毛雪松++劉飛飛

0 引言

中國多年凍土分布面積約為215萬km2，主要分布在青藏高原、東北大小興安嶺以及西部的高山上。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和東北振興計(jì)劃的推進(jìn)，寒區(qū)道路工程建設(shè)快速發(fā)展，青藏公路、中尼公路、新藏公路以及北黑公路均穿越多年凍土區(qū)。多年凍土作為一種特殊的地質(zhì)體，對于水熱變化極為敏感[1]。道路的修筑改變了原有凍土內(nèi)部的水熱狀況；黑色路面、陽坡面的吸熱作用致使路基內(nèi)部凍土上限下降[2-3]；大氣降水和地下水使得路基內(nèi)部含水率增大；氣溫的周期變化使得路基土體處于凍脹與融化交替作用的狀態(tài)，因此凍土路基的力學(xué)性能變異性極大[4]。在惡劣的自然環(huán)境和繁重的交通荷載作用下，路基的不均勻變形[5-7]、縱向裂縫[8-10]和邊坡疏松[11]是多年凍土地區(qū)典型的病害形式。本文以青藏公路五道梁段為依托，針對典型的病害類型，在分析現(xiàn)有病害處治措施的基礎(chǔ)上，提出具體的路基病害整治措施[12-14]。

1 多年凍土地區(qū)路基典型病害的類型和特點(diǎn)

項(xiàng)目組針對青藏公路K2966～K3360路段進(jìn)行路基病害調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，該調(diào)查路段內(nèi)典型的路基病害形式是內(nèi)部縱向裂縫、不均勻變形和邊坡疏松。

1.1 縱向裂縫

縱向裂縫是與行車方向基本平行并伴有少量支縫的長直裂縫，如圖1所示，寬為幾厘米至幾十厘米，長度從幾米到幾十米不等，多發(fā)生在距路邊緣3～5 m的行車道內(nèi)、緊急停車帶或路肩部位。75%以上的縱向裂縫發(fā)生在路基高度大于2.5 m的路段，且陽坡路段多于陰坡路段。

1.2 路基不均勻變形

凍脹、融沉及翻漿等病害導(dǎo)致路基不均勻變形破壞[15]，表現(xiàn)形式為橫向不均勻變形和縱向波浪變形，如圖2所示。路基的橫向不均勻破壞主要表現(xiàn)為路基、路面有深度大于3 cm的豎向變形或路面下凹。青藏公路路基最大橫向不均勻下沉變形從幾厘米到幾十厘米不等，最大處達(dá)到20 cm。路基的縱向不均勻變形主要呈現(xiàn)波浪變形，波峰波谷非常明顯，破壞路段從十幾米至上百米不等，不均勻下沉的變形從幾厘米至十幾厘米不等。

1.3 邊坡的疏松

邊坡疏松是青藏公路路基的一種典型病害形式，主要表現(xiàn)為邊坡土體松散，降雨過后，邊坡上會有小型的沖溝，如圖3所示。青藏公路沿線普遍存在邊坡疏松現(xiàn)象，邊坡疏松將導(dǎo)致邊坡局部垮塌、路基寬度變窄等破壞。

2 路基病害產(chǎn)生的原因

凍土地區(qū)路基病害產(chǎn)生的原因有內(nèi)因與外因，內(nèi)因是凍土的工程性質(zhì)，外因包括特殊的氣候條件和工程因素。

2.1 凍土的工程性質(zhì)

凍土對氣候、水文和地表?xiàng)l件的變化極其敏感，具有融沉、凍脹等特殊的工程性質(zhì)，而凍土的凍脹、融沉是土中水的凍結(jié)與冰的融化作用，是溫度與水分綜合作用的結(jié)果。多年凍土區(qū)路基可分為季節(jié)活動層和多年凍土層，地溫、含水量和含冰量極大地影響季節(jié)活動層和多年凍土層的力學(xué)性能。路基修筑在季節(jié)活動層上，活動層的力學(xué)性質(zhì)是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[16]。隨著全球氣候變暖，加之道路的修筑，使得多年凍土層上限下降，凍土轉(zhuǎn)化為融土，這也是路基承載能力下降的關(guān)鍵因素之一。

2.2 特殊的氣候條件

青藏公路處于高海拔低溫的氣候區(qū)域，凍結(jié)過程與融化過程一樣，均是周期氣候的產(chǎn)物。青藏高原的降雨主要集中在每年6～9月，這種集中降水從路基的邊坡下滲到路基內(nèi)部（青藏公路路基排水是散排）。氣候降溫引起土體凍結(jié)，由于土體中水分的不均勻性和水分遷移通道的差異，致使凍結(jié)過程中路基土體產(chǎn)生的凍脹變形不均勻。隨著氣溫上升，土體中的冰融化，含水量的增大使土體強(qiáng)度產(chǎn)生弱化，在行車荷載的作用下，被弱化的土層就會發(fā)生變形，而其下的凍土層卻具有很高的強(qiáng)度，致使弱化土層產(chǎn)生水平向的變形，路面表現(xiàn)為融沉或翻漿現(xiàn)象[17]。在氣候周期變化下，路基土體常年處于凍脹和融化狀態(tài)，結(jié)構(gòu)疏松，承載能力下降極快。

2.3 工程因素

道路的修筑過程，改變了原有的地表水熱平衡狀態(tài)。路基斷面類型、路基填料和路面性質(zhì)都是影響路基病害的原因。路基的斷面類型指路基的高度、寬度以及排水設(shè)施等。路基高度和寬度的不同會引起熱阻和熱儲差異；路基高度越大，會使得因陽坡面接收太陽輻射熱而產(chǎn)生的熱阻、熱儲的差異越明顯。排水設(shè)施是否完備，決定著滲入路基水分的多少。路基填料性質(zhì)直接影響路基承載能力和穩(wěn)定性。瀝青路面的鋪筑增大了對太陽輻射能量的吸收，減少了蒸發(fā)耗熱，致使路基內(nèi)部地溫增加，引發(fā)融沉現(xiàn)象。

3 多年凍土地區(qū)路基病害處治措施

以青藏公路五道梁段為依托，分別針對縱向裂縫、路基不均勻變形和邊坡疏松三大類病害提出整治措施。

3.1 路基縱向裂縫的處治措施

青藏公路K3052+000附近縱向裂縫發(fā)育嚴(yán)重，該路段位于豎曲線底端，路基填料為含有砂礫的紅粘土，路基右側(cè)距坡腳1 m左右有大面積積水，最寬的縱向裂縫已達(dá)到14 cm。針對該路段病害，提出柔性枕梁結(jié)合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫的措施，如圖4所示。

3.1.1 柔性枕梁結(jié)合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫的工作原理

柔性枕梁既有在平面上抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢，又有在豎直方向上抗折性能好等特點(diǎn)，能起到橋聯(lián)裂縫的作用。采用此種結(jié)構(gòu)處治裂縫，在荷載應(yīng)力作用下，裂縫寬度變化不明顯，而且該結(jié)構(gòu)具有良好的抵抗路基變形的能力。但柔性枕梁的不足之處在于：碎石粒徑大于土工格柵網(wǎng)格的尺寸，當(dāng)格柵繃緊后局部格柵承受拉力不均勻，當(dāng)拉力超過格柵的抗拉強(qiáng)度時會造成格柵斷開；柔性枕梁處治完畢一段時間后，原路面結(jié)構(gòu)重鋪的面層與老路面接觸面上會出現(xiàn)2條反射裂縫；裂縫的繼續(xù)發(fā)育可能會導(dǎo)致枕梁底部格柵由于拉應(yīng)力增大而斷裂。

鑒于此，采用凸榫式土工膜袋來加強(qiáng)抗裂效果。凸榫式土工膜袋利用高壓注漿機(jī)把適當(dāng)配比的水泥漿灌入多孔的土工膜袋中，使得在膜袋袋孔附近形成凸榫結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)與土體之間的摩阻力，將已變形土體與未變形土體良好地結(jié)合在一起，防止縱向裂縫擴(kuò)張，從而確保路基穩(wěn)定。

3.1.2 施工流程

具體的施工流程為：標(biāo)出處治位置及范圍；開挖基床；查明裂縫深度走向；鉆孔取芯；放入土工膜袋；高壓灌注水泥砂漿；封口；灌縫并填實(shí)；壓實(shí)松軟部位；鋪土工格柵及土工布；連接并固定土工合成材料；回填碎石，壓實(shí)；土工合成材料反包及固定；鋪筑路基土料，壓實(shí)；鋪筑水穩(wěn)基層，壓實(shí)；鋪筑瀝青面層，壓實(shí)；開放交通。

3.1.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）查明縱向裂縫特點(diǎn)。按照設(shè)計(jì)將原路基路面開挖成臺階式基床，以便查明縱向裂縫發(fā)育的長度、深度和寬度。

（2）邊坡橫向成孔。利用洛陽鏟將鉆孔內(nèi)殘留物清理干凈，注意避免孔壁的砂或土粒掉落。

（3）土工膜袋入孔。利用小型鋼釬將制作好的土工膜袋放入鉆孔中，鋼釬要水平緩慢推進(jìn)，以免擾動孔壁的砂或土顆粒。

（4）高壓灌注水泥砂漿。在合適的水灰比下均勻攪拌砂漿，在配砂漿時控制好稠度，過稠容易堵住壓漿機(jī)，過稀不僅影響凸榫效果，而且過量的水分將加劇此處縱向裂縫的產(chǎn)生。

（5）灌縫并搗實(shí)。使用水泥砂漿對基床上開挖后露出的裂縫進(jìn)行灌注并搗實(shí)。

（6）鋪土工格柵及土工布。在挖好的基床上將土工合成材料（土工格柵在下，土工布在上）展鋪在上面，預(yù)留反包長度和搭接長度，土工格柵和土工布的幅長方向均垂直于裂縫方向，縱橫向的搭接寬度均須不小于20 cm。

（7）回填碎石，壓實(shí)?；靥钏槭牧讲坏么笥谀雺簩雍穸鹊?/2，每層填筑厚度不宜大于15 cm。使用小型靜碾壓路機(jī)進(jìn)行充分壓實(shí)，不宜使用夯式壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)，以免砸壞碎石或破損土工合成材料。

（8）土工合成材料反包及固定。用土工布及土工格柵將回填的碎石包好，使其兩端相互搭接并拉緊，應(yīng)用延伸率較小的鐵絲在搭接部位呈“之”字型穿綁，使土工合成材料與包裹的碎石形成一個整體，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同受力。

（9）按照原有路面結(jié)構(gòu)鋪筑基層和面層。

3.2 路基不均勻變形處治技術(shù)

青藏公路K3036+000附近路側(cè)經(jīng)常有季節(jié)性積水，路基內(nèi)部含水量較大，路基的承載能力較低，路基不均勻變形已造成路面破壞嚴(yán)重，路面平整度極差，最高處和最低處的變形已經(jīng)接近50 cm。針對此種情況，提出采用干拌水泥碎石樁來處治路基的不均勻變形，樁體及其布置如圖5所示。

3.2.1 干拌水泥碎石樁的工作原理

干拌水泥碎石樁是應(yīng)用水泥碎石混和料置換路基土體，對原路基土體具有擠密作用；水泥碎石混合料與路基內(nèi)水分發(fā)生物理化學(xué)作用，吸收水分，降低路基的含水量；同時干拌水泥碎石樁與原路基土體組成復(fù)合地基，以達(dá)到提高路基承載能力、減緩路基變形的目的。

3.2.2 施工流程

干拌水泥碎石樁的施工流程主要包括樁位的設(shè)計(jì)及測放、成孔、填料的夯實(shí)、封孔及最終的罩面整平5個工序。

3.2.3 高寒地區(qū)不均勻變形處治技術(shù)要點(diǎn)

（1）在進(jìn)行干拌水泥碎石樁處治前，首先要進(jìn)行現(xiàn)場平整度及不均勻變形測試。在采用鉆機(jī)成孔的過程中，要嚴(yán)格控制成孔的尺寸、深度、垂直度，防止孔位偏差。

（2）成孔和孔內(nèi)回填夯實(shí)的施工順序?yàn)椋涸诔煽走^程中，要采用隔排隔樁跳打，且宜從里向外間隔進(jìn)行，以起到擠密路基土的作用，成孔后要及時進(jìn)行回填。

（3）在成孔的過程中很有可能會出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，因此可加入適量的水泥進(jìn)行多次沖擊，以保證成孔質(zhì)量，并在成孔后立即回填。

（4）在樁身進(jìn)行夯填前，首先要打底夯，并進(jìn)行回填夯擴(kuò)。

（5）由于在打樁及樁身回填的過程中會產(chǎn)生熱量，或回填材料會帶入熱量，擾動多年凍土；因此，在回填過程中，前兩次的回填料要采用液氮進(jìn)行降溫。

3.3 邊坡疏松處治技術(shù)

特殊的氣候條件致使青藏公路沿線邊坡密實(shí)程度較差，大氣降水的滲入、溫度周期變化產(chǎn)生的凍結(jié)與融化致使邊坡疏松嚴(yán)重。隨著邊坡部分土體強(qiáng)度下降，瞬時強(qiáng)降雨后，坡面上會形成沖溝，路肩強(qiáng)度不足，當(dāng)車輛荷載作用時就容易發(fā)生滑塌現(xiàn)象。K3003+750附近路基高度約2 m，陽坡土體疏松嚴(yán)重，有水溝沖蝕現(xiàn)象；鑒于此，采用在邊坡挖除重填過程中拌入土壤固化劑進(jìn)行回填的處治措施，如圖6所示。

3.3.1 土壤固化劑加固邊坡的工作原理

土壤固化劑是一種由多個強(qiáng)離子組合而成的水溶性化學(xué)物質(zhì)，通過電化原理改變土顆粒雙電層結(jié)構(gòu)，使土體的膠質(zhì)電離，失去表面陽性，產(chǎn)生一系列置換水反應(yīng)和離子交換作用，改變土體表面電荷特性，增強(qiáng)土顆粒之間的結(jié)合能力，將土體的親水性變?yōu)槭杷裕瑫r使土易于壓實(shí)，形成強(qiáng)度較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體。

3.3.2 施工流程

邊坡疏松處治的流程為：標(biāo)出處治位置及范圍；開挖邊坡；拌入土壤固化劑；土體分層回填、壓實(shí)；邊坡坡面的整形。

3.3.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）在挖除重填之前先量好坡度、路基高度，進(jìn)行準(zhǔn)確放線，標(biāo)出邊坡的處治范圍。

（2）在挖除過程中，由上至下逐級開挖，從路肩上開始，在距路緣石30 cm處開挖第一層臺階，挖深30 cm，第一個臺階寬度為120 cm；緊接著開挖下一個臺階，從第一個臺階的根部向外45 cm處開挖，臺階寬度也是120 cm，把挖除土統(tǒng)一堆到路面上，以便后續(xù)回填。

（3）稀釋土壤固化劑，土體中固化劑摻配率為0.014%；然后將稀釋的固化劑和挖出的路基土進(jìn)行人工拌和；再呈臺階狀分層填筑并壓實(shí)。

（4）修整邊坡，并在邊坡表面噴灑土壤加固劑。

4 結(jié)語

（1）對青藏公路K2966～K3360路段進(jìn)行路基病害調(diào)查，結(jié)果表明路基縱向裂縫、不均勻變形和邊坡疏松是多年凍土地區(qū)路基病害的主要形式；同時分析了各類病害的發(fā)育特征。

（2）從凍土工程性質(zhì)、特殊氣候條件和工程因素3個方面，初步分析了多年凍土地區(qū)路基病害產(chǎn)生的原因。

（3）以青藏公路五道梁段為依托，分別提出了柔性枕梁結(jié)合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫技術(shù)、干拌碎石樁處治路基不均勻變形技術(shù)和土壤固化劑加固邊坡的處治技術(shù)；闡述了各類技術(shù)的工作原理、施工流程和施工技術(shù)要點(diǎn)。

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