土工格柵在凍土路基中的應(yīng)用及展望

陳 榕，郝冬雪，魯 楠

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.旅順海建工程處，大連遼寧116085)

凍土對我國的道路工程建設(shè)危害較大，土體在凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，雖然自身強(qiáng)度得到了提高，但在凍結(jié)過程中體積產(chǎn)生膨脹，形成路面隆起和路基鼓脹;在凍土融化后，巖土中冰屑的骨架支撐作用消失，又導(dǎo)致體積縮小，地基承載力降低，在行車荷載下路基產(chǎn)生下沉陷落，從而導(dǎo)致公路表面凹凸不平，甚至局部陷落，嚴(yán)重威脅了我國的交通與運(yùn)輸安全［1］。我國早期所修建的青藏公路路段，即由于瀝青路面的吸熱作用加上全球氣候變暖造成多年凍土邊緣地帶凍土退化，從而引發(fā)大范圍路基不均勻沉降變形等病害。據(jù)1999年調(diào)查顯示，整條線路病害率高達(dá)31.7%。國家先后對其進(jìn)行了兩期整治，累計(jì)修復(fù)路段逾600 km，耗資巨大。雖然整治對路面波浪起伏和路基沉陷變形等病害的治理有了一定的效果，但路基路面縱向裂縫較改建工程之前更為嚴(yán)重。因此部分專家預(yù)言:如果凍融災(zāi)害得不到有效地解決，凍土地區(qū)道路建設(shè)將面臨“修得起，養(yǎng)不起”的尷尬局面［2］。

我國的多年凍土面積約為215萬平方公里，占中國領(lǐng)土面積的22.3%，居世界第三位，僅次于俄羅斯和加拿大，而包括季節(jié)性凍土在內(nèi)的總凍土面積約占全國總面積的70%左右。由此可見，凍土地區(qū)的道路建設(shè)對我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有很大影響［3］。與多年凍土相比，季節(jié)性凍土對公路工程的危害更大，由于季節(jié)性溫度變化，土體內(nèi)部的凍脹和融沉現(xiàn)象頻繁交替出現(xiàn)，使得土體隨之反復(fù)出現(xiàn)不均勻鼓脹和沉陷現(xiàn)象，極易引起路基及路面產(chǎn)生縱向連續(xù)性開裂。特別是東北三省地區(qū)，季節(jié)性凍土普遍發(fā)育，道路災(zāi)害現(xiàn)象更為嚴(yán)重，大面積縱向裂縫和春季道路翻漿等病害屢見不鮮［4］，如圖1所示。

1 凍土路基的常規(guī)處理方法

對于凍土地區(qū)路基凍脹和融沉病害的整治一直被視為世界性的難題。為了解決凍土地區(qū)路基工程所出現(xiàn)的凍融病害，國內(nèi)外已經(jīng)研究、開發(fā)并采用了多種措施進(jìn)行了工程應(yīng)用和探索，如淺色路面、泥炭土墊層、預(yù)融、冬季施工、地表覆蓋層、熱管、輕質(zhì)回填材料及通風(fēng)路堤等工藝，均取得不錯(cuò)的應(yīng)用效果［5］。在目前凍土道路的施工工藝中，淺色路面可以有效降低陽光反射與熱傳導(dǎo)，維持多年凍土的上限穩(wěn)定，但對于季節(jié)性凍土地區(qū)而言，效果并不理想;泥炭土墊層和輕質(zhì)回填材料法可以有效改良土體的凍脹特性，但是需要大量置換原有土層，需要增加運(yùn)輸成本，工程量大幅提高，并且工期延長;熱管技術(shù)是目前國外寒區(qū)工程中廣泛使用的一項(xiàng)主動(dòng)冷卻地基土體的技術(shù)［6］，在我國的青藏鐵路工程中進(jìn)行了應(yīng)用，效果較好，但該方法也主要應(yīng)用在多年凍土區(qū)，同時(shí)具有造價(jià)過高，施工工藝相對復(fù)雜等缺點(diǎn);預(yù)融方法可以有效解決工程竣工后土體融沉所產(chǎn)生的不均勻沉降問題，而冬季施工可以防止工程竣工后土體凍脹所產(chǎn)生的地面不規(guī)則隆起現(xiàn)象，但這兩種方法卻無法全面考慮季節(jié)性凍土地區(qū)所出現(xiàn)的凍融交替現(xiàn)象。由此可見，上述施工工藝和方法在凍土地區(qū)，尤其是季節(jié)性凍土地區(qū)均存在著一定的應(yīng)用局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

圖1 季凍區(qū)路基凍脹災(zāi)害

2 土工格柵加筋路基

作為新型土工合成材料之一，土工格柵具有獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，依靠格柵與土體之間的摩擦和嵌鎖咬合作用，可有效地改善土體的強(qiáng)度和變形特性。在路堤中鋪埋或嵌入筋帶、纖維材料或網(wǎng)狀材料等人工筋材，由加筋材料與路堤土體復(fù)合而形成土工加筋結(jié)構(gòu)［7］。這種結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)充分發(fā)揮與調(diào)動(dòng)筋材的抗拉強(qiáng)度和土體的抗壓強(qiáng)度，從而提高加筋路堤的整體強(qiáng)度和承載力，改善路堤內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)及其分布，可顯著增強(qiáng)土體抵抗側(cè)向變形的約束能力與減少地基沉降。目前，土工格柵憑借其良好的加筋性能，已經(jīng)在國內(nèi)眾多的道路工程中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在軟土路基加固和高陡邊坡工程上應(yīng)用更為效果更為突出［8，9］，例如秦沈客運(yùn)專線路基［10］，廣東馬梧高速公路等，如圖2所示。上述工程均取得了較好的工程效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 道路工程中土工格柵使用實(shí)例

在理論研究方面，國內(nèi)的眾多學(xué)者也紛紛針對土工格柵加筋路基的工作性能開展了相關(guān)研究工作。張興強(qiáng)和閆澍旺等［11］通過有限元方法對交通荷載下加筋路基進(jìn)行了彈塑性分析;李志清和胡瑞林等［12］通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)土工格柵在限制水平方向位移比限制垂直方向位移更為有效;劉春和趙洪波等［13］針對土工格柵在治理軟土路基沉降問題進(jìn)行了研究，并編寫了相關(guān)計(jì)算程序;王建和姚令侃等［14］則專門針對汶川地震的路堤成災(zāi)模式，對格柵加筋路堤的變形問題進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，提出了地震作用下加筋路基變形控制方法?？梢哉f上述的研究均取得了許多有益的研究成果，其相應(yīng)的加筋機(jī)理的理論分析和試驗(yàn)研究也已取得了較大的進(jìn)展。但需要注意的是，當(dāng)前土工格柵加筋路基理論研究的重點(diǎn)多集中在土工格柵的蠕變特性對加筋結(jié)構(gòu)長期工作性能的影響，或加筋路基在交通荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)這兩個(gè)領(lǐng)域［15-19］，而對于凍融過程中外界溫度或土體含水率等參數(shù)對土工格柵加筋性能的影響，幾乎未見相關(guān)的研究論文及成果?？梢哉f，對于土工格柵與凍土之間的相互作用機(jī)理，以及土體凍融過程對土工格柵加筋效果的影響等方面，都處于研究的起步階段。

3 土工格柵在凍土路基中的應(yīng)用前景

對于土工格柵在凍土地區(qū)路基中的應(yīng)用，目前并沒有獨(dú)立的加筋技術(shù)和理論可供參考，也正是由于相關(guān)理論的缺乏，導(dǎo)致能否將土工格柵用于抑制凍土地區(qū)路基災(zāi)害的作用和效應(yīng)問題一直處于爭論當(dāng)中。本文針對凍土路基中常出現(xiàn)的凍脹、融沉及路面翻漿等常見災(zāi)害，基于現(xiàn)有的土工格柵加筋工程實(shí)例和相應(yīng)的加筋理論，進(jìn)行了應(yīng)用前景探討。

(1)凍脹災(zāi)害

相關(guān)試驗(yàn)表明:土體在凍結(jié)過程中會出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象，局部土體體積可增大百分之幾十，甚至可達(dá)百分之幾百。這種不均勻的凍脹現(xiàn)象會導(dǎo)致路面出現(xiàn)嚴(yán)重的波浪起伏及大面積的裂縫。如吉林省長余高速公路的部分典型路段［20］，土體凍脹導(dǎo)致路面產(chǎn)生了嚴(yán)重橫向撓曲變形，局部路面的中間凍脹量比兩側(cè)高約60 mm，并且在路肩附近還出現(xiàn)了明顯的側(cè)向變形和坍塌。在路基中埋置一定程度的土工格柵，依靠其表面摩擦和鑲嵌咬合能力，可充分發(fā)揮與調(diào)動(dòng)土工格柵自身的抗拉強(qiáng)度，將土中的不均勻凍脹應(yīng)力重新進(jìn)行分布，從而抑制土體凍脹所產(chǎn)生的局部變形。如能在路基底部配合使用新型的土工合成材料(如三維復(fù)合排水網(wǎng))，可在間接提高路基的整體性能的同時(shí)，提供有效的排水通道降低凍結(jié)上限，從而大幅降低凍脹對路基的影響。

(2)翻漿災(zāi)害

隨著春季氣溫的回升，凍土在融化初期，上部的冰層開始融化，但底部尚未融化的冰層阻礙了孔隙水的滲出，因此在行車作用下極易產(chǎn)生大量的路面翻漿現(xiàn)象。如黑龍江省哈羅公路寶泉嶺路段，春季路面翻漿現(xiàn)象嚴(yán)重，路面凸凹起伏高達(dá)0.5～1.0 m左右，曾引發(fā)嚴(yán)重的大客車翻車事故［21］。季節(jié)性凍土地區(qū)道路翻漿的產(chǎn)生，主要與土質(zhì)、水分、溫度、行車荷載及路面等因素有關(guān)［22-24］。在保證行車荷載不受制約和自然環(huán)境不受破壞的前提下，如何合理地提高季凍區(qū)路基抗翻漿能力則成為了目前研究的關(guān)鍵。試驗(yàn)表明:當(dāng)土體在反復(fù)經(jīng)歷凍結(jié)和融化過程后，土體的孔隙率與初始狀態(tài)相比呈大幅增加，同時(shí)壓縮系數(shù)也明顯提高(可達(dá)初始狀態(tài)的幾倍)［25］，在排水不暢的情況下，其整體性能更接近于沿江、沿海地區(qū)的高含水量和高孔隙率的軟土特征。而土工格柵在軟土加固工程中同樣具有很好的應(yīng)用優(yōu)勢，近幾年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軟土地基加固工程［26，27］，以及港區(qū)道路堆場及海岸防護(hù)工程［28，29］。比較典型的工程如江都港一號碼頭，雖然經(jīng)歷了1998年夏季洪水，但在水退之后即可重新行車，使用效果良好。由此可知，將其用于防治季節(jié)性凍土地區(qū)路基翻漿現(xiàn)象也存在著一定的工程依據(jù)。

(3)融沉災(zāi)害

隨著氣溫的繼續(xù)回升，凍土中的凍結(jié)水由固相完全轉(zhuǎn)變成液相，土體的強(qiáng)度性質(zhì)發(fā)生急劇下降，在路基自重及行車荷載的作用下，路基會產(chǎn)生較大的沉降，這種沉降即為融沉現(xiàn)象。與凍脹災(zāi)害相比，融沉災(zāi)害對道路工程所產(chǎn)生的危害更為嚴(yán)重，青藏鐵路中85%的路基病害是融沉造成的，15%為凍脹和翻漿所致。同時(shí)高路堤公路中還存在著嚴(yán)重的陰陽坡受熱不均所導(dǎo)致的不均勻沉降問題。青藏鐵路的部分路段即由于兩側(cè)陰陽坡受日照輻射不同，造成地溫場的不對稱，從而導(dǎo)致路基沉降變形的不對稱，出現(xiàn)了大量縱向裂縫［30，31］。

這種不均勻沉降所導(dǎo)致的縱向裂縫現(xiàn)象在很多舊道路擴(kuò)建工程也頻繁出現(xiàn)。雖然土工格柵在季節(jié)性凍土地區(qū)尚未有足夠的工程應(yīng)用依據(jù)，但在舊路改造工程中土工格柵已有很多成功的工程實(shí)例可查，如新疆克拉瑪依-榆樹溝舊路改建工程［32］，沈大高速公路改擴(kuò)建工程等［33］，在工程竣工三到五年后，尚未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫的產(chǎn)生。由此可見，土工格柵對季節(jié)性凍土地區(qū)融沉災(zāi)害所導(dǎo)致的縱向裂縫也應(yīng)有很好的防治效果。

綜上所述，無論在凍脹災(zāi)害、融沉災(zāi)害，還是翻漿災(zāi)害方面，選用土工格柵對凍土地區(qū)路基災(zāi)害進(jìn)行加筋處理存在一定的理論依據(jù)和工程可操作性。

4 凍土地區(qū)加筋路基的相關(guān)研究現(xiàn)狀

Bonnie等［34］學(xué)者率先在美國阿拉斯加州凍土地區(qū)進(jìn)行了足尺的加筋路堤試驗(yàn)，并對土工格柵加筋前和加筋后的路面縱向裂縫進(jìn)行了對比，從而驗(yàn)證了土工格柵對于防治凍土所產(chǎn)生凍脹災(zāi)害的有效性，但結(jié)論前提局限于永久凍土地區(qū)。由此，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界專家逐漸認(rèn)識到土工格柵對于工程凍害防治同樣具有巨大的應(yīng)用潛力及優(yōu)勢。汪恩良和徐學(xué)燕［35，36］等學(xué)者專門針對低溫條件下土工格柵的性能變化進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)研究，試驗(yàn)的溫度控制范圍為-25～+25℃，在經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)土工格柵的抗拉性能基本不受凍融循環(huán)的影響，其拉伸力反而隨著溫度的降低而增大，屈服伸長率隨著溫度降低而下降。Donald和Charles等［37］進(jìn)一步以冰為介質(zhì)，重點(diǎn)研究了土工格柵加筋冰體的極限承載能力變化，并對土工格柵的低溫加筋性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。上述的研究成果間接說明，在低溫凍土地區(qū)采用土工格柵做為工程加筋材料是完全可行的。在實(shí)際工程方面，國內(nèi)目前也已在青藏公路和鐵路等高原多年凍土路段率先進(jìn)行了小范圍應(yīng)用［38-41］，如青藏鐵路的清水河試驗(yàn)段［42］、安多試驗(yàn)段［43］、五道梁試驗(yàn)段［44］、楚瑪爾河高原［45］等。通過對上述路段實(shí)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn):土工格柵能有效地減小凍土路堤的側(cè)向位移;同時(shí)加筋后的路堤本體抗拉強(qiáng)度增大，且路面的裂縫發(fā)育較少，規(guī)模變小，這說明土工格柵可使路堤內(nèi)部的應(yīng)力分布更加均勻，路堤本體變形協(xié)調(diào)能力增強(qiáng)，大大提高了路堤本體抗縱向裂縫的能力。裴建中和竇明健等學(xué)者［46］初步總結(jié)并提出了土工合成材料在多年凍土地區(qū)路基病害的處治措施，并針對一些災(zāi)害給出了相應(yīng)的處治技術(shù)，但其同時(shí)也指出，應(yīng)根據(jù)不同處治結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)貙?shí)際條件，綜合考慮土工合成材料的強(qiáng)度特性、構(gòu)造特性、耐久性能、抗施工損傷性能等，進(jìn)而選擇合適的材料類型及其型號。可以說，土工格柵在凍土地區(qū)道路工程中應(yīng)用和研究仍處于起步階段，現(xiàn)有的凍土加筋施工技術(shù)也處于初步討論和摸索階段。

對于季節(jié)性凍土地區(qū)，影響加筋路基穩(wěn)定性的因素更多。最主要的是外界氣候影響，外界氣候變化直接導(dǎo)致路堤內(nèi)部凍土的溫度變化，從而間接影響凍土的力學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)過反復(fù)凍融作用之后，路基力學(xué)性能嚴(yán)重降低;其次，外部交通荷載對路基產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，使得凍土融化后受小尺度擾動(dòng)而加速破壞，這直接影響凍土的力學(xué)穩(wěn)定性。原本看似無恙的路基，在長期動(dòng)荷載作用下，路基容易遭到加速破壞。目前，對凍土加筋路基的研究主要還是依靠野外工程應(yīng)用，并且主要研究內(nèi)容也集中在多年凍土的上限變化及路面表層的裂縫控制上。而對于季節(jié)性凍融過程中加筋路堤內(nèi)部的應(yīng)力場和溫度場的變化規(guī)律，以及凍融過程對土工格柵加筋效果的影響等方面，都處于尚待研究階段。

5 目前存在的問題

從目前國內(nèi)外關(guān)于使用土工格柵在季凍區(qū)道路工程中的應(yīng)用及研究成果來看，存在以下及方面問題急需解決:

(1)目前所得相關(guān)結(jié)論只停留在工程經(jīng)驗(yàn)型建議，在理論上尚未得到很好地驗(yàn)證。無法滿足日益增長的工程應(yīng)用需求，也無法對季節(jié)性凍土地區(qū)凍融交替作用下土工格柵加筋路基長期工作性能進(jìn)行合理評估;

(2)現(xiàn)有的凍土加筋路基的研究區(qū)域大部分集中在高原多年凍土區(qū)，對于季節(jié)性凍土地區(qū)的加筋路基研究幾乎為零，尚缺乏合理而實(shí)用的獨(dú)立設(shè)計(jì)理念;

(3)“施工技術(shù)是目前整個(gè)凍土工程成敗的關(guān)鍵”，這是國內(nèi)外凍土研究專家近幾年所達(dá)成的共識。對于頻繁產(chǎn)生凍融交替現(xiàn)象的季節(jié)性凍土地區(qū)，使用土工格柵時(shí)更應(yīng)特別注意其加筋方法和施工工藝。因此，建立凍土地區(qū)土工格柵加筋結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)導(dǎo)則更為緊迫。

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