严寒地区季节性冻土路基施工若干关键问题

'严寒地区季节性冻土路基施工若干关键问题陈宏（中铁八局集团第二工程有限公司，四川成都610081）摘要：如何确保严寒地区季节性冻土路基施工质量是施工面临的一大难题。结合哈大铁路客运专线路基填筑的工程实例，从路基填料选定、施工时间的选择、防排水措施、施工工艺四个方面进行研究，为严寒地区季节性冻土路基施工提供一些参考。关键词：季节性冻土路基路基填料防排水施工工艺SomecriticalconstructionproblemsontheseasonalfrozensubgradeinseverecoldareaCHENHong(NO.2EngineeringCompanyofChinaRailwayNO.8EngineeringGroupCo.,Ltd,Chengdu610081,China)Abstract:Itisabigdifficultproblemthathowtoensurethetheseasonalfrozensubgradeconstructionqualityinseverecoldarea.BasedontheengineeringexampleofHaerbin-Dalianpassengerdedicatedline,thispaperfocusonsomekeypointssuchastheembankmentfillingselection,reasonableconstructiontimedetermination,measuresforwaterproofanddrainageandconstructiontechnology.Theresearchresultsarebenefittotheseasonalfrozensubgradeconstructionqualityinseverecoldarea.Keywords:theseasonalfrozensubgrade;RoadbedFilling;WaterproofandDrainage;ConstructionTechnology如何确保严寒地区季节性冻土[1]路基施工质量是施工面临的一大难题，尤其在铁路系统，对严寒地区路基防冻胀的问题，还没有形成一套完整的体系。本文结合哈大铁路客运专线路基填筑的工程实例,主要从路基填料选定、施工时间选择、防排水措施、施工工艺四个方面进行研究。哈大铁路客运专线南起大连，北至哈尔滨，全部位于东北严寒地区，由中铁八局集团有限公司施工的段落位于辽宁省营口市，线路正线长54.066km，冬季起于当年11月上旬至下年3月上旬，最低气温可达到-27℃，土壤冻结最大深度1.06m。本段路基通过丘陵地区，地形起伏较大。基底加固处理主要有强夯、CFG桩、冲击碾压、岩溶注浆。其中强夯地基顶部铺设碎石垫层，厚0.6m。CFG桩顶部铺设0.6m厚褥垫层。强夯顶部的碎石垫层以及CFG桩顶部的褥垫层具有加强复合地基承载力的作用，同时又可排水渗水。褥垫层对路基尤其是季节性冻土路基质量有很大影响。另外，为确保路基本体不受冻胀影响，对高填方地段路基两侧边坡坡脚以上1.5m范围内设计有1.5m宽的防冻胀护道。路基路堤基床表层填0.55m厚的级配碎石、以下依次为0.05m厚的中粗砂、两布一膜不透水土工布、0.9m厚的非冻胀土和1.2m厚的A、B组土、基床以下填合格填料。1路基填料选择冻胀土主要是指在季节性冻土地区易发生冻胀的土，非冻胀土就是不会发生冻胀的土。设计给出非冻胀土是指颗粒粒径≤0.075mm细集料含量小于15%的A、B填料。若在严寒地区路基采用冻胀土进行填筑，就极易发生冻胀，导致路基破坏，因此严寒地区路基填料就必须考虑冻胀问题。故路基填料的选择是本次研究的重点，其中非冻胀土填料的选择又是研究的关键。影响冻胀的主要因素是土质、含水量、土颗粒的大小。冻胀破坏的程度大小与颗粒组成中的粉土、粘土含量有一定关系。1.1室内试验 室内试验目的：找出细粒含量与冻胀系数的关系、含水量与冻胀系数的关系（见图1、图2、图3），确定最佳的非冻胀土填料。室内试验包括颗分、击实、冻胀、渗透以及渗透后含水量变化等试验。室内配置土样细粒含量分别为3%、7%、9%、11%；压实度采用90%、95%两种；考虑最佳含水量±2%、最佳含水量以及饱和后渗透24小时三种情况。图1细粒含量与冻胀系数的关系Fig.1Betweenfinescontentandfrozen-heavecoefficient图2细粒含量7%土样含水量与冻胀系数的关系Fig.2Betweenwatercontentinsoilsampleof7%finescontentandfrozen-heavecoefficient图3细粒含量9%土样自由渗漏含水量随时间变化情况Fig.3Freeleakagewatercontentinsoilsampleof9%finescontentchangesituationfollowtime1.2现场取样试验现场自归州镇吉祥采石场取土（具体见图4）。图4归州采石场Fig.4GuizhouQuarry在工地中心试验室进行常规土工试验，土样为B组粗角砾土，试验结果见表1：表1路基填料各项指标Tab.1IndexesofboadbedFilling生产地最大干密度γdmax（g/cm3）最优含水量Wop（%）归州镇吉祥采石场2.167.21后将该土样送至吉林大学测试科学实验中心进行冻胀试验。试验控制干密度γd=0.95γdmax，控制含水量W=Wop，试验土样<0.075mm颗粒含量为4.92%。按有关规定[2][3]，在施加冷端前先使试样在1℃的恒温环境下稳定8h，然后以0.3℃/h的降温速率进行试验，根据试验记录数据，绘制冻胀量—时间关系曲线（具体见图5）。图5冻胀量—时间关系曲线Fig.5Curveoffrostheavingamountandtime然后取最大冻胀量按下式计算冻胀率：η=△H/H0式中：η—冻胀率（%）；△H—试验期间最大冻胀量（mm）；H0—试验冻结深度，取50mm。试验结果见表2：表2冻胀试验结果Tab.2Resultsoffrostheavingtest生产地控制干密度γd(g/cm3)控制含水量W(%)冻胀率η(%)归州镇吉祥采石场2.057.21-0.15 根据试验结果可知：填料在负温下产生微小冻缩，属对冻胀极不敏感材料，满足非冻胀土的要求。1.3结论根据室内及现场试验[4][5]结果可得出结论：（1）细粒含量小于5%的粗粒土对冻胀极不敏感，为非冻胀性土，是最佳的非冻胀土填料。（2）细粒含量在5%～15%之间，为冻胀弱敏感土，冻胀性与不均匀系数有关，可在困难情况下选择性用作非冻胀土填料。（3）在含水量相同的情况下，冻胀性随着细粒含量的增加而增加；在细粒含量相同的情况下，冻胀量随着含水量的增大而增大。（4）本段非冻胀土路基填料的最佳含水量为7.21%。2施工时间选择对于季节性冻土路基施工，由于受气温影响非常大，为了确保路基施工质量，必须避开在连续低温期间对路基进行填筑，根据当地历年气温情况，选择4月～10月进行路基填筑施工。3防排水措施水是危害路基的主要自然因素，暴雨径流可以冲毁路基及其相关设施；积水、渗透和毛细水的上升可导致路基湿软、强度降低，重者会引起路基冻胀、翻浆、湿陷及边坡塌方，甚至整个路基沿倾斜基底滑动；进入路面结构层内的水分可浸湿无机结合料的粒料层，导致基层强度下降。为了确保路基工程质量，在做好永久性排水系统的施工的同时，也要重视临时排水系统施工。路基填筑过程中严格控制横、纵控制，确保施工路基面积水快速排除。路基排水系统是由各种排放地表水和地下水的排水设施和构造物组成的总体。本段路基排水系统构造物包括侧沟、排水沟、盲沟、横向渗排水管以及施工中临时防、排水设施。施工过程以全线排水系统为指导，遵守排水系统排水方向、排水坡度，确保排水的顺畅，临时排水设施与永久性排水设施相结合，并与原有地表排水系统相适应。重视临时排水设施与永久排水设施的通用性。3．1排水沟路堑排水沟设置在堑顶外5m，用以汇集和排除路堑范围以内的地面水。路堤排水沟设置在坡脚外2m位置，排除路堤范围内的地面水以及路基面水。为确保路基不受冻胀等病害影响，排水沟由M7.5浆砌片石变更为C30钢筋砼。对于路堑段，边坡开挖前，先施工堑顶的排水沟。对于路堤段的排水沟，在路基填筑开始前进行施工，施工时做到内实外美，沟底平顺不积水。伸缩缝隙的设置距离按10～15m控制，伸缩缝内填塞沥青木板及沥青麻筋，防止水渗漏形成冻胀灾害。3．2盲沟盲沟设置在路堑堑底，主要由混凝土基础、塑料芯体、外围包裹的透水土工布和碎石组成，起汇集填料渗水并及时排除作用。现场当路堑开挖完成后及时开挖盲沟基础，并立模浇筑盲沟基础砼。基础砼达到一定强度后，先在沟底铺设透水土工布，将洗净碎石铺在盲沟里面，将塑料芯体放在沟内，采用碎石覆盖，将透水土工布将碎石包裹。3．3侧沟侧沟设置在挖方路基的路肩外侧，用以汇集和排除路基范围内各流向路基的少量地面水，包括路面、路肩、边坡坡面上流下的地表水。靠近路基侧间隔2m设置一个φ50mm泄水管以排除路基部分水，同时靠近路基侧采用透水土工布包裹，防止路基填料将管堵塞。对于来不及施工边坡防护的路堤段落在边坡上设置临时排水槽，具体见图6，并将水引至两侧的排水体统中。图6临时排水沟Fig.6temporarydrain4施工工艺4．1地基加固处理 在路基填筑前必须首先进行地基加固处理，严格按设计要求进行强夯、CFG桩、岩溶注浆、冲击碾压施工。施工前先进行工艺性试验，根据工艺性试验确定的施工参数再进行正式施工。4.2路基填筑4.2.1路基试验段施工为确保路基工程填筑质量，获取路基填筑施工工艺的有关技术参数，在正式施工前需进行工艺性试验施工[6]，用以指导本管段内的路基填筑施工。选定在DK151+250～DK151+350长100m路堤段进行路基填筑工艺试验，路基填料选用进行二次破碎的A、B组料，粒径不大于6cm且级配良好，其中基床底层顶面0.9m采用非冻胀土（归州镇采石场填料，细粒土（小于0.075mm）含量4.92％）进行填筑，通过试验段确定施工工艺参数如下:（1）压路机：宝马压路机，静压力22.5t，最大振动力40t。（2）路基填筑分层厚度：压实厚度基床以下路堤不大于40cm，基床底层不大于35cm，松铺系数为1.265-1.331。（3）最佳含水量：7.21%。（4）碾压组合方式：静压1遍、弱振1遍、强振3遍，再静压一遍收光。4.2.2路基填筑施工路基填筑施工控制要点：（1）路基填料选用进行二次破碎的合格A、B组料，粒径不大于6cm且级配良好。（2）严格按工艺性试验得出的技术参数进行施工。经现场检测，地基系数K30、变形模量Ev2、动态变形模量Evd、压实系数K、孔隙率五项指标均满足设计要求。（3）施工过程中要做好设备配套及各环节的配合工作，组织好土石方运输，使挖装、运输、摊铺、碾压各工序的作业连续、紧凑和互不干扰。（4）按照“三阶段、四区段、八流程”的作业程序进行填筑作业。每层填筑必须按规定的方法和频度进行检测，达到要求后，方可进行下一层的填筑施工。（5）在施工中始终坚持“三线四度”，在三线上每隔20米插一标志，明确中线、边线的控制点；控制路基分层厚度以确保每层层底的密实度；控制密实度以确保路基的质量及工后沉降不超标；控制拱度以确保雨水及时排出；控制平整度以确保路基碾压均匀及路基面无积水。（6）施工中认真作好原始记录、积累资料，施工中要认真进行变形观测，控制和指导施工。（7）路堤应按横断面全宽纵向水平分层填筑压实，路基两侧超填宽度不小于50cm。当地基不平时，先从最低处分层填筑，两边向中间填筑。在填筑过程中，要特别注意纵向接缝的施工工艺和质量。（8）施工中注意天气变化，当天路基填筑的填料，当天应摊铺并碾压成型。4.3路基沉降变形观测路基填筑施工中要注意路基变形观测元件埋设，同时要做好路基变形监测工作，尤其是季节性冻土路基施工更应该做好路基沉降变形、水平位移监测。沉降变形监测均按照国家二等水准测量要求，单线路往返观测，水平位移监测按照三等平面控制监测。（1）原地面沉降监测路基填筑开始时，在路基基底埋设沉降观测板，从填筑过程到路基填筑完成，严格按照频次观测（一般填筑过程中1次/天，填筑完成1次/7天）。（2）路基本体沉降监测路基填筑完成后在路基表层埋设沉降监测桩，按照1次/7天观测频率观测。（3）对于高填方段应在坡脚、平台处设置水平位移监测桩。5结论与建议本严寒地区季节性冻土路基施工所涉及的几个关键问题，可为以后类似工程施工提供一些参考：（1）路基填料必须选用非冻胀土进行填筑，控制好细粒土含量，这是确保施工质量的关键。（2）施工时间应选择在气温较高月份。（3）合理设计盲沟、侧沟、排水沟等防排水设施。（4）控制好路基填筑施工工艺及施工质量。根据路基填筑完成经过两个冻融循环后轨道检测结果，路基地段还是存在个别Ⅱ级超限情况，建议对严寒地区季节性冻土路基施工做进一步深入研究。参考文献：[1]周幼吾，郭东信，邱国庆等.中国冻土[M].北京：科学出版社，2000[2]GB/T50123-1999土工试验方法标准[S][3]SL237-1999土工试验规程[S] [4]吉林大学.季冻区公路路基冻害钻探调查与现场观测和室内试验综合研究报告[R].长春：吉林大学，2007[5]张以晨，李欣，张喜发，张冬青.季冻区公路路基粗粒土的冻胀敏感性及分类研究[J].岩土工程学报，2007[6]客运专线铁路路基工程施工技术指南（TZ212-2005）[S].北京：中国铁道出版社，2007作者简介：陈宏（1978-），男，工程硕士，高级工程师，主要从事铁路工程方面的研究。电话：18683529118，电邮：hchen2005@126.com。身份证号：511121197808166055，单位：中铁八局集团第二工程有限公司，通讯地址：四川省成都市一环路北二段100号，邮编：610081。'