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多年凍土對(duì)公路的危害
我們都知道,青藏鐵路穿過(guò)很多的地區(qū)都是多年凍土區(qū),那么多年凍土對(duì)公路的危害有哪些呢?我們一起來(lái)看看!
1、多年凍土地區(qū)的兩種公路病害
1)凍脹:在有凍脹性土的路段,當(dāng)有水分供給時(shí),在冬季負(fù)氣溫作用下,水分連續(xù)向上聚流,在路基上部形成冰夾層、冰透鏡體,導(dǎo)致路面不均勻隆起,使柔性路面開(kāi)裂,剛性路面錯(cuò)逢或折斷的現(xiàn)象稱凍脹。
凍脹性分類:通常是在土質(zhì)分類的基礎(chǔ)上,按土的凍脹性強(qiáng)弱劃分為三類或四類,分別為:輕凍脹、凍脹、重凍脹、特重凍脹。
2)翻漿:在有凍脹性土的路段,當(dāng)冬季負(fù)氣溫時(shí),水分連續(xù)向上聚流、凍結(jié)成冰,導(dǎo)致春融期間,土基含水過(guò)多,強(qiáng)度急劇降低,在行車作用下路面發(fā)生彈簧、裂縫、鼓包、冒泥等現(xiàn)象稱翻漿。
翻漿分類,根據(jù)導(dǎo)致翻漿的水分來(lái)源分為五類,分別為地下水類、地面水類、土體水類、氣態(tài)水類、混合水類。根據(jù)翻漿高峰時(shí)期路面變形破壞程度,將翻漿路段分為三級(jí),分別為輕型、中型、重型。
2、影響凍脹與翻漿的因素
公路凍脹與翻漿是多種因素綜合作用的結(jié)果。土質(zhì)、水、溫度與路面是影響凍脹的四個(gè)主要因素,翻漿除這四個(gè)因素影響外,還受行車荷載因素的影響。在上述諸因素中,土質(zhì)、溫度和水是形成凍脹和翻漿的三個(gè)基本條件。
1)土質(zhì):粉性土具有最強(qiáng)的凍脹性,最容易形成翻漿。這種土的毛細(xì)水上升較高祈且快,在負(fù)溫度作用下水分易于遷移,如水源供給充足可形成特別嚴(yán)重的凍脹,在春融時(shí)承載能力急劇下降易于形成翻漿。粘性土的毛細(xì)水上升雖高,但速度慢,只在水源供給充足且凍結(jié)速度緩慢的情況下,才能形成比較嚴(yán)重的凍脹和翻漿。粉性土和粘性土含有較多的腐植質(zhì)和易溶鹽時(shí),則更易形成凍脹和翻漿。粗粒土在一般情況下不易引起凍脹和翻漿,因其毛細(xì)水上升高度小、聚冰少,且在飽水情況下也能保持一定的強(qiáng)度;但當(dāng)粗粒土中粉粘粒含量超過(guò)一定量以后,凍脹性明顯增加,也能形成凍脹和翻漿。
2)水:凍脹與翻漿的過(guò)程,實(shí)質(zhì)上就是水在路基中遷移,相變的過(guò)程。路基附近的地表積水及淺的地下水,能提供充足的水源,是形成凍脹和翻漿的重要條件。秋雨及灌溉會(huì)使路基的含水量增加,使地下水位升高,從而促成凍脹與翻漿的形成。
3)溫度:沒(méi)有一定的凍結(jié)深度或冰凍指數(shù)(冬季各月每日負(fù)氣溫的總和)是難以形成凍脹和翻漿的,沒(méi)有更大的凍結(jié)深度或冰凍指數(shù)是難以形成嚴(yán)重凍脹和翻漿的。而在同樣凍結(jié)深度或冰凍指數(shù)的條件下,凍結(jié)速度和負(fù)溫作用的特點(diǎn)對(duì)凍脹和翻漿的形成有很大影響。例如,在初冬時(shí)氣溫較高或冷暖交替變化,溫度在0℃~3℃~-5℃之間停留時(shí)間較長(zhǎng),凍結(jié)線長(zhǎng)時(shí)間停留在土基上部,就會(huì)使大量水分聚流到距地面很近的地方,形成嚴(yán)重的凍脹和翻漿。反之,冬季一開(kāi)始就很冷,凍結(jié)線下降很快,水分來(lái)不及向上遷移,土基上部聚冰少,那么凍脹和翻漿就較輕或不出現(xiàn)。另外,春融期間的氣溫變化及化凍速度對(duì)翻漿也有影響。如春季開(kāi)始化凍時(shí),天氣聚暖,土基急劇融化,則會(huì)加重翻漿。如春融期間冷暖交替并伴有雨、雪,也會(huì)使翻漿加重。
4)路面:凍脹與翻漿都是通過(guò)路面變形破壞而表現(xiàn)出來(lái)的。因此,凍脹與翻漿和路面是密切相關(guān)的。路面類型對(duì)凍脹與翻漿有影響。如在比較潮濕的土基上鋪筑瀝青路面后,由于瀝青路面透氣性較差,路基中的水分不能通暢地從表面蒸發(fā),可能導(dǎo)致聚冰增加,凍脹量增大,以致出現(xiàn)翻漿。路面厚度對(duì)凍脹與翻漿也有影響,路面厚度大時(shí)可減輕凍脹,可減輕或避免翻漿。
5)行車荷載:公路翻漿是通過(guò)行車荷載的作用最后形成和暴露出來(lái)的。雖然路基有聚水、有凍脹,春融時(shí)含水過(guò)多,但無(wú)行車荷載作用,是不可能產(chǎn)生翻漿的。當(dāng)其它條件相同時(shí),在翻漿季節(jié),交通量愈大,車輛愈重,則翻漿也會(huì)愈多、愈嚴(yán)重。
3、防治凍脹與翻漿的工程措施
1)做好路基排水
良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基,使土基保持干燥,減少凍結(jié)過(guò)程中水分聚流的來(lái)源。
路基范圍內(nèi)的地面水、地下水都應(yīng)通過(guò)順暢的途徑迅速引離路基,以防水分停滯浸濕路基。為此,應(yīng)重視排水溝渠的設(shè)計(jì),注意溝渠排水縱坡和出水口的設(shè)計(jì),在一個(gè)路段內(nèi)重視排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),使排水溝渠與橋涵組成一個(gè)完整的通暢的排水系統(tǒng)。
為降低路基附近的地下水位,可采用截水滲溝。
2)提高路基填土高度
提高路基填土高度是一種簡(jiǎn)便易行、效果顯著且比較經(jīng)濟(jì)的常用措施。同時(shí)也是保證路基、路面強(qiáng)度和穩(wěn)定性,減薄路面,降低造價(jià)的重要途徑。
提高路基填土高度,增大了路基邊緣至地下水或地面水位間的距離,從而減小了凍結(jié)過(guò)程中水向路基上部遷移的數(shù)量,使凍脹減弱,使翻漿的程度和可能性變小。
路線通過(guò)農(nóng)田地區(qū),為了少占農(nóng)田,應(yīng)與路面設(shè)計(jì)綜合考慮,以確定合理的填土高度。在潮濕的重凍區(qū)內(nèi)粉性土地段,不能單靠提高路基填土高度來(lái)保證路基路面的穩(wěn)定性。要和其他措施,如砂墊層、石灰土基層等配合使用。
3)設(shè)置隔離層:
隔離層設(shè)在路基中一定深度處,其目的在于防止水分進(jìn)入路基上部,從而保持土基干燥,起防治凍脹與翻漿的作用。
4)換土:
采用水穩(wěn)定好,冰凍穩(wěn)定性好,強(qiáng)度高的粗顆粒土換填路基上部,可以提高土基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
5)注意路槽排水:
在凍脹與翻漿嚴(yán)重地段,應(yīng)注意做好路槽排水,通常采用砂墊層和橫向盲溝等措施。
6)加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu):
在凍脹和翻漿地段,常使用整體性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥穩(wěn)定砂礫等半剛性結(jié)構(gòu)層,以加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)。
7)加設(shè)防凍層:
在中、重季節(jié)凍結(jié)區(qū)和多年凍土區(qū)的高級(jí)、次高級(jí)路面,在有可能凍脹的路段,為防止不均勻凍結(jié),路面總厚度不應(yīng)小于下表的規(guī)定。 路面防凍最小總厚度(cm)
8)鋪設(shè)隔溫層
一、路基土的凍脹影響因素
1.土質(zhì)對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響
土壤性質(zhì)對(duì)路基凍脹的影響主要體現(xiàn)在顆粒組成和礦物組成上。在土壤粒度超過(guò)0.1mm時(shí),土壤水分容易排出,而不會(huì)發(fā)生凍脹,但隨土壤粒度的降低及分散程度的提高,凍脹率也相應(yīng)提高。在粒度0~0.05mm的土壤中,土壤會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象,而在0.05~0.002mm的土壤中,土壤的凍脹率最大。在粒度低于0.002mm時(shí),也就是在粘土粒度范圍內(nèi),土壤的分散度增加,從而降低了土壤的含水量,降低了凍脹率。在地基土微粒特別是粘性土壤中,礦物組成對(duì)凍脹的作用更為明顯。土壤致密程度對(duì)土壤的凍脹也有一定的影響,當(dāng)土壤含水量達(dá)到一定程度時(shí),地基土的密度減小,會(huì)使土壤的孔隙度增加。在致密程度低的土壤中,由于存在充分的孔隙和空隙,使冰在不影響土壤中的微粒間距以及不發(fā)生凍脹率的情況下自由膨脹。
由于壓縮程度的增加,土壤中的自由水填充了土體之間的空隙,從而限制了路基內(nèi)凝結(jié)的水分,使路基的凍脹率增加。在一定的密度下,土粒之間的孔隙最小,達(dá)到了最優(yōu)的粒徑分布,此時(shí),土壤的致密可以最大限度地提高土壤的含水量,從而達(dá)到最大的凍脹率。
2.水對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響
路基土凍結(jié)時(shí),土壤中的濕度是引起凍脹的必要條件,而含水的路基土并不是所有的凍脹都會(huì)發(fā)生,只有當(dāng)土壤含水量超過(guò)一定限度時(shí),才會(huì)發(fā)生凍脹。這是在一定的負(fù)溫情況下,當(dāng)?shù)鼗羶雒浡蕿?時(shí),路基的含水量就是初始凍脹含水量。在地基土含水量低于此值時(shí),就算整個(gè)土層都被冰和未凍水填滿,也不會(huì)發(fā)生凍脹。如果路基土壤在密閉狀態(tài)下凍結(jié),僅僅是地基土壤中的水分的輸送,并不會(huì)引起太大的凍脹率,但有地下水補(bǔ)充時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同情況。而地下水對(duì)路基凍脹的作用則與地基土的毛細(xì)水升高高度有關(guān)。在凍土凍融過(guò)程中,凍結(jié)鋒與地下水之間的距離大于或小于毛細(xì)水的抬高,在毛細(xì)水補(bǔ)充的情況下,路基出現(xiàn)凍脹概率較大。
3.溫度對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響
在高寒凍土區(qū),由于外部環(huán)境溫度的影響,路基土壤的溫度也會(huì)隨之改變。負(fù)溫是路基土壤凍結(jié)的先決條件,是影響路基土凍結(jié)過(guò)程、凍結(jié)時(shí)間和未凍水量的重要因素。路基土在凍土過(guò)程中,由于土壤粒子的表面能的作用,使未凍結(jié)的液體變成了未凍水,而非凍水與固體冰之間存在著一種動(dòng)態(tài)的平衡關(guān)系:隨著地基土壤溫度的提高,部分冰溶解,使凍水道中的水含量增加。與此形成對(duì)比的是,在路基土壤溫度下降的情況下,部分未凍水結(jié)凍為冰凍區(qū)的土壤水分含量有所下降。由于在負(fù)溫和封閉狀態(tài)下,路基土壤中的水分持續(xù)凍結(jié),使其自由水量不斷下降,使路基土壤的含冰率逐漸升高,從而使路基土壤發(fā)生凍脹。
4.外荷載對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響
外荷載對(duì)地基的凍脹有一定的影響。由于地基土體受到外加的外力作用,使土體之間的接觸壓力增加,從而使路基土壤的凍融溫度下降,從而對(duì)整個(gè)路基土壤的含水量變化產(chǎn)生一定的影響。在荷載作用下,土壤顆粒間的間隙減小,致密性增加,土體密度增加,土體之間的作用力也隨之增加,這也限制了未凝結(jié)的濕氣的遷移和聚集,降低了凍脹率。盡管外荷載可以在一定程度上抑制路基土的凍脹率,但要結(jié)束路基土的凍脹,就必須承受較大的外壓,而這種外壓隨土壤性質(zhì)的變化而變化。土壤中的微粒越細(xì)小,所需的外界壓力也就越大。
二、工程概況
新建沈陽(yáng)至白河高速鐵路工程SBJL-TJ-8標(biāo)段位于吉林省白山市安圖縣長(zhǎng)白山管委會(huì)境內(nèi)。線路全長(zhǎng)44.437km。線路自白山市撫松縣三道松江河大橋引出,向東北經(jīng)過(guò)曙光林場(chǎng)、勝林林場(chǎng),引入安圖縣二道白河鎮(zhèn),與既有敦白鐵路相接。
1.工程特點(diǎn)
。1)地處高緯度嚴(yán)寒地區(qū),冬期施工需加強(qiáng)防凍措施。線位地處高緯度嚴(yán)寒地區(qū),最冷月平均氣溫-16.9℃~-13.5℃,極端最低氣溫-38.4℃,最大凍結(jié)深度1.98m,最大積雪深度達(dá)0.62m,高鐵路基凍脹控制施工技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù),路基填料的控制標(biāo)準(zhǔn)和填筑工藝;隧道、橋梁、排水系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)本體的防凍技術(shù)是本工程的重點(diǎn)技術(shù);控制性隧道冬季連續(xù)施工,施工過(guò)程需要采取有效措施確保冬施質(zhì)量。
。2)線路經(jīng)過(guò)多處環(huán)境敏感點(diǎn),生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求高。線路經(jīng)過(guò)地區(qū)涉及長(zhǎng)白山水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、林區(qū)等多處環(huán)境敏感點(diǎn),需堅(jiān)持主體工程和環(huán)保工程同步實(shí)施,并采取有效的防護(hù)水土流失防治措施,建設(shè)過(guò)程中不斷優(yōu)化,預(yù)防和控制對(duì)環(huán)境的不良影響。
。3)線路穿越林區(qū)、與既有道路多處交叉,協(xié)調(diào)難度大。線路穿越松江河和露水河國(guó)家森林公園等森林保護(hù)區(qū),臨時(shí)設(shè)施、取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)及施工便道等紅線外臨時(shí)用地征用手續(xù)繁雜;線路多處跨越河流、溝渠、既有道路,需辦理相關(guān)行政手續(xù)及專項(xiàng)認(rèn)證許可,建設(shè)過(guò)程中協(xié)調(diào)難度大。
。4)當(dāng)?shù)厣傲腺Y源較為匱乏,尤其是河砂資源嚴(yán)重不足。沿線河砂資源嚴(yán)重不足,需遠(yuǎn)運(yùn)。加之地方政府嚴(yán)管采石和嚴(yán)禁采砂,施工時(shí)需采取有效措施確保地材供應(yīng)。
2.地質(zhì)特征
。1)地質(zhì)構(gòu)造。該路線穿越區(qū)域?yàn)橹谐瘻?zhǔn)地臺(tái)、遼東臺(tái)隆東北、鐵嶺-靖臺(tái)拱龍崗斷裂、太子河-渾江凹陷褶斷束、桓仁臺(tái)穹褶皺束交界。渾河和渾江河谷在中生代形成了斷陷盆地。晚第三紀(jì)新生代后期,因陸屑巖的堆積作用,形成了一套煤層巖。中新生代斷層具有明顯的分異特征,主要表現(xiàn)為火山爆發(fā),巖漿侵入、玄武巖覆蓋范圍較廣。該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,構(gòu)造類型以NNE—NNE向、NW向、環(huán)狀構(gòu)造為主。
。2)地質(zhì)條件。這一地區(qū)屬長(zhǎng)白山玄武巖火山巖臺(tái)地,多為山地,地勢(shì)較低,多為林地,部分地區(qū)為沼澤地。表覆粘性土、碎石類土和火山堆積層,腐殖土為林地,軟土為沼澤地。玄武巖的下部為第三系。地下水主要是由第四系的孔隙水和基巖裂縫水組成,其深度通常為3.0~10.0 m。玄武巖中存在著巖洞和軟弱的夾層,而粘性土、火山堆積層和玄武巖的全風(fēng)化層則是膨脹的。林帶表層土壤水分含量高,承載力差,強(qiáng)度差。
。3)不良地質(zhì)和特殊巖土。根據(jù)氣象數(shù)據(jù),從11月至次年3月,溫度低于0℃,屬于寒冷地帶,地表土普遍存在凍脹性,最大凍土厚度為1.38~1.98 m,應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)降低和控制凍脹對(duì)工程的影響。
三、凍土路基病害的主要治理措施
1.排水措施。路基排水系統(tǒng)的健全,能有效阻止道路的蓄水,降低土壤含水率,確保路基的干燥,從而減少在高寒地區(qū)發(fā)生的凍土現(xiàn)象。為避免道路周圍的雨水滲透到地基上,必須通過(guò)完善的排水系統(tǒng)將周圍的水全部排出,以防止雨水滲透到路面上。要注意排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),使水流沿截排水溝排水。
排水坡度的設(shè)計(jì),截排水溝要與橋涵形成一個(gè)暢通、完整的排水體系。有管滲溝能有效地減少路基地下水位,截水滲溝能對(duì)地下水進(jìn)行截流,并能排出地下水,同時(shí)考慮凍結(jié)深度的影響。當(dāng)滲水盲溝內(nèi)的水需要由線路一側(cè)引向另一側(cè)排出時(shí),需要于路基下設(shè)置橫向排水管。此外,還應(yīng)注意路基邊坡的排水問(wèn)題,特別是在易出現(xiàn)凍脹、翻漿區(qū)時(shí),應(yīng)采用邊坡支撐滲溝或者坡頂截水滲溝等措施,將邊坡內(nèi)的積水排出,不至于浸泡路基。如果路基所用的材料有滲水,應(yīng)及時(shí)將滲水滲出,特別是在春融解凍的情況下。沿滲水盲溝排水方向,每隔30m和平面轉(zhuǎn)折點(diǎn)、縱坡變坡點(diǎn)等處,設(shè)置圓形檢查井,井內(nèi)設(shè)防寒木蓋,防寒木蓋由兩塊半圓形木板組成。
檢查井露出側(cè)溝平臺(tái)或保溫護(hù)道0.1m,防止地表水流入井內(nèi)。滲溝內(nèi)的水排出位置設(shè)置保溫出水口,其中A型保溫出口適用于滲溝內(nèi)的水引至地勢(shì)低洼處的情況,B型保溫出口適用于滲溝內(nèi)的水排至涵洞的情況。在室外氣溫較低的情況下,保證盲溝內(nèi)水能順利排出,也能避免或減輕路基的凍脹現(xiàn)象。
2.保溫護(hù)道。作為路基病害的一種有效措施,熱防護(hù)也是許多路基普遍采用的一種方法。在降低外部氣溫的同時(shí),還能有效地阻止地下水的下滲、蓄積和沖刷。保溫護(hù)道的設(shè)計(jì)要求相當(dāng)苛刻,必須選用符合特定要求的合格填料和護(hù)道結(jié)構(gòu),護(hù)道的大小和滲透性都要特殊考量,過(guò)去的護(hù)道形式已經(jīng)難以達(dá)到保溫目的,片石護(hù)道會(huì)加快路基的融化和沉降,無(wú)法達(dá)到保溫護(hù)道的目的,因此,該方案只適用于不破壞凍土的情況,且適用范圍有限。具有支撐功能的護(hù)坡可以有效地處理路基、邊坡的滑坡,是一種較持久、效果較好的防治方法。高路堤以護(hù)路為主,臺(tái)階式護(hù)路更適合季節(jié)性的路基,能有效地預(yù)防邊坡崩塌的道路病害。支承護(hù)坡可抵抗凍土融化引起的變形破壞,并可有效地預(yù)防路基病害,因此,此類護(hù)坡通常不采用片石結(jié)構(gòu)。
3.換土。在凍土地基處理中,采用凍結(jié)和水分穩(wěn)定性較好的粗粒狀土壤,采用更換填筑地基,是改善凍土地基病害的一種途徑。這些粗粒土具有較高的強(qiáng)度,不僅能增加路基的強(qiáng)度,還能改善整體的穩(wěn)定性和耐久性。不是全部的路基都能達(dá)到換填土的要求,僅在路基標(biāo)高有限的情況下不能增加,而若周圍有粗粒土,而原路基的土質(zhì)已被破壞,則可采用填換土方法。更換填土的數(shù)量根據(jù)不同的需要而定,通常根據(jù)地基承載力、鐵路等級(jí)等因素而定?蓞⒄掌渌麉^(qū)域的施工經(jīng)驗(yàn),在地基上部70cm處填入更換填土,并按強(qiáng)度要求確定更換填層的厚度,計(jì)算出鋪層的厚度。
4.土工織物、EPS導(dǎo)溫墊床。土工織物法是目前最常用的處理方法,具有排水、隔離、滲濾、加固等功能。EPS是一種新型的抗凍土工程高分子材料,是一種用來(lái)儲(chǔ)存于聚苯乙烯中,經(jīng)過(guò)發(fā)泡、成熟處理、模制成型的發(fā)泡材料。EPS泡沫材料的密度為45kg/m3,其熱膨脹系數(shù)低,氣體含量高,吸水性低,遇水后保溫效果良好,承載能力強(qiáng),變形壓強(qiáng),是近年來(lái)在寒冷地區(qū)廣泛應(yīng)用的一種新型路面病害治理材料。
5.采用遮陽(yáng)棚調(diào)控輻射。為了避免在凍土區(qū)如路堤、邊坡等地區(qū)發(fā)生病害,可以使用遮陽(yáng)篷遮蔽陽(yáng)光和防止雨水沖刷。利用這種物理方式來(lái)降低路基表面的溫度,可以減輕凍結(jié)土壤中的凍結(jié)現(xiàn)象,減少路基凍土層和路面塌陷等病害。采用遮陽(yáng)板調(diào)節(jié)輻射,是對(duì)路基進(jìn)行物理降溫的一種方法,最適合在高寒地區(qū)應(yīng)用,其白天輻射較大,晝夜溫差較大。同時(shí),可在其外表面涂上高反射物質(zhì),增加其輻射量,并強(qiáng)化其物理效果,從而增加其反射系數(shù)。
四、結(jié)束語(yǔ)
在高寒地區(qū)鐵路施工中,要充分考慮不同的工程地質(zhì)條件對(duì)路基土體的凍脹效應(yīng),并根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取相應(yīng)的控制措施。根據(jù)影響路基土凍脹的各種因素,在鐵路建設(shè)中,必須嚴(yán)格控制路基的含水量,并對(duì)分層壓實(shí)的厚度進(jìn)行控制,并采用其他有效的壓實(shí)措施,例如用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行路基的壓實(shí),從而保證地基的致密。修建較為完備的排水體系,在冬季凍結(jié)期間盡可能地將路基周邊的水源排除,以減少路面地基上的凍脹量,以確保路面的穩(wěn)定性。
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