多年冻土地区路基病害处治技术研究

2017-01-13毛雪松刘飞飞

筑路机械与施工机械化 2016年12期

毛雪松++刘飞飞

0 引言

中国多年冻土分布面积约为215万km2，主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭以及西部的高山上。随着西部大开发战略和东北振兴计划的推进，寒区道路工程建设快速发展，青藏公路、中尼公路、新藏公路以及北黑公路均穿越多年冻土区。多年冻土作为一种特殊的地质体，对于水热变化极为敏感[1]。道路的修筑改变了原有冻土内部的水热状况；黑色路面、阳坡面的吸热作用致使路基内部冻土上限下降[2-3]；大气降水和地下水使得路基内部含水率增大；气温的周期变化使得路基土体处于冻胀与融化交替作用的状态，因此冻土路基的力学性能变异性极大[4]。在恶劣的自然环境和繁重的交通荷载作用下，路基的不均匀变形[5-7]、纵向裂缝[8-10]和边坡疏松[11]是多年冻土地区典型的病害形式。本文以青藏公路五道梁段为依托，针对典型的病害类型，在分析现有病害处治措施的基础上，提出具体的路基病害整治措施[12-14]。

1 多年冻土地区路基典型病害的类型和特点

项目组针对青藏公路K2966～K3360路段进行路基病害调查，调查结果如表1所示。从表1中可以看出，该调查路段内典型的路基病害形式是内部纵向裂缝、不均匀变形和边坡疏松。

1.1 纵向裂缝

纵向裂缝是与行车方向基本平行并伴有少量支缝的长直裂缝，如图1所示，宽为几厘米至几十厘米，长度从几米到几十米不等，多发生在距路边缘3～5 m的行车道内、紧急停车带或路肩部位。75%以上的纵向裂缝发生在路基高度大于2.5 m的路段，且阳坡路段多于阴坡路段。

1.2 路基不均匀变形

冻胀、融沉及翻浆等病害导致路基不均匀变形破坏[15]，表现形式为横向不均匀变形和纵向波浪变形，如图2所示。路基的横向不均匀破坏主要表现为路基、路面有深度大于3 cm的竖向变形或路面下凹。青藏公路路基最大横向不均匀下沉变形从几厘米到几十厘米不等，最大处达到20 cm。路基的纵向不均匀变形主要呈现波浪变形，波峰波谷非常明显，破坏路段从十几米至上百米不等，不均匀下沉的变形从几厘米至十几厘米不等。

1.3 边坡的疏松

边坡疏松是青藏公路路基的一种典型病害形式，主要表现为边坡土体松散，降雨过后，边坡上会有小型的冲沟，如图3所示。青藏公路沿线普遍存在边坡疏松现象，边坡疏松将导致边坡局部垮塌、路基宽度变窄等破坏。

2 路基病害产生的原因

冻土地区路基病害产生的原因有内因与外因，内因是冻土的工程性质，外因包括特殊的气候条件和工程因素。

2.1 冻土的工程性质

冻土对气候、水文和地表条件的变化极其敏感，具有融沉、冻胀等特殊的工程性质，而冻土的冻胀、融沉是土中水的冻结与冰的融化作用，是温度与水分综合作用的结果。多年冻土区路基可分为季节活动层和多年冻土层，地温、含水量和含冰量极大地影响季节活动层和多年冻土层的力学性能。路基修筑在季节活动层上，活动层的力学性质是影响其稳定性的关键因素[16]。随着全球气候变暖，加之道路的修筑，使得多年冻土层上限下降，冻土转化为融土，这也是路基承载能力下降的关键因素之一。

2.2 特殊的气候条件

青藏公路处于高海拔低温的气候区域，冻结过程与融化过程一样，均是周期气候的产物。青藏高原的降雨主要集中在每年6～9月，这种集中降水从路基的边坡下渗到路基内部（青藏公路路基排水是散排）。气候降温引起土体冻结，由于土体中水分的不均匀性和水分迁移通道的差异，致使冻结过程中路基土体产生的冻胀变形不均匀。随着气温上升，土体中的冰融化，含水量的增大使土体强度产生弱化，在行车荷载的作用下，被弱化的土层就会发生变形，而其下的冻土层却具有很高的强度，致使弱化土层产生水平向的变形，路面表现为融沉或翻浆现象[17]。在气候周期变化下，路基土体常年处于冻胀和融化状态，结构疏松，承载能力下降极快。

2.3 工程因素

道路的修筑过程，改变了原有的地表水热平衡状态。路基断面类型、路基填料和路面性质都是影响路基病害的原因。路基的断面类型指路基的高度、宽度以及排水设施等。路基高度和宽度的不同会引起热阻和热储差异；路基高度越大，会使得因阳坡面接收太阳辐射热而产生的热阻、热储的差异越明显。排水设施是否完备，决定着渗入路基水分的多少。路基填料性质直接影响路基承载能力和稳定性。沥青路面的铺筑增大了对太阳辐射能量的吸收，减少了蒸发耗热，致使路基内部地温增加，引发融沉现象。

3 多年冻土地区路基病害处治措施

以青藏公路五道梁段为依托，分别针对纵向裂缝、路基不均匀变形和边坡疏松三大类病害提出整治措施。

3.1 路基纵向裂缝的处治措施

青藏公路K3052+000附近纵向裂缝发育严重，该路段位于竖曲线底端，路基填料为含有砂砾的红粘土，路基右侧距坡脚1 m左右有大面积积水，最宽的纵向裂缝已达到14 cm。针对该路段病害，提出柔性枕梁结合凸榫式土工膜袋综合处治纵向裂缝的措施，如图4所示。

3.1.1 柔性枕梁结合凸榫式土工膜袋综合处治纵向裂缝的工作原理

柔性枕梁既有在平面上抗拉强度高的优势，又有在竖直方向上抗折性能好等特点，能起到桥联裂缝的作用。采用此种结构处治裂缝，在荷载应力作用下，裂缝宽度变化不明显，而且该结构具有良好的抵抗路基变形的能力。但柔性枕梁的不足之处在于：碎石粒径大于土工格栅网格的尺寸，当格栅绷紧后局部格栅承受拉力不均匀，当拉力超过格栅的抗拉强度时会造成格栅断开；柔性枕梁处治完毕一段时间后，原路面结构重铺的面层与老路面接触面上会出现2条反射裂缝；裂缝的继续发育可能会导致枕梁底部格栅由于拉应力增大而断裂。

鉴于此，采用凸榫式土工膜袋来加强抗裂效果。凸榫式土工膜袋利用高压注浆机把适当配比的水泥浆灌入多孔的土工膜袋中，使得在膜袋袋孔附近形成凸榫结构，增强与土体之间的摩阻力，将已变形土体与未变形土体良好地结合在一起，防止纵向裂缝扩张，从而确保路基稳定。

3.1.2 施工流程

具体的施工流程为：标出处治位置及范围；开挖基床；查明裂缝深度走向；钻孔取芯；放入土工膜袋；高压灌注水泥砂浆；封口；灌缝并填实；压实松软部位；铺土工格栅及土工布；连接并固定土工合成材料；回填碎石，压实；土工合成材料反包及固定；铺筑路基土料，压实；铺筑水稳基层，压实；铺筑沥青面层，压实；开放交通。

3.1.3 施工技术要点

（1）查明纵向裂缝特点。按照设计将原路基路面开挖成台阶式基床，以便查明纵向裂缝发育的长度、深度和宽度。

（2）边坡横向成孔。利用洛阳铲将钻孔内残留物清理干净，注意避免孔壁的砂或土粒掉落。

（3）土工膜袋入孔。利用小型钢钎将制作好的土工膜袋放入钻孔中，钢钎要水平缓慢推进，以免扰动孔壁的砂或土颗粒。

（4）高压灌注水泥砂浆。在合适的水灰比下均匀搅拌砂浆，在配砂浆时控制好稠度，过稠容易堵住压浆机，过稀不仅影响凸榫效果，而且过量的水分将加剧此处纵向裂缝的产生。

（5）灌缝并捣实。使用水泥砂浆对基床上开挖后露出的裂缝进行灌注并捣实。

（6）铺土工格栅及土工布。在挖好的基床上将土工合成材料（土工格栅在下，土工布在上）展铺在上面，预留反包长度和搭接长度，土工格栅和土工布的幅长方向均垂直于裂缝方向，纵横向的搭接宽度均须不小于20 cm。

（7）回填碎石，压实。回填碎石的粒径不得大于碾压层厚度的1/2，每层填筑厚度不宜大于15 cm。使用小型静碾压路机进行充分压实，不宜使用夯式压实机械压实，以免砸坏碎石或破损土工合成材料。

（8）土工合成材料反包及固定。用土工布及土工格栅将回填的碎石包好，使其两端相互搭接并拉紧，应用延伸率较小的铁丝在搭接部位呈“之”字型穿绑，使土工合成材料与包裹的碎石形成一个整体，从而实现协同受力。

（9）按照原有路面结构铺筑基层和面层。

3.2 路基不均匀变形处治技术

青藏公路K3036+000附近路侧经常有季节性积水，路基内部含水量较大，路基的承载能力较低，路基不均匀变形已造成路面破坏严重，路面平整度极差，最高处和最低处的变形已经接近50 cm。针对此种情况，提出采用干拌水泥碎石桩来处治路基的不均匀变形，桩体及其布置如图5所示。

3.2.1 干拌水泥碎石桩的工作原理

干拌水泥碎石桩是应用水泥碎石混和料置换路基土体，对原路基土体具有挤密作用；水泥碎石混合料与路基内水分发生物理化学作用，吸收水分，降低路基的含水量；同时干拌水泥碎石桩与原路基土体组成复合地基，以达到提高路基承载能力、减缓路基变形的目的。

3.2.2 施工流程

干拌水泥碎石桩的施工流程主要包括桩位的设计及测放、成孔、填料的夯实、封孔及最终的罩面整平5个工序。

3.2.3 高寒地区不均匀变形处治技术要点

（1）在进行干拌水泥碎石桩处治前，首先要进行现场平整度及不均匀变形测试。在采用钻机成孔的过程中，要严格控制成孔的尺寸、深度、垂直度，防止孔位偏差。

（2）成孔和孔内回填夯实的施工顺序为：在成孔过程中，要采用隔排隔桩跳打，且宜从里向外间隔进行，以起到挤密路基土的作用，成孔后要及时进行回填。

（3）在成孔的过程中很有可能会出现缩孔现象，因此可加入适量的水泥进行多次冲击，以保证成孔质量，并在成孔后立即回填。

（4）在桩身进行夯填前，首先要打底夯，并进行回填夯扩。

（5）由于在打桩及桩身回填的过程中会产生热量，或回填材料会带入热量，扰动多年冻土；因此，在回填过程中，前两次的回填料要采用液氮进行降温。

3.3 边坡疏松处治技术

特殊的气候条件致使青藏公路沿线边坡密实程度较差，大气降水的渗入、温度周期变化产生的冻结与融化致使边坡疏松严重。随着边坡部分土体强度下降，瞬时强降雨后，坡面上会形成冲沟，路肩强度不足，当车辆荷载作用时就容易发生滑塌现象。K3003+750附近路基高度约2 m，阳坡土体疏松严重，有水沟冲蚀现象；鉴于此，采用在边坡挖除重填过程中拌入土壤固化剂进行回填的处治措施，如图6所示。

3.3.1 土壤固化剂加固边坡的工作原理

土壤固化剂是一种由多个强离子组合而成的水溶性化学物质，通过电化原理改变土颗粒双电层结构，使土体的胶质电离，失去表面阳性，产生一系列置换水反应和离子交换作用，改变土体表面电荷特性，增强土颗粒之间的结合能力，将土体的亲水性变为疏水性，同时使土易于压实，形成强度较高、结构稳定的整体。

3.3.2 施工流程

边坡疏松处治的流程为：标出处治位置及范围；开挖边坡；拌入土壤固化剂；土体分层回填、压实；边坡坡面的整形。

3.3.3 施工技术要点

（1）在挖除重填之前先量好坡度、路基高度，进行准确放线，标出边坡的处治范围。

（2）在挖除过程中，由上至下逐级开挖，从路肩上开始，在距路缘石30 cm处开挖第一层台阶，挖深30 cm，第一个台阶宽度为120 cm；紧接着开挖下一个台阶，从第一个台阶的根部向外45 cm处开挖，台阶宽度也是120 cm，把挖除土统一堆到路面上，以便后续回填。

（3）稀释土壤固化剂，土体中固化剂掺配率为0.014%；然后将稀释的固化剂和挖出的路基土进行人工拌和；再呈台阶状分层填筑并压实。

（4）修整边坡，并在边坡表面喷洒土壤加固剂。

4 结语

（1）对青藏公路K2966～K3360路段进行路基病害调查，结果表明路基纵向裂缝、不均匀变形和边坡疏松是多年冻土地区路基病害的主要形式；同时分析了各类病害的发育特征。

（2）从冻土工程性质、特殊气候条件和工程因素3个方面，初步分析了多年冻土地区路基病害产生的原因。