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        鹽漬土地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面拱脹原因調(diào)查分析

        2023-11-21 09:17:54鄒新華胡進軍王志成馬坤
        運輸經(jīng)理世界 2023年23期
        關(guān)鍵詞:鹽漬南疆鹽分

        鄒新華、胡進軍、王志成、馬坤

        (中煤新疆天河工程建設(shè)有限公司,新疆圖木舒克 843900)

        0 引言

        我國是一個鹽堿地多發(fā)的國家,其中新疆南疆地區(qū)鹽堿化程度較重,鹽漬土分布廣泛。公路作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的交通工程,其建設(shè)質(zhì)量和使用壽命直接關(guān)系到地區(qū)經(jīng)濟、社會發(fā)展以及人民出行的便利程度。然而,鹽漬土地區(qū)的路面施工存在一些問題,如水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面拱脹現(xiàn)象,影響道路的正常使用。因此,本研究以新疆南疆地區(qū)某公路項目為例,探討水泥穩(wěn)定碎石基層與面層結(jié)合方式,分析拱脹現(xiàn)象的原因,并提出相應(yīng)的治理對策,對于今后在鹽漬土地區(qū)開展公路建設(shè)具有一定的參考價值。

        1 鹽漬土地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面拱脹原因分析

        1.1 水泥穩(wěn)定碎石基層的影響因素

        水泥穩(wěn)定碎石基層主要是采用級配瓦礫作為骨料,通過調(diào)整相應(yīng)量的膠凝材料和灰泥體積來填補骨材間隙,再根據(jù)嵌擠理論平攤并壓實。水泥穩(wěn)定碎石基層的形成機理如圖1 所示[1]。水泥穩(wěn)定碎石基層施工質(zhì)量較差的主要原因是缺乏完善的檢驗手段,在規(guī)范中沒有進行施工強度評定,導(dǎo)致室內(nèi)試驗強度并不符合要求,返工也較多。

        圖1 水泥穩(wěn)定碎石基層的形成原理

        1.2 鹽脹引起的水穩(wěn)層應(yīng)力變化

        鹽漬土路基鹽脹力主要是在周圍氣象轉(zhuǎn)變造成的溫度驟減,然后土中硫酸鈉在吸收≥10 個水分子結(jié)晶析出之后,使得整個土體體積逐漸膨脹,造成鹽漬土路面開裂。當硫酸鈉轉(zhuǎn)變成固相芒硝(Na2SO4·10H2O)晶體后,鹽漬土中的鹽脹特征會更加明顯。隨著氣溫的下降和鹽晶的增多積聚,鹽脹力呈逐步上升的趨勢。

        1.3 路面拱脹現(xiàn)場調(diào)查及原因分析

        瀝青路面的主要病害有:網(wǎng)狀裂縫、橫裂、縱裂、沉降、拱脹等。公路病害頻發(fā),給公路帶來極大的破壞,甚至造成長期交通堵塞,經(jīng)濟損失嚴重。瀝青路面的路面損害的分類見表1。

        表1 路面損害的分類

        通過對有關(guān)資料的分析,造成瀝青混凝土路面損壞的原因主要有:

        1.3.1 設(shè)計原因

        受經(jīng)濟因素的制約,目前高速公路在修建過程中,多是采用比較輕的、單層的瀝青面層,加之在瀝青的質(zhì)量和骨料的選擇上存在一些技術(shù)問題,在施工過程中瀝青與地面之間的黏性不足,很容易導(dǎo)致路面損壞,縮短路面的使用壽命。

        1.3.2 建設(shè)管理原因

        由于水質(zhì)、石料、砂礫料等物質(zhì)的鹽分都相對較高。當膨脹變形量足以支撐路面時,路面表層就會出現(xiàn)脹縫,降低了實際路面的使用性能。

        1.3.3 氣候條件原因

        通過分析實測巖心數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)路面受溫差影響很大。在降溫過程中,路基在溫度梯度作用下發(fā)生溫縮,從而產(chǎn)生沿高速公路表層向下擴展的溫度裂縫。

        1.3.4 行駛荷載原因

        從“溫度—荷載—時間”變化的內(nèi)在聯(lián)系來看,由于輪胎在路面上滾動,與路面產(chǎn)生摩擦,在重復(fù)行駛荷載下,路面結(jié)構(gòu)層會發(fā)生明顯的彎曲沉降,導(dǎo)致路面底部出現(xiàn)明顯的彎曲和拉應(yīng)力。

        2 案例分析及功能優(yōu)化

        2.1 新疆南疆喀什地區(qū)公路建設(shè)情況

        2.1.1 項目背景

        新疆南疆喀什地區(qū)瀝青混凝土道路受路基鹽漬土的影響,破壞較為嚴重,每年還要花費大量的人力、財力、物力,對破壞嚴重的路段進行修復(fù)或重建[2]。針對上述難點,以新疆南疆地區(qū)某公路項目展開公路建設(shè)計劃,對受到破壞的道路進行有效的修護與改造,延長鹽漬土地區(qū)瀝青混凝土道路的使用年限。

        2.1.2 有關(guān)研究工作基礎(chǔ)與工作條件

        (1)地理位置

        鹽漬土的形成與其所處的地理位置密不可分。在內(nèi)陸地區(qū),鹽漬土主要分布在盆地和局部洼地。新疆南疆地區(qū)的鹽漬土分布范圍廣泛。

        (2)氣候條件

        國內(nèi)的鹽漬土主要分布在西北地區(qū),含鹽量較低,泥沙的沉積物較多。地下水中的鹽分隨著水分蒸發(fā)而不斷向表層聚集,由于年降水量較少,淋洗作用不明顯,因此形成廣泛的鹽漬土。

        (3)地下水位

        土層中易溶鹽的富集程度與地下水水位的高低、溶于水中的鹽量及鹽的性質(zhì)具有相關(guān)性。地下水水位埋藏淺,溶于水中的含鹽量高,其土壤上層聚積鹽分的速度就越快,形成的鹽漬土層不但含鹽量高而且厚度深。

        (4)地質(zhì)構(gòu)造

        鹽堿地表層土壤主要發(fā)育在新生代第四系。該時期正是構(gòu)造松動的時代,洪積層、風積層和沼澤沉積層等土壤層位,極易發(fā)生鹽分沉積。鹽堿土中的高鹽含量使微生物的生長條件受到嚴重影響,其碳、氮含量及微生物群落與一般的耕地相比存在較大差異,其理化性質(zhì)出現(xiàn)一系列劣化現(xiàn)象,從而導(dǎo)致土壤的鹽漬化。

        (5)地表覆蓋植被

        地表覆蓋植被水分聚積在土層上層,上層礦化度不斷增加,使得土壤深處的鹽分隨著鹽漬化不斷加大。當植物死亡后或落在土壤里的枯枝敗葉腐爛分解后,其自身從土層里吸收的鹽分又重新返回到上層土壤里,為上層土壤又完成了一次積鹽。

        2.1.3 擬采用的關(guān)鍵技術(shù)

        為了預(yù)防并減輕新建公路鹽脹破壞的發(fā)生及發(fā)生后的維修養(yǎng)護措施,該項目研究已建(擬建)公路沿線鹽漬土的類別、瀝青混凝土道路破壞類型、水樣礦化度。選擇三師公路和市政道路,按照0~10cm,10~20cm,20~40cm,40~60cm,60~100cm,對5 個土層的土樣進行八大離子試驗,按照規(guī)范要求,劃分出被破壞的公路和市政道路。對三師城區(qū)公路的破損情況進行調(diào)查,并對路基、橋涵、沿線附屬設(shè)施和交通安全設(shè)施進行實地考察。分析瀝青混凝土路面的主要病害;采用干燥器在室內(nèi)干燥,并對不同區(qū)域的水質(zhì)進行測定。

        2.1.4 新疆南疆鹽漬土具體的技術(shù)路線明細

        新疆南疆鹽漬土技術(shù)路線如圖2 所示。

        圖2 新疆南疆鹽漬土技術(shù)路線

        2.2 針對拱脹問題的治理對策

        新疆南疆鹽漬土路基的病害嚴重程度與其內(nèi)部含鹽量、鹽度、含水量、溫度和壓實度等因素密切相關(guān),因此,在新疆南疆地區(qū)修建瀝青混凝土公路時,必須對其進行特殊的整修,阻斷路基水分,加強路基結(jié)構(gòu)的壓實度,并在路基內(nèi)加一層絕緣和保溫層[3]。

        2.2.1 換填法

        因為換填法的工程量比較大,所以通常情況下,適用于強鹽漬土或者超級鹽漬土,埋藏淺,且在路基施工范圍內(nèi),對工程有很大影響。為了消除因鹽分而引起病害的可能性,可以采用換填法進行施工。路基換填法施工工藝流程如圖3 所示。

        圖3 路基換填法施工工藝流程

        在換填法中,必須經(jīng)過全面的技術(shù)、經(jīng)濟比較,才能決定采用何種施工方法。主要的考量因素如下:

        (1)確保填筑物的深度比出現(xiàn)病害的地基土層的厚度大;在較松軟、較厚、較薄的情況下,路基的橫向變形和沉降量均較大。

        (2)要確保換填后殘余鹽的拱脹不超過路堤允許的變形范圍;對含重金屬和酸堿值不平衡的土壤,可采取化學(xué)處理方法,添加一定濃度的溶液,降低其酸堿值。

        (3)要確保填筑層在浸泡后的承載力大于下臥層頂面的壓強,從而實現(xiàn)地基的穩(wěn)定。

        (4)在小范圍內(nèi)進行填筑,以確保填筑區(qū)周邊土體在出現(xiàn)溶蝕時,填筑區(qū)仍能保持一定穩(wěn)定性。同時,對于可能發(fā)生的漏漿、塌方等,要及時采取相應(yīng)的措施,如有需要,可以采用回填法。

        2.2.2 浸水預(yù)溶法

        浸水預(yù)溶法是指在工程開始之前,先在路基中注入一定數(shù)量的水,使易溶解的鹽分在水中溶解后,再向更深的路基中滲透,以減少鹽分對路基的破壞。這種方法適用于鹽漬土厚度較小或滲透性能較好的區(qū)域。

        2.2.3 化學(xué)處治

        化學(xué)處治是以高鹽度和厚鹽層的硫酸鹽漬土為研究對象,其基本原理是利用化學(xué)處理手段,改變土壤中鹽分(以硫酸根為主)的特性,從而抑制鹽脹,降低其對道路的破壞作用。

        2.3 應(yīng)用成效

        三師地區(qū)的公路和市政道路常因鹽漬土破壞而導(dǎo)致路面損壞。為了深入研究鹽漬土的成因和影響,進行一系列的試驗和調(diào)查。首先,針對遭受鹽脹破壞的公路、市政道路,在不同深度處分層取樣,共5 個土層,并進行八大離子試驗,結(jié)果見表2。

        表2 八大離子試驗

        結(jié)果表明,隨著深度范圍的逐漸加大,根據(jù)提供的數(shù)據(jù),可以看出不同深度范圍內(nèi)土壤離子含量的差異。在0~10cm 深度范圍內(nèi),Na+、Cl-和Ca2+含量較高,而K+、Mg2+、SO42-、HCO3-和CO32-含量相對較低;隨著深度的增加,土壤中的離子含量逐漸降低,其中Na+、Cl-和Ca2+的降幅較小,其他離子的降幅較大。這說明鹽漬土破壞主要與Na+、Cl-和Ca2+等離子的積累有關(guān)。需要注意的是,單純依據(jù)離子含量判斷鹽漬土的程度并不準確,還需要考慮其他因素,如土壤結(jié)構(gòu)、水分狀況等。因此,在進行鹽漬土的分析和評估時,需要綜合考慮多種因素以得到準確的結(jié)果??梢灶A(yù)知的是,將來的公路建設(shè)可以完全消除鹽漬土拱脹的新型路基結(jié)構(gòu),節(jié)約資源,為人們的出行提供安全舒適的交通服務(wù)。

        3 結(jié)語

        總體而言,結(jié)合新疆喀什南疆地區(qū)的自然條件特點,在數(shù)據(jù)分析過程中,采用數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計分析來研究區(qū)域性公路拱脹病害特性,以期為該地區(qū)公路拱脹病害特性提供科學(xué)依據(jù)。該課題的研究結(jié)果將為我國高速公路建設(shè)、野外科研與科研基地的建立等方面,提供更為真實、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果的應(yīng)用將有助于提高新疆喀什南疆地區(qū)公路建設(shè)的質(zhì)量和安全性,推動交通運輸事業(yè)的發(fā)展。

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