青藏高原多年凍土地區(qū)片塊石路基修筑技術(shù)研究

馮俊文，運(yùn)志輝，苗超，來(lái)小勇

（1.四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川廣漢 618300；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710000）

0 引言

多年凍土是一種對(duì)溫度非常敏感的特殊地質(zhì)體，道路的修筑會(huì)改變?cè)械奶烊粌鐾翣顟B(tài)，使凍土退化，引起路基路面發(fā)生變形破壞。片塊石路基是多年凍土地區(qū)常用的一種典型路基結(jié)構(gòu)形式，可以減少對(duì)凍土地溫的影響。片塊石路基是利用空氣的流動(dòng)來(lái)改變路基傳熱方式的一種通風(fēng)路基，片塊石層作為一種多孔介質(zhì)，通過(guò)寒季的自然對(duì)流效應(yīng)及暖季的阻熱效果，可以起到保護(hù)多年凍土的效果，同時(shí)可以將陽(yáng)坡側(cè)路基吸收的熱量有效傳遞至陰坡側(cè)，保證路基左右側(cè)的熱平衡，從而改善陰陽(yáng)坡效應(yīng)，是一種保護(hù)多年凍土路基穩(wěn)定的良好措施。

許多學(xué)者對(duì)片塊石路基的降溫效果及對(duì)多年凍土的保護(hù)效果、施工工藝等方面進(jìn)行了研究[1-4]。朱東鵬[5]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)得出片塊石路基可以通過(guò)對(duì)流換熱機(jī)制保護(hù)高溫多年凍土。奚家米[6]等通過(guò)對(duì)比片塊石路基和普通路基地溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)片塊石路基可以起到降低淺層地溫和路基陰陽(yáng)坡效應(yīng)，適宜在多年凍土區(qū)路基工程中使用。陳秉福[7]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，介紹了片塊石通風(fēng)路基的施工工藝。

1 多年凍土地區(qū)路基典型病害及成因分析

青藏高原多年凍土屬于高溫高海拔多年凍土，具有海拔高、日照輻射大、白天吸收熱量多的特點(diǎn)，其路基典型病害有整體沉陷、波浪變形、縱向裂縫及邊坡破壞等，在高含冰量多年凍土地區(qū)，路基兩側(cè)分布有大片水草地，路基病害更為嚴(yán)重。

1.1 路基沉陷

由于瀝青路面的吸熱效應(yīng)，一般填土路基在運(yùn)營(yíng)多年以后會(huì)出現(xiàn)路基下部多年凍土地溫升高現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致多年凍土上限下降，多年凍土層融化。土體中因冰的存在，其強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于融土，因此當(dāng)土中冰融化后，土體強(qiáng)度會(huì)大幅衰減，不能繼續(xù)支撐路基及其上部結(jié)構(gòu)層，融土便會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，進(jìn)而導(dǎo)致路基整體沉陷，如圖1所示。

圖1 路基沉陷

1.2 路基波浪變形

波浪變形是多年凍土地區(qū)典型的病害類型之一，溫度和含水率的變化是導(dǎo)致其形成的主要原因。在寒季時(shí)，由于路基土體內(nèi)部水分含量的不均勻及水分遷移通道的差異性，會(huì)引起路基的凍脹變形；在暖季時(shí)，路基由表層向路基下部開(kāi)始融化，由于路基下部存在未融化的多年凍土層，當(dāng)水到達(dá)凍融界面時(shí)，水無(wú)法下滲進(jìn)而聚集在凍融界面附近，使周圍土體含水率驟升。當(dāng)含水率升高到一定程度后，便會(huì)弱化上部已融化土層，形成不均勻融沉變形。道路兩側(cè)存在積水時(shí)，路基內(nèi)部含水率會(huì)更加不均勻，從而進(jìn)一步加劇路基波浪變形的產(chǎn)生，如圖2所示。

圖2 路基波浪變形

1.3 路基縱向裂縫

多年凍土路基縱向裂縫一般是由于路基兩側(cè)凍土融沉變形不一致，引起路基內(nèi)部受力狀態(tài)發(fā)生變化，最終形成縱向裂縫。多年凍土區(qū)常見(jiàn)縱向裂縫出現(xiàn)的原因多與陰陽(yáng)坡效應(yīng)、道路兩側(cè)積水等有關(guān)。路基陽(yáng)坡側(cè)吸收日照輻射較多，多年凍土融化深度較深，而陰坡側(cè)吸收熱量較少，多年凍土融化深度較淺，兩側(cè)積水的存在也會(huì)改變路基內(nèi)部水熱狀態(tài)，最終形成縱向裂縫，如圖3所示。

圖3 路基縱向裂縫

1.4 路基邊坡破壞

填土路基邊坡土體在凍融循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生凍融疏松現(xiàn)象，土體內(nèi)部空隙變大，隨后在雨水或融雪作用下，水分滲入邊坡淺層土體并在空隙中聚集，當(dāng)達(dá)到一定程度后，土體內(nèi)部會(huì)形成連續(xù)的水流通道，最終產(chǎn)生沖溝、溜方等病害，如圖4所示。

圖4 路基邊坡破壞

淺層多年凍土融化、路側(cè)積水、陰陽(yáng)坡效應(yīng)是導(dǎo)致以上路基典型病害產(chǎn)生的主要原因。普通填土路基由于瀝青路面的吸熱效應(yīng)，路基內(nèi)部溫度有所升高，路基下部淺層多年凍土開(kāi)始融化，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，多年凍土的融化會(huì)導(dǎo)致融化層壓縮變形持續(xù)發(fā)生，路基整體沉陷不可避免。當(dāng)雨水或融雪積聚在道路兩側(cè)時(shí)，首先路基坡腳含水率變大，之后水分進(jìn)一步向路基內(nèi)部遷移，造成路基內(nèi)部含水率不均，在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生不均勻凍脹及路基波浪變形。在青藏高原修筑路基時(shí)，由于地形平坦，白天日照強(qiáng)，路基的陰陽(yáng)坡效應(yīng)十分明顯，陰坡和陽(yáng)坡溫差較大，陽(yáng)坡范圍路基下部多年凍土上限比陰坡要低，造成路基兩側(cè)融化變形不一致，會(huì)產(chǎn)生路基縱向裂縫。普通路基邊坡多為土質(zhì)邊坡或土石混填邊坡，此類邊坡在凍融循環(huán)作用下空隙會(huì)增大，遇水可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)水流通道，最終形成沖溝、溜方等病害。

2 片塊石路基結(jié)構(gòu)及工作原理

多年凍土區(qū)路基典型病害多與外界環(huán)境、路基結(jié)構(gòu)、填料類型等因素有關(guān)，因此，一般通過(guò)調(diào)整路基內(nèi)部溫度變化或改善路基本體強(qiáng)度減少路基病害。片塊石路基在調(diào)整路基內(nèi)部溫度和提高路基承載能力方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2.1 片塊石路基結(jié)構(gòu)

片塊石路基一般是在經(jīng)過(guò)地基處理、壓實(shí)并符合承載力要求的地基上依次鋪筑砂礫層、片塊石層、碎石墊層、防滲土工布、中粗砂反濾層修筑的路基，之后在反濾層頂面鋪筑基層和面層，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

狹窄而晦暗的病房擺放著四張病房，英的病床依靠著窗戶。天氣晴朗時(shí)，太陽(yáng)可以照射進(jìn)來(lái)，落在英干癟的臉龐上，恍若深秋的太陽(yáng)打在田野已經(jīng)枯萎的作物上，毫無(wú)生機(jī)，安靜而麻木。床位是英在省城工作的外甥聯(lián)系的，在搬入病房之前，英已經(jīng)睡在走道的臨時(shí)病床整整一個(gè)多星期。走道上人來(lái)人往，嘈雜而混亂，英就像靜靜地?cái)[放在博物館的陳列品一樣，供來(lái)來(lái)往往的人參觀。這種感覺(jué)讓她難受至極，她老感覺(jué)每一個(gè)人都在嘲諷自己，對(duì)自己指指點(diǎn)點(diǎn)。英巴不得將自己的頭隱藏于被窩中，從世界瞬間消失。英感覺(jué)慚愧至極，無(wú)地自容，這都是子宮惹的禍。

片塊石路基各層結(jié)構(gòu)是針對(duì)路基病害產(chǎn)生原因而設(shè)置的，其中砂礫層可以減少淺層多年凍土融水和路側(cè)積水向路基內(nèi)部遷移。片塊石層可以通過(guò)其特有的大連通空隙進(jìn)行自然對(duì)流達(dá)到降溫效果，同時(shí)也能平衡陽(yáng)坡、陰坡的吸收熱量，可以保護(hù)多年凍土，減少陰陽(yáng)坡效應(yīng)。碎石層及中粗砂反濾層可以調(diào)平片塊石層，便于基層和面層的施工，同時(shí)隔絕路基內(nèi)部和外界大氣的直接交流。防滲土工布用來(lái)避免反濾層中砂礫填充片塊石層內(nèi)部空隙，從而保證路基整體的降溫效果。

圖5 片塊石路基結(jié)構(gòu)圖

2.2 片塊石路基控溫工作原理

片塊石層具有“熱半導(dǎo)體”的作用，在寒季，路基外部溫度較路基內(nèi)部溫度低，由于外部冷空氣密度較大，內(nèi)部熱空氣密度小，片塊石層溫度會(huì)出現(xiàn)上冷下熱的情況。此時(shí)，在自身重力的作用下片塊石層外部冷空氣下降，內(nèi)部熱空氣由于密度小，在浮力作用下上升，形成自然對(duì)流，從而使冷能源源不斷地傳入路基內(nèi)部，降低路基及下部地基土的溫度；在暖季，路基外部溫度較路基內(nèi)部溫度高，外部熱空氣密度小，內(nèi)部冷空氣密度大，同時(shí)在片塊石層頂部熱空氣幕的作用下，自然對(duì)流已經(jīng)停止，熱量的傳遞僅依靠導(dǎo)熱系數(shù)較小的孔隙空氣和接觸面積較小的片塊石進(jìn)行熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱性極小。

3 片塊石路基工程性質(zhì)的影響因素

3.1 凍土類型

片塊石路基不僅適用于低溫多年凍土，也適用于高溫多年凍土，但凍土中含冰量的不同會(huì)使其對(duì)路基整體降溫效果的要求也不同。當(dāng)天然地基為高含冰量?jī)鐾?，如富冰凍土、飽冰凍土?xí)r，相比低含冰量?jī)鐾潦艿綌_動(dòng)時(shí)路基更容易出現(xiàn)熱融沉陷、滑塌等病害，需要更強(qiáng)的降溫效果來(lái)維持凍土的穩(wěn)定，此時(shí)可以通過(guò)增加片塊石層厚度來(lái)增強(qiáng)自然對(duì)流效應(yīng)，從而達(dá)到保護(hù)多年凍土的目的。

3.2 片塊石填料

片塊石原材料的選擇對(duì)片塊石路基工程性質(zhì)有很大影響，主要包括：片塊石的粒徑、長(zhǎng)細(xì)比、強(qiáng)度特性、表面完整性等。片塊石粒徑一般為15～40cm之間，此時(shí)在保證片塊石層整體穩(wěn)定性的同時(shí)，也能保證其內(nèi)部空隙率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若粒徑太小，片塊石利用率較低，路基內(nèi)部孔隙率較小，自然對(duì)流弱，降溫效果不明顯；若粒徑太大，片塊石層穩(wěn)定性及路基壓實(shí)難以保證。片塊石長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)控制在3以內(nèi)，長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大石料易破碎，不僅會(huì)危及路基的穩(wěn)定性，破碎后的石料還會(huì)填充片塊石層內(nèi)部空隙，減弱對(duì)流效應(yīng)，使降溫效果變?nèi)?。片塊石的強(qiáng)度、風(fēng)化程度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，避免在壓實(shí)過(guò)程中出現(xiàn)大面積二次破碎。為利于片塊石層填筑、整平及減少道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中片塊石的損壞，選料時(shí)應(yīng)選擇至少有一面平整且整體無(wú)明顯裂紋的片塊石。

3.3 片塊石路基結(jié)構(gòu)及厚度

片塊石路基結(jié)構(gòu)組成及各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路基工程性質(zhì)也有很大影響。反濾層及碎石墊層的設(shè)計(jì)不僅可以調(diào)平片塊石層，還可以保證在寒季路基內(nèi)部不易受到外界氣溫波動(dòng)的影響，暖季減少冷空氣從片塊石層頂部散逸，從而封閉了片塊石層與大氣之間的直接交流，能夠達(dá)到降溫效果，但反濾層、碎石墊層厚度增加到一定程度后，會(huì)反向降低片塊石路基的制冷效果，兩種結(jié)構(gòu)層的總厚度一般控制在80cm范圍內(nèi)。為保證施工完成后片塊石路基內(nèi)部空隙率與設(shè)計(jì)相差不大，一般會(huì)在碎石墊層頂部鋪設(shè)防滲土工布來(lái)減少反濾層的細(xì)集料滲入碎、塊石層。片塊石層對(duì)自然對(duì)流效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用，其厚度一般在1.0～1.5m范圍內(nèi)。當(dāng)天然地基為高含冰量?jī)鐾習(xí)r，片塊石層厚度可以設(shè)計(jì)為1.5m，為保證片塊石層的穩(wěn)定性，按粒徑一般可設(shè)計(jì)為2層，且上層粒徑應(yīng)小于下層粒徑。同時(shí)，片塊石層高程應(yīng)略高于天然地面，可以盡可能避免道路兩側(cè)細(xì)顆粒被風(fēng)吹進(jìn)片塊石層中堵塞空隙。

3.4 施工時(shí)機(jī)

多年凍土在暖季熱穩(wěn)定性較差，易受外界環(huán)境變化而產(chǎn)生擾動(dòng)，而片塊石本身帶有一部分熱量，若在此季節(jié)將片塊石填筑至路基中，該部分熱量的加入可能會(huì)使多年凍土融化。為減少外界環(huán)境及塊石本身熱量帶來(lái)的影響，施工季節(jié)盡量選在冬季或春季初，此時(shí)外界環(huán)境溫度較低，塊石本身攜帶的熱量較少，有利于片塊石路基的施工。

4 片塊石路基施工工藝

4.1 施工前準(zhǔn)備

施工前準(zhǔn)備主要有原材料的選擇、備料、運(yùn)輸、測(cè)量放樣、施工機(jī)械配置等。在選料過(guò)程中要注意片塊石的風(fēng)化程度，盡量選擇未風(fēng)化或微風(fēng)化巖石，在備料的過(guò)程中嚴(yán)格控制片塊石粒徑、強(qiáng)度等指標(biāo)。在裝車及運(yùn)輸過(guò)程中，保證自卸車車廂整潔，同時(shí)將片塊石碼好以減少運(yùn)輸過(guò)程中的損壞，車廂外應(yīng)加蓋篷布，減少揚(yáng)塵。施工人員需要提前對(duì)路基進(jìn)行測(cè)量放樣、劃線，并按照已確定施工方案及時(shí)配置各工作面所需人員設(shè)備等。

4.2 地基基底處理

當(dāng)天然地基較好僅有少許腐殖質(zhì)時(shí)，可以清理原地基中腐殖質(zhì)，并用工程性質(zhì)良好的填土回填路基范圍內(nèi)的坑洞等，隨后使用雙鋼輪壓路機(jī)靜壓2遍。當(dāng)天然地基為沼澤濕地類特殊路基時(shí)，可以視情況對(duì)基底進(jìn)行沖擊碾壓。隨后填筑砂礫層并用雙鋼輪壓路機(jī)碾壓2～4遍，保證平整度、壓實(shí)度等達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 片塊石層填筑

片塊石層一般分2～3層鋪筑，采用先低后高、先外側(cè)后中心的原則進(jìn)行，片塊石應(yīng)一次性傾填至分層填筑高程，為保證施工質(zhì)量，一般采用人工輔助配合挖掘機(jī)的方式進(jìn)行整平，其間應(yīng)保證相鄰兩層塊石交錯(cuò)補(bǔ)充空隙，便于層間塊石分散受力。在各層片塊石填筑過(guò)程中，還應(yīng)注意進(jìn)行邊坡整理，保證整體坡度。

4.4 片塊石層壓實(shí)

片塊石層壓實(shí)包括初壓、復(fù)壓和終壓，壓實(shí)時(shí)由低向高、由外側(cè)向中心進(jìn)行。壓實(shí)機(jī)械可以選擇雙鋼輪壓路機(jī)和膠輪壓路機(jī)。每次壓實(shí)兩相鄰碾壓帶之間應(yīng)重疊0.4～0.5m，前后相鄰地段應(yīng)重疊2.0m以上，碾壓總遍數(shù)不宜少于8遍，為避免壓實(shí)過(guò)程中片塊石的損壞，壓實(shí)方式盡量為靜壓，壓實(shí)順序可采用雙鋼輪定型靜壓2遍→膠輪靜壓4～5遍→雙鋼輪靜壓2遍。壓實(shí)完成后對(duì)不同時(shí)間片塊石層進(jìn)行沉降檢測(cè)，當(dāng)測(cè)得沉降差處在合理范圍內(nèi)時(shí)開(kāi)始進(jìn)行碎石墊層施工。

4.5 碎石墊層施工

一般選用5～10cm碎石填筑碎石墊層，該層主要用來(lái)調(diào)平片塊石層。片塊石層施工完成后，應(yīng)在路基邊坡鋪設(shè)防滲土工布或其他材料以防碎石墊層施工時(shí)碎石掉入片塊石層邊坡堵塞空隙，遮蓋材料應(yīng)沿邊坡延伸覆蓋至片塊石層頂面50～60cm處，隨后進(jìn)行碎石墊層鋪筑。碎石墊層依舊采用由低向高、由外側(cè)向中心的壓實(shí)原則，壓實(shí)方式為靜壓2遍。

4.6 防滲土工布及反濾層施工

為避免反濾層中細(xì)集料滲入碎、塊石層中，碎石墊層施工完成后宜盡快在頂面鋪設(shè)防滲土工布，隨后填筑砂礫反濾層。砂礫一般采用0.25～0.5mm的天然砂，壓實(shí)機(jī)械宜采用重型振動(dòng)壓路機(jī)，壓實(shí)2～3遍保證該層平整度、壓實(shí)度等達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)分析了高原多年凍土區(qū)路基沉陷、路基波浪變形、路基縱向裂縫及邊坡破壞等典型病害的產(chǎn)生原因；分析了片塊石路基結(jié)構(gòu)組成，對(duì)其降溫機(jī)理進(jìn)行研究。從凍土類型、片塊石填料、片塊石路基結(jié)構(gòu)、施工時(shí)機(jī)等方面考慮影響片塊石路基工程性質(zhì)的因素；總結(jié)歸納了片塊石路基施工工藝，主要包括：施工前準(zhǔn)備→地基基底處理→片塊石層填筑→片塊石層壓實(shí)→碎石墊層施工→防滲土工布及反濾層施工。研究成果可以為多年凍土區(qū)路基的設(shè)計(jì)、施工提供參考。