冻土区路桥过渡段差异沉降及治理措施.pdf

总657期2023年第27期（9月 下）1 工程概况某公路工程从冻土路堤穿过，该公路建成通车后，路桥过渡段出现严重的变形，以下沉和塌陷引起的沉降及冻融变形为主。实地调查后发现，公路所在地的冻土层温度较高，施工时，地表水与热交换条件发生改变，破坏了植被保护，冻土随之融化并出现沉降。同时，因排水不到位，使部分地下冰层在水的热效应作用下出现融化的现象，地面随之下沉。基于此，应对该冻土区路桥过渡段差异沉降问题产生的原因加以分析，并采取有效的措施予以治理。2 冻土区路桥过渡段差异沉降及治理措施2.1 影响差异沉降的因素2.1.1 气候变化1）全球气候变暖使生态平衡遭到严重破坏，大量的冻土和冰川出现融化的现象，气候的变化对冻土的稳定性造成极为不利的影响。2）当阳光辐射至地面时，会有一部分被地表的植物、土壤等吸收，另一部分则会被地面反射。在冻土地区，公路路基受到太阳辐射能的影响，路基会在冻融作用下发生沉降。冻土层为嵌入式结构，阳光辐射使温度场发生改变，地基承载力随之下降。2.1.2 路基变形冻土在路基修筑前始终保持比较稳定的状态，瓦砾的铺设，使冻土原本的环境遭到破坏，引起冻土层内的热量传递，冻土开始融化下沉。当公路修筑完毕后，受到车辆车载的长期作用，冻土的强度会有所下降，由此会引起沉降变形。冻胀融沉是造成路基变形的主要原因之一，降雨时雨水会渗透到路基地下，当雨水达到季节活跃层后，将会引起永冻层融化1。2.1.3 路基结构类型冻土归属于岩土介质的范畴，其具有温度敏感的特性，岩性、温度、地热等均会对冻土的结构稳定性造成影响。能够对冻土路基起到保护效果的结构类型有热棒路基、遮挡式路基、保温型路基等。除上述路基结构类型外，其余类型的路基，在冻土区域都会出现不同程度的沉降。2.2 过渡段差异沉降特征路桥过渡段的差异沉降以不均匀沉降为主，包括纵向和横向。2.2.1 纵向不均匀沉降1）桥梁出现下沉的现象，沉降以基础沉降为主，桥台地基会在低地面施工中出现不均匀沉降。2）路堤位置处的天然地基出现沉降现象，地基的自重沉降在一段时间内完成后，受到行车荷载的影响，天然地基在荷载作用下会逐步崩溃，进而引起不均匀沉降。3）排水不顺畅，使路堤结构遭到破坏，引起桥梁垮塌。2.2.2 横向不均匀沉降1）当基础条件不同时，容易引起横向不均匀沉降。旧路基运营一段时间后，会基本达到稳定的状态。但在软土地段内，新路基的固结时间比较短，在相同的荷载作用下，新路基会出现不均匀沉降，进而引起路面开裂。2）旧路与新路的基础存在差别，因强度与性质的不同，造成交叉口问题，由此容易造成横向裂缝。3）当道路两侧变宽后，偏心荷载会随之增大，从而造成不均匀沉降。此外冻土融化时，会造成路基融化变形。收稿日期：2023-02-18作者简介：张思远（1990），男，工程师，从事交通运输工程公路专业路基路面施工工作。冻土区路桥过渡段差异沉降及治理措施张思远（河北盛通公路建设有限公司，河北 承德 068150）摘要：为提升路桥施工质量，避免在冻土的冻融作用下，路基出现不均匀沉降，本文结合某公路工程实例，对冻土区路桥过渡段差异沉降及治理措施展开分析论述。研究结果表明，在冻土区，气温变化、路基变形、路基的结构类型等因素，均会引起差异沉降，对行车舒适性及安全性造成影响。为此，提出与本工程相符的治理思路和措施以治理沉降，供同类工程参考。关键词：冻土区；路桥过渡段；差异沉降中图分类号：U416文献标识码：B76交通世界TRANSPOWORLD2.3 过渡段路基变形在冻土区，路基病害比较常见，其发生与发展具有特殊性，主要是伴随地温场变化发展，热扰动会对基底的冻土产生剧烈影响，其中一部分会随着路基结构的热学性能稳定发挥2。当外界的热扰动逐步消失后，冻土会趋于稳定，此时的路基也会达到一种相对稳定的状态。然而，气候条件的变化，会对路基结构热传导性能造成影响，从而使冻土的热稳定性和路基的结构稳定性遭到破坏，进而形成病害。在一些特殊的地段，地温场的发展呈现出一定的特殊性，主要有年均气温高的盆地冻土区、冻土区的低路堤地段和斜坡地段。在冻土区路基病害可以细分为两种情况，一种是本体病害，另一种是危及路基结构稳定性的环境病害，包括热融滑塌、坡脚积水、不良冻土等3。病害成因如下：1）路基变形。在公路工程中，路基变形是较常见的病害之一，对于冻土区的路基而言，阶段变形总量与即时变形量应处在一定的范围内，以满足公路修建的需要。若变形超限，则会引起相应的病害。2）环境变化所致。当工程环境发生改变后，可能会引起路基病害问题，对于已经出现病害的路基，可采取工程措施加以整治，而潜在病害的路基，要超前预警，提出有效的工程对策，避免病害发生，热融现象引起的路基病害便属于此类病害的范畴4。2.4 数值模拟2.4.1 构建模型1）在模型构建的过程中，需要作出如下假定：冻土层受到扰动后，冻土上限会发生一定程度的变化，由此会对过渡段的路基结构稳定性产生影响。相关统计结果显示，土壤温度、含水量的差异，使应力被再次分配，由此引起的路基冻害问题较为严重。温度较低时，土壤中的水会发生相变，进而引起路基膨胀，水在冻结前出现的迁移活动，会导致比较大的冻胀变形，进而引起过渡段路基开裂或变形，不均匀沉降随之产生。在数值模拟分析中，对温度场和变形场做出如下假设：过渡段路基土为各向同性；不同的土层和保温材料均为连续体；不考虑未冻水的迁移对渡段路基温度场分布的影响；通过地表温度的改变体现热效应。2）本次数值模拟中的模型尺寸为底部宽60 m，总厚度 32.5 m，路堤填筑高度为 5.0 m，边坡坡度为 1 1.5，冻土厚度为25 m。模型中的路基具有无限扩展的特性，计算路堤边坡斜率的宽度延伸30 m外，计算深度为地面30 m以下5。温度场模型采用节点四边形热传导单元。2.4.2 差异沉降分析由模拟结果可知，随着时间的增加，过渡段与路基土层下6.0 m以上，出现较大程度的下沉现象，最大位移出现在衔接段表层，最小沉降出现在桥台表面。引起过渡段差异沉降的原因如下：桥台后地基固结变形，桥台基础未出现沉降，交界处产生差异沉降。此外，冻土区的温度变化是引起差异沉降的关键性因素。随气温升，高冻土产生融沉，过渡段的差异沉降随之增大。2.5 沉降控制措施冻土区域内，路桥过渡段的差异沉降问题相对比较复杂，其中既有垂直沉降和刚度差异，还包含冻土所特有的问题。在路桥过渡段位置处的路基护锥体表面有部分暴露在外，不但与空气接触，还会受到阳光辐射，使得过渡段的路基温度场与线路中其他位置处的路基温度场有所差别。当冻土的温度上升后，土体结构的强度及刚度均会随之下降，从而引起桥台与路基间较大的差异沉降。通过对国内冻土地区公路采用的处理措施进行调查，总结出不同冻土条件下，各类措施的具体效果，为路桥过渡段差异沉降控制措施的制定提供参考依据。2.5.1 常用措施1）以桥代路。在一些稳定性比较差的含冰冻土区内，采用热棒、抛石等方法，治理路桥过渡段的差异沉降效果较差，实践表明，此类冻土区，应采取以桥代路的方式治理过渡段差异沉降问题。该措施的基本原理如下：将桥墩打入冻土内30 m以上，此时的桥墩将会与永久冻土层产生摩擦，该阻力完全能够支撑路基结构的稳定性，由此能够使冻土的冻融与冻胀对路基结构的影响降至最低度6。该措施在一些工程中的应用取得良好的效果，对冻土的扰动大幅减少。但在实际应用中发现，以桥代路治理路桥过渡段差异沉降的成本较高，尤其在我国冻土区多分布于东北和青藏等地区，以桥代路从冻土上全线穿过造价过高。2）保温隔热板。该措施的基本原理如下：将保温隔热效果比较好的材料加铺在路桥过渡段的路基上，借助材料本身的低导热性，对永冻层加以保护，使其免受上层热流的侵入。按照导热的原理，绝热材料与土壤在导热系数方面存在较大的差距，约为40倍左右，在地表上发生的热交换引起的路基蓄热，会使冻土的上限减小。随着保温隔热层的铺设，能够对冻土上限起到补偿的作用，进而确保冻土上限不会发生改变。研究结果表明，选用材料的导热系数越小，效果越好。通过实际应用发现，保温隔热板能够对路基温度场起到有效的保护，寒冷季节可以减少冷量扩散，降低季节性冻结的深度；温暖季节，保温隔热板可以阻挡上部的热量侵入，使路基土由于温度升高而不会出现较大的沉降变形，能够保持路基结构的稳定性7。实际应用中发现，在寒冷的季节，保温隔热板的加入会对土77总657期2023年第27期（9月 下）壤与外界的热交换造成影响，路基土无法从上向下冻结，因此，保温隔热板下方的土体将无法在寒冷季节通过吸收外界的冷量达到降温的效果。3）片块石。片石或块石路基可以有效缓解人为冻土上限的不对称性问题，除了能够保持路堤结构的整体稳定性外，还能避免路堤出现差异变形和开裂等情况。片石或块石路基受降雨影响比较大，雨水会渗入片块石路基中，由于此部分积水无法有效排出，从而增大了路基病害产生的可能性。4）热棒路基。这是冻土地区公路建设中应用较为广泛的一种路基结构类型，热棒的基本原理如下：借助冷却材料在封闭容器中的两次转换，使热量从温度较高的一端传递到温度较低的一端，以此来实现高温冷却，如此便可形成热虹吸管。该结构是一个封闭的管状容器，暴露在空气中的上部为冷却部分，埋设在路基中的下部为蒸发部分。蒸发部分液体吸收热量后，会产生汽化现象，蒸汽在压差的作用下，会沿容器上升到冷凝端，通过释放热量完成冷凝。当液体凝结后，在重力影响下，会沿着容器向下流动，到达蒸发段后蒸发，在反复循环中，使地基降温。热棒最为突出的特点是能够为路基土体降温，使冻土始终维持在一定的温度内，从而确保路基稳定。大量工程实践表明，热棒在确保冻土路基稳定性方面具有显著效果。实际应用中发现，当热棒埋入路基土体后，冷凝段需要长期暴露在大气环境当中，由此使得热棒工作时会受到外界干扰，如果热棒无法正常使用，则会对冻土的性质造成影响。截至目前，尚无有效的方法能够确保热棒的工作始终保持正常，热棒应用受限。2.5.2 治理思路在冻土区，路桥过渡段差异沉降受诸多因素的影响，除常规因素外，还包括冻土本身对温度的敏感性。随着温度的变化，冻土的性质会随之发生改变，从而引起路基改变。随着环境温度的升高，冻土的强度会有所下降，其承载力也会相应降低。冻土中的冰含量决定了冻土的性质，冻土融化时，冻土层中的冰含量越多，融化系数就越大，随之产生的沉降量就越大。基于此，为控制沉降，应采取有效的降温措施。此外，还要加强排水，逐步改善地面条件，减少水热侵蚀造成的融化，降低沉降发生的概率。2.5.3 治理措施1）保护冻土。在路桥过渡段的斜坡前布设加热器，以此来冷却地基，提高冻土的人为上限，防止冻土融化，达到保护冻土的目的，进而降低过渡段差异沉降的产生；将石层铺设在过渡段上，与热棒相配合，进一步增加冻土的保护范围，减少暖季向地面土壤传入的热量。同时，应保护桥台的防护锥，防止桥后路基沉降引起防护锥沉降，进而造成过渡段差异沉降；利用石材增加冻土的保护范围，提高路基的热稳定性。2）防排水。通过修筑斜坡以处理地表水，路基附近的排水沟应进行修复或重建，并在部分路段保留保温路径，设立垂直的挡板，防止地表水出现积聚的现象；利用注浆法修复沉降路基，减少路基填土引起的水平冻胀，提高路基的平整度和稳定性。2.6 病害处理措施本工程中，过渡段差异沉降值最大的位置在路基上，采取的处理措施应能够减小该位置的沉降值，具体的处治思路如下：冻土区域内，路桥过渡段受冻土温度的影响相对较大，相对于一般路段的路基而言，过渡段病害所呈现的特征更多。基于此，结合一般地区路桥过渡段病害的防治措施和冻土区过渡段沉降控制措施，提出以下病害处理措施：过渡段差异沉降最大处出现在过渡段路基上，可以在该位置处，采取短桩基的办法做地基处理，选用钢筋混凝土桩，桩基深度设计为2倍的冻土上限，以此来减小地基融化后的沉降变形8。3 结束语冻土区路桥过渡段差异沉降治理是一项较为复杂且系统的工作，为达到预期的治理效果，应分析影响沉降的因素，同时结合冻土区的特点，以采取行之有效的措施，从而对沉降加以治理，进一步确保路基的整体稳定性。参考文献：1 刘杰辉.路桥过渡段的软基路基路面结构设计和施工J.山西建筑，2022（1）：128-130.2 马加存，赵全满，张明虎，等.高速公路改扩建中路桥过渡段差异沉降控制方法及标准研究J.公路，2021（10）：76-83.3 许世芹.路桥过渡段路基路面设计及其沉降处理分析J.砖瓦，2021（5）：100-101.4 鲁得文，曹继伟.多年冻土区路桥过渡段沉降特性数值模拟研究J.江西建材，2021（4）：179-180.5 李春山.路桥过渡段路基路面设计要点及沉降处理措施J.绿色环保建材，2021（4）：89-90.6 赵正信.路桥过渡段沉降成因分析与设计、施工控制探讨J.中华建设，2021（1）：93-94.7 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