青海省鹽漬土區(qū)公路路基拓寬溶陷變形控制關鍵技術研究

許正璇

(青海省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，青海 西寧 810000)

1 概述

隨著我西部地區(qū)經濟的快速發(fā)展，一些早期建設的重要干線已經逐漸顯示出通行能力不足的特點，為滿足日益增長的交通需求，保障公路快捷、暢通的服務優(yōu)勢，對已有的公路進行擴容拓寬的工作量日益增長[1]。

路基加寬工程中不可避免地面臨新老路基不均勻沉降問題，若處治不當，極易在新老路基銜接處上方路面出現(xiàn)縱向開裂，影響道路的使用性能[2]，增加公路運營期的維護成本。因此，研究新老路基差異沉降規(guī)律并采取有效的技術措施，以保障新老路基整體性，并減小不均勻沉降，具有重要的意義。FORSMAN[3]等指出鋪設土工合成材料是解決加寬路基與既有路基差異沉降的有效手段，尤其是地基為軟弱土層時，還可以減少路基水平位移并降低路面開裂的可能性。HABIB[4]等利用室內模型和數(shù)值仿真分析，獲取了填筑方法對加寬路基失穩(wěn)破壞的影響規(guī)律。HAN[5]等提出將樁網復合地基作為加寬路基下部地基的處理方式，在有限元分析的基礎上建立了相應的設計方法。孫偉[6]等利用數(shù)值仿真分析研究了模量變化對地基與加寬路基沉降的影響，進而提出了對實際高速公路拓寬工程的指導建議。錢勁松[7]等指出了傳統(tǒng)的分層總和法在計算路基沉降時的弊端，并利用ANSYS對公路拓寬工程進行了有限元分析，指出雙側對稱加寬比單側加寬更有利于保護路面。周志剛[8]等將新老路基沉降問題視為彈性力學平面應變問題，分析了新路堤的自重沉降和應力分布特征，并認為應在加寬基層頂面預留一定的沉降量以應對新路堤的工后沉降，進而避免在銜接處產生縱向裂縫。陳海珊[9]等針對軟基上路基拓寬問題，進行了深入分析和探討，提出了采用粉噴樁預先加固地基來減小新老路基不均勻沉降的措施。章定文[10]等在充分調研國內外公路加寬工程案例的基礎上，系統(tǒng)地概括和總結了軟基地段公路加寬工程的質量保障措施，包括設計計算方法、地基處理方法、新老路基銜接技術、加新老路基差異沉降控制標準等，為類似工程的設計和施工提供了重要參考依據(jù)。

鹽漬土是我國西部和北部干旱、半干旱地區(qū)特有的一種地質環(huán)境，隨著西部大開發(fā)建設的推進，許多西部鹽沼地區(qū)公路面臨擴容拓寬的需求，若新老線路協(xié)調處治不當，加之地基鹽漬土的不良工程性質，容易發(fā)生鹽脹、翻漿、溶陷、開裂、坑洼等路基路面病害，從而影響公路的正常運營[3]，而目前對于鹽沼地區(qū)公路線路路基拓寬技術的研究報道較少。本文以青海省某穿越鹽漬土公路的線路路基拓寬建設為例，對新路基鹽漬土進行了不同含鹽量、壓實度、上覆壓力下的溶陷變形試驗，分析了溶陷變形的影響因素，并根據(jù)高地下水位鹽漬土路基的防溶陷需求探討了阻水措施，最終建立了試驗段進行阻水方案效果的論證，研究可為干旱與半干旱鹽漬土地區(qū)的公路路基拓寬設計和施工提供參考。

2 工程概況

本工程屬于《青海省省道網規(guī)劃》(2012年—2030年)中的某公路建設工程，按照一級公路技術標準建設，部分路段利用了舊路基進行拓寬。工程穿越地區(qū)屬暖溫帶高原荒漠干旱氣候，少雨、多風、干旱，冬季漫長寒冷，夏季涼爽短促，降雨量年平均僅41.5 mm，蒸發(fā)量卻高達3 000 mm以上。日照時間長，年平均高達3 358 h，光熱資源充足，降水過程主要集中在每年的5月—9月間，占全年降水量的70%以上。年平均氣溫4.14 ℃。最冷月1月、2月平均氣溫-20.6 ℃，極端最低氣溫-29.5 ℃；最熱月8月平均氣溫20.4 ℃，極端最高氣溫34.6 ℃。

公路沿線有元古界、古生代的奧陶系、泥盆系、石炭系、第三系和第四系松散堆積層發(fā)育，鹽漬土共計67.119 km/20段，長度超過5 km的共有4段(見表1)，均為弱-中鹽漬土。線路經過鹽漬土地區(qū)時(見圖1)，地表積水，地面植被茂盛，局部表層約0.2～0.4 m厚的鹽粒析出，其下為細砂土或粉質土，地下水位很高。

表1 主要鹽漬土分布Table 1 List of major saline soil distribution

圖1 區(qū)域內鹽漬土

對于區(qū)內路基填筑，若鹽漬土利用不當將嚴重威脅到工程建設的質量、安全、進度、耐久性等。鹽漬土變形主要分為鹽脹變形和融陷變形，其中前者主要針對硫酸鹽漬土，而對于本工程中氯鹽漬土，溶陷是最為常見的問題。鹽漬土在干燥情況下，由于鹽晶體的膠結作用而具有一定的強度，遇水后隨著結晶鹽的溶解，膠結作用逐漸消失，內部土顆粒發(fā)生移動并進行重新排列，導致土體內部結構的劇烈變化(見圖2)，在宏觀上則表現(xiàn)為土體發(fā)生顯著的沉降，強度和承載力成倍降低。本線路拓寬工程中，老路基已經相對穩(wěn)定，而新路基主要弱氯鹽漬土填筑，地下水位較高，根據(jù)上述機理，容易出現(xiàn)因為新路基溶陷變形導致的新老路基差異沉降。

(a) 浸水前

(b) 浸水后

3 鹽漬土溶陷性試驗

為了了解現(xiàn)場鹽漬土的溶陷性質，為后續(xù)處治提供參考，首先開展了鹽漬土的溶陷性試驗。

3.1 試驗方案

鹽漬土溶陷量主要受含鹽量、壓實度、上覆壓力等因素影響，本文在現(xiàn)場采取了含鹽量為2%、4%、6%、8%的4種鹽漬土，壓實度按0.89、0.91、0.93、0.95、0.97進行控制，根據(jù)土體自重與受荷情況，按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[12]中的單線法要求開展試驗，浸水過程中設施了50、100、150、200和250 kPa五級壓力，初始含水率統(tǒng)一設置為6%左右。

3.2 溶陷變形曲線特征

圖3為不同含鹽量下，壓實度為0.93鹽漬土試樣在各級壓力下的溶陷變形曲線。

(a) 含鹽量2%(b) 含鹽量4%

(c) 含鹽量6%(d) 含鹽量8%

從圖3可以看出，不同鹽漬土試樣的溶陷變形曲線趨勢基本相同，試樣在浸水后，首先出現(xiàn)溶陷變形快速發(fā)展，試樣內部結晶鹽大量溶解，骨架結構發(fā)生變化，發(fā)生顯著溶陷變形。隨后試樣進入溶陷變形穩(wěn)定階段，變形量和變形速率顯著減小，試樣呈現(xiàn)出蠕變特性，因為試樣隨著時間的增加仍會有微小量的變形產生。溶陷變形與含鹽量和上覆壓力有密切的關系，以含鹽量2%試樣為例，當溶陷變形進入穩(wěn)定階段時，上覆壓力為50、100、150、200、250 kPa時的溶陷變形分別是0.66、1.10、1.40、2.25、2.76 mm，這說明在上覆壓力是有助于溶陷變形增長的；此外，以上覆壓力為50 kPa時的試樣為例，當溶陷變形進入穩(wěn)定階段時，含鹽量2%、4%、6%和8%試樣的溶陷變形分別是0.70、0.88、1.27、1.84 mm，這說明含鹽量越大的鹽漬土溶陷變形的特征越為明顯。

3.3 壓實度對溶陷系數(shù)的影響

溶陷系數(shù)與壓實度的關系曲線如圖4所示，可以看出，鹽漬土的溶陷系數(shù)與壓實度密切相關。以含鹽量2%鹽漬土樣為例，在上覆壓力為50 kPa時，壓實度0.89、0.91、0.93、0.95、0.97試樣對應的溶陷系數(shù)分別為0.028、0.017、0.012、0.009、0.006，表明隨著壓實度的增大溶陷系數(shù)明顯減小。這是因為壓實度增大意味著孔隙率減小，試樣內部供水分流動的連續(xù)孔隙通道減少，試樣受水分影響的程度降低；同時還可以發(fā)現(xiàn)，當壓實度增加到0.93后，溶陷系數(shù)就基本趨于穩(wěn)定，后續(xù)壓實度即使再增加，溶陷系數(shù)變化幅度也不大。此外，上覆壓力也對溶陷系數(shù)有一定影響，當壓實度為0.89時，上覆壓力為50、100、150、200、250 kPa試樣對應的溶陷系數(shù)分別為0.028、0.042、0.059、0.092、0.095，這說明隨著上覆壓力的提高溶陷溶陷系數(shù)也在增加。

(a) 含鹽量2%(b) 含鹽量4%

(c) 含鹽量6%(d) 含鹽量8%

4 鹽漬土地區(qū)線路阻水設計

以K63+400～K68+900內某拓寬段為例，現(xiàn)場修筑新路基各層的壓實度為0.96、0.94、0.93，地下水水位較高，有害毛細水上升高度大于地下水埋深，毛細水可進入路基。根據(jù)上述溶陷變形試驗，可知當?shù)叵陆霑r，對壓實度為0.93路基層的影響相對較大，從而導致因新路基溶陷變形產生的新老路基不均勻沉降。根據(jù)青海省以往筑路經驗，在保障路基壓實度的基礎上，需要進行路基阻水處理，通常有如下2種阻水方案進行比選：

a.方案A：在地表以下0.5～1.0 m范圍內采用天然砂礫換填鹽漬土，然后在路面結構下設置20 cm砂礫阻水層，然后鋪設單層隔水土工布，如圖5所示，總結該方案為：砂礫換填+砂礫層+單層土工布阻水層。

圖5 方案A示意圖Figure 5 Schematic diagram of plan A

b.方案B：在地表以下0.5～1.0 m范圍內采用天然砂礫換填鹽漬土，路面結構層下設置“兩布一膜”的復合土工膜，如圖6所示?？偨Y該方案為：砂礫換填+復合土工膜阻水層。

圖6 方案B示意圖Figure 6 Schematic diagram of plan B

2種方案的比選如表2所示。

表2 線路阻水方案比選Table 2 Comparison of water resistance scheme

根據(jù)上述分析，方案A中對砂礫材料的需求量更大，考慮到建設現(xiàn)場附近無砂礫來源，需要遠距離運輸，從而延長工期和提高成本，因此，最終采用了方案B作為阻水措施，并對“兩布一膜”復合土工膜的性能指標進行了嚴格控制要求：布(質量， g/m2)/膜(厚， mm)/布(質量， g/m2)≥150/0.3/150，總厚度≥2.4 mm，極限抗拉強度≥17 kN/m，極限伸長率≥30%。

5 阻水設計試驗段驗證

在現(xiàn)場修筑了150 m的試驗段，采用方案B進行阻水設計，以驗證采取措施后新老路基的差異沉降改善效果。圖7、圖8為修筑過程。

圖7 分層碾壓Figure 7 Layered crush

圖8 復合土工膜鋪設Figure 8 Laying of composite geotechnical film

路基填筑完成后，在接近路基面處埋設了6處沉降觀測點(見圖9)，其中1、2觀測點位于非試驗段新路基，3觀測點位于非試驗段老路基，4、5點位于試驗段新路基，6點位于為試驗段老路基。圖10為路基沉降曲線。

圖9 沉降板埋設

(a) 非試驗路段

(b) 試驗路段

由圖10(a)可知，非試驗路段新路基測點1和測點2的最大沉降達到了34.27 mm和24.12 mm，其中觀測85～95 d期間，現(xiàn)場有降雨，由于地下水位上升和雨水入滲作用，鹽堿地基和路基的含水率均上升導致軟化，在此期間沉降量快速增加；此外，老路基也收到新路基沉降的擾動，最大產生了5.3 mm的沉降，新老路基的差異沉降達到了近30 mm；而對于試驗路段[見圖10(b)]，新路基最大沉降明顯減小，而且由于復合土工膜起到一定阻水作用，在85～95 d的降雨期沉降沒有發(fā)生“陡增”，老路基幾乎沉降為0 mm，最終的差異沉降控制在10 mm左右。通過3個多月的觀測，試驗段路基差異沉降較小，說明進行3層加筋與阻水設計后，拓寬線路的整體性和水穩(wěn)性較好。

6 結論

本文以青海省某穿越鹽漬土區(qū)公路線路路基拓寬工程為例，研究探討了路基鹽漬土溶陷變形規(guī)律和線路路基阻水方案，得到如下結論：

a.在相同壓實度下，溶陷變形隨著上覆壓力和含鹽量的增加而增大。

b.隨著壓實度的增大溶陷系數(shù)減小，當壓實度增加到0.93左右時，溶陷系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，后續(xù)壓實度即使再增加，溶陷系數(shù)變化幅度也不大。

c.推薦采用砂礫換填+復合土工膜的方案來進行新路基阻水，即在地表以下0.5～1.0 m范圍內采用天然砂礫換填鹽漬土，在路面結構層下設置“兩布一膜”的復合土工膜防止雨水入滲，并應嚴格控制“兩布一膜”的材料質量。

d.根據(jù)3個多月的觀測，相對非試驗路段，試驗段新老路基差異沉降在10 mm左右，說明進行鹽漬土路基阻水設計后，由新路基溶陷變形造成的新老路基差異沉降問題得到了緩解，鹽漬土拓寬線路路基的整體性和水穩(wěn)性得到了提高。