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摘 要:在我国广泛分布着冻土地区,多年冻土地区路基施工的关键技术是全国公路工程设计、施工及管理的难点,掌握冻土地区路基施工技术及应注意的事项对工程质量的好坏十分重要。作者从多年冻土的共同特征着手,分别介绍了分布在我国青藏高原、西部高山地区的多年冻土地区和东北地区多年冻土的特征以及多年冻土对公路路基的危害,剖析了多年冻土地区施工的注意事项,对实际施工具有较好的参考价值。
关键词:多年冻土;路基;施工;注意事项
我国国土幅员辽阔,地质构造非常复杂,受到自然环境和气候条件等因素以及人类社会活动的影响,更加剧了地质环境的复杂性,所以造成我国在特殊工程地质地区的路基工程中出现的问题很多。我国的西部分布着广泛的冻土地区,多年冻土地区路基施工的关键技术是全国公路工程设计、施工及管理的难点,掌握冻土地区路基施工技术及应注意的事项对工程质量的好坏十分重要。我们可以看到,随着国家西部大开发战略的实施,对我国西部公路建设起到了很大的促进作用,同时对西部的公路工程的建设提出了更新、更高的要求。在西部大开发战略实施十周年之际,我国西部的基础设施建设有了较大的发展和改善,我们必须努力加快建设步伐,积极构建相关功能配套、安全高效的现代化基础设施,为国家的现代化建设开辟更广阔的空间。
一、我国多年冻土地区的主要分布及特征
(一)多年冻土地区的主要分布
我国多年冻土分布集中的地区是青藏高原,以及西部的天山和东北大、小兴安岭等地区,占全国总面积的22%左右。在这些地区,地基土的冻结现象等地质作用给公路的整体建设造成较大的影响,特别是其造成的严重危害,已越来越引起人们的高度重视。通过长期的施工实践与研究,人们渐渐认识了冻土的技术特征与融化的变化规律,根据它们在技术上具有的特征,在工程应用领域也针对性的制订出相应了规范和技术规定,这对整个公路工程的前期勘察设计、现场施工和科学化管理都非常重要。
(二)多年冻土地区的特征
多年冻土是指呈冻结状态且持续多年不融的冻土。其上部接近地表部分,往往受季节性影响,冬天冻结,夏天融化,冬冻夏融的部分称为季节融冻层。多年冻土的上部界限,为多年冻土上限,简称上限;下部界限,为多年冻土的下限,简称下限。在天然条件下形成的上限,为天然上限;经过人为活动形成的新上限,称为人为上限。
1.青藏高原及西部高山地区的多年冻土地区的特征
青藏高原冻土面积约占我国冻土总面积的70%。高海拔、严寒干燥的气候条件,为多年冻土的形成和发育形成有利的条件。由于受到高海拔的影响,多年冻土的分布具有强烈的垂直分带性,但纬度分带性也同时起着重要作用。西部的天山等山地的多年冻土分布具有明显的垂直分带性,同时也具有水平分布的不完整性和径向差异性。
2.我国东北多年冻土地区的特征
我国东北部的大、小兴安岭,属于高纬度大陆性气候,受西伯利亚的寒流、蒙古高压气流的控制,而小兴安岭阻碍了海洋气候对该地区的影响,为多年冻土的存在提供了条件。东北多年冻土地区的分布及厚度,明显受纬度地带性控制,自北向南多年冻土由连续分布演变为岛状分布,厚度也渐渐变薄。随着由南向北随纬度增高,冻土层厚度逐渐增大,地温也逐渐降低。
二、多年冻土对公路路基产生的危害
(一)冻胀路基。在季节融冻层中,如含水量超过一定限值,土中的水份冻结时,公路路基就会发生一定程度的冻胀。
(二)热融滑坍。由于重力或人为的活动,造成有厚层地下冰分布的斜坡的热平衡状态被打破,地表的土体在重力作用下,沿融冻界面呈牵引式位移而形成滑坍,这就是热融滑坍。它主要是因为地表土体的冻结和融化作用所产生。
(三)融化下沉。公路路基基底土层分为富冰、饱冰冻土及含土冰层,由于地表水渗入后的热交换过程和因保温层厚度不够,以及路基土本身的压力以及行车荷载振动的作用等,使路基基底一定范围内的原地表和原始多年冻土上限发生相应下沉及下降变化,形成了路基基底融化,导致路基基底下沉;当修筑公路路基改变了水的径流条件时,且排水措施不当而造成积水,水体的热作用也会使地下冰融化而导致融沉。
三、多年冻土地区路基施工应注意的事项
在多年冻土地区进行路基施工前,应查明沿线多年冻土的分布、类型、冻土层上限及水文地质等情况,对冻土沼泽、冰丘、冰锥、热融湖(塘)地段应详细调查其范围、规模、发生原因及发展趋势等,还要了解当地气候变化特点,对多年冻土地区冻土层的影响。
多年冻土地区施工的准备工作十分重要,在开工前应详细核对设计文件,搜集施工地段的多年冻土工程地质、水文地质资料,了解多年冻土层的岩性成份、工程类别、季节融化层以及地表植被覆盖情况等。施工组织人员应组织沿线施工调查,为编制施工组织设计收集有关资料,重点调查收集沿线地形、地貌、地表水体分布;通车要求、经济效益、气候、材料物资供应、施工单位施工组织能力、机械设备情况;多年冻土类型及分布和温度特点;各种不良冻土现象的发生及拟采取的工程措施;以及交通、通讯、既有工程等各项修建临时工程的条件等情况,认真审检施工单位施工准备工作的充分性和可靠性。
(一)施工季节选择的注意事项
施工季节按气温可分为寒冻季节和融化季节。施工中应结合具体情况,合理安排施工时间和正确选择施工方法,以防止在施工中造成病害和影响正常施工。
1.寒冻季节施工时的注意事项
当气温在零度以下时,施工作业困难,且工作时间短、效率低。一般应以砂卵石及碎块石等粗颗粒土填筑的路堤在融化季节到来时变形较小,而黏性土等细粒土变形很大。所以以砂卵石及碎块石等粗颗粒土适用于寒冻季节路基施工。
2.融化季节施工时的注意事项
当气温升高,天气转暖时,冻土也开始融化变松软,施工机械便于操作,施工效率较高。融化季节施工,填土蓄热初期对冻土有影响。填料放热,其底冻土吸热,产生热交换作用,促使上部冻土融化,这时路堤基底压缩及上部冻土热融正常的总沉陷量较冬季施工时在相同条件下要大。因此在施工中应充分考虑增加的沉落土方量,并预留路肩加宽,以免路堤下沉后路肩宽度不足。
(二)取土原则及填料选择的注意事项
多年冻土地区的路基施工中取土应按照因地制宜、應近取土的原则。根据土方工程量的大小、施工机械配备及运输条件以及当地地质的地质情况综合考虑是集中取土还是分散取土。在实际施工中,一般应尽量选择在融化区或上限埋藏较深不含冻结层上水的地段取土。需要说明的是,以粗粒土作填料,施工季节的适应性较强,不受限制;以细粒土作为填料宜在春融后进行。填土质量及压实标准均应符合有关规定。
(三)建立临时排水系统应注意的事项
水对公路设施的影响很大,在施工期间由于排水不畅,会造成开挖的路基施工面存有积水,影响施工设备的正常操作,当填筑层积水或含水量过大时,造成填筑层施工碾压不密实而造成施工效率降低,施工质量下降。路基施工中重点注意要先做好临时排水设施,以防雨季地表水对路基坡脚和边坡的浸泡、渗透及冲刷,造成融化下沉和堑坡溜坍等危害。建立排水系统必须保持路基及周围的冻土处于冻结状态,排水系统与路基坡脚应保持足够距离;高含冰量冻土集中路段,严禁坡脚滞水、路侧积水,边坡应及时铺填草皮。排水系统应尽早安排施工并随路基主体工程完成而结束。
(四)挡土墙施工应注意的事项
在暖季开挖挡墙基坑时应注意,基坑暴露时间不宜过长,并使基坑内不存有积水,基坑开挖后如发现基础全部或部分设在冰或含土冰层上,应立即修改设计,调整基础埋置深度;在施工砂砾垫层时,必须将积雪、融化的雪水和松软湿土彻底清除,以减少水的潜热。
(五)渗水盲沟施工应注意的事项
渗水盲沟宜在春融到雨季前施工,这样可以减少冬季施工时的排水困难,且能避免雨季施工时有可能产生的坍塌问题。这也要求做好严密的施工组织设计,各工序应组织严密,积极协调,尽快施工,切忌工期拖延,使基坑长期暴露,严重影响堑坡等的稳定。在冬季施工中,还要注意保住基坑内的积水要及时排除,防止冻结,增加工作量。
(六)修筑公路路基应符合的基本要求
1.在自然环境允许的条件下,大量采用机械化施工设备进行路基施工,运用科学的施工方法争取在施工的有利季节施工,努力保证施工质量,在保证工程质量的前提下,尽量加快施工进度。
2.在水文不良的路段的路基底部,应特别注意地下水的活动变化,防止危及路基,可填以一定的砂砾层,并注意砂砾层所采用的规格和质量是否符合设计要求,以保证施工质量;在路堑排水不良路段,以深边沟、渗沟等采用拦、截、排等措施,防止水对路基土的渗浸;所有弃土不能对排水产生阻塞,并做好临时排水和永久排水措施,以保证排水通畅。
3.路基填土应选用水稳性及冻稳性均较好的填料填筑,并宜采用集中取土方式。压实检查应采用重型击实标准,压实的目的是使土基达到或接近最大实心实密实度,土基的压实程度对路基的强度和稳定性影响极大,实践证明,多年冻土地区的土基的压实中路基施工中极其重要的重要环节,要把土基压实看成是保证路基質量的关键所在。
4.路基应采用路堤形式,以尽可能避免浅挖断面,采用路堤形式的路基,它的强度和稳定性可以尽可能的保证公路基层的稳定。作为施工单位,一定要对路堤基底、填料和压实密度(填料虚铺厚度、压实厚度、压实遍数以及压实密度等)严格按照设计规范施工,以免造成冻土上限下降,引起路基的融沉变形。
5.路基施工应注意生态环境的保护,多年冻土地区的生态环境都极其脆弱,这就要求在路基施工过程中,为了不破坏生态环境,在不允许大量采用机械化施工设备进行路基施工的地域,一定要按照要求施工,切实加强生态环境的保护工作,做到工程建设与环境保护相互促进,相辅相成,全面维持好生态环境。
在多年冻土地区路基工程施工中,施工技术人员要根据实际工程的要求来加强实践,进一步深入学习、掌握科技新工艺,要立足每一道施工工序,并优选施工季节,运用科学管理方法,努力优化施工工艺,缩小冻土融化沉降范围,使冻土经历冬冻、春融的过程来重建新的热量平衡系统,以保证公路路基的稳定,施工中还要注意从基础的工作层面抓起,做到及早发现问题,并深入探讨、研究问题,充分消化吸收科技新工艺,使之切实运用到工程建设当中,从而尽可能减少多年冻土对路基稳定的影响,以延长公路的使用寿命,为国民经济的又好又快的发展做好保障工作。
参考文献:
[1]公路路基施工技术规范(JTGF10-2006)/中华人民共和国行业标准,[S].2006年10月.
[2]汪双杰、李祝龙等编著,《多年冻土地区公路修筑技术》,[M].人民交通出版社,2008年6月.
[3]章金钊、霍明等编著,《多年冻土地区公路路基稳定性技术问题与对策》,[M].人民交通出版社,2008年5月.
关键词:多年冻土;路基;施工;注意事项
我国国土幅员辽阔,地质构造非常复杂,受到自然环境和气候条件等因素以及人类社会活动的影响,更加剧了地质环境的复杂性,所以造成我国在特殊工程地质地区的路基工程中出现的问题很多。我国的西部分布着广泛的冻土地区,多年冻土地区路基施工的关键技术是全国公路工程设计、施工及管理的难点,掌握冻土地区路基施工技术及应注意的事项对工程质量的好坏十分重要。我们可以看到,随着国家西部大开发战略的实施,对我国西部公路建设起到了很大的促进作用,同时对西部的公路工程的建设提出了更新、更高的要求。在西部大开发战略实施十周年之际,我国西部的基础设施建设有了较大的发展和改善,我们必须努力加快建设步伐,积极构建相关功能配套、安全高效的现代化基础设施,为国家的现代化建设开辟更广阔的空间。
一、我国多年冻土地区的主要分布及特征
(一)多年冻土地区的主要分布
我国多年冻土分布集中的地区是青藏高原,以及西部的天山和东北大、小兴安岭等地区,占全国总面积的22%左右。在这些地区,地基土的冻结现象等地质作用给公路的整体建设造成较大的影响,特别是其造成的严重危害,已越来越引起人们的高度重视。通过长期的施工实践与研究,人们渐渐认识了冻土的技术特征与融化的变化规律,根据它们在技术上具有的特征,在工程应用领域也针对性的制订出相应了规范和技术规定,这对整个公路工程的前期勘察设计、现场施工和科学化管理都非常重要。
(二)多年冻土地区的特征
多年冻土是指呈冻结状态且持续多年不融的冻土。其上部接近地表部分,往往受季节性影响,冬天冻结,夏天融化,冬冻夏融的部分称为季节融冻层。多年冻土的上部界限,为多年冻土上限,简称上限;下部界限,为多年冻土的下限,简称下限。在天然条件下形成的上限,为天然上限;经过人为活动形成的新上限,称为人为上限。
1.青藏高原及西部高山地区的多年冻土地区的特征
青藏高原冻土面积约占我国冻土总面积的70%。高海拔、严寒干燥的气候条件,为多年冻土的形成和发育形成有利的条件。由于受到高海拔的影响,多年冻土的分布具有强烈的垂直分带性,但纬度分带性也同时起着重要作用。西部的天山等山地的多年冻土分布具有明显的垂直分带性,同时也具有水平分布的不完整性和径向差异性。
2.我国东北多年冻土地区的特征
我国东北部的大、小兴安岭,属于高纬度大陆性气候,受西伯利亚的寒流、蒙古高压气流的控制,而小兴安岭阻碍了海洋气候对该地区的影响,为多年冻土的存在提供了条件。东北多年冻土地区的分布及厚度,明显受纬度地带性控制,自北向南多年冻土由连续分布演变为岛状分布,厚度也渐渐变薄。随着由南向北随纬度增高,冻土层厚度逐渐增大,地温也逐渐降低。
二、多年冻土对公路路基产生的危害
(一)冻胀路基。在季节融冻层中,如含水量超过一定限值,土中的水份冻结时,公路路基就会发生一定程度的冻胀。
(二)热融滑坍。由于重力或人为的活动,造成有厚层地下冰分布的斜坡的热平衡状态被打破,地表的土体在重力作用下,沿融冻界面呈牵引式位移而形成滑坍,这就是热融滑坍。它主要是因为地表土体的冻结和融化作用所产生。
(三)融化下沉。公路路基基底土层分为富冰、饱冰冻土及含土冰层,由于地表水渗入后的热交换过程和因保温层厚度不够,以及路基土本身的压力以及行车荷载振动的作用等,使路基基底一定范围内的原地表和原始多年冻土上限发生相应下沉及下降变化,形成了路基基底融化,导致路基基底下沉;当修筑公路路基改变了水的径流条件时,且排水措施不当而造成积水,水体的热作用也会使地下冰融化而导致融沉。
三、多年冻土地区路基施工应注意的事项
在多年冻土地区进行路基施工前,应查明沿线多年冻土的分布、类型、冻土层上限及水文地质等情况,对冻土沼泽、冰丘、冰锥、热融湖(塘)地段应详细调查其范围、规模、发生原因及发展趋势等,还要了解当地气候变化特点,对多年冻土地区冻土层的影响。
多年冻土地区施工的准备工作十分重要,在开工前应详细核对设计文件,搜集施工地段的多年冻土工程地质、水文地质资料,了解多年冻土层的岩性成份、工程类别、季节融化层以及地表植被覆盖情况等。施工组织人员应组织沿线施工调查,为编制施工组织设计收集有关资料,重点调查收集沿线地形、地貌、地表水体分布;通车要求、经济效益、气候、材料物资供应、施工单位施工组织能力、机械设备情况;多年冻土类型及分布和温度特点;各种不良冻土现象的发生及拟采取的工程措施;以及交通、通讯、既有工程等各项修建临时工程的条件等情况,认真审检施工单位施工准备工作的充分性和可靠性。
(一)施工季节选择的注意事项
施工季节按气温可分为寒冻季节和融化季节。施工中应结合具体情况,合理安排施工时间和正确选择施工方法,以防止在施工中造成病害和影响正常施工。
1.寒冻季节施工时的注意事项
当气温在零度以下时,施工作业困难,且工作时间短、效率低。一般应以砂卵石及碎块石等粗颗粒土填筑的路堤在融化季节到来时变形较小,而黏性土等细粒土变形很大。所以以砂卵石及碎块石等粗颗粒土适用于寒冻季节路基施工。
2.融化季节施工时的注意事项
当气温升高,天气转暖时,冻土也开始融化变松软,施工机械便于操作,施工效率较高。融化季节施工,填土蓄热初期对冻土有影响。填料放热,其底冻土吸热,产生热交换作用,促使上部冻土融化,这时路堤基底压缩及上部冻土热融正常的总沉陷量较冬季施工时在相同条件下要大。因此在施工中应充分考虑增加的沉落土方量,并预留路肩加宽,以免路堤下沉后路肩宽度不足。
(二)取土原则及填料选择的注意事项
多年冻土地区的路基施工中取土应按照因地制宜、應近取土的原则。根据土方工程量的大小、施工机械配备及运输条件以及当地地质的地质情况综合考虑是集中取土还是分散取土。在实际施工中,一般应尽量选择在融化区或上限埋藏较深不含冻结层上水的地段取土。需要说明的是,以粗粒土作填料,施工季节的适应性较强,不受限制;以细粒土作为填料宜在春融后进行。填土质量及压实标准均应符合有关规定。
(三)建立临时排水系统应注意的事项
水对公路设施的影响很大,在施工期间由于排水不畅,会造成开挖的路基施工面存有积水,影响施工设备的正常操作,当填筑层积水或含水量过大时,造成填筑层施工碾压不密实而造成施工效率降低,施工质量下降。路基施工中重点注意要先做好临时排水设施,以防雨季地表水对路基坡脚和边坡的浸泡、渗透及冲刷,造成融化下沉和堑坡溜坍等危害。建立排水系统必须保持路基及周围的冻土处于冻结状态,排水系统与路基坡脚应保持足够距离;高含冰量冻土集中路段,严禁坡脚滞水、路侧积水,边坡应及时铺填草皮。排水系统应尽早安排施工并随路基主体工程完成而结束。
(四)挡土墙施工应注意的事项
在暖季开挖挡墙基坑时应注意,基坑暴露时间不宜过长,并使基坑内不存有积水,基坑开挖后如发现基础全部或部分设在冰或含土冰层上,应立即修改设计,调整基础埋置深度;在施工砂砾垫层时,必须将积雪、融化的雪水和松软湿土彻底清除,以减少水的潜热。
(五)渗水盲沟施工应注意的事项
渗水盲沟宜在春融到雨季前施工,这样可以减少冬季施工时的排水困难,且能避免雨季施工时有可能产生的坍塌问题。这也要求做好严密的施工组织设计,各工序应组织严密,积极协调,尽快施工,切忌工期拖延,使基坑长期暴露,严重影响堑坡等的稳定。在冬季施工中,还要注意保住基坑内的积水要及时排除,防止冻结,增加工作量。
(六)修筑公路路基应符合的基本要求
1.在自然环境允许的条件下,大量采用机械化施工设备进行路基施工,运用科学的施工方法争取在施工的有利季节施工,努力保证施工质量,在保证工程质量的前提下,尽量加快施工进度。
2.在水文不良的路段的路基底部,应特别注意地下水的活动变化,防止危及路基,可填以一定的砂砾层,并注意砂砾层所采用的规格和质量是否符合设计要求,以保证施工质量;在路堑排水不良路段,以深边沟、渗沟等采用拦、截、排等措施,防止水对路基土的渗浸;所有弃土不能对排水产生阻塞,并做好临时排水和永久排水措施,以保证排水通畅。
3.路基填土应选用水稳性及冻稳性均较好的填料填筑,并宜采用集中取土方式。压实检查应采用重型击实标准,压实的目的是使土基达到或接近最大实心实密实度,土基的压实程度对路基的强度和稳定性影响极大,实践证明,多年冻土地区的土基的压实中路基施工中极其重要的重要环节,要把土基压实看成是保证路基質量的关键所在。
4.路基应采用路堤形式,以尽可能避免浅挖断面,采用路堤形式的路基,它的强度和稳定性可以尽可能的保证公路基层的稳定。作为施工单位,一定要对路堤基底、填料和压实密度(填料虚铺厚度、压实厚度、压实遍数以及压实密度等)严格按照设计规范施工,以免造成冻土上限下降,引起路基的融沉变形。
5.路基施工应注意生态环境的保护,多年冻土地区的生态环境都极其脆弱,这就要求在路基施工过程中,为了不破坏生态环境,在不允许大量采用机械化施工设备进行路基施工的地域,一定要按照要求施工,切实加强生态环境的保护工作,做到工程建设与环境保护相互促进,相辅相成,全面维持好生态环境。
在多年冻土地区路基工程施工中,施工技术人员要根据实际工程的要求来加强实践,进一步深入学习、掌握科技新工艺,要立足每一道施工工序,并优选施工季节,运用科学管理方法,努力优化施工工艺,缩小冻土融化沉降范围,使冻土经历冬冻、春融的过程来重建新的热量平衡系统,以保证公路路基的稳定,施工中还要注意从基础的工作层面抓起,做到及早发现问题,并深入探讨、研究问题,充分消化吸收科技新工艺,使之切实运用到工程建设当中,从而尽可能减少多年冻土对路基稳定的影响,以延长公路的使用寿命,为国民经济的又好又快的发展做好保障工作。
参考文献:
[1]公路路基施工技术规范(JTGF10-2006)/中华人民共和国行业标准,[S].2006年10月.
[2]汪双杰、李祝龙等编著,《多年冻土地区公路修筑技术》,[M].人民交通出版社,2008年6月.
[3]章金钊、霍明等编著,《多年冻土地区公路路基稳定性技术问题与对策》,[M].人民交通出版社,2008年5月.