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[摘要]针对公路工程中的冻土问题,就冻土地区公路主要病害及所采取的技术措施进行探讨。
[关键词]冻土 融沉 冻胀 解决 措施
中图分类号:TU4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910079-01
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰,水分产生迁移并具有相变变化特征,因此,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征,并具有融化下沉性和冻胀性。这些特性造成了冻土区修筑工程构筑物时,面临的两大工程问题:融沉和冻胀。路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。
一、冻土地区公路主要病害
(一)融沉。它是岛状多年冻土地区路基的主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段,当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时,由于地下冰层较浅,在施工及运营过程中各种人为因素的影响下,使多年冻土局部融化,上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷,造成路基的严重变形,这种变形表现为路基下沉,路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡溜坍等,融沉一般有以下特点:
1.融沉在空间上表现为不连续性。由于岛状多年冻土地区,多年冻土已在部分区域消失,多年冻土的分布具有不连续性,冻土的厚度具有不均匀性,这直接导致了该地区道路融沉的不均匀性。有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间后,有时突发大量的沉陷,并使两侧部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于饱和状态,其承载力几乎为零,加之路堤两侧融化深度不一使得基底形成一倾斜的冻结滑动面。在车辆荷载的作用下,过饱和粘性土顺着冻结面挤出,路堤瞬间产生大幅度沉陷,通常称为突陷。有的路段路堤在每年融化季节逐渐下沉,而在零星岛状多年冻土带内,部分路基全部下沉。
2.融沉病害多发生在低路堤地段。岛状多年冻土地区道路的稳定与多种因素有关,它既取决于纬度地带性的影响,又与路堤高度、坡向、填料类别、保温设施及施工季节和施工后形成的地表特征、水文特征和冻土介质特征等因素的综合影响有关。上述诸多因素可总的归结为土层的散热和吸热。当基底土层的散热超过吸热时,则地温下降,人为上限就上升,路堤保持稳定。如吸热超过散热则地温上升,多年冻土融化,人为上限下降,路堤就会产生融沉病害。路堤越低,意味着在从上界流向地中的传热过程中,热阻减小、路基自身的储热能力变小,因而不利于热稳定。路面的铺筑,特别是黑色路面的铺筑,由于路面的吸热和封水作用,冻土原有的水热交换平衡遭到破坏,其下的人为上限值较大,从而导致道路发生融沉的可能性增大。
(二)冻胀。冻胀的发生需要两个必要条件:一是有充足的水分补给源,二是有水分补给的通道。冻胀本身不仅引起道路破坏,还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。这种病害在冻土地区早期修建的桥梁、涵洞工程中尤为突出。主要表现为基础上抬、倾斜造成桥梁拱起,涵洞断裂,甚至失效等破坏。
(三)翻浆。春融时,多年冻土地区的解冻缓慢,解冻时间长,而且在解冻期内气温冷暖异常,导致在某一解冻深度停滞的时间可达几天,加之积雪量大,融化后大量雪水下渗,这样就可能在解冻层和未解冻层之间形成类似于冻结层的自由水。土基与地表土含水量会迅速增大而接近甚至超过液限含水量,使其失去承载能力,从而导致路基发生严重的翻浆。
(四)冰丘。冰丘的形成是由于冬季土壤冻结时,使地下水受到超压及阻碍,随着冻结厚度的增加,当压力超过上覆冻土层的强度时,地下水就会突破地表,或以固态冰的状态隆起或以地下水的状态挤出地面漫流经冻结后形成的积冰现象。也有可能在开挖路堑时由于人为的因素,造成地下水露头,涌水后形成。
(五)路面损坏。在寒冷地区,路面损坏是高级路面常见的道路破坏形式之一。它可以分四类:裂缝类、变形类、松散类、其他损坏类形包括泛油、磨光和各类修补等。路面的损坏可以直接导致其它道路病害的发生,而其它道路病害的发生加剧了路面的损坏。
(六)冰锥。冰锥的形成机理与冰丘基本相同,它们的形成和发展往往具有突发性的隆起和回落,具有危害时间长、范围大、不宜处理的特点。
二、采取的技术措施
冻土作为一个世界性的科学难题,单一的措施很难取得好的效果,必须根据各地的自然气候条件、土壤地质条件采取相应的措施,进行合理的设计、施工与管理,才能保持工程结构物的稳定及其使用性能。
(一)合理设计。在设计阶段,根据不同的工程地质条件,土建工程应根据不同情况,采取相应的不同设计原则:在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则;在年平均地温较高、含冰量较少、基沉降量可以得到有效控制的地段,采用施工及运营期允许融化的原则;在极不稳定的冻土地段,可采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、以桥代路等综合技术措施;在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区可采取不考虑建筑物热力影响的常规设计方法;在各类冻土地区都必须加强对冻土的环境保护,对取弃土场、路基填筑方式等制定严格的技术要求。
(二)施工技术措施。适当提高路基填土高度,用天然土保温,这种方法价格低廉,可普遍采用。青藏公路多年实践经验表明,在多年冻土年平均地温低于-115℃时,采用加高路基方法就可保证路基稳定。而高于-115℃的地区,多年冻土路基仅采用加高路基的方法是不能保证路基稳定的,因为高路堤填筑后,由于左右路肩、边坡的太阳辐射、地表湍流等地表与大气之间的热交换条件不同,使得路基的阳面地温明显高于阴面,因此阳面的融沉就大于阴面的融沉,出现路基阳面下沉、滑溜的现象。
采取主动降温技术、减少传入地基土的热量、保证多年冻土的热稳定性,从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。主动降温技术有很多,应根据冻土状况的不同采取不同的工程措施:
1.在稳定的冻土地段,采取以对流交换热为主要作用。
2.对于极不稳定多年冻土地段,可以采取“以桥代路”的工程结构,就是采取以桥梁结构代替公路跨越冻土地区的设计方案。如青藏铁路极不稳定冻土区“以桥代路”桥梁由原来设计的50多公里增加到120多公里。
3.在路基中埋设工业保温层(PU、EPS等),一般选择5～10cm厚的保温板,1993年在昆仑山等地推广使用,效果良好。
4.除以上措施外,我们还可以在路基中埋设通风管,桥涵工程采用桩基础等,同时建立完善的排水设施,防止地下冰融化导致的路基下沉。
参考文献:
[1]中华人民共和国交通部,公路养护技术规范[S].(JTJ073-96),北京:人民交通出版社,1996.
[2]中华人民共和国交通部,公路路基路面现场测试规程[S].(JTJ059-95),北京:人民交通出版社,1995.
[3]王小岗,青藏高原部分沥青混凝土路面病害调查及原因分析[J].公路杂志,2007,2.
[4]朱汉华、尚岳全、金仁祥等,川藏公路西藏境内典型病害防治技术[M].人民交通出版社,2004.
[关键词]冻土 融沉 冻胀 解决 措施
中图分类号:TU4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910079-01
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰,水分产生迁移并具有相变变化特征,因此,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征,并具有融化下沉性和冻胀性。这些特性造成了冻土区修筑工程构筑物时,面临的两大工程问题:融沉和冻胀。路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。
一、冻土地区公路主要病害
(一)融沉。它是岛状多年冻土地区路基的主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段,当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时,由于地下冰层较浅,在施工及运营过程中各种人为因素的影响下,使多年冻土局部融化,上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷,造成路基的严重变形,这种变形表现为路基下沉,路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡溜坍等,融沉一般有以下特点:
1.融沉在空间上表现为不连续性。由于岛状多年冻土地区,多年冻土已在部分区域消失,多年冻土的分布具有不连续性,冻土的厚度具有不均匀性,这直接导致了该地区道路融沉的不均匀性。有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间后,有时突发大量的沉陷,并使两侧部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于饱和状态,其承载力几乎为零,加之路堤两侧融化深度不一使得基底形成一倾斜的冻结滑动面。在车辆荷载的作用下,过饱和粘性土顺着冻结面挤出,路堤瞬间产生大幅度沉陷,通常称为突陷。有的路段路堤在每年融化季节逐渐下沉,而在零星岛状多年冻土带内,部分路基全部下沉。
2.融沉病害多发生在低路堤地段。岛状多年冻土地区道路的稳定与多种因素有关,它既取决于纬度地带性的影响,又与路堤高度、坡向、填料类别、保温设施及施工季节和施工后形成的地表特征、水文特征和冻土介质特征等因素的综合影响有关。上述诸多因素可总的归结为土层的散热和吸热。当基底土层的散热超过吸热时,则地温下降,人为上限就上升,路堤保持稳定。如吸热超过散热则地温上升,多年冻土融化,人为上限下降,路堤就会产生融沉病害。路堤越低,意味着在从上界流向地中的传热过程中,热阻减小、路基自身的储热能力变小,因而不利于热稳定。路面的铺筑,特别是黑色路面的铺筑,由于路面的吸热和封水作用,冻土原有的水热交换平衡遭到破坏,其下的人为上限值较大,从而导致道路发生融沉的可能性增大。
(二)冻胀。冻胀的发生需要两个必要条件:一是有充足的水分补给源,二是有水分补给的通道。冻胀本身不仅引起道路破坏,还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。这种病害在冻土地区早期修建的桥梁、涵洞工程中尤为突出。主要表现为基础上抬、倾斜造成桥梁拱起,涵洞断裂,甚至失效等破坏。
(三)翻浆。春融时,多年冻土地区的解冻缓慢,解冻时间长,而且在解冻期内气温冷暖异常,导致在某一解冻深度停滞的时间可达几天,加之积雪量大,融化后大量雪水下渗,这样就可能在解冻层和未解冻层之间形成类似于冻结层的自由水。土基与地表土含水量会迅速增大而接近甚至超过液限含水量,使其失去承载能力,从而导致路基发生严重的翻浆。
(四)冰丘。冰丘的形成是由于冬季土壤冻结时,使地下水受到超压及阻碍,随着冻结厚度的增加,当压力超过上覆冻土层的强度时,地下水就会突破地表,或以固态冰的状态隆起或以地下水的状态挤出地面漫流经冻结后形成的积冰现象。也有可能在开挖路堑时由于人为的因素,造成地下水露头,涌水后形成。
(五)路面损坏。在寒冷地区,路面损坏是高级路面常见的道路破坏形式之一。它可以分四类:裂缝类、变形类、松散类、其他损坏类形包括泛油、磨光和各类修补等。路面的损坏可以直接导致其它道路病害的发生,而其它道路病害的发生加剧了路面的损坏。
(六)冰锥。冰锥的形成机理与冰丘基本相同,它们的形成和发展往往具有突发性的隆起和回落,具有危害时间长、范围大、不宜处理的特点。
二、采取的技术措施
冻土作为一个世界性的科学难题,单一的措施很难取得好的效果,必须根据各地的自然气候条件、土壤地质条件采取相应的措施,进行合理的设计、施工与管理,才能保持工程结构物的稳定及其使用性能。
(一)合理设计。在设计阶段,根据不同的工程地质条件,土建工程应根据不同情况,采取相应的不同设计原则:在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则;在年平均地温较高、含冰量较少、基沉降量可以得到有效控制的地段,采用施工及运营期允许融化的原则;在极不稳定的冻土地段,可采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、以桥代路等综合技术措施;在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区可采取不考虑建筑物热力影响的常规设计方法;在各类冻土地区都必须加强对冻土的环境保护,对取弃土场、路基填筑方式等制定严格的技术要求。
(二)施工技术措施。适当提高路基填土高度,用天然土保温,这种方法价格低廉,可普遍采用。青藏公路多年实践经验表明,在多年冻土年平均地温低于-115℃时,采用加高路基方法就可保证路基稳定。而高于-115℃的地区,多年冻土路基仅采用加高路基的方法是不能保证路基稳定的,因为高路堤填筑后,由于左右路肩、边坡的太阳辐射、地表湍流等地表与大气之间的热交换条件不同,使得路基的阳面地温明显高于阴面,因此阳面的融沉就大于阴面的融沉,出现路基阳面下沉、滑溜的现象。
采取主动降温技术、减少传入地基土的热量、保证多年冻土的热稳定性,从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。主动降温技术有很多,应根据冻土状况的不同采取不同的工程措施:
1.在稳定的冻土地段,采取以对流交换热为主要作用。
2.对于极不稳定多年冻土地段,可以采取“以桥代路”的工程结构,就是采取以桥梁结构代替公路跨越冻土地区的设计方案。如青藏铁路极不稳定冻土区“以桥代路”桥梁由原来设计的50多公里增加到120多公里。
3.在路基中埋设工业保温层(PU、EPS等),一般选择5～10cm厚的保温板,1993年在昆仑山等地推广使用,效果良好。
4.除以上措施外,我们还可以在路基中埋设通风管,桥涵工程采用桩基础等,同时建立完善的排水设施,防止地下冰融化导致的路基下沉。
参考文献:
[1]中华人民共和国交通部,公路养护技术规范[S].(JTJ073-96),北京:人民交通出版社,1996.
[2]中华人民共和国交通部,公路路基路面现场测试规程[S].(JTJ059-95),北京:人民交通出版社,1995.
[3]王小岗,青藏高原部分沥青混凝土路面病害调查及原因分析[J].公路杂志,2007,2.
[4]朱汉华、尚岳全、金仁祥等,川藏公路西藏境内典型病害防治技术[M].人民交通出版社,2004.