青海省盐渍土区公路路基拓宽溶陷变形控制关键技术研究
时间：2023-02-08 13:15:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
许正璇
(青海省交通规划设计研究院有限公司，青海 西宁 810000)
随着我西部地区经济的快速发展，一些早期建设的重要干线已经逐渐显示出通行能力不足的特点，为满足日益增长的交通需求，保障公路快捷、畅通的服务优势，对已有的公路进行扩容拓宽的工作量日益增长[1]。
路基加宽工程中不可避免地面临新老路基不均匀沉降问题，若处治不当，极易在新老路基衔接处上方路面出现纵向开裂，影响道路的使用性能[2]，增加公路运营期的维护成本。因此，研究新老路基差异沉降规律并采取有效的技术措施，以保障新老路基整体性，并减小不均匀沉降，具有重要的意义。FORSMAN[3]等指出铺设土工合成材料是解决加宽路基与既有路基差异沉降的有效手段，尤其是地基为软弱土层时，还可以减少路基水平位移并降低路面开裂的可能性。HABIB[4]等利用室内模型和数值仿真分析，获取了填筑方法对加宽路基失稳破坏的影响规律。HAN[5]等提出将桩网复合地基作为加宽路基下部地基的处理方式，在有限元分析的基础上建立了相应的设计方法。孙伟[6]等利用数值仿真分析研究了模量变化对地基与加宽路基沉降的影响，进而提出了对实际高速公路拓宽工程的指导建议。钱劲松[7]等指出了传统的分层总和法在计算路基沉降时的弊端，并利用ANSYS对公路拓宽工程进行了有限元分析，指出双侧对称加宽比单侧加宽更有利于保护路面。周志刚[8]等将新老路基沉降问题视为弹性力学平面应变问题，分析了新路堤的自重沉降和应力分布特征，并认为应在加宽基层顶面预留一定的沉降量以应对新路堤的工后沉降，进而避免在衔接处产生纵向裂缝。陈海珊[9]等针对软基上路基拓宽问题，进行了深入分析和探讨，提出了采用粉喷桩预先加固地基来减小新老路基不均匀沉降的措施。章定文[10]等在充分调研国内外公路加宽工程案例的基础上，系统地概括和总结了软基地段公路加宽工程的质量保障措施，包括设计计算方法、地基处理方法、新老路基衔接技术、加新老路基差异沉降控制标准等，为类似工程的设计和施工提供了重要参考依据。
盐渍土是我国西部和北部干旱、半干旱地区特有的一种地质环境，随着西部大开发建设的推进，许多西部盐沼地区公路面临扩容拓宽的需求，若新老线路协调处治不当，加之地基盐渍土的不良工程性质，容易发生盐胀、翻浆、溶陷、开裂、坑洼等路基路面病害，从而影响公路的正常运营[3]，而目前对于盐沼地区公路线路路基拓宽技术的研究报道较少。本文以青海省某穿越盐渍土公路的线路路基拓宽建设为例，对新路基盐渍土进行了不同含盐量、压实度、上覆压力下的溶陷变形试验，分析了溶陷变形的影响因素，并根据高地下水位盐渍土路基的防溶陷需求探讨了阻水措施，最终建立了试验段进行阻水方案效果的论证，研究可为干旱与半干旱盐渍土地区的公路路基拓宽设计和施工提供参考。
本工程属于《青海省省道网规划》(2012年—2030年)中的某公路建设工程，按照一级公路技术标准建设，部分路段利用了旧路基进行拓宽。工程穿越地区属暖温带高原荒漠干旱气候，少雨、多风、干旱，冬季漫长寒冷，夏季凉爽短促，降雨量年平均仅41.5 mm，蒸发量却高达3 000 mm以上。日照时间长，年平均高达3 358 h，光热资源充足，降水过程主要集中在每年的5月—9月间，占全年降水量的70%以上。年平均气温4.14 ℃。最冷月1月、2月平均气温-20.6 ℃，极端最低气温-29.5 ℃；
最热月8月平均气温20.4 ℃，极端最高气温34.6 ℃。
公路沿线有元古界、古生代的奥陶系、泥盆系、石炭系、第三系和第四系松散堆积层发育，盐渍土共计67.119 km/20段，长度超过5 km的共有4段(见表1)，均为弱-中盐渍土。线路经过盐渍土地区时(见图1)，地表积水，地面植被茂盛，局部表层约0.2～0.4 m厚的盐粒析出，其下为细砂土或粉质土，地下水位很高。
表1 主要盐渍土分布Table 1 List of major saline soil distribution
图1 区域内盐渍土
对于区内路基填筑，若盐渍土利用不当将严重威胁到工程建设的质量、安全、进度、耐久性等。盐渍土变形主要分为盐胀变形和融陷变形，其中前者主要针对硫酸盐渍土，而对于本工程中氯盐渍土，溶陷是最为常见的问题。盐渍土在干燥情况下，由于盐晶体的胶结作用而具有一定的强度，遇水后随着结晶盐的溶解，胶结作用逐渐消失，内部土颗粒发生移动并进行重新排列，导致土体内部结构的剧烈变化(见图2)，在宏观上则表现为土体发生显著的沉降，强度和承载力成倍降低。本线路拓宽工程中，老路基已经相对稳定，而新路基主要弱氯盐渍土填筑，地下水位较高，根据上述机理，容易出现因为新路基溶陷变形导致的新老路基差异沉降。
(a) 浸水前
(b) 浸水后
为了了解现场盐渍土的溶陷性质，为后续处治提供参考，首先开展了盐渍土的溶陷性试验。
3.1 试验方案
盐渍土溶陷量主要受含盐量、压实度、上覆压力等因素影响，本文在现场采取了含盐量为2%、4%、6%、8%的4种盐渍土，压实度按0.89、0.91、0.93、0.95、0.97进行控制，根据土体自重与受荷情况，按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[12]中的单线法要求开展试验，浸水过程中设施了50、100、150、200和250 kPa五级压力，初始含水率统一设置为6%左右。
3.2 溶陷变形曲线特征
图3为不同含盐量下，压实度为0.93盐渍土试样在各级压力下的溶陷变形曲线。
(a) 含盐量2%(b) 含盐量4%
(c) 含盐量6%(d) 含盐量8%
从图3可以看出，不同盐渍土试样的溶陷变形曲线趋势基本相同，试样在浸水后，首先出现溶陷变形快速发展，试样内部结晶盐大量溶解，骨架结构发生变化，发生显著溶陷变形。随后试样进入溶陷变形稳定阶段，变形量和变形速率显著减小，试样呈现出蠕变特性，因为试样随着时间的增加仍会有微小量的变形产生。溶陷变形与含盐量和上覆压力有密切的关系，以含盐量2%试样为例，当溶陷变形进入稳定阶段时，上覆压力为50、100、150、200、250 kPa时的溶陷变形分别是0.66、1.10、1.40、2.25、2.76 mm，这说明在上覆压力是有助于溶陷变形增长的；
此外，以上覆压力为50 kPa时的试样为例，当溶陷变形进入稳定阶段时，含盐量2%、4%、6%和8%试样的溶陷变形分别是0.70、0.88、1.27、1.84 mm，这说明含盐量越大的盐渍土溶陷变形的特征越为明显。
3.3 压实度对溶陷系数的影响
溶陷系数与压实度的关系曲线如图4所示，可以看出，盐渍土的溶陷系数与压实度密切相关。以含盐量2%盐渍土样为例，在上覆压力为50 kPa时，压实度0.89、0.91、0.93、0.95、0.97试样对应的溶陷系数分别为0.028、0.017、0.012、0.009、0.006，表明随着压实度的增大溶陷系数明显减小。这是因为压实度增大意味着孔隙率减小，试样内部供水分流动的连续孔隙通道减少，试样受水分影响的程度降低；
同时还可以发现，当压实度增加到0.93后，溶陷系数就基本趋于稳定，后续压实度即使再增加，溶陷系数变化幅度也不大。此外，上覆压力也对溶陷系数有一定影响，当压实度为0.89时，上覆压力为50、100、150、200、250 kPa试样对应的溶陷系数分别为0.028、0.042、0.059、0.092、0.095，这说明随着上覆压力的提高溶陷溶陷系数也在增加。
(a) 含盐量2%(b) 含盐量4%
(c) 含盐量6%(d) 含盐量8%
以K63+400～K68+900内某拓宽段为例，现场修筑新路基各层的压实度为0.96、0.94、0.93，地下水水位较高，有害毛细水上升高度大于地下水埋深，毛细水可进入路基。根据上述溶陷变形试验，可知当地下浸入时，对压实度为0.93路基层的影响相对较大，从而导致因新路基溶陷变形产生的新老路基不均匀沉降。根据青海省以往筑路经验，在保障路基压实度的基础上，需要进行路基阻水处理，通常有如下2种阻水方案进行比选：
a.方案A：在地表以下0.5～1.0 m范围内采用天然砂砾换填盐渍土，然后在路面结构下设置20 cm砂砾阻水层，然后铺设单层隔水土工布，如图5所示，总结该方案为：砂砾换填+砂砾层+单层土工布阻水层。
图5 方案A示意图Figure 5 Schematic diagram of plan A
b.方案B：在地表以下0.5～1.0 m范围内采用天然砂砾换填盐渍土，路面结构层下设置“两布一膜”的复合土工膜，如图6所示。总结该方案为：砂砾换填+复合土工膜阻水层。
图6 方案B示意图Figure 6 Schematic diagram of plan B
2种方案的比选如表2所示。
表2 线路阻水方案比选Table 2 Comparison of water resistance scheme
根据上述分析，方案A中对砂砾材料的需求量更大，考虑到建设现场附近无砂砾来源，需要远距离运输，从而延长工期和提高成本，因此，最终采用了方案B作为阻水措施，并对“两布一膜”复合土工膜的性能指标进行了严格控制要求：布(质量， g/m2)/膜(厚， mm)/布(质量， g/m2)≥150/0.3/150，总厚度≥2.4 mm，极限抗拉强度≥17 kN/m，极限伸长率≥30%。
在现场修筑了150 m的试验段，采用方案B进行阻水设计，以验证采取措施后新老路基的差异沉降改善效果。图7、图8为修筑过程。
图7 分层碾压Figure 7 Layered crush
图8 复合土工膜铺设Figure 8 Laying of composite geotechnical film
路基填筑完成后，在接近路基面处埋设了6处沉降观测点(见图9)，其中1、2观测点位于非试验段新路基，3观测点位于非试验段老路基，4、5点位于试验段新路基，6点位于为试验段老路基。图10为路基沉降曲线。
图9 沉降板埋设
(a) 非试验路段
(b) 试验路段
由图10(a)可知，非试验路段新路基测点1和测点2的最大沉降达到了34.27 mm和24.12 mm，其中观测85～95 d期间，现场有降雨，由于地下水位上升和雨水入渗作用，盐碱地基和路基的含水率均上升导致软化，在此期间沉降量快速增加；
此外，老路基也收到新路基沉降的扰动，最大产生了5.3 mm的沉降，新老路基的差异沉降达到了近30 mm；
而对于试验路段[见图10(b)]，新路基最大沉降明显减小，而且由于复合土工膜起到一定阻水作用，在85～95 d的降雨期沉降没有发生“陡增”，老路基几乎沉降为0 mm，最终的差异沉降控制在10 mm左右。通过3个多月的观测，试验段路基差异沉降较小，说明进行3层加筋与阻水设计后，拓宽线路的整体性和水稳性较好。
本文以青海省某穿越盐渍土区公路线路路基拓宽工程为例，研究探讨了路基盐渍土溶陷变形规律和线路路基阻水方案，得到如下结论：
a.在相同压实度下，溶陷变形随着上覆压力和含盐量的增加而增大。
b.随着压实度的增大溶陷系数减小，当压实度增加到0.93左右时，溶陷系数基本趋于稳定，后续压实度即使再增加，溶陷系数变化幅度也不大。
c.推荐采用砂砾换填+复合土工膜的方案来进行新路基阻水，即在地表以下0.5～1.0 m范围内采用天然砂砾换填盐渍土，在路面结构层下设置“两布一膜”的复合土工膜防止雨水入渗，并应严格控制“两布一膜”的材料质量。
d.根据3个多月的观测，相对非试验路段，试验段新老路基差异沉降在10 mm左右，说明进行盐渍土路基阻水设计后，由新路基溶陷变形造成的新老路基差异沉降问题得到了缓解，盐渍土拓宽线路路基的整体性和水稳性得到了提高。
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