土工格栅在冻土路基中的应用及展望

陈 榕，郝冬雪，鲁 楠

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林132012;2.旅顺海建工程处，大连辽宁116085)

冻土对我国的道路工程建设危害较大，土体在冻结状态时，虽然自身强度得到了提高，但在冻结过程中体积产生膨胀，形成路面隆起和路基鼓胀;在冻土融化后，岩土中冰屑的骨架支撑作用消失，又导致体积缩小，地基承载力降低，在行车荷载下路基产生下沉陷落，从而导致公路表面凹凸不平，甚至局部陷落，严重威胁了我国的交通与运输安全［1］。我国早期所修建的青藏公路路段，即由于沥青路面的吸热作用加上全球气候变暖造成多年冻土边缘地带冻土退化，从而引发大范围路基不均匀沉降变形等病害。据1999年调查显示，整条线路病害率高达31.7%。国家先后对其进行了两期整治，累计修复路段逾600 km，耗资巨大。虽然整治对路面波浪起伏和路基沉陷变形等病害的治理有了一定的效果，但路基路面纵向裂缝较改建工程之前更为严重。因此部分专家预言:如果冻融灾害得不到有效地解决，冻土地区道路建设将面临“修得起，养不起”的尴尬局面［2］。

我国的多年冻土面积约为215万平方公里，占中国领土面积的22.3%，居世界第三位，仅次于俄罗斯和加拿大，而包括季节性冻土在内的总冻土面积约占全国总面积的70%左右。由此可见，冻土地区的道路建设对我国的国民经济发展具有很大影响［3］。与多年冻土相比，季节性冻土对公路工程的危害更大，由于季节性温度变化，土体内部的冻胀和融沉现象频繁交替出现，使得土体随之反复出现不均匀鼓胀和沉陷现象，极易引起路基及路面产生纵向连续性开裂。特别是东北三省地区，季节性冻土普遍发育，道路灾害现象更为严重，大面积纵向裂缝和春季道路翻浆等病害屡见不鲜［4］，如图1所示。

1 冻土路基的常规处理方法

对于冻土地区路基冻胀和融沉病害的整治一直被视为世界性的难题。为了解决冻土地区路基工程所出现的冻融病害，国内外已经研究、开发并采用了多种措施进行了工程应用和探索，如浅色路面、泥炭土垫层、预融、冬季施工、地表覆盖层、热管、轻质回填材料及通风路堤等工艺，均取得不错的应用效果［5］。在目前冻土道路的施工工艺中，浅色路面可以有效降低阳光反射与热传导，维持多年冻土的上限稳定，但对于季节性冻土地区而言，效果并不理想;泥炭土垫层和轻质回填材料法可以有效改良土体的冻胀特性，但是需要大量置换原有土层，需要增加运输成本，工程量大幅提高，并且工期延长;热管技术是目前国外寒区工程中广泛使用的一项主动冷却地基土体的技术［6］，在我国的青藏铁路工程中进行了应用，效果较好，但该方法也主要应用在多年冻土区，同时具有造价过高，施工工艺相对复杂等缺点;预融方法可以有效解决工程竣工后土体融沉所产生的不均匀沉降问题，而冬季施工可以防止工程竣工后土体冻胀所产生的地面不规则隆起现象，但这两种方法却无法全面考虑季节性冻土地区所出现的冻融交替现象。由此可见，上述施工工艺和方法在冻土地区，尤其是季节性冻土地区均存在着一定的应用局限性，需要进一步改进和完善。

图1 季冻区路基冻胀灾害

2 土工格栅加筋路基

作为新型土工合成材料之一，土工格栅具有独特的网状结构，依靠格栅与土体之间的摩擦和嵌锁咬合作用，可有效地改善土体的强度和变形特性。在路堤中铺埋或嵌入筋带、纤维材料或网状材料等人工筋材，由加筋材料与路堤土体复合而形成土工加筋结构［7］。这种结构能够同时充分发挥与调动筋材的抗拉强度和土体的抗压强度，从而提高加筋路堤的整体强度和承载力，改善路堤内部的应力状态及其分布，可显著增强土体抵抗侧向变形的约束能力与减少地基沉降。目前，土工格栅凭借其良好的加筋性能，已经在国内众多的道路工程中得到了广泛的应用，尤其在软土路基加固和高陡边坡工程上应用更为效果更为突出［8，9］，例如秦沈客运专线路基［10］，广东马梧高速公路等，如图2所示。上述工程均取得了较好的工程效果和良好的经济效益。

图2 道路工程中土工格栅使用实例

在理论研究方面，国内的众多学者也纷纷针对土工格栅加筋路基的工作性能开展了相关研究工作。张兴强和闫澍旺等［11］通过有限元方法对交通荷载下加筋路基进行了弹塑性分析;李志清和胡瑞林等［12］通过试验研究发现土工格栅在限制水平方向位移比限制垂直方向位移更为有效;刘春和赵洪波等［13］针对土工格栅在治理软土路基沉降问题进行了研究，并编写了相关计算程序;王建和姚令侃等［14］则专门针对汶川地震的路堤成灾模式，对格栅加筋路堤的变形问题进行了模型试验研究，提出了地震作用下加筋路基变形控制方法。可以说上述的研究均取得了许多有益的研究成果，其相应的加筋机理的理论分析和试验研究也已取得了较大的进展。但需要注意的是，当前土工格栅加筋路基理论研究的重点多集中在土工格栅的蠕变特性对加筋结构长期工作性能的影响，或加筋路基在交通荷载作用下的动力响应这两个领域［15-19］，而对于冻融过程中外界温度或土体含水率等参数对土工格栅加筋性能的影响，几乎未见相关的研究论文及成果。可以说，对于土工格栅与冻土之间的相互作用机理，以及土体冻融过程对土工格栅加筋效果的影响等方面，都处于研究的起步阶段。

3 土工格栅在冻土路基中的应用前景

对于土工格栅在冻土地区路基中的应用，目前并没有独立的加筋技术和理论可供参考，也正是由于相关理论的缺乏，导致能否将土工格栅用于抑制冻土地区路基灾害的作用和效应问题一直处于争论当中。本文针对冻土路基中常出现的冻胀、融沉及路面翻浆等常见灾害，基于现有的土工格栅加筋工程实例和相应的加筋理论，进行了应用前景探讨。

(1)冻胀灾害

相关试验表明:土体在冻结过程中会出现明显的冻胀现象，局部土体体积可增大百分之几十，甚至可达百分之几百。这种不均匀的冻胀现象会导致路面出现严重的波浪起伏及大面积的裂缝。如吉林省长余高速公路的部分典型路段［20］，土体冻胀导致路面产生了严重横向挠曲变形，局部路面的中间冻胀量比两侧高约60 mm，并且在路肩附近还出现了明显的侧向变形和坍塌。在路基中埋置一定程度的土工格栅，依靠其表面摩擦和镶嵌咬合能力，可充分发挥与调动土工格栅自身的抗拉强度，将土中的不均匀冻胀应力重新进行分布，从而抑制土体冻胀所产生的局部变形。如能在路基底部配合使用新型的土工合成材料(如三维复合排水网)，可在间接提高路基的整体性能的同时，提供有效的排水通道降低冻结上限，从而大幅降低冻胀对路基的影响。

(2)翻浆灾害

随着春季气温的回升，冻土在融化初期，上部的冰层开始融化，但底部尚未融化的冰层阻碍了孔隙水的渗出，因此在行车作用下极易产生大量的路面翻浆现象。如黑龙江省哈罗公路宝泉岭路段，春季路面翻浆现象严重，路面凸凹起伏高达0.5～1.0 m左右，曾引发严重的大客车翻车事故［21］。季节性冻土地区道路翻浆的产生，主要与土质、水分、温度、行车荷载及路面等因素有关［22-24］。在保证行车荷载不受制约和自然环境不受破坏的前提下，如何合理地提高季冻区路基抗翻浆能力则成为了目前研究的关键。试验表明:当土体在反复经历冻结和融化过程后，土体的孔隙率与初始状态相比呈大幅增加，同时压缩系数也明显提高(可达初始状态的几倍)［25］，在排水不畅的情况下，其整体性能更接近于沿江、沿海地区的高含水量和高孔隙率的软土特征。而土工格栅在软土加固工程中同样具有很好的应用优势，近几年来已经广泛应用于软土地基加固工程［26，27］，以及港区道路堆场及海岸防护工程［28，29］。比较典型的工程如江都港一号码头，虽然经历了1998年夏季洪水，但在水退之后即可重新行车，使用效果良好。由此可知，将其用于防治季节性冻土地区路基翻浆现象也存在着一定的工程依据。

(3)融沉灾害

随着气温的继续回升，冻土中的冻结水由固相完全转变成液相，土体的强度性质发生急剧下降，在路基自重及行车荷载的作用下，路基会产生较大的沉降，这种沉降即为融沉现象。与冻胀灾害相比，融沉灾害对道路工程所产生的危害更为严重，青藏铁路中85%的路基病害是融沉造成的，15%为冻胀和翻浆所致。同时高路堤公路中还存在着严重的阴阳坡受热不均所导致的不均匀沉降问题。青藏铁路的部分路段即由于两侧阴阳坡受日照辐射不同，造成地温场的不对称，从而导致路基沉降变形的不对称，出现了大量纵向裂缝［30，31］。

这种不均匀沉降所导致的纵向裂缝现象在很多旧道路扩建工程也频繁出现。虽然土工格栅在季节性冻土地区尚未有足够的工程应用依据，但在旧路改造工程中土工格栅已有很多成功的工程实例可查，如新疆克拉玛依-榆树沟旧路改建工程［32］，沈大高速公路改扩建工程等［33］，在工程竣工三到五年后，尚未发现纵向裂缝的产生。由此可见，土工格栅对季节性冻土地区融沉灾害所导致的纵向裂缝也应有很好的防治效果。

综上所述，无论在冻胀灾害、融沉灾害，还是翻浆灾害方面，选用土工格栅对冻土地区路基灾害进行加筋处理存在一定的理论依据和工程可操作性。

4 冻土地区加筋路基的相关研究现状

Bonnie等［34］学者率先在美国阿拉斯加州冻土地区进行了足尺的加筋路堤试验，并对土工格栅加筋前和加筋后的路面纵向裂缝进行了对比，从而验证了土工格栅对于防治冻土所产生冻胀灾害的有效性，但结论前提局限于永久冻土地区。由此，国内外学术界与工程界专家逐渐认识到土工格栅对于工程冻害防治同样具有巨大的应用潜力及优势。汪恩良和徐学燕［35，36］等学者专门针对低温条件下土工格栅的性能变化进行了拉伸试验研究，试验的温度控制范围为-25～+25℃，在经历50次冻融循环后，发现土工格栅的抗拉性能基本不受冻融循环的影响，其拉伸力反而随着温度的降低而增大，屈服伸长率随着温度降低而下降。Donald和Charles等［37］进一步以冰为介质，重点研究了土工格栅加筋冰体的极限承载能力变化，并对土工格栅的低温加筋性能进行了详细分析。上述的研究成果间接说明，在低温冻土地区采用土工格栅做为工程加筋材料是完全可行的。在实际工程方面，国内目前也已在青藏公路和铁路等高原多年冻土路段率先进行了小范围应用［38-41］，如青藏铁路的清水河试验段［42］、安多试验段［43］、五道梁试验段［44］、楚玛尔河高原［45］等。通过对上述路段实测数据的分析发现:土工格栅能有效地减小冻土路堤的侧向位移;同时加筋后的路堤本体抗拉强度增大，且路面的裂缝发育较少，规模变小，这说明土工格栅可使路堤内部的应力分布更加均匀，路堤本体变形协调能力增强，大大提高了路堤本体抗纵向裂缝的能力。裴建中和窦明健等学者［46］初步总结并提出了土工合成材料在多年冻土地区路基病害的处治措施，并针对一些灾害给出了相应的处治技术，但其同时也指出，应根据不同处治结构和当地实际条件，综合考虑土工合成材料的强度特性、构造特性、耐久性能、抗施工损伤性能等，进而选择合适的材料类型及其型号。可以说，土工格栅在冻土地区道路工程中应用和研究仍处于起步阶段，现有的冻土加筋施工技术也处于初步讨论和摸索阶段。

对于季节性冻土地区，影响加筋路基稳定性的因素更多。最主要的是外界气候影响，外界气候变化直接导致路堤内部冻土的温度变化，从而间接影响冻土的力学稳定性，经过反复冻融作用之后，路基力学性能严重降低;其次，外部交通荷载对路基产生持续的振动，使得冻土融化后受小尺度扰动而加速破坏，这直接影响冻土的力学稳定性。原本看似无恙的路基，在长期动荷载作用下，路基容易遭到加速破坏。目前，对冻土加筋路基的研究主要还是依靠野外工程应用，并且主要研究内容也集中在多年冻土的上限变化及路面表层的裂缝控制上。而对于季节性冻融过程中加筋路堤内部的应力场和温度场的变化规律，以及冻融过程对土工格栅加筋效果的影响等方面，都处于尚待研究阶段。

5 目前存在的问题

从目前国内外关于使用土工格栅在季冻区道路工程中的应用及研究成果来看，存在以下及方面问题急需解决:

(1)目前所得相关结论只停留在工程经验型建议，在理论上尚未得到很好地验证。无法满足日益增长的工程应用需求，也无法对季节性冻土地区冻融交替作用下土工格栅加筋路基长期工作性能进行合理评估;

(2)现有的冻土加筋路基的研究区域大部分集中在高原多年冻土区，对于季节性冻土地区的加筋路基研究几乎为零，尚缺乏合理而实用的独立设计理念;

(3)“施工技术是目前整个冻土工程成败的关键”，这是国内外冻土研究专家近几年所达成的共识。对于频繁产生冻融交替现象的季节性冻土地区，使用土工格栅时更应特别注意其加筋方法和施工工艺。因此，建立冻土地区土工格栅加筋结构的施工技术标准及相关导则更为紧迫。

［1］齐吉琳，马巍.冻土的力学性质及研究现状［J］.岩土力学，2010，31(1):133-143.

［2］刘玉华.冻土变形观测方法研究动态［J］.黑龙江科技信息，2011，20(7):306-308.

［3］程国栋.中国冰川学和冻土学研究40年进展和展望［J］.冰川冻土，1998，20(3):213-226.

［4］李雨浓，张喜发，冷毅飞，等.季冻区高速公路路基冻害调查及试验观测［J］.哈尔滨工业大学学报，2010，42(4):617-623.

［5］章金钊，武敬民，李祝龙.高原多年冻土地区公路修筑技术研究的回顾与展望［J］.冰川冻土，1999，21(2):187-191.

［6］杨永平，魏庆朝，周顺华，等.热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究［J］.岩土工程学报，2005，27(6):698-706.

［7］何光春.加筋土结构设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［8］孔钧，迟景魁，曹正康，等.新型土工合成材料与工程整治［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［9］王建曾，等.土工合成材料应用技术规范汇编［M］.北京:中国计划出版社，2000.

［10］要文堂.土工格栅在秦沈客运专线基础中的应用［J］.铁道建筑，2001，(2):11-33.

［11］张兴强，闫澍旺，邓卫东.交通荷载作用下土工格栅加筋路基的弹塑性分析［J］.振动工程学报，2001，14(3):278-283.

［12］李志清，胡瑞林，付伟，等.土工格栅在加固高速公路路堤中的应用研究［J］.岩土力学，2008，29(3):795-799.

［13］刘春，赵洪波，白世伟.土工格栅在治理软土路基沉降问题中的研究［J］.岩土力学，2003，24(6):1070-1073.

［14］王建，姚令侃，陈强.汶川地震路堤成灾模式及土工格栅加筋变形控制研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(增1):3387-3394.

［15］Tamikuni K，Hiroshi K，Yoshinobu T，et al.Durability assessment of geogrid-reinforced asphalt concrete［J］.Geotextiles and Geomembranes，1998，16(1):257-271.

［16］Helwany M B，Wu J T H.A numerical model for analyzing long-term performance of geosynthetic-reinforced soil structures［J］.Geosynthetic International，Journal of the International Geosynthetics Society，1995，2(2):429-453.

［17］栾茂田，肖成志，杨庆，等.考虑蠕变性的土工格栅加筋挡土墙应力与变形有限元分析［J］.岩土力学，2006，27(6).

［18］肖成志，栾茂田，杨庆.考虑格栅流变性的加筋挡土墙格栅等效应力计算［J］.岩土工程技术.2004，18(1):23-27.

［19］肖成志.土工格栅流变特性及格栅加筋挡土墙长期工作性能研究［D］.大连:大连理工大学，2005.

［20］杜兆成，张喜发，辛德刚，等.季节冻土区高速公路路基冻胀试验观测研究［J］.公路，2004，1:139-144.

［21］孙化江，李洪文，崔莉.黑龙江季节性冻土分布特征形成条件与危害及其防治［J］.中国地质灾害与防治学报，1993，4(4):72-78.

［22］常法，李东庆，张坤，等.季节冻土区路基冻胀翻浆防治措施试验研究［J］.甘肃农业大学学报，2011，46(6):147-155.

［23］王义国，李芳文.冻土地区公路翻浆防治［J］.公路，1995，5:34-35.

［24］朱明，宋珲，蒋跃.季节性冻土地区道路的翻浆及防治措施［J］.四川建筑科学研究，2007，33(2):187-189.

［25］崔托维奇 H A.冻土力学［M］.译.张长庆，朱元林.北京:科学出版社，1985.

［26］王仕传，凌建明，黄琴龙.交通荷载下土工格栅加筋软土地基的变形特性［J］.建筑材料学报，2010，13(4):452-456.

［27］张兴强，梁艳平，梁英慧.交通荷载作用下软土地基的土工格栅加筋效应分析［J］.中国公路学报，2009，22(2):1-5.

［28］叶斌，叶冠林，长屋淳一.采用土工合成材料的新型护岸结构的动态数值模拟［J］.岩土力学，2010，31(11):442-446.

［29］孙立强，闫澍旺，徐余.软土路基“波浪型”不均匀沉降及其机制分析［J］.岩土力学，2011，32(增1):526-531.

［30］裴建中，窦明健，胡长顺，等.多年冻土地区路基纵向裂缝影响因素［J］.长安大学学报:自然科学版，2007，27(6):15-18.

［31］丑亚玲，盛煜，韦振明.多年冻土区公路路基阴阳坡温度及变形差异分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(9):1896-1903.

［32］鲁志方，杨晓华，徐伟.土工合成材料在防治旧路改建工程纵向裂缝中的应用［J］.公路交通科技:应用技术版，2006，11:74-76.

［33］杨殿海.土工合成材料在防治沈大高速公路改扩建工程纵向裂缝中的应用［J］.工程技术，2007，34(12):291-292.

［34］Bonnie Mae Savage，A.D.，B.S..Use of geogrids for limiting longitudinal cracking in roads on permafrost［R］.State of Alaska，Department of transportation and public facilities，Statewide research，1991，5.

［35］汪恩良，徐学燕，常俊德，等.冻融循环对塑料土工格栅拉伸性能的影响［J］.冰川冻土，2008，30(4):646-651.

［36］汪恩良，徐学燕.低温条件下塑料土工格栅拉伸特性的试验研究［J］.岩土力学，2008，29(6):1507-1511.

［37］Haynes F.D.，Collins Charles M.，Olson Walter W..Bearing capacity tests on ice reinforced with geogrids［R］.The American Society of Mechanical Engineers，1992，12.

［38］马巍，刘端，吴青柏.青藏铁路冻土路基变形监测与分析［J］.岩土力学，2008，39(3):571-579.

［39］熊治文，廖小平，徐兵魁，等.青藏铁路多年冻土边坡与斜坡路基研究综述［J］.铁道学报，2010，32(4):102-107.

［40］张延新.新藏公路塞里亚克达坂冻土处理［J］.路基工程，2005，120(3):72-73.

［41］李维玉.青藏铁路安多-那曲段岛状多年冻土处理方案探讨［J］.青海科技，2008，3:56-58.

［42］苏艺，许兆义，王连俊，等.青藏高原多年冻土区铁路加筋路堤的变形特征研究［J］.岩土工程学报，2004，26(1):115-119.

［43］段东明，沈宇鹏，许兆义，等.青藏铁路安多试验段多年冻土斜坡路基的稳定性［J］.中国铁道科学，2008，29(2):6-11.

［44］曹玉新，许兰民，沈宇鹏.土工格栅在青藏铁路多年冻土区的应用［J］.北京交通大学学报，2010，32(1):16-19.

［45］王引生.土工格栅在青藏铁路多年冻土区路基工程中的应用［J］.冰川冻土，2003，25(3):355-358.

［46］裴建中，窦明健，胡长顺，等.土工合成材料在多年冻土地区路基病害处治中的应用技术研究［J］.冰川冻土，2002，24(6):785-789.