冻土地区路基病害设计与施工

冻土地区路基病害与防治路基病害整治 冻土的概念、分类冻土区的不良地质现象冻土区路基病害类型、特征及危害冻土区路基病害病害整治措施案　例课程内容 一、冻土的概念、分类1、冻土－把具有负温度及冰，且胶结着松散岩石固体颗粒的土(岩)，称为冻土(岩)。2、冻土按其冻结状态时间的长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三类；多年冻土－冻结状态持续三年以上的冻土；季节性冻土－每年冬季冻结，夏季全部融化，冻结状态持续时间大于一个月，每年周期性冻结的冻土，冻结深度为数厘米至1-2m；瞬时冻土－指冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的冻土，其冻结深度为数厘米至数毫米。3、冻土的基本成分有四种：固态的土颗粒、水、液态水、气体和水汽。。 二、冻土区的不良地质现象融沉冻胀融冻泥流和滑塌冰锥、冻胀丘热融湖塘和沼泽化湿地其他不良工程地质现象 融沉融沉，也称融化下层，指土中过剩冰融化所产生的水排出以及土体的融化固结引起的局部地面的向下运动，是自然(如气候转暖)或人为因素(如砍伐与焚烧树木、房屋采暖)改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所致。融沉是引起多年冻土区路基变形和破坏的主要原因。路堤修筑后改变了表面的水热交换条件，在高温冻土区，当夏季施工的路堤其高度超过一定值时，会在堤身内形成融土核，造成地下冰的融化，而使路堤下沉。路堤建成后改变了地表和地下水的径流条件。当排水措施不当时会产生路堤过水和堤侧积水现象。其结果往往是地下冰融化，路基下沉甚至发生突陷。 路基融沉现象 冻胀冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一个重要问题。一般情况下，在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较低，如存在粉质土和足够的水分则冻胀严重。由于路基填筑材料的不均匀，或不同岩性和水文地质条件地段路基过渡处理不当，可能引起不均匀冻胀，使线路在平纵断面上失去平顺性。用粉质土和黏性土填筑的路基，由于冻结时的水分迁移可能在上部聚冰而引起翻浆。在冻土区设计刚性建筑结构物(如挡墙、涵洞)时，要充分考虑水平冻胀力的作用。在不可能绕避时则必须做好排水措施，防止线路附近冰锥和冻胀丘的发生。 冻胀现象 冻融泥流和滑塌融冻泥流和滑塌多发生在有厚层地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施工、挖方取土等人为活动引起，也可以由自然因素(如河流侵蚀坡脚、气温升高)引起。由融冻泥流和滑塌形成的稀泥物质向下流动，可能掩埋道路，壅塞桥涵，加速路基的软化湿陷。当线路通过越岭地段时，要特别注意这些问题。 热融沟－－青藏公路109道班附近 热融滑坡灾害 冰锥、冻胀丘冰锥俗称涎流冰，指水多次溢出地表冻结而所形成的地面冰体。分布于多年冻土和季节冻土区。其形成条件为：具有不冻的水源、水的通道、水的驱动力和严寒的气候条件。按其水源分为河冰锥、湖冰锥和采冰锥。绝大部分冰锥是季节性的。由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形，总称冻胀丘。冰锥和冻胀丘是多年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。在青藏公路沿线就分布有大小冰锥和冻胀丘100多处。冻胀丘形成后产生巨大的隆胀力，使道路变形；冰锥在冬季可能覆盖路面，中断交通，而在夏季造成道路翻浆和路基沉陷，因此，在选线、选址时均应注意水文地质调查，尽量绕避已有的冰锥、冻胀丘，以及线路修筑后可能产生新的冰锥和冻胀丘的地段。 冻胀丘 热融湖塘和沼泽化湿地热融湖塘在青藏公路沿线分布较广，在楚玛尔河高平原上尤为集中。一般热融湖塘下仍有多年冻土存在。公路通过热融湖塘时要注意路基冻胀和沉陷的不均匀及边坡陷裂等问题，同时湖塘积水也容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉陷。沼泽化湿地地段一般有厚层地下冰发育，线路通过时应注意上部草炭和泥炭层的压缩问题，在这类地段筑路时要特别注意保护植被，作好排水和保证足够的路堤高度，必要时可加设保温护道。 热融湖塘 其他不良工程地质现象1、多年冻土特别是高含冰量冻土对地表的扰动十分敏感，冻土区植被一旦被破坏后恢复缓慢，将引起多年冻土重大的不可逆的变化，产生严重的后果。因此在冻土区筑路要特别注意保护环境，特别是路基下保存植被。2、冰（水）害，是寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土地区则更为严重。冰（水）害主要是指路堤上方有露出地表的泉水，或开挖路堑后地下水自边坡流出，在隆冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基面或边坡挂冰、路堑内积冰等病害。…… 三、冻土区路基病害类型、特征及危害1、冻土区路基病害类型2、冻土区路基病害特征与危害3、冻土区道路翻浆病害的分类4、冻土区路基病害成因5、影响冻土区冻胀和翻浆病害的因素 1、冻土区路基病害类型不均匀冻胀是指使用冻胀性土的路段，在冬季负气温作用下，当有水分供给时，水分不断向上聚集，在路基上部形成冰夹层、冰透镜体，导致路面不均匀隆起，使柔性路面开裂、刚性路面错缝或断板的现象。道路翻浆是指在冬季负气温作用下连续向上聚流、冻结成的冰，在春季气温升高的条件下融化，使土基含水过多、强度急剧降低，在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等现象。 2、冻土区路基病害特征与危害不均匀冻胀：①导致路面高低不平；②导致公路的路面，特别是混凝土刚性路面产生裂缝，这种裂缝多呈纵向分布，且经冻融反复作用而不断加宽，严重时使路面呈破碎状。不均匀冻胀造成的道路破坏，对公路尤其是高速公路危害极大，轻者给行车带来障碍，重者造成行车事故。道路翻浆：在季节性冻土地区水文地质条件不良地段，冬季路基土体由于冰冻作用，使其含水量增大，春天化冻时路基中水分不能及时排出，形成潮湿软弱状态。由于行车荷载的反复作用，使路面发生裂纹、鼓包、车辙、“弹簧”土冒泥翻浆等现象。道路翻浆地段路面变形特点和破坏形式通常可分为以下三种类型：①路面龟裂、湿润、轻微弹簧；②大片裂纹，路面松散，局部鼓包，车辙较浅；③车辙较深，翻浆冒泥。道路翻浆地段对车辆行车安全造成极大危害。 多年冻土区不均匀冻胀与道路翻浆现象 多年冻土区道路翻浆现象 道路翻浆现象 道路翻浆病害整治现场 3、冻土区道路翻浆病害分类地下水类翻浆地面水类翻浆土体水类翻浆气体水类翻浆混合水类翻浆 地下水类翻浆病害在地势低洼、积水难以排出、地下水位埋深又浅的地区，路基填土高度不大时，冻结期由于地下水补给使土体含水量增大，春季引起道路翻浆(图9-2)。图9-2低路堤下的高地下水位 地下水类翻浆病害在丘陵区或山区的挖方和半填半挖地段，由于开挖使路基顶面接近地下水位(图9-3)或者路堑边坡切断含水层(图9-4)且排水不畅时春季产生道路翻浆。图9-3高地下水位下的挖方路基图9-4半挖半填路基切断含水层 地下水类翻浆病害在半山腰的填方路堤，有时压住含水层或泉眼，使水分渗入路基(图9-5)，冬季引起路基冻胀，春季化冻时产生翻浆，一般称为两肋翻浆；城市道路有时因地下管道漏水，路基含水量增加，将导致道路翻浆。图9-5填方压住含水层露头 地表水类翻浆病害由于降雨、灌溉等使路基两旁积水，而又不能及时排出(图9-6)，渗水使路基含水量增加，又由于冻结过程中的水分迁移作用，使路面下土层含水量增加，春季融化时产生翻浆；由于养护不良、路基边沟堵塞、路面出现车辙、局部洼坑、两侧路肩高于路面等情况使路面或边沟长期积水，渗入路基后使土体含水量增大，春季将引起局部翻浆。图9-6地表水浸泡路基 土体水类翻浆病害土体水类翻浆主要是由于施工中遇雨，路基填土含水量大或填筑大块冻土造成，这种翻浆往往发生在桥头或高填方路基处。 气态水类翻浆病害气态水类翻浆多发生在黑色路面下，黑色路面下的水汽由于蒸发受到阻碍，而在其下面集聚(图9-7)。由于黑色路面导温性强，温差变化大，冬季聚流严重，春季则易引起翻浆。图9-7黑色路面产生的气态翻浆 混合水类翻浆病害受地下水、地面水、土体水或气态水等两种以上水类综合作用产生的翻浆。此类翻浆需要根据水源主次定名，如地下水、地面水类等。 4、冻土区路基病害成因不均匀冻胀成因：由于降水或灌溉的影响，在秋季，地面水下渗，地下水位升高，使路基水分增多。到冬季，随着气温下降，路基上层的土开始冻结，土孔隙内的自由水在0℃时首先冻结，形成冰晶体。而路基下部的土温仍较高，在温度梯度作用下，在土体内的水分由温度较高处向温度较低处移动，使路基上层水分增多，并冻结成冰，使路面冻裂或隆起，发生冻胀病害。 4、冻土区路基病害成因道路翻浆成因：形成冻胀的路基到了春季(有的地区延至夏季)，气温逐渐回升，路基上层的土首先融化，上层土基的含水量增大，强度很快降低，以至失去承载能力，在行车作用下形成翻浆病害。 5、影响冻土区冻胀和翻浆病害的因素土质、水、温度与路面是影响冻胀和翻浆病害的四个主要因素，此外，还受行车荷载因素的影响。基本条件是土质、温度和水。1.土质：①粉性土具有最强的冻胀性，最容易形成翻浆。这种土的毛细水上升较高且快，在负温度作用下水分易于迁移，如水源供给充足可形成特别严重的冻胀，在春融时承载能力急剧下降易于形成翻浆。②黏性土的毛细水上升虽高，但速度慢，只在水源供给充足且冻结速度缓慢的情况下，才能形成比较严重的冻胀和翻浆。③粉性土和黏性土含有较多腐殖质和易溶盐时，则更易形成冻胀和翻浆。④粗粒土在一般情况下不易引起冻胀和翻浆，但当粗粒土中粉黏粒含量超过一定量以后，冻胀性明显增加，也能形成冻胀和翻浆。2.水：冻胀与翻浆的过程，实质上就是水在路基中迁移、相变的过程。路基附近的地表积水及浅的地下水，能提供充足的水源，是形成冻胀与翻浆的重要条件。秋雨及灌溉会使路基土的含水量增加，使地下水位升高，从而促成冻胀与翻浆的形成。 5、影响冻土区冻胀和翻浆病害的因素3.温度：在初冻时气温较高或冷暖交替变化，温度在0℃--5℃之间停留时间较长，冻结线长时间停留在土基上部，就会使大量水分聚流到距路面很近的地方，形成严重的冻胀和翻浆。反之，冬季一开始就很冷，冻结线下降很快，水分来不及向上迁移，土基上部聚冰少，冻胀和翻浆就较轻或不出现。此外，春融期间的气温变化及化冻速度对翻浆也有影响。如春季开始化冻时，天气骤暖，土基急剧融化，则会加重翻浆。如春融期间冷暖交替并伴有雨、雪，也会使翻浆加重。4.路面：冻胀和翻浆与路面(类型和厚度)密切相关。在比较潮湿的土基上铺筑沥青路面后，由于沥青路面透气性较差，路基中的水分不能通畅地从表面蒸发，可能导致聚冰增加、冻胀量增大，以致出现翻浆。路面厚度对冻胀与翻浆也有影响，路面厚度大时可减轻冻胀，可减轻或避免翻浆。5.行车荷载：公路翻浆是通过行车荷载的作用最后形成和暴露出来的，在翻浆季节，交通量愈大，车辆愈重，则翻浆也会愈多、愈严重。 四、冻土区路基病害病害整治措施1、防治冻胀和翻浆的基本原则(1)调节路基水温状况，防止地面水、地下水或其他水分在冻结前或冻结过程中进入路基上部。如在路基中设置隔离层、隔温层，做好路基排水，提高路基等。(2)如有水分聚集在路基上部，则应在化冻时期将多余的水分及时排除或暂时蓄积在渗水性与水稳性良好的路面结构层中。如设置排水或盖水砂(砾)垫层等。(3)改善土基，加强路面。如路基换土或采用加固土，路面采用石灰土、煤渣石灰土等结构层。(4)在有些情况下，用一种处理措施，往往不能收到预期效果或不够经济合理时，可采用两种或两种以上综合措施。 四、冻土区路基病害病害整治措施2.防治冻胀与翻浆的措施(1)做好路基排水(2)提高路基填土高度(3)设置隔离层(4)换土(5)加强路槽排水(6)加强路面结构(7)加设防冻层(8)铺设隔温层 （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，减少冻结过程中水分聚流的来源。路基范围内的地面水、地下水都应通过顺畅的途径迅速引离路基，以防水分停滞浸湿路基。为此，应重视排水沟渠的设计，注意沟渠排水纵坡和出水口的设计；在一个路段内重视排水系统的设计，使排水沟渠与桥涵组成一个完整的通畅的排水系统。为降低路基附近的地下水位，可采用有管渗沟；为拦截并排除流向路基的地下水，可采用截水渗沟，同时考虑冰冻深度的影响。 排水设施－挖方段截水沟 排水设施－排水沟与涵洞 (2)提高路基填土高度提高路基填土高度，可增大路基边缘至地下水或地面水水位间的距离，从而减小冻结过程中水分向路基上部迁移的数量，使冻胀减弱，使翻浆的程度和可能性变小。路线通过农田地区，为了少占农田，应与路面设计综合考虑，以确定合理的填土高度。在潮湿的重冻区内粉性土地段，不能单靠提高路基填土高度来保证路基路面的稳定性，要与其他措施，如砂垫层、石灰土基层等配合使用。提高路基填土高度是一种简便易行、效果显著且比较经济的常用措施。同时也是保证路基路面强度和稳定性，减薄路面，降低造价的重要途径。 冻土区提高路基填土高度 (3)设置隔离层隔离层是设在路基中一定深度处，用于防止水分进入路基上部，从而保持土基干燥，起防治冻胀与翻浆作用的防水结构。设隔离层措施的适用条件：①隔离层对新旧路线翻浆均可采用，特别适用于新线；②不透水隔离层适用于不透水路面的路基，在透水路面下只能设透水隔离层；③在盐渍土地区的翻浆路段，隔离层深度应同时考虑防止盐胀和次生盐渍化等要求。透水性隔离层用碎石、砾石或粗砂等做成，其厚度一般10-20cm；为了防止淤塞，应在隔离层上面和下面设置防淤层，隔离层底部应高出地面水20cm以上，并向路基两侧作成3％的横坡。不透水性隔离层分不封闭式(隔断毛细水)和封闭式(隔断毛细水和横向渗水)两种。在地面排水困难或地下水位高的路段，宜采用封闭式隔离层。封闭式隔离层可做成垂直封闭式及外斜封闭式。根据隔离层铺筑宽度，不封闭式隔离层又可分为贯通式(当路基宽度较窄时，隔离层横穿全路基)和不贯通式。 设置碎石、砾石隔离层 设置碎石、砾石隔离层 (4)换土当采用水稳性好、冰冻稳定性好、强度高的粗颗粒土换填路基上部时，可以提高土基的强度和稳定性。换土措施的适用条件：①因路基标高限制，不允许提高路基，且附近有粗粒土可用时；②原有路基土质不良，需铺设高级路面时。换土层厚度一般可根据地区情况、公路等级、行车要求以及换填材料等因素确定。根据一些地区的经验，在路基上部60-80cm厚的范围换填粗粒土，路基可以基本稳定。换土厚度也可以根据强度要求，按路面结构层厚度的计算方法计算确定。 换土法－挖除软基 (5)加强路槽排水在冻胀与翻浆严重地段，应注意做好路槽排水，通常采用设砂垫层和横向盲沟等措施进行路槽排水。①铺设砂垫层：砂垫层在融期可起蓄水、排水作用；能隔断毛细水上升；可防止融期路基泥浆上挤污染路面结构层；冬季对路基冻胀可起缓冲作用，从而减轻路面冻胀。在盛产砂石地区，可以采用铺设砂垫层排水，防止冻胀和翻浆。根据砂垫层的作用，砂垫层的经验厚度为：中湿路段，15-20cm；潮湿路段，20-30cm。砂垫层材料可选用砂砾、粗砂或中砂，要求砂中不含杂质、泥土。②加设横向盲沟：道路纵坡大于3％的坡腰翻浆路段，当中级路面基层采用透水性材料时，为了及时排出透水层内的纵向水流和春融期土基化冻时的多余水分，可在路槽下设置横向盲沟。横向盲沟可设成人字形，纵向间距10m左右，深度20-40cm，宽40cm左右，填以砂砾等透水性良好的材料，出口按一般盲沟处理。 设置路槽排水－纵向碎石盲沟 (6)加强路面结构在冻胀与翻浆地段，为减小冻胀和翻浆对路面结构及承载力的影响，应使用整体性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥稳定砂砾等半刚性结构层，以加强路面结构。但是用这些半刚性材料作基层时，应防止反射裂缝，结合当地的应用经验，注意路面结构组合设计、材料的选择和配合比设计。 冻土区路面结构 (7)加设防冻层在中、重季节冻结区和多年冻土区的高级、次高级路面，在有可能冻胀的路段，为防止不均匀冻胀，用冰冻稳定性良好的材料加设防冻层。防冻层材料应选用冰冻稳定性良好的砂砾、粗砂、矿渣、煤渣等粒料，也可采用水泥或石灰煤渣稳定粗粒土、石灰粉煤灰稳定粗粒土等。采用砂砾和粗砂时，小于0.074mm的颗粒含量不应大于5％；采用煤渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20％。 加设防冻层 在重冻区，也可采用铺设高效隔温层的方法，减小土基冻结深度或使土基不冻结，以防治冻胀，从而防治翻浆。隔温层采用导温性能差的材料，铺在土基内、土基顶面或路面结构层内。在林区的临时道路上，隔温层多采用压实的泥炭、树皮、木屑等当地材料，铺在土基内或土基顶面。在正规的公路上，可采用泡沫塑料、苯乙烯海绵塑料混凝土、含有多孔填充料的轻混凝土等高效隔温材料。煤渣隔温层铺设于压实的土基顶面，为防煤渣受湿隔温性能降低，可设在砂垫层上；硬化泡沫塑料隔温层铺设于压实的土基顶面；轻混凝土隔温层铺设于面层下的路面结构层内。(8)铺设隔温层 防冻层顶面铺设土工布保温层 四、冻土区路基病害病害整治措施3.道路翻浆防治措施的选择在选择翻浆防治的各种方法时，应根据当地的气候、土壤地质和地下水条件，因地制宜地采用合理的防治措施。编号措施种类适用的翻浆类型翻浆等级适用地区或条件使用说明1路基排水①②⑤轻、中、重平原区、丘陵区、山区适用于一切新、旧道路2提高路基①②⑤轻、中、重平原、洼地、盆地新、旧路均可使用，必要时也可与3，4,5，6,7，9任何一类组合应用3砾（砂）垫层①②③⑤中、重产砂、砾地区新、旧路均可使用，主要做垫层，可与2，4类组合应用4石灰土结构面①②③④⑤轻、中、重缺少砂、石地区新、旧路均可使用，做基层或垫层，可与3，5类措施组合应用5煤渣石灰土结构层①②③④⑤中、重缺少砂、石地区，煤渣供应有保证时新、旧路均可使用，做基层或垫层，可与4类措施组合应用6透水性隔离层①②⑤中、重产砂、砾地区适用于新路7不透水隔离区①②④⑤中、重沥青、油毡纸、塑料薄膜、不透水水土工布供应有保证适用于新路8盲沟①⑤轻、中、重坡腰或横向地下水出露地段，地下水位高的地段新、旧路均可使用9换土①②③⑤中、重产砂砾或水稳定性好的材料地区适用于新、旧路 五、案例――黑北公路岛状多年冻土路基施工(1)黑河地区的公路建设中，多年冻土时有遭遇，给公路建设带来许多麻烦。黑河地区在岛状多年冻土区内(n区)，位于欧亚大陆多年冻土分布区的东南，为连续多年冻土与季节冻土的过渡带，并在退化之中。在该地区，多年冻土呈岛状零星地分布于融区中，多见于沼泽区的塔头草或泥炭层下，面积不大，厚度小，含冰量大，很不稳定，对工程危害较大。这个地区岛状多年冻土的上限深度在1-1.7m，下限为2.5-4.5m，多年冻土厚度为1.5-3.5m，冻土层厚度较薄，埋深较浅，处于退化阶段，极不稳定。在该地区，工程实施对自然环境的破坏与改变极易引发冻土融沉，这是该地区公路建设的主要不良地质问题。所以路基施工基本采取全部挖除冻土的处理方案。 五、案例――黑北公路岛状多年冻土路基施工(2)黑北公路K48+420-K48+600路段岛状多年冻土①自然状况：岛状多年冻土路段位于一个常年少量流水的汇水山涧谷地中，地面高程258-264m，地面坡度向SEE坡度3°-5°，较平缓。坡洪积裙地貌，其中有平缓的箱形冲沟发育。“缓坡草甸型”植物群落，主要为稀疏矮小的小叶樟、塔头草、水冬瓜、桦树等，具有多年冻土区植物群落特征。第四纪地层主要为坡积及洪冲积的砾砂粉质粘土，粘土质砾砂层中含孔隙水，其透水性较好。多年冻土地带则表现为多年冻结层下水，具微承压性，土层含水性不均匀。②多年冻土形成的地质环境：地貌形态为一个较平缓的坡洪积裙，由于新构造运动上升和流水浸融作用，在坡洪积裙的低洼(中心)部位形成冲沟，然后运动处于相对稳定或缓慢下沉过程，形成冲积物。有一次上升运动切割了上述坡洪冲积物，形成新的冲沟，然后又处于相对稳定阶段，在新的冲沟内形成沼泽湿地，生长“缓坡草甸型”植物群落，日积月累，植物残体的堆积形成泥炭。在当时气候条件下冻结而形成多年冻土只分布在冲沟的局部地段，具有导热性极差的泥炭冻结层。冻结的泥炭土层中，可见粒径小于1mm的冰粒零星分布。 五、案例――黑北公路岛状多年冻土路基施工(3)岛状多年冻土路基施工对该岛状多年冻土路段，路基设计以路堤形式通过，路基高度为2-6m；由于多年冻土只存在于局部地段，其冻土埋深浅，厚度小，为处于退化过程的冻土。同时，冻土层为强泥炭土，土壤含水量高，有机质含量大，属强融沉，强冻胀，高压缩性土，工程性质极差。为确保工程质量，经指挥部同意情况下，采取破坏冻土的原则施工。清基深度为2-3.5m，宽度为28-32m，将腐殖土层，多年冻结的泥炭土层全部挖除直到砂砾土层。配备挖掘机3台(旱地2台，湿地1台)，2台旱地挖掘机各挖半幅路槽，1台湿地挖掘机在路槽两侧向外倒运，运输车辆15台，运力2000m3／天。回填天然砂砾1-2.5m厚，用振动压路机静压两遍，镇压3遍后，再用20t光轮压路机碾压3遍。清基的弃土回填在路基两侧作护坡道增加了保温层厚度，节省了冻土外运的费用，减少了施工难度，并彻底根治了冻土。一年冻融区处理段的沉降量一般在1-2cm，并具有良好的路基稳定性。 思　考　题1.冻土的概念、分类？2.冻土区的不良地质现象有哪些？3.冻土区路基病害的类型、特征及危害？4.冻土路基病害整治的措施有哪些？