我国多年冻土地区公路工程技术研究的进展

我国多年冻土地区公路工程技术研究的进展

1多年冻土区高速公路道路、路基概况黑北公路是黑河市至大连高速公路的一部分。它也是202国道的北部道路。北起黑龙江省边黑河市，南至北安市二井子市，全长243公里。路线跨越小兴安岭,其地理位置为:东经126°24′～127°27′,北纬48°20′～50°15′.该地段位于我国东北多年冻土区,按公路自然区划划分为I2区,属于低海拔、高纬度岛状多年冻土区。道路是冻土地区开发和建设的先驱,自20世纪50年代以来,随着生产建设的发展和需要,多年冻土地区道路工程建设规范逐渐扩大。但象黑北公路这样的高等级公路在多年冻土区修建,尚属首例。在这类地区进行高等级公路建设,在设计施工中若不考虑冻土工程地质的特殊性及其对路基稳定性的影响,将给国家造成巨大的经济损失及不良的社会影响。我们对黑北公路沿线多年冻土区高等级公路修筑的有关技术问题进行研究,一方面解决黑北公路建设中的有关岛状多年冻土区公路建设的技术问题,直接指导黑北公路的建设,另一方面为我国在东北岛状多年冻土地区修筑高等级公路提供技术储备与技术支撑,对我国在东北岛状多年冻土地区高等级公路建设具有重大的现实意义。2高原多年冻土地区的公路修建技术国内外对多年冻土地区公路工程研究的主要方面有冻土地区公路工程地质研究;冻土地基(路基)温度场研究;冻土地区工程结构稳定性及热学模拟研究;冻土工程与人类活动相互作用的研究;冻土地区公路工程病害预报系统研究。我国在109国道的青藏高原多年冻土地区已成功地大规模铺筑了沥青及改性沥青路面,并修建了大型桩基试验场和试验涵等系列试验工程,形成了成套的公路修筑技术,其成果已直接应用于青藏公路改建(1974～1985)、整治工程(1991～1999):在214国道西宁至玉树公路的高原退化性多年冻土地区路基路面修筑技术的研究中,修筑了不同路基高度、不同路面类型的试验路,这些高原多年冻土地区的公路修筑技术研究都得以长足发展,并取得了显著的社会、经济效益。高纬度低海拨多年冻土地区公路修筑技术研究还刚刚开始,黑北公路多年冻土地区高等级公路修筑技术研究工作的开展,将带动我国高纬度低海拔多年冻土地区公路交通事业的发展。3主要研究方向3.1冻土路基研究(1)冻土路基稳定性工程设计与施工技术研究;(2)冻土路基温度场研究;(3)建立冻土路基稳定性模型,路基路面的冻融变形研究;(4)不同路面类型对岛状多年冻土路基稳定性影响。3.2多年制冷土区高架道路结构分析(1)改性沥青混凝土路面在岛状多年冻土地区的应用研究;(2)水泥混凝土路面在岛状多年冻土地区的应用研究。4试验跑道建设4.1工程处理方案我们考查现场后,提出了浅层冻土路段(冻土总深度小于2.5m)的工程处理方案。选定K86+700～K87+100(中桥除外)和K188+225～K188+910为试验路段。4.1.1拓展园林景观、监测设备(1)地基处理及路基填筑。总体方案为清基回填(方案一)与不清基直接填筑砂砾垫层,采用塑料排水板(塑料插板)排水固结(方案二),两个方案均埋设观测设备。方案一:K86+855～K87+100,长245m,清基深1.2m,平均宽度29.6m,回填砂砾1.5m厚(沉降以0.3m厚土方计),设塑料格栅一层。方案二:K86+700～K86+800,长100m,不清基,直接在天然地表植被上填筑砂砾垫层,厚1.2m,采用塑料排水板(塑料插板)排水固结(沉降以0.3m厚土方计),平均宽度34m(两侧各增加2m),塑料格栅一层。(2)路面结构与原设计相同,即采用水泥混凝土路面。(3)设置路基地温观测断面2个(中心孔和路肩孔共4个孔)、天然地表测温孔1个;地温观测平均深度为13.0m;分层沉降断面4个(每个断面2个测点)、总体沉降断面4个(每个断面4个测点)。4.1.2k188+710图3(1)地基处理及路基填筑。总体方案为清基回填(方案一)与不清基直接筑砂砾垫层,采用塑料排水板(塑料插板)排水固结(方案二),两个方案均埋设观测设备。方案一:K188+255～K188+570,长345m,清基深0.8～1m,平均宽度21.8m,回填砂砾1.0～1.2m厚(预留沉降以0.2m厚土方计、砂砾层顶面标高高出原地表0.3m)。方案二:K188+570～K188+910(原提供冻土路段为K188+350～K188+850),长340m,不清基,直接在天然地表植被上填筑砂砾垫层厚1.2m,并采用塑料排水板(塑料插板)排水固结(沉降以0.3m厚土方计),平均宽度27.0m(两侧各增加2m宽),设塑料格栅一层。(2)路面结构。K188+255～K188+450、K188+650～K188+910两段路面结构与原设计相同,即采用水泥混凝土路面。K188+450～K188+650长200m采用改性沥青路面。(3)观测项目及实施。设置路基地温观测断面4个(中心孔和路肩孔各4个)、天然地表测温孔2个,地温观测平均深度为13.0m;分层沉降断面8个(每个断面2个测点)、总体沉降断面8个(每个断面4个测点)、路基测斜断面4个(8个测点)。(4)K188+225～K188+910段下处理完工后,暂不填筑路基土方。4.2岛状多年冻土试验路段试验路的选择主要考虑其代表性。冻土分布区域的代表性,黑龙江省是我国多年冻土分布最多的省份之一,分布的地区为大兴安岭的连续多年冻土,小兴安岭与松嫩平原的岛状多年冻土,K86+760～K87+100路段为小兴安岭西坡地带,K188+350～K188+910路段为松嫩平原的边缘地带,每一个试验路段代表一类地区的岛状多年冻土。冻土类型的代表性,由工程地质研究成果知,黑北公路穿越岛状多年冻土的路段共17段,累计长度3.165km。试验路段选在K86+760～K87+100段的冻土类型为整体、微层及层状构造的多冻土——饱冰冻土,冻土厚度4.4～5.2m,冻土平均地温为-0.06℃;K188+350～K188+910路段的冻土类型为整体状-微层状构造,多冰-富冰冻土,冻土厚度4.5～4.9m,冻土平均地温为-0.98℃;从这两段的冻土类型来讲,没有包含厚层状构造的饱冰-含土冰层,代表性不是很强。因此我们又选择一段冻土类型为厚层状构造的饱冰-含土冰层地带为试验路,即选择K113+500～K113+700(最后桩号以设计文件确定)为试验路段。在增加第三段试验路之后,其代表性就更强(原来所谓的浅层岛状多年冻土,经进一步勘探,实际上是季节冻土,因而试验路没有浅层岛状多年冻土地段)。4.3试验段钻孔深基坑设计K86+700～K87+100段地基处理、K188+225～K188+910段地基处理中的回填砂砾工程及该段的塑料排水板(塑料插板)工程均已完成。在土建工程进行的同时,试验路段所用的测设原件也完成埋设,并进行了观测。K188+600路左天然地温观测孔的钻深过程中,由于地下水位高,钻取冻土原状土比较困难,我们决定采用冲击钻解决这一难题,但当钻孔深度到达下限附近,由于土质为冻结的砂砾(碎)石,且个别碎石颗粒大(约4～8cm),导致冲击钻钻头折断,钻孔在6m深度处暂停。针对黑北公路沿线地质情况复杂的局面,应采用冲击钻与旋转钻等相配合的方法施钻。5多年冻土区融深设计值岛状多年冻土分布特征资料为:(1)K64+450～K64+600;(2)K70+500～K71+030;(3)K83+250～K83+350;(4)K84+750～K85+010;(5)K86+760～K87+010;(6)K113+500～K113+700;(7)K161+800～K161+980;(8)K166+150～K166+350;(9)174+650～K174+860;(10)K188+450～K188+950等10段采用“先修筑临时路面(沥青路面),待冻土融化完后,再修水泥路面”。(1)K69+270～K69+630;(2)K84+360～K84+430;(3)K87+830～K87+870;(4)K137+880～K138+000;(5)K188+050～+180+200等5段采用“预先融化后,修水泥路面”。而(1)K72+315～K72+390;(2)K82+630～K83+350等2段采用“维持原设计”。实际上“先修筑临时路面(沥青路面),待冻土融化完后,再修水泥路面”和“预先融化后,修水泥路面”的建议均是“预融”的冻土路基设计原则。根据地质资料,路基填土高度和黑北公路沿线的气候条件,为确保路基基底岛状冻土能在路基施工过程中充分融化,排水固结,使路基在施工过程中多一些完成沉降,而在工后沉降变形减少,使路基在营运过程中的变形不致影响路面正常使用,我们认为岛状冻土路段应全部清除表面软基(深度约1m),在工期允许的情况下,裸露1～2个月,让大气热量充分进入冻土,使冻土充分融化,在冬季回冻前完成路基施工。根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》,东北多年冻土地区融深设计值Zmddm:Zmddm=Zm00mΨmssmΨmwwmΨmccmΨmt0t0m式中:Zm00m—标准融深;Ψmssm—土质(岩性)对融深的影响系数;Ψmwwm—湿度(融沉性)对融深的影响系数;Ψmt0t0m—地形对融深的影响系数;Ψmccm—覆盖对融深的影响系数。标准融深Zm00m在东北地区高纬度多年冻土区可按下列公式计算:Zm0=0.134∑Tm−−−−−−√+0.882(m)Ζ0m=0.134∑Τm+0.882(m)式中:∑Tm—融化指数的标准值(℃·m);东北地区∑Tm=(7532.8-90.96L-93.57H)/30(℃·m)。式中:L—纬度(°);H—海拨(100m)。(1)按孙吴县气象资料(1999年)计算。融化指数∑Tm=82.2℃·m标准融深zm0=0.134×82.2−−−−√+0.882=2.0969(m)标准融深z0m=0.134×82.2+0.882=2.0969(m)有草炭覆盖时取Ψmccm=0.7,无草炭覆盖时取Ψmccm=1.0;地形影响系数取ΨmT0Τ0m=1.0;土质影响系数取粘土Ψmssm=1.0,中粗砾Ψmssm=1.3;湿度影响系数融沉Ψmwwm=0.9,强融沉Ψmwwm=0.85,弱融沉Ψmwwm=0.95。每年可融化的深度zmddm计算结果见表1。(2)按经验公式。以高程300m、纬度49°计算,∑Tm=93.168℃·m,zm00m=2.175m每年可融化的深度zmddm计算结果见表2。由以上计算可以看出,冻土层不可能在一年内全部融化,因此,为了减少公路营运过程中的路面破坏,根据刚性路面对路基变形要求高而柔性路面对路基变形要求低的特点和青藏公路建设的经验,建议:(1)K64+000～K73+000长9km和K82+000～K86+000长4km及K161+000～K181+000长20km,累计33km修筑改性沥青路面;K137+880～K138+000段,为弱融沉—融沉,工程地质条件较好,地基基本稳定,路基平均填高4.12m,岛状多年冻土经过裸露1～2个月让冻土充分融化后,再施工路基,修筑水泥混凝土路面。(2)为减少路基工程的不均匀沉降,当路基填土高度为3.5～6.0m时,设置塑料格栅一层;当路基填土高度为6.0～8.0m时,设置塑料格栅二层;当路基填土高度8.0m时,设置塑料格栅三层。(3)K113+500～K113+700为试验路段,其路面结构类型则由观测的施工过程中路基变形数据分析结果确定。(4)在所有岛状多年冻土路段建立路基变形及地温变化过程监测场