土工格柵在凍土路基中的應用及展望

陳 榕，郝冬雪，魯 楠

(1.東北電力大學 建筑工程學院，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危害較大，土體在凍結狀態(tài)時，雖然自身強度得到了提高，但在凍結過程中體積產生膨脹，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，又導致體積縮小，地基承載力降低，在行車荷載下路基產生下沉陷落，從而導致公路表面凹凸不平，甚至局部陷落，嚴重威脅了我國的交通與運輸安全［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1999年調查顯示，整條線路病害率高達31.7%。國家先后對其進行了兩期整治，累計修復路段逾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重。因此部分專家預言:如果凍融災害得不到有效地解決，凍土地區(qū)道路建設將面臨“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)的道路建設對我國的國民經濟發(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，土體內部的凍脹和融沉現象頻繁交替出現，使得土體隨之反復出現不均勻鼓脹和沉陷現象，極易引起路基及路面產生縱向連續(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，道路災害現象更為嚴重，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)路基工程所出現的凍融病害，國內外已經研究、開發(fā)并采用了多種措施進行了工程應用和探索，如淺色路面、泥炭土墊層、預融、冬季施工、地表覆蓋層、熱管、輕質回填材料及通風路堤等工藝，均取得不錯的應用效果［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，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，需要增加運輸成本，工程量大幅提高，并且工期延長;熱管技術是目前國外寒區(qū)工程中廣泛使用的一項主動冷卻地基土體的技術［6］，在我國的青藏鐵路工程中進行了應用，效果較好，但該方法也主要應用在多年凍土區(qū)，同時具有造價過高，施工工藝相對復雜等缺點;預融方法可以有效解決工程竣工后土體融沉所產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生的地面不規(guī)則隆起現象，但這兩種方法卻無法全面考慮季節(jié)性凍土地區(qū)所出現的凍融交替現象。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)均存在著一定的應用局限性，需要進一步改進和完善。

圖1 季凍區(qū)路基凍脹災害

2 土工格柵加筋路基

作為新型土工合成材料之一，土工格柵具有獨特的網狀結構，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度和變形特性。在路堤中鋪埋或嵌入筋帶、纖維材料或網狀材料等人工筋材，由加筋材料與路堤土體復合而形成土工加筋結構［7］。這種結構能夠同時充分發(fā)揮與調動筋材的抗拉強度和土體的抗壓強度，從而提高加筋路堤的整體強度和承載力，改善路堤內部的應力狀態(tài)及其分布，可顯著增強土體抵抗側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，已經在國內眾多的道路工程中得到了廣泛的應用，尤其在軟土路基加固和高陡邊坡工程上應用更為效果更為突出［8，9］，例如秦沈客運專線路基［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濟效益。

圖2 道路工程中土工格柵使用實例

在理論研究方面，國內的眾多學者也紛紛針對土工格柵加筋路基的工作性能開展了相關研究工作。張興強和閆澍旺等［11］通過有限元方法對交通荷載下加筋路基進行了彈塑性分析;李志清和胡瑞林等［12］通過試驗研究發(fā)現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行了研究，并編寫了相關計算程序;王建和姚令侃等［14］則專門針對汶川地震的路堤成災模式，對格柵加筋路堤的變形問題進行了模型試驗研究，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，其相應的加筋機理的理論分析和試驗研究也已取得了較大的進展。但需要注意的是，當前土工格柵加筋路基理論研究的重點多集中在土工格柵的蠕變特性對加筋結構長期工作性能的影響，或加筋路基在交通荷載作用下的動力響應這兩個領域［15-19］，而對于凍融過程中外界溫度或土體含水率等參數對土工格柵加筋性能的影響，幾乎未見相關的研究論文及成果?？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用前景

對于土工格柵在凍土地區(qū)路基中的應用，目前并沒有獨立的加筋技術和理論可供參考，也正是由于相關理論的缺乏，導致能否將土工格柵用于抑制凍土地區(qū)路基災害的作用和效應問題一直處于爭論當中。本文針對凍土路基中常出現的凍脹、融沉及路面翻漿等常見災害，基于現有的土工格柵加筋工程實例和相應的加筋理論，進行了應用前景探討。

(1)凍脹災害

相關試驗表明:土體在凍結過程中會出現明顯的凍脹現象，局部土體體積可增大百分之幾十，甚至可達百分之幾百。這種不均勻的凍脹現象會導致路面出現嚴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］，土體凍脹導致路面產生了嚴重橫向撓曲變形，局部路面的中間凍脹量比兩側高約60 mm，并且在路肩附近還出現了明顯的側向變形和坍塌。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)揮與調動土工格柵自身的抗拉強度，將土中的不均勻凍脹應力重新進行分布，從而抑制土體凍脹所產生的局部變形。如能在路基底部配合使用新型的土工合成材料(如三維復合排水網)，可在間接提高路基的整體性能的同時，提供有效的排水通道降低凍結上限，從而大幅降低凍脹對路基的影響。

(2)翻漿災害

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生大量的路面翻漿現象。如黑龍江省哈羅公路寶泉嶺路段，春季路面翻漿現象嚴重，路面凸凹起伏高達0.5～1.0 m左右，曾引發(fā)嚴重的大客車翻車事故［21］。季節(jié)性凍土地區(qū)道路翻漿的產生，主要與土質、水分、溫度、行車荷載及路面等因素有關［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鍵。試驗表明:當土體在反復經歷凍結和融化過程后，土體的孔隙率與初始狀態(tài)相比呈大幅增加，同時壓縮系數也明顯提高(可達初始狀態(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用優(yōu)勢，近幾年來已經廣泛應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工程［28，29］。比較典型的工程如江都港一號碼頭，雖然經歷了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)路基翻漿現象也存在著一定的工程依據。

(3)融沉災害

隨著氣溫的繼續(xù)回升，凍土中的凍結水由固相完全轉變成液相，土體的強度性質發(fā)生急劇下降，在路基自重及行車荷載的作用下，路基會產生較大的沉降，這種沉降即為融沉現象。與凍脹災害相比，融沉災害對道路工程所產生的危害更為嚴重，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。同時高路堤公路中還存在著嚴重的陰陽坡受熱不均所導致的不均勻沉降問題。青藏鐵路的部分路段即由于兩側陰陽坡受日照輻射不同，造成地溫場的不對稱，從而導致路基沉降變形的不對稱，出現了大量縱向裂縫［30，31］。

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

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

4 凍土地區(qū)加筋路基的相關研究現狀

Bonnie等［34］學者率先在美國阿拉斯加州凍土地區(qū)進行了足尺的加筋路堤試驗，并對土工格柵加筋前和加筋后的路面縱向裂縫進行了對比，從而驗證了土工格柵對于防治凍土所產生凍脹災害的有效性，但結論前提局限于永久凍土地區(qū)。由此，國內外學術界與工程界專家逐漸認識到土工格柵對于工程凍害防治同樣具有巨大的應用潛力及優(yōu)勢。汪恩良和徐學燕［35，36］等學者專門針對低溫條件下土工格柵的性能變化進行了拉伸試驗研究，試驗的溫度控制范圍為-25～+25℃，在經歷50次凍融循環(huán)后，發(fā)現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］進一步以冰為介質，重點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行了詳細分析。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。在實際工程方面，國內目前也已在青藏公路和鐵路等高原多年凍土路段率先進行了小范圍應用［38-41］，如青藏鐵路的清水河試驗段［42］、安多試驗段［43］、五道梁試驗段［44］、楚瑪爾河高原［45］等。通過對上述路段實測數據的分析發(fā)現:土工格柵能有效地減小凍土路堤的側向位移;同時加筋后的路堤本體抗拉強度增大，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部的應力分布更加均勻，路堤本體變形協(xié)調能力增強，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者［46］初步總結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，并針對一些災害給出了相應的處治技術，但其同時也指出，應根據不同處治結構和當地實際條件，綜合考慮土工合成材料的強度特性、構造特性、耐久性能、抗施工損傷性能等，進而選擇合適的材料類型及其型號?？梢哉f，土工格柵在凍土地區(qū)道路工程中應用和研究仍處于起步階段，現有的凍土加筋施工技術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致路堤內部凍土的溫度變化，從而間接影響凍土的力學穩(wěn)定性，經過反復凍融作用之后，路基力學性能嚴重降低;其次，外部交通荷載對路基產生持續(xù)的振動，使得凍土融化后受小尺度擾動而加速破壞，這直接影響凍土的力學穩(wěn)定性。原本看似無恙的路基，在長期動荷載作用下，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用，并且主要研究內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部的應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

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

(1)目前所得相關結論只停留在工程經驗型建議，在理論上尚未得到很好地驗證。無法滿足日益增長的工程應用需求，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行合理評估;

(2)現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，尚缺乏合理而實用的獨立設計理念;

(3)“施工技術是目前整個凍土工程成敗的關鍵”，這是國內外凍土研究專家近幾年所達成的共識。對于頻繁產生凍融交替現象的季節(jié)性凍土地區(qū)，使用土工格柵時更應特別注意其加筋方法和施工工藝。因此，建立凍土地區(qū)土工格柵加筋結構的施工技術標準及相關導則更為緊迫。

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