大兴安岭南部地区路基冻害因素分析及防治措施

孙铁枫

(黑龙江省哈同公路公司)

1 路基冻害的形成

在冰冻季节因负温作用,使土中水分冻结成为冻土,冻土据其冻融情况分为:季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。呼伦贝尔大兴安岭南部地区为季节性冻土区,即路基土层冬季冻结,春季开始融化,夏季全部融化。在季节性冻土区,随着土中水的冻结和融化,会发生一些独特的冻土现象,这种现象严重地威胁着地区的公路质量。

冻土现象是由冻结和融化两种作用引起。路基中含细粒土层多和含水量大,在冻结时,往往会发生体积膨胀,使路面隆起成丘,即出现冻胀现象。路基发生冻胀的原因,不仅是由于含水量过大使水分冻结为冰时其体积要增大的缘故,而主要还由于路基土冻结时,周围未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移集聚,使冻结区土层中水分增加,冻结后的冰晶体不断增大,土体积也随之发生膨胀隆起。到春暖解冻时,由于土层上部积聚的冰晶体融化,使路基中含水量大大增加,下面的冻层还未融化,存有不透水层,使水不易向下渗透。如果水不能及时排出,路基上处于饱和状态,路基软化,强度降低,在车辆(特别是超载车辆)反复荷载作用下,轻者路面变得弹软,重者路面开裂、冒浆,即翻浆现象。冻胀与翻浆构成了对路基的危害,即路基冻害。冻胀会使路基隆起,使柔性路面鼓包、开裂,使刚性路面错缝折断。翻浆在该地区危害更大,由于负温低、作用时间长、冻结线深,又属季节性冻土区,因此,翻浆持续时间长,面积大,会使路面遭到完全破坏,甚者达到阻断交通。

2 影响路基冻害的因素

(1)土的因素。冻胀与翻浆通常易发生在细粒土中,特别是粉质亚粘土(由于本地区受大兴安岭和嫩江流域地理影响,该区域土质多为粉质亚粘土)。这些土冻结时水分迁移积聚最强烈,冻胀现象严重。冻融时,积聚在土基上层过多的水分不易及时排出,使土基湿度过大,强度降低而发生翻浆。这是因为这类土具有较显著的毛细管现象,吸水饱水强、塑性大,具有较通畅的水源补给通道,同时,这类土的颗粒较细,表面空隙大,土粒矿物成分亲水性强,从而能使大量结合水迁移和积聚,而导致路基冻害。

(2)水的因素。当路基土层中含水量大或地下水位较高处就易发生冻胀现象。路基含水量不同,冻胀程度不同,但这种冻胀的冻胀量一般较小。当冻结区附近地下水位较高,毛细水上升高度能够达到或接近冻结线,使冻结区能够得到外部水源的补结时,将发生比较强烈的冻胀。实践表明一般冻起高度可达25～200mm。此冻胀多发生在地下水位较高的低路堤处,以及地下水聚集较多的路堤与路堑的变化点处。

3 预防冻害的措施

(1)换填。呼伦贝尔南部属高寒季冻区,又是大兴安岭向松嫩平原过渡的浅山岭重丘地带,由于受地理原因影响地下淤泥沟壑多,工程地质构造复杂,在路基施工中,要严格执行有关规范的规定,不使杂物混入填筑路基土中。遇到粉土、粉砂亚粘土等冻胀土而水文条件又不良时,必须采取挖除,换以物理力学性质较好的土。本地区山岭重丘广泛地分布粗粒岩性土质——碎(砾)石类土(碎石土、天然级配砂砾、风化砂砾)强度高,渗水性及水稳性好,不易发生水分的迁移积聚,同时毛细现象不显著,因而不会发生强烈冻胀。因此在本地区采用碎(砾)石类土修筑路基,既经济又是防止冻害主要措施之一。在选用碎石类土时,注意不要使用含有粒径过大的块石,用这种填料填筑路基上层会影响路基强度的均匀性,促成不均匀变形,使基面失去平整性。在容易发生冻害的路堤与路基的交接处,要注意路基填筑高度,设计时是否满足临界高度 80cm,否则施工时必须向下换填碎(砾)石类土,使之满足要求。

(2)防水。呼伦贝尔南部地区水资源极为丰富,仅莫力达瓦旗 10000km2的地域,水资源就占内蒙古水资源 40%;水文地质条件更为复杂,地面水系多,地下水位高,夏季降水量大而且集中。在该地区路基施工中,必须做好防水。首先必须按设计要求做好排水工程,以及施工场地附近的临时排水设施,使路床面始终保持良好的排水状态后,方能进行路基施工。在路基填筑雨季施工时,要保证“三度”,即应用铲运机平整每层填土,保证平整度;做成 2%～4%双向横坡,保证拱度;还要随填压并保证压实度。一定防止压实前被雨淋,禁止包浆。填料压实时的含水量应控制在最佳含水量上下 2%个百分点范围内,对压实度已检验合格的路段,经雨后还应进行复压后再进行上一层填料。在修筑路面结构层前,应用不小于 20t的压路机对路基进行碾压至无轮迹,发现弯沉检测不合格区域既软弹现象应及时处理。其次在路堑施工中,经常遇有裂隙水、层间水、潜水层、泉眼等地下水,由于隐藏在深处,往往多数是设计中疏漏的,而地下水易引起强烈冻害,在施工中必须采取切断、拦截、降低等措施。本地区由于碎(砾)石多,一般多采用填石渗沟。填石渗沟的底部和中间用较大碎石或卵石(粒径 3～5cm)填筑,在碎石或卵石的两侧和上部,按一定比例分层(层厚约 15cm)填较细颗粒的粒料(中砂、粗砂、砾石),作成反滤层,逐层的粒径比例,大致按 4∶1递减,砂石料颗粒小于 0.15mm的含量不应大于 5%,埋深不得小于当地最低冻结线。施工中经过对国道 111线部分冻害地段进行上述治理,经过近两年的观测没有出现过冬季成丘、夏季翻浆现象,防治效果理想。有时也采用其他方法,如提高路基、设砂垫层、设隔离层、设管式渗沟等。在防治措施的选择上,应对施工路段进行详细观察,找出易造成冻害的主要条件,然后按其程度,依据因地制宜就地取材的原则,经济合理选择防治的方法。

[1]中华人民共和国交通行业标准.公路路基施工技术规范(JTJ-95)[S].北京:人民交通出版社,1995.

[2]洪毓康.土质学与土力学[M].北京:人民交通出版社,1987.

[3]严家级.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]中华人民共和国交通行业标准.公路工程技术标准(JTJ01-88)[S].北京:人民交通出版社,1993.