許正璇

(青海省交通規(guī)劃設(shè)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一些早期建設(shè)的重要干線已經(jīng)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(wù)優(yōu)勢，對已有的公路進(jìn)行擴(kuò)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(dāng)，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(yùn)營期的維護(hù)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(shù)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(shè)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(nèi)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(wǎng)復(fù)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(chǔ)上建立了相應(yīng)的設(shè)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(jìn)而提出了對實際高速公路拓寬工程的指導(dǎo)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(jìn)行了有限元分析，指出雙側(cè)對稱加寬比單側(cè)加寬更有利于保護(hù)路面。周志剛[8]等將新老路基沉降問題視為彈性力學(xué)平面應(yīng)變問題，分析了新路堤的自重沉降和應(yīng)力分布特征，并認(rèn)為應(yīng)在加寬基層頂面預(yù)留一定的沉降量以應(yīng)對新路堤的工后沉降，進(jìn)而避免在銜接處產(chǎn)生縱向裂縫。陳海珊[9]等針對軟基上路基拓寬問題，進(jìn)行了深入分析和探討，提出了采用粉噴樁預(yù)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(diào)研國內(nèi)外公路加寬工程案例的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地概括和總結(jié)了軟基地段公路加寬工程的質(zhì)量保障措施，包括設(shè)計計算方法、地基處理方法、新老路基銜接技術(shù)、加新老路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)等，為類似工程的設(shè)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(zhì)環(huán)境，隨著西部大開發(fā)建設(shè)的推進(jìn)，許多西部鹽沼地區(qū)公路面臨擴(kuò)容拓寬的需求，若新老線路協(xié)調(diào)處治不當(dāng)，加之地基鹽漬土的不良工程性質(zhì)，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(yùn)營[3]，而目前對于鹽沼地區(qū)公路線路路基拓寬技術(shù)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(shè)為例，對新路基鹽漬土進(jìn)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(jìn)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(shè)計和施工提供參考。

2 工程概況

本工程屬于《青海省省道網(wǎng)規(guī)劃》(2012年—2030年)中的某公路建設(shè)工程，按照一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，部分路段利用了舊路基進(jìn)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(fēng)、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(dá)3 000 mm以上。日照時間長，年平均高達(dá)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(jīng)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(xì)砂土或粉質(zhì)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(nèi)鹽漬土

對于區(qū)內(nèi)路基填筑，若鹽漬土利用不當(dāng)將嚴(yán)重威脅到工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、進(jìn)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(jié)作用而具有一定的強(qiáng)度，遇水后隨著結(jié)晶鹽的溶解，膠結(jié)作用逐漸消失，內(nèi)部土顆粒發(fā)生移動并進(jìn)行重新排列，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和承載力成倍降低。本線路拓寬工程中，老路基已經(jīng)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(jī)理，容易出現(xiàn)因為新路基溶陷變形導(dǎo)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(zhì)，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(jìn)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(shè)施了50、100、150、200和250 kPa五級壓力，初始含水率統(tǒng)一設(shè)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(nèi)部結(jié)晶鹽大量溶解，骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，發(fā)生顯著溶陷變形。隨后試樣進(jìn)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(chǎn)生。溶陷變形與含鹽量和上覆壓力有密切的關(guān)系，以含鹽量2%試樣為例，當(dāng)溶陷變形進(jìn)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(dāng)溶陷變形進(jìn)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(guān)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(guān)。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(yīng)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(nèi)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(dāng)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(dāng)壓實度為0.89時，上覆壓力為50、100、150、200、250 kPa試樣對應(yīng)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(shè)計

以K63+400～K68+900內(nèi)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(xì)水上升高度大于地下水埋深，毛細(xì)水可進(jìn)入路基。根據(jù)上述溶陷變形試驗，可知當(dāng)?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(dǎo)致因新路基溶陷變形產(chǎn)生的新老路基不均勻沉降。根據(jù)青海省以往筑路經(jīng)驗，在保障路基壓實度的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行路基阻水處理，通常有如下2種阻水方案進(jìn)行比選：

a.方案A：在地表以下0.5～1.0 m范圍內(nèi)采用天然砂礫換填鹽漬土，然后在路面結(jié)構(gòu)下設(shè)置20 cm砂礫阻水層，然后鋪設(shè)單層隔水土工布，如圖5所示，總結(jié)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(nèi)采用天然砂礫換填鹽漬土，路面結(jié)構(gòu)層下設(shè)置“兩布一膜”的復(fù)合土工膜，如圖6所示。總結(jié)該方案為：砂礫換填+復(fù)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(shè)現(xiàn)場附近無砂礫來源，需要遠(yuǎn)距離運(yùn)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(fù)合土工膜的性能指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格控制要求：布(質(zhì)量， g/m2)/膜(厚， mm)/布(質(zhì)量， g/m2)≥150/0.3/150，總厚度≥2.4 mm，極限抗拉強(qiáng)度≥17 kN/m，極限伸長率≥30%。

5 阻水設(shè)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(jìn)行阻水設(shè)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(fù)合土工膜鋪設(shè)Figure 8 Laying of composite geotechnical film

路基填筑完成后，在接近路基面處埋設(shè)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(shè)

(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(dá)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(dǎo)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(chǎn)生了5.3 mm的沉降，新老路基的差異沉降達(dá)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(fù)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(jìn)行3層加筋與阻水設(shè)計后，拓寬線路的整體性和水穩(wěn)性較好。

6 結(jié)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(jié)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(dāng)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(fù)合土工膜的方案來進(jìn)行新路基阻水，即在地表以下0.5～1.0 m范圍內(nèi)采用天然砂礫換填鹽漬土，在路面結(jié)構(gòu)層下設(shè)置“兩布一膜”的復(fù)合土工膜防止雨水入滲，并應(yīng)嚴(yán)格控制“兩布一膜”的材料質(zhì)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(jìn)行鹽漬土路基阻水設(shè)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。