(jié)邊緣區(qū)的上下表面分別為冰透鏡體鋒面(或稱冰分凝鋒面)和冰凍鋒面(或稱凍結(jié)鋒面)。成冰與凍脹作用發(fā)生在凍結(jié)邊緣區(qū)內(nèi)。自冰凍結(jié)鋒面向冰透鏡體鋒面方向,孔隙冰含量不斷增長,未凍水膜逐漸變薄,故形成吸力梯度,使路基內(nèi)部土體中的水源源不斷地從未凍土區(qū)向冰透鏡體鋒面處集聚并凍結(jié)。其遷移速度為:Vm=kf(Pw-Pu)/d(2)式中:kf凍結(jié)邊緣區(qū)導(dǎo)水率;Pw、Pu分別為凍結(jié)邊緣區(qū)上下表面處之土層的吸水力;d為凍結(jié)邊緣區(qū)之厚度。2.2季節(jié)性凍土路基的凍脹影響因素季節(jié)性凍土發(fā)生凍脹時(shí)對(duì)其影響的因素很多。但是辯證地分析歸納起來,其內(nèi)在因素:包括顆粒分布、構(gòu)造、滲透性、比表面積飽和度、含水量及土體中的鹽分組成與含量;外在因素:包括凍結(jié)時(shí)的孔隙水壓力,凍結(jié)時(shí)的約束力、凍結(jié)速度或溫度梯度,以及水分補(bǔ)給條件等。按照我國現(xiàn)流行的對(duì)季節(jié)性凍土的研究情況,對(duì)影響土凍脹的主要因素歸納為土、水、溫與附加荷載等4個(gè)方面,這從宏觀上概括了土凍脹2.2.1土基質(zhì)土質(zhì)是由大小不等的顆粒組成的,用土的粒徑和級(jí)配來表示,即所謂土的分散性。土的分散性作為決定著土凍結(jié)時(shí)水分遷移和凍脹強(qiáng)度的一個(gè)基本因素,早鍲_杻L已得到了普遍認(rèn)可。在高分散性土中水膜相當(dāng)厚,足以保證水向生長著的冰晶體遷移集聚。而在低分散性土中,水膜厚度很小,故水分子向這些水膜的移動(dòng)性大大降低,所以凍脹強(qiáng)度較小。2.不同的土質(zhì)其凍脹敏感性不同,沒有適當(dāng)?shù)乃謼l件,土凍結(jié)時(shí)凍脹現(xiàn)象是不可能發(fā)生的。在自然界與工程場(chǎng)地或路基中的水分狀態(tài)受到降水、地下水位、地表流水等因素的影響。常用季節(jié)性凍土起始凍脹含水量Wo來判別土體是否凍脹。當(dāng)路基土體內(nèi)部的含水量大于Wo時(shí),就提供了凍脹的必要條件。對(duì)于同一土樣,起始凍脹含水量不是定值,而是隨凍結(jié)速率而變化的。當(dāng)凍結(jié)速率加大時(shí),起始凍脹含水量也隨之提高。2.顯然,只有當(dāng)大氣溫度降低到負(fù)溫并低于土體中水的凍結(jié)溫度時(shí),才可能出現(xiàn)冰晶體析出現(xiàn)象。對(duì)于表征溫度條件對(duì)土體凍脹過程影響的特征指標(biāo)是凍脹鋒面的前進(jìn)速度,即凍結(jié)速率Vf。由于土體凍結(jié)時(shí)的凍結(jié)面發(fā)展的快慢差異,決定著土凍結(jié)時(shí)是否只有原孔隙中水凍結(jié)或形成厚薄不同的冰透鏡體,從而形成冰夾層的所謂層狀凍土構(gòu)造,直接改變著季節(jié)性凍土的物理和力學(xué)性質(zhì),特別是凍融循環(huán)中產(chǎn)生的不均勻凍脹與融化下沉變形及強(qiáng)度弱化。凍結(jié)速率Vf越快冰透鏡體形成越慢或不形成,反之則凍脹強(qiáng)度加大。2.土層上部的附加荷載,使土層脫水壓縮固結(jié),增加相應(yīng)的密實(shí)度,路基內(nèi)部孔隙率減小,從而影響水分遷移速率。當(dāng)附加荷載較小時(shí),土體內(nèi)部孔隙較大(當(dāng)然必須小于保證毛細(xì)水分遷移的最大孔隙)水分遷移的速率較快,冰透鏡體發(fā)展完整,路基凍脹嚴(yán)重。3試驗(yàn)結(jié)果分析筆者在室內(nèi)通過大比例模型試驗(yàn)(1:10),對(duì)國道xxxx段季節(jié)性凍土路基穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。本組試驗(yàn)共為五個(gè)小模型。模型一:路基高度為2m,隔離層厚度為012m且隔離層的底面至地基表面距離為014m。(模型二:路基高度為2m,未設(shè)置隔離層。模型三:路基高度為2m,隔離層厚度為0.2m且隔離層的底面至地基表面距離為模型四:路基高度為1m,未設(shè)置隔離層。模型五:路基高度為1m,隔離層厚度為0.的底面至地基表面距離為0.本試驗(yàn)通過冷凍箱冷凍來模擬冬季冷溫凍結(jié),采用反力梁-千斤頂加載系統(tǒng)(圖1)。用百分表來量測(cè)豎向位移。下面通過試驗(yàn)結(jié)果得出的荷載-位移曲線(圖2～圖4)來分析隔離層對(duì)路基整體穩(wěn)定性的影響。從圖2可以得出本試驗(yàn)在荷載作用下模型二的沉降量最大,模型一居中,模型三最小,即同一路基高度下經(jīng)過凍融循環(huán)和荷載共同作用,沒有設(shè)置隔離層的模型二的穩(wěn)定性最差,模型三最好、模型一居中。模型一比模型三的沉降量大,說明在本試驗(yàn)條件下隔離層設(shè)置位置靠近地面比距地面遠(yuǎn)的穩(wěn)定性要好。前面已經(jīng)說明,該路段地下水位高,當(dāng)發(fā)生水分遷移時(shí),越早阻斷毛細(xì)水的上升對(duì)路基穩(wěn)定性的影響就越小。圖3中也可以說明隔離層的阻斷毛細(xì)水上升作用及對(duì)于增強(qiáng)路基整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的效果。模型二與模型四的路基模型均未設(shè)置隔離層,模型二的原型路基高度為2m,模型四的原型路基高度為1m。從圖4中可以得出在本試驗(yàn)條件下的結(jié)論:路基在都未設(shè)置隔離層的情況下,高度為2m的路基比高度為1m的路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性都要好。究其原因,兩路基同為未設(shè)置隔離層,在冬季都會(huì)遇到毛細(xì)水侵蝕路基內(nèi)部土體等病害,但是隨著路基高度的增加,毛細(xì)水對(duì)于路基的侵害會(huì)減弱。從圖5中可以看出,在本對(duì)比試驗(yàn)中雖然隔離層的位置相同,但是原始路基高度為2m的模型要比原始高度為1m的路基模型在荷載相同時(shí)豎向位移小。這也同實(shí)際情況相符,路基高度增加一定數(shù)值在不至于影響其邊坡穩(wěn)定性的情況下,其強(qiáng)度比矮路基大。但是要靠提高路基高度增加強(qiáng)度和穩(wěn)定性是不可取的,因?yàn)橥瑫r(shí)工程造價(jià)會(huì)大幅度提高。4工程措施鑒于xx路所處的地理環(huán)境和考慮工程造價(jià),防治路基發(fā)生凍脹的工程措施可以采用設(shè)置隔離層的辦法。隔離層包括隔溫層和隔水層兩種,下面分別介紹之。4.1隔溫層的設(shè)置在xx地區(qū)修筑的公路中,可采用鋪設(shè)高效隔溫層的方法,減小路基凍結(jié)深度或使路基不凍結(jié),以防治凍脹,從而也防治翻漿。在本路段可以用聚乙烯泡沫塑料板作為隔熱層材料[3]。試驗(yàn)證明采用厚度為5cm的聚乙烯泡沫塑料板作為隔熱層材料要比厚度為10cm的聚乙烯泡沫塑料板的隔熱效果要好得多。隔熱層厚度的確定還可以根據(jù)路基填土的性質(zhì)確定:式中:Z1為從道床頂面算起隔熱層材料的埋置深度,cm;Z為未設(shè)置隔熱層時(shí)路基土的凍結(jié)深度,cm;λ1、λ2為隔熱層材料與土的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);C1、C2分別為隔熱層材料與土的質(zhì)量熱容,J/(kg·k)。對(duì)于埋置深度,宜在距路基表面015m處,厚度不要大于0.4.2隔水層的設(shè)置為防止路基地下水通過毛細(xì)作用進(jìn)入路基上部,保持路基上層土體干燥,防止翻漿,常在路基中設(shè)置隔水層。隔水層分透水性和非透水性兩種[4]。4.透水性隔離層一般用砂礫、碎石、爐渣等做成,厚度一般為0.10～0.15m,這些材料孔隙較大,可切斷毛細(xì)孔,4.可用各種不透水材料做成,通常采用的不透水隔水層有以下幾種。(1)兩層油氈紙中間夾瀝青;(2)瀝青和土拌合或渣油和土拌合;(3)用噴灑的辦法鋪一層瀝青或渣油;(4)各種不透水膜料,如塑料薄膜、瀝青玻璃布、瀝青橡膠布等等。不透水隔水層的鋪設(shè)方式分開敞式(圖6)和封閉式(圖7)兩種。封閉式隔水層不但能隔斷毛細(xì)水,而且還可隔斷兩側(cè)路旁進(jìn)水。在開敞式隔離層還可以分為貫通式和非貫通式兩種情況。當(dāng)路基較寬時(shí),隔離層稍許延出路面015～018m,此種形式稱為非貫通式。而隔離層的深度h=(3～215)D(D為標(biāo)準(zhǔn)軸載的輪跡直徑)。對(duì)于本項(xiàng)目的xx公路來講,隔離層宜設(shè)置在距路面以下1.0～1.5m處,即路基表面以下0.5～1.5結(jié)束語對(duì)于xx國道xx段這樣以粉土和粉性黏土為路基填料的季節(jié)性凍土路基工程,可以采用隔離層