鹽巖路基工程應(yīng)用調(diào)查與評價(jià)

李國華，陳浩宇，宋 亮，問鵬輝，王朝輝

(1.新疆維吾爾自治區(qū)公路管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

鹽巖是中國新疆、青海、西藏等地區(qū)存在的一類特殊性質(zhì)土，具有密實(shí)性好、強(qiáng)度高、板結(jié)性強(qiáng)、易溶等特征。由于鹽湖地區(qū)鹽巖分布廣泛且傳統(tǒng)筑路材料缺乏，當(dāng)?shù)卦谶M(jìn)行公路及鐵路工程修筑時(shí)嘗試采用鹽巖作為筑路材料，鹽巖作為填料不僅可以實(shí)現(xiàn)地方資源的合理利用，還能降低成本，一定程度上保障了區(qū)域通行要求，目前在鹽巖地區(qū)進(jìn)行公路建設(shè)的整體水平仍有待提高。

早在1956年，中國采用鹽巖作為路基填料修筑了“萬丈鹽橋”，目前主要在察爾汗及羅布泊等地區(qū)將鹽巖作為筑路材料進(jìn)行公路及鐵路工程修筑。但由于鹽巖材料的特殊性，使得修筑工程在運(yùn)營過程中出現(xiàn)鹽溶、松脹等多種隱形病害，嚴(yán)重影響工程穩(wěn)定性。自20世紀(jì)70～80年代開始，研究者們針對鹽巖材料的工程性質(zhì)及路用性能進(jìn)行了系列研究。肖軍華等[1]研究了察爾汗鹽巖路基填料的壓實(shí)特性、抗壓強(qiáng)度及其在循環(huán)荷載下的變形。張波等[2-3]采用數(shù)值分析方法分析了含單個(gè)及兩個(gè)孔洞的鹽巖路基穩(wěn)定性，確定了不同孔洞埋深的臨界荷載。張敦福等[4]根據(jù)三維無網(wǎng)格Galerkin方法研究了無限大立方體中球形孔洞應(yīng)力集中問題，模擬了含球形孔洞鹽巖路基穩(wěn)定性問題。綜上可知，研究者們在鹽巖路用性能提升及穩(wěn)定性保障等方面已取得一定進(jìn)展，然而在實(shí)際工程中部分鹽巖路段仍存在較為嚴(yán)重的溶蝕及沉陷等病害。例如：2006年改建的國道G215線在運(yùn)營過程中混凝土護(hù)肩下路基邊坡溶蝕嚴(yán)重；察格高速公路G215線鹽湖段部分位置路基在使用過程中出現(xiàn)礫石土次生鹽漬化病害；近幾年G3011線YK562+300～YK595+100段有部分位置路基出現(xiàn)較嚴(yán)重的沉陷。由上述工程實(shí)例可知，目前鹽巖路基穩(wěn)定性技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用效果一般，針對不同工程采用的損壞處治技術(shù)研究還不夠系統(tǒng)，需要進(jìn)一步明確鹽巖路基常見損壞類型及相應(yīng)處治技術(shù)，從而提升鹽巖地區(qū)公路的使用品質(zhì)。

基于此，本文系統(tǒng)梳理公路及鐵路鹽巖路基結(jié)構(gòu)型式，綜合評價(jià)不同實(shí)體工程鹽巖路基穩(wěn)定性技術(shù)及其適用性，明確鹽巖路基常見損壞及相應(yīng)處治技術(shù)，以期為鹽巖地區(qū)公路使用品質(zhì)提升及其改造升級提供借鑒。

1 鹽巖路基實(shí)體工程應(yīng)用調(diào)查

目前，國內(nèi)鹽巖路基實(shí)體工程主要集中于察爾汗鹽湖區(qū)及羅布泊地區(qū)。為明確鹽巖填筑公路及鐵路使用現(xiàn)狀，全面調(diào)查中國鹽巖地區(qū)已建成公路及鐵路實(shí)體工程應(yīng)用狀況，系統(tǒng)梳理公路及鐵路鹽巖路基結(jié)構(gòu)型式。

1.1 公路鹽巖路基實(shí)體工程應(yīng)用調(diào)查

全面調(diào)查國內(nèi)公路鹽巖路基實(shí)體工程[5-11]，系統(tǒng)梳理公路鹽巖路基結(jié)構(gòu)型式，如表1所示。

表1 公路鹽巖路基的結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)表1可知，目前中國主要在察爾汗鹽湖地區(qū)及羅布泊地區(qū)進(jìn)行了高速公路修筑，其余地區(qū)主要是針對原有道路的大中修及改建。其中采用鹽巖路基的路段主要包括國道215線、哈羅公路、羅若公路及澀北氣田專用公路等部分路段。除澀北氣田專用公路外，其余工程在建設(shè)中多采用碾壓整平、擠密樁及灌注樁等技術(shù)提升路基承載力，從而保障鹽巖路基的穩(wěn)定性；而高速公路多采用挖除換填的方式對路基進(jìn)行處治，如察格高速公路K585+000～K664+769.064段路基采用礫類土換填，G3011線右幅YK562+300～YK595+100段采用鹽橋地基和砂礫路基填料等方式對路基進(jìn)行處治。不同工程的基層結(jié)構(gòu)厚度差異較大，現(xiàn)有路基工程中原地基鹽分含量較高時(shí)采用的結(jié)構(gòu)層一般較厚；如果公路等級高，原地面處理工藝及路面結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在后期進(jìn)行改擴(kuò)建時(shí)一般會(huì)增加隔斷層以減少水對道路結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 鐵路鹽巖路基實(shí)體工程應(yīng)用調(diào)查

全面調(diào)查國內(nèi)鐵路鹽巖路基實(shí)體工程[12-25]，系統(tǒng)梳理鐵路工程采用的地基處理方案、填料類型及隔斷層，如表2所示。

表2 鐵路鹽巖路基結(jié)構(gòu)型式

由表2可知：鹽巖地區(qū)工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜，一般地層越向下含鹽量越低；部分工程地下水位較高，其礦化程度也相對較高，鹽巖晶間鹵水與地下水相互補(bǔ)給。因此，地下承壓水位較高路段應(yīng)做好防治措施，以防止發(fā)生因地下水向上遷移而引起晶間鹵水礦化度降低的問題；另外越向湖心區(qū)鹽巖結(jié)構(gòu)層厚度越大，穩(wěn)定性越好，而鹽湖邊緣地區(qū)鹽殼厚度較薄，鹽巖地基潛在病害類型較多。根據(jù)不同工程地基處理方案可知，鐵路工程在填筑路基前均會(huì)對原地面進(jìn)行處理，主要措施包括：清除表層鹽殼并用卵石等回填溶洞；挖除一定厚度鹽巖并換填片石，然后填礫石土至原地面高程；基底不換填，破碎原地面鹽殼并灑鹵水進(jìn)行壓實(shí)；采取沖擊碾壓、重型碾壓及重錘夯實(shí)等措施處理表層鹽殼。不同措施本質(zhì)上都是提升原地面承載力，減少原地面結(jié)構(gòu)中的隱形病害。根據(jù)填料選用情況可知，路基填料主要包括鹽巖、換填砂礫石、AB組填料等。同時(shí)現(xiàn)有工程多采用隔斷層措施減少水鹽遷移，進(jìn)行隔斷層選擇時(shí)主要結(jié)合地質(zhì)水文狀況及經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮，在布設(shè)復(fù)合土工布時(shí)對土工布的強(qiáng)度有明確技術(shù)要求，同時(shí)土工布上下均做砂保護(hù)層，厚度為5～10 cm，以減少施工對復(fù)合土工布的破壞。

2 鹽巖路基穩(wěn)定性技術(shù)及適用性評價(jià)

由于對鹽巖路基病害進(jìn)行處治時(shí)存在工程量大、難度高等特點(diǎn)，因此在進(jìn)行工程新建及改建時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃鹽巖路基穩(wěn)定性技術(shù)，以減少路段投入運(yùn)營后的維護(hù)及病害處治費(fèi)用。全面梳理鹽巖地區(qū)公路及鐵路工程路基穩(wěn)定性技術(shù)，對比分析不同技術(shù)的適用性，為提高鹽巖路基穩(wěn)定性提供參考。

2.1 公路鹽巖路基穩(wěn)定技術(shù)及適用性評價(jià)

全面梳理鹽巖地區(qū)公路工程建設(shè)中采取的穩(wěn)定技術(shù)并對其適用性進(jìn)行評價(jià)[26]，如表3所示。

由表3可知，目前鹽巖地區(qū)公路工程中采用的穩(wěn)定技術(shù)主要包括隔斷層、護(hù)坡道、排堿溝/排水系統(tǒng)、灑鹵水養(yǎng)護(hù)、換填法、擠密樁/灌注樁、礫石聯(lián)結(jié)層等，其中隔斷層、護(hù)坡道、排水系統(tǒng)及換填法是進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)應(yīng)用較為廣泛的路基穩(wěn)定技術(shù)。不同技術(shù)主要是從提升路基承載力、減少水害或鹽害等方面對路基進(jìn)行處治，一般在進(jìn)行病害防治時(shí)同時(shí)選用多種技術(shù)措施；并且在采用穩(wěn)定技術(shù)進(jìn)行處治時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同工程所在地理位置、水文地質(zhì)條件、附近填料情況、工程造價(jià)及道路等級等選用適宜的技術(shù)措施。

表3 公路鹽巖路基穩(wěn)定性技術(shù)特征及適用性

2.2 鐵路鹽巖路基穩(wěn)定技術(shù)及適用性評價(jià)

全面梳理鹽巖地區(qū)鐵路工程建設(shè)中采取的穩(wěn)定性技術(shù)并對其適用性進(jìn)行評價(jià)[27]，如表4所示。

由表4可知，目前鐵路鹽巖路基采用的路基穩(wěn)定技術(shù)類型較多，其中隔斷層法、提高路基法及清表換填法為鐵路工程最常見的路基穩(wěn)定技術(shù)。不同技術(shù)主要從鹽分消除、水分阻斷和消除、基底結(jié)構(gòu)加固等方面提升路基穩(wěn)定性。鹽分消除法包括提高路基法、永久排堿溝、礫石防護(hù)層等；水分阻斷及消除法包括隔斷層、提高路基法、自流排水井、邊坡防護(hù)加固層、側(cè)向隔水板、集水槽、高強(qiáng)土工格柵隔斷等；基底結(jié)構(gòu)加固采用沖擊碾壓、重型碾壓、重錘夯實(shí)等方法提升填料壓實(shí)度。路基穩(wěn)定技術(shù)在選用時(shí)應(yīng)結(jié)合工程等級、潛在病害類型及造價(jià)等因素進(jìn)行綜合考慮，如優(yōu)質(zhì)填料易得時(shí)可采用換填法，降水豐富地區(qū)應(yīng)做好隔水、排水措施。目前鐵路路基穩(wěn)定技術(shù)類型較多，部分方法是基于鐵路獨(dú)特結(jié)構(gòu)而選用的，如集水槽法，而多數(shù)用于鐵路工程中的穩(wěn)定技術(shù)可嘗試用于公路工程，在選用時(shí)應(yīng)結(jié)合工程特性選擇合適的技術(shù)措施組合方式，使得在保證路基整體結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性的同時(shí)合理控制工程造價(jià)。

3 鹽巖路基常見損壞及處治技術(shù)

梳理總結(jié)中國鹽巖地區(qū)鹽巖路基常見損壞及相應(yīng)處治技術(shù)，如表5所示。

根據(jù)表5可知，鹽巖路基常見損壞形式主要為凍脹翻漿、溶蝕、路基塌陷、邊坡侵蝕、車轍及表面網(wǎng)裂等。因此，現(xiàn)階段中國鹽巖路基采取的損壞處治技術(shù)，主要針對損壞成因從減弱地下水遷移、地表水下滲、鹽分遷移、溫度變化及提升承載力等方面進(jìn)行考慮。其中，減少地下水影響的措施包括提高路基、隔斷層等；提升承載力采取的措施包括換填法、灰土擠密樁、提高壓實(shí)度及灑鹵水碾壓等；降低溫度影響主要通過增設(shè)邊坡實(shí)現(xiàn)；減少地表水影響的主要措施包括增設(shè)邊坡、鋪設(shè)塑料排水板及排堿溝等。在進(jìn)行損壞處治時(shí)多采取注漿法、換填法等措施。經(jīng)處治后路基整體穩(wěn)定性良好，但仍有少部分路段在使用一段時(shí)間后存在溶陷、溶蝕、鹽脹及腐蝕等病害。

表5 鹽巖路基常見損壞及處治技術(shù)

4 結(jié) 語

本文基于國內(nèi)已有鹽巖路基實(shí)體工程應(yīng)用狀況，系統(tǒng)梳理公路及鐵路鹽巖路基結(jié)構(gòu)型式，綜合評價(jià)公路與鐵路鹽巖路基穩(wěn)定技術(shù)及適用性，明確鹽巖路基常見損壞類型及相應(yīng)處治技術(shù)，以期為鹽巖地區(qū)公路改造升級及性能提升提供參考。當(dāng)前將鹽巖用于公路及鐵路填筑工程已獲得了一定工程經(jīng)驗(yàn)，在鹽巖路用性能提升及穩(wěn)定性保障等方面已取得一定進(jìn)展。值得注意的是，目前高等級公路多采用挖除換填或復(fù)合地基處理的方式，并且仍有部分工程在進(jìn)行處治后出現(xiàn)較為嚴(yán)重的病害，因此未來還需在以下方面進(jìn)行更深入的研究與探索。

(1)鹽巖作為一種特殊的路基填料，在進(jìn)行路用性能及路基穩(wěn)定性研究時(shí)應(yīng)充分考慮鹽巖自身的鹽脹性及溶陷性等特殊性質(zhì)，逐步完善適用于鹽巖的力學(xué)理論體系。

(2)由于部分工程在建設(shè)過程中采用的路基穩(wěn)定技術(shù)處治效果不佳，并且經(jīng)損壞處治后仍存在一定隱形病害，因此需對不同技術(shù)措施的組合方式及適用性展開進(jìn)一步研究。