分层加筋技术在冻土路基裂缝防治中的应用

郭韫武

(中铁第一勘察设计院集团新疆铁道勘察设计院,乌鲁木齐 830011)

1 概述

青藏铁路多年冻土地区长度为546.43 km,融沉、冻胀和不良冻土现象是其主要工程地质问题。受多年冻土工程地质特性的影响,多年冻土地区路基工程产生不同于一般地区的特殊病害,主要有地基融沉,路堑边坡溜坍,不同结构物、不同地质条件衔接部位的不均匀沉降,路基开裂等[1]。为保证冻土路基稳定,青藏铁路在保护多年冻土的路基结构中,分层铺设土工格栅,有效抑制了路基裂缝的产生或发展,取得了很好的效果。本文介绍了分层加筋技术试验研究及其应用,供青藏铁路养护维修及类似工程参考。

2 冻土路基裂缝

冻土路基裂缝,是多年冻土工程地质特性与路基工程共同作用的结果。

2.1 主要影响因素[1]

影响多年冻土工程地质条件的主要有以下三大因素。

(1)融沉性

土体含冰是多年冻土有别于其他类岩土的根本所在,是引起地基融沉、边坡溜坍等病害的关键因素。低含冰量冻土融化对路基工程产生的影响较轻,而高含冰量冻土融化则易导致路基工程发生沉降变形,影响路基工程的正常使用。

(2)地温

多年冻土土体温度(简称地温)是反映多年冻土热稳定性的重要指标,一般用年平均地温(Tcp)表示,即年较差为零的深度处的地温。年平均地温低,多年冻土的蓄冷量大,热稳定性好；年平均地温高,多年冻土的蓄冷量小,热稳定性差。

(3)环境变化

环境变化使多年冻土的热稳定性发生变化。气温变化、人为活动将引起多年冻土地温场变化；地面积水将减小多年冻土的冷储量；植被退化会致多年冻土吸收的太阳辐射热量增加,多年冻土的冷储量减小。

2.2 机理分析

路基是跨越各种地质、地貌、冻土环境的长距离带状结构物,具有与大自然接触广的特点,气温、多年冻土地基的年平均地温、含冰量、太阳辐射、冻结层上水、路基断面的结构形式、路基边坡的朝向、施工季节、施工方式等都会影响路基基底下多年冻土地基的热稳定性,尤其是多年冻土上限附近的厚层地下冰和高含冰量冻土,从而导致多年冻土路基发生融沉。

在反复的冻结和融化作用下,最大融化深度范围内的路基土体相应地发生冻胀和融沉变形,导致路基土体强度下降,尤其在冻胀和融沉变形较大的表层,土体强度下降幅度较大。再者,由于路基阴阳坡受太阳辐射强度差别的影响,导致路基温度场、多年冻土人为上限的横向不对称,产生横向的不均匀沉降。两方面因素导致多年冻土路基易出现纵向裂缝[2](图1)。裂缝宽度在几毫米甚至几十毫米,长度在几米甚至几十米。

图1 路基裂缝

2.3 裂缝防治

在多年冻土区修建路基工程,关键在于保护冻土地基不发生融化和退化,使工程结构置于稳固的地基上。保护措施从工作原理可分为主动保护和被动保护两类,根据应用情况分为主动保护、被动保护。能够促使地基或路基土体散热,降低土体温度,维持冻结状态,从而防止融沉或冻胀变形的工程措施,称为主动保护措施,如热棒、片石气冷、碎石护坡、通风管路基等。采用隔热材料或其他工艺降低导热系数,增强保温效果,防止路基与大气进行热交换,从而防止季节性融沉和冻胀病害的工程措施,称为被动保护措施,如增加路基填高、保温材料等[3]。

在冻土路基中分层铺设土工格栅,利用土工格栅良好的抗拉性能,能够提高路堤土体的强度,增强路堤的整体稳定性,减少路基土体自中心向两侧的水平位移,抑制路堤裂缝的产生和发展,是防治裂缝的有效措施。

3 冻土路堤加筋试验[4]

为准确评价和预测加筋对冻土路堤变形约束的有效性,为设计提供合理的技术指标、提出合理的施工工艺,指导设计与施工,2001年在清水河建立了加筋土路堤试验工程,长150 m,现场测试工作时期为2001年11月底～2004年12月底。

3.1 加筋材料室内实验

清水河加筋土路堤采用的土工格栅为涤纶经编土工格栅,其化学成分属于聚酯纤维,其产品各项指标见表1。

表1 涤纶纤维土工格栅各项指标

土工格栅抗拉强度有横向与纵向之分,因此分别对现场采用的土工格栅,在横纵方向上分别进行了拉伸试验。清水河加筋路堤采用为涤纶经编土工格栅,网格尺寸为25 mm×25 mm,幅宽5.3 m,具体试验结果见表2。

表2 涤纶纤维土工格栅测试项目

通过对土工格栅的抗拉试验,得到纵向、横向抗拉强度分别是29.956 kN/m和25.376 kN/m,满足设计要求[5]。

3.2 现场测试

试验主要研究了不同加筋间距的效果对比,即：在路基面以下3.5 m范围内铺设土工格栅,其间距分别为0.6 m和0.9 m,土工格栅抗拉强度不小于30 kN/m[6]。

对加筋土路堤阳坡路肩与阴坡路肩的水平位移量比较发现(表3)：无加筋路基的分别为58.6 mm和28.4 mm；0.6 m加筋间距的分别为19.8 mm和12.0 mm,分别减小了66.2%和57.8%；而0.9 m加筋间距的分别为29.9 mm和22.2 mm,分别减小了49.0%和21.8%。说明加筋路基能有效地减小路基的水平位移,从而能抑制路基裂缝的产生和发展。

表3 不同加筋方式下路肩水平位移对比

3.3 加筋路基裂缝情况

2002年8月以后,在加筋土试验段内,路基的不同位置处出现有长度、宽度和形状各不相同的裂缝,具体分布情况见表4。

表4 清水河试验段加筋路堤裂缝调查情况

试验说明：在加筋段,裂缝以纵向裂缝为主,出现的部位主要是在阳坡护道的阳坡坡面上,而加筋路堤的保温护道中没有设置土工格栅；在无加筋地段,路堤边坡上也出现了纵向裂缝,裂缝开裂处比较粗糙说明加筋对于抑制路基裂缝的产生是有效的。

另外,在加筋段的裂缝开裂程度明显比普通路基的裂缝要小,并且延伸的长度相对较短。对于2种加筋方式,0.6 m加筋间距断面比0.9 m加筋间距断面的开裂程度要小。说明采用0.6 m加筋较0.9 m加筋的效果好。

3.4 主要研究结论

(1)采用土工格栅的加筋路堤较之非加筋路堤其变形要均匀,说明土工格栅加筋层对防止路基纵向裂缝的产生、提高路基的整体性有明显的作用。

(2)0.6 m加筋间距比0.9 m加筋间距的效果更加明显。

4 加筋技术应用

青藏铁路首次在冻土路基中分层铺设土工格栅,加筋路基总长81.75 km[1],加筋技术在高含冰量冻土路基工程中得到广泛应用。

4.1 高含冰量冻土地段路堤

在采用主动保护冻土措施的基础上,填土高度大于3 m时,在路堤上部2 m范围内铺设土工格栅；填土高度大于6 m时,在路堤上部4 m范围内铺设土工格栅。土工格栅铺设间距0.9 m,最上一层距离路基面0.4 m[7]。见图2、图3。

图2 设置片石护坡地段路基断面形式

图3 设置片石气冷、片石护坡地段路基断面形式

4.2 高含冰量冻土地段路堑

为保护路堑边坡下的高含冰量冻土,边坡超挖换填粗颗粒土保温。填筑保温层前,在开挖的路堑边坡上挖台阶,台阶与保温层间铺设土工格栅,使保温层与其下多年冻土的紧密结合,防止因保温层沿换填开挖面蠕滑导致的堑顶开裂[7]。路基断面形式见图4。

图4 高含冰量冻土路堑断面形式

5 结语

青藏铁路自开通运营以来,列车在多年冻土地区按设计速度100 km/h运行平稳,多年冻土地区路基工程沉降变形稳定可控,多年冻土路基片石气冷、碎石护坡、热管、分层加筋、排水、以桥代路等多年冻土路基工程成套工程技术措施安全可靠[1]。工程实践表明：在冻土路基中分层铺设土工格栅,利用其良好的抗拉性能,可提高填土强度,增强填土路基的整体稳定性,减少路基土体的水平位移,是抑制路基裂缝产生、发展的有效手段。同时,分层加筋技术也是对加筋土工程应用范围的扩展,丰富了加筋技术的内涵。

[1] 铁道第一勘察设计院.青藏铁路建设总结·勘察设计卷[R].西安：铁道第一勘察设计院,2007.

[2] 张鲁新,原思成,杨永平.青藏铁路多年冻土区路基变形裂缝发生机理及其防治[J].第四纪研究,2003,23(6):604-609.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10035—2006 铁路特殊路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2006.

[4] 葛建军,曹元平.青藏铁路多年冻土路基新结构试验研究[R].西安：铁道第一勘察设计院,2007.

[5] 铁道第一勘察设计院.青藏铁路高原多年冻土区工程设计暂行规定(上册)[S].2003年局部修订版.北京：中国铁道出版社,2003.

[6] 中华人民共和国铁道部.TB10118—2006 铁路路基土工合成材料应用设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2006.

[7] 王多青.多年冻土路基工程技术探索与实践[J].铁道建筑技术,2009(9):60-64.