大興安嶺南部地區(qū)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(jié)因負(fù)溫作用,使土中水分凍結(jié)成為凍土,凍土據(jù)其凍融情況分為:季節(jié)性凍土、隔年凍土和多年凍土。呼倫貝爾大興安嶺南部地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū),即路基土層冬季凍結(jié),春季開始融化,夏季全部融化。在季節(jié)性凍土區(qū),隨著土中水的凍結(jié)和融化,會(huì)發(fā)生一些獨(dú)特的凍土現(xiàn)象,這種現(xiàn)象嚴(yán)重地威脅著地區(qū)的公路質(zhì)量。

凍土現(xiàn)象是由凍結(jié)和融化兩種作用引起。路基中含細(xì)粒土層多和含水量大,在凍結(jié)時(shí),往往會(huì)發(fā)生體積膨脹,使路面隆起成丘,即出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。路基發(fā)生凍脹的原因,不僅是由于含水量過(guò)大使水分凍結(jié)為冰時(shí)其體積要增大的緣故,而主要還由于路基土凍結(jié)時(shí),周圍未凍結(jié)區(qū)土中的水分會(huì)向表層凍結(jié)區(qū)遷移集聚,使凍結(jié)區(qū)土層中水分增加,凍結(jié)后的冰晶體不斷增大,土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起。到春暖解凍時(shí),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(shí)排出,路基上處于飽和狀態(tài),路基軟化,強(qiáng)度降低,在車輛(特別是超載車輛)反復(fù)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(xiàn)象。凍脹與翻漿構(gòu)成了對(duì)路基的危害,即路基凍害。凍脹會(huì)使路基隆起,使柔性路面鼓包、開裂,使剛性路面錯(cuò)縫折斷。翻漿在該地區(qū)危害更大,由于負(fù)溫低、作用時(shí)間長(zhǎng)、凍結(jié)線深,又屬季節(jié)性凍土區(qū),因此,翻漿持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),面積大,會(huì)使路面遭到完全破壞,甚者達(dá)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(fā)生在細(xì)粒土中,特別是粉質(zhì)亞粘土(由于本地區(qū)受大興安嶺和嫩江流域地理影響,該區(qū)域土質(zhì)多為粉質(zhì)亞粘土)。這些土凍結(jié)時(shí)水分遷移積聚最強(qiáng)烈,凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重。凍融時(shí),積聚在土基上層過(guò)多的水分不易及時(shí)排出,使土基濕度過(guò)大,強(qiáng)度降低而發(fā)生翻漿。這是因?yàn)檫@類土具有較顯著的毛細(xì)管現(xiàn)象,吸水飽水強(qiáng)、塑性大,具有較通暢的水源補(bǔ)給通道,同時(shí),這類土的顆粒較細(xì),表面空隙大,土粒礦物成分親水性強(qiáng),從而能使大量結(jié)合水遷移和積聚,而導(dǎo)致路基凍害。

(2)水的因素。當(dāng)路基土層中含水量大或地下水位較高處就易發(fā)生凍脹現(xiàn)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(dāng)凍結(jié)區(qū)附近地下水位較高,毛細(xì)水上升高度能夠達(dá)到或接近凍結(jié)線,使凍結(jié)區(qū)能夠得到外部水源的補(bǔ)結(jié)時(shí),將發(fā)生比較強(qiáng)烈的凍脹。實(shí)踐表明一般凍起高度可達(dá)25～200mm。此凍脹多發(fā)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(diǎn)處。

3 預(yù)防凍害的措施

(1)換填。呼倫貝爾南部屬高寒季凍區(qū),又是大興安嶺向松嫩平原過(guò)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(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,在路基施工中,要嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)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(shí),必須采取挖除,換以物理力學(xué)性質(zhì)較好的土。本地區(qū)山嶺重丘廣泛地分布粗粒巖性土質(zhì)——碎(礫)石類土(碎石土、天然級(jí)配砂礫、風(fēng)化砂礫)強(qiáng)度高,滲水性及水穩(wěn)性好,不易發(fā)生水分的遷移積聚,同時(shí)毛細(xì)現(xiàn)象不顯著,因而不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈凍脹。因此在本地區(qū)采用碎(礫)石類土修筑路基,既經(jīng)濟(jì)又是防止凍害主要措施之一。在選用碎石類土?xí)r,注意不要使用含有粒徑過(guò)大的塊石,用這種填料填筑路基上層會(huì)影響路基強(qiáng)度的均勻性,促成不均勻變形,使基面失去平整性。在容易發(fā)生凍害的路堤與路基的交接處,要注意路基填筑高度,設(shè)計(jì)時(shí)是否滿足臨界高度 80cm,否則施工時(shí)必須向下?lián)Q填碎(礫)石類土,使之滿足要求。

(2)防水。呼倫貝爾南部地區(qū)水資源極為豐富,僅莫力達(dá)瓦旗 10000km2的地域,水資源就占內(nèi)蒙古水資源 40%;水文地質(zhì)條件更為復(fù)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(qū)路基施工中,必須做好防水。首先必須按設(shè)計(jì)要求做好排水工程,以及施工場(chǎng)地附近的臨時(shí)排水設(shè)施,使路床面始終保持良好的排水狀態(tài)后,方能進(jìn)行路基施工。在路基填筑雨季施工時(shí),要保證“三度”,即應(yīng)用鏟運(yùn)機(jī)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(shí)度。一定防止壓實(shí)前被雨淋,禁止包漿。填料壓實(shí)時(shí)的含水量應(yīng)控制在最佳含水量上下 2%個(gè)百分點(diǎn)范圍內(nèi),對(duì)壓實(shí)度已檢驗(yàn)合格的路段,經(jīng)雨后還應(yīng)進(jìn)行復(fù)壓后再進(jìn)行上一層填料。在修筑路面結(jié)構(gòu)層前,應(yīng)用不小于 20t的壓路機(jī)對(duì)路基進(jìn)行碾壓至無(wú)輪跡,發(fā)現(xiàn)彎沉檢測(cè)不合格區(qū)域既軟彈現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理。其次在路塹施工中,經(jīng)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(shù)是設(shè)計(jì)中疏漏的,而地下水易引起強(qiáng)烈凍害,在施工中必須采取切斷、攔截、降低等措施。本地區(qū)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(cè)和上部,按一定比例分層(層厚約 15cm)填較細(xì)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(yīng)大于 5%,埋深不得小于當(dāng)?shù)刈畹蛢鼋Y(jié)線。施工中經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)道 111線部分凍害地段進(jìn)行上述治理,經(jīng)過(guò)近兩年的觀測(cè)沒有出現(xiàn)過(guò)冬季成丘、夏季翻漿現(xiàn)象,防治效果理想。有時(shí)也采用其他方法,如提高路基、設(shè)砂墊層、設(shè)隔離層、設(shè)管式滲溝等。在防治措施的選擇上,應(yīng)對(duì)施工路段進(jìn)行詳細(xì)觀察,找出易造成凍害的主要條件,然后按其程度,依據(jù)因地制宜就地取材的原則,經(jīng)濟(jì)合理選擇防治的方法。

[1]中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTJ-95)[S].北京:人民交通出版社,1995.

[2]洪毓康.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,1987.

[3]嚴(yán)家級(jí).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(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTJ01-88)[S].北京:人民交通出版社,1993.