Effect of replacing-filling and dewatering-draining measures on frozen characteristics of weak subgrade in cold valley region
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摘要: 基于甘肃南部宕昌-迭部二级公路, 选取了2个典型寒区沟谷软土路基试验段, 监测了2个冻融期内路基温度、含水量、变形以及地下水位, 分析了弃渣换填深度与降排水措施对路基冻结特征的影响。分析结果表明: 在监测的2个冻结期内, 换填深度为2.0m的试验段K18+180的冻结深度比换填深度为1.0m的试验段K18+330的冻结深度大0.12~0.16m, 说明换填深度越大, 冻结深度越大; K18+330段初始地下水位为3.4m, 仅设置地表排水沟时, 冻结期间地下水位稳定在3.4m左右, 距冻结面的最小距离为1.7m, 说明设置排水沟时地下水位在冻结期间基本没有变化; K18+180段初始地下水位是1.3m, 在设置了渗沟降水措施后, 冻结期间地下水位稳定在2.0m左右, 距冻结面的最小距离为0.2m, 地下水位降低了约0.7m, 因此, 渗沟降水可以降低地下水位, 防止路基冻胀; K18+180段路基中心2个周期监测的最大冻胀分别为3.4、4.2mm, 而K18+330段相应位置的最大冻胀分别为10.7、14.0mm, 后者均是前者的3倍多, 说明换填深度越大路基冻胀越小; 《公路路基设计规范》 (JTG D30—2015) 规定的二级公路容许冻胀为50mm, 软土路基容许工后沉降为500mm, K18+180、K18+330段路基的最大沉降分别为1.5、1.8mm, 最大冻胀分别为4.2、14.0mm, 远远小于规范值, 表明试验段路基的稳定性良好, 采用换填与降排水措施能有效控制路基冻胀。Abstract: Based on the Tanchang-Diebu Secondary Highway in South Gansu, two typical soft soilsubgrade test sections in the cold valley region were selected, the subgrade's temperature, moisture content, deformation and the groundwater level were monitored, and the influences of the muck gravel soil's replacing-filling depth and dewatering-draining measure on the frozen characteristics of the subgrade were analyzed. Analysis result indicates that in the two monitored frozen periods, the maximum frozen depths at the test section K18+180 with 2.0 m-replacingfilling thickness is 0.12-0.16 m deeper than those at the test section K18+330 with 1.0 mreplacing-filling thickness, so the bigger the replacing-filling thickness is, the bigger the frozen depth is. For the test section K18+330, the initial groundwater level is 3.4 m. When the surface drains were only adopted, the groundwater level in the frozen periods is about 3.4 m, and the smallest distance to the frozen surface is 1.7 m, which shows that the surface drains scarcely affect the groundwater level in the frozen periods. For the test section K18+180, the initial groundwater level is 1.3 m. When the seepage ditches are adopted, the groundwater level in the frozen periods is about 2.0 mand reduces by 0.7 m, and the smallest distance to the frozen surface is 0.2 m, therefore, the seepage ditches can reduce the groundwater level and prevent the frost heave of the subgrade. The maximum frost heaves of the center of the test section K18+330 are 3.4 and 4.2 mm in the frozen periods, respectively, and the values of the test section K18+180 at the relevant position are 10.7 and 14.0 mm that are more than three times as much as the formers, respectively, therefore, the bigger the replacing-filling thickness is, the smaller the frost heave of the subgrade is. The maximum frost heaves of the test sections K18+180 and K18+330 are 4.2 and 1.4 mm, respectively, the maximum settlements are 1.5 and 1.8 mm, respectively, and they are much less than the admissible frost heave of 50 mm and the admissible settlement of weak subgrade of 500 mm for the secondary road in the Specifications for Design of Highway Subgrades (JTG D30—2015), therefore, the stability of the subgrade at the test section is good, and the replacing-filling and dewatering-draining measures can effectively control the frost heave of the subgrade.
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0. 引言
中国的公路建设重心已经转向中西部自然条件复杂多变的山区[1], 季节冻土区占中国陆地面积的53.5%[2], 大量的公路工程迅速向寒冷山区扩展。山区修建公路往往要通过沟谷地段, 地势较低, 排水不畅, 土体一般呈饱和甚至过饱和状态[3, 4]。在寒冷山区沟谷段降雨主要集中在秋季, 局地气候阴湿, 浅层土体含水量较大, 沟谷地段冲、坡积物具有类似软弱土的特性, 在冬春季极易发生冻胀翻浆病害, 已成为中国西北、西南部分兼具高寒、阴湿两方面气候特点地区公路建设面临的关键问题。根据以往的经验和寒区工程实例, 在寒区修筑道路, 路基土质、水分与温度直接影响着路基的冻结特征[5, 6, 7, 8], 为防治冻胀, 至少需要减少或消除其中一个条件的影响。
换填法是防止路基冻胀的重要措施, 许健等结合室内试验和数值模拟方法分析了换填法抑制铁路路基冻胀的效果[9]; 明锋等采用数值模拟方法分析了山区软基合理的换填深度[10]; 新疆兵团垦区公路实践表明, 用风积沙换填可以有效防治三级及以下等级公路的冻胀病害[11]。但换填法的缺点是当需要远距离运输非冻胀土时换填深度直接关系工程的造价和防冻害的效果[12]。山区弃渣作为路基填料已在国内外引起广泛的关注[13, 14, 15, 16, 17]: 张莎莎等指出泥质软岩混合料弃渣填筑路基的松铺厚度宜控制在40cm左右[13]; 宋轶璋等通过对隧道弃渣工程性质的检测, 指出弃渣具有透水性好、强度大与不易发生沉降的优点[14]; Bellopede等以意大利的2座隧道为例, 指出大约46%的隧道挖方弃渣作为路堤填料与混凝土骨料被再利用, 并认为需改进技术以充分利用隧道弃渣作为路堤材料[15]; Oggeri等研究了石灰改良弃渣的分类和应用, 指出应结合室内和现场特征测试来评估弃渣再利用的方案[16], 并指出了弃渣用于施工骨料、道路材料、工业原材料、环境或土地恢复、填埋的5种分类, 研究了分类后弃渣利用的相关性[17]。上述这些研究成果为弃渣再利用提供了参考价值, 但是, 很少研究弃渣作为寒区路基换填料的防冻胀效果。
在寒冷山区, 考虑到材料运输困难, 如就地取材, 将山区道路修建中产生的大量挖方弃渣作为路基换填料, 既解决山区路基填料缺乏且材料运输不便的难题, 又有效利用了直接影响公路沿线生态环境、土地资源和工程建设资金的挖方弃渣, 充分发挥换填法的优点。此外, 在冻胀防治研究方面, Lai等指出降低路基土体中的水分和地下水位, 是防治冻害的关键[18]; 李东庆等发现采用粗颗粒土结合隔水措施对青藏公路路基冻胀病害具有积极作用[19, 20]; 许健等指出保温法能有效减少季节冻土区铁路路基冻害的发生, 但当地下水位较高时, 地下水的长期浸泡使保温材料导热系数增大进而降低保温效果[21, 22]。
同时, 针对寒区路基冻结特征和热稳定性问题, 前人也开展了一些针对性的研究工作和工程实践应用。牛富俊等监测与分析了季节冻土区哈大高铁的典型路涵过渡段冻结特征, 指出涵洞减弱了路基的阴阳坡效应差异[23]; Liu等分析了季节冻土区换填路基的热状况特征, 并通过现场监测试验研究了结构型式对哈大高铁路基冻结特征的影响[24, 25]; 权磊等通过现场监测数据分析了青藏高原高等级道路路基温度的变化特征[26]; 李金平等研究了漠北公路路基实测温度和变形特征[27]。这些研究成果进一步说明现场试验是路基冻结特征最直接和可靠的研究方法。
综上所述, 目前, 基于现场试验的研究成果多集中在多年冻土区和季节冻土区铁路路基稳定性问题上, 但依托实体工程针对季节冻土区山区沟谷公路路基的研究成果很少, 虽然山区隧道弃渣可以作为路基填料, 但其作为换填料对寒冷山区路基冻结特征的影响鲜见报道。新建宕昌-迭部二级公路工程(以下简称新宕迭公路) 位于甘肃省南部的陇南市和甘南藏族自治州境内, 是国道212和213的联络线, 穿越高寒山区沟谷段, 软基冻害是其面临的突出病害问题, 根据该区域特殊的气候条件和地质条件, 从选择非冻胀敏感性土、防水两方面入手, 提出弃渣碎石土换填结合降排水的冻害防治措施。基于距离腊子口隧道东面8km处的实体路基试验段, 设置监测断面, 基于路基土体地温、土体含水率、地下水位与路基变形的监测数据, 分析了弃渣碎石土换填深度与降水措施对路基冻结特征的影响, 以期为解决此类特殊环境下的工程问题提供一定的指导和借鉴依据。
1. 研究区域概况
1.1 工程背景与气候条件
新宕迭公路总体走向由东向西(图 1), 试验场地的气候条件见表 1, 结合表 1与图 1可知试验场地属于典型的季节性冻土区。
表 1 试验场地气候条件Table 1. Climate conditions of test site
1.2 试验场地工程地质条件与路基冻胀机理
根据试验场地的钻孔资料, 主要的地层划分见图 2, 粉质黏土的基本物理指标见表 2。根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》 (JTG/T D31-02—2013) 中软土的判定标准, 试验场地的粉质黏土属于软土。
表 2 粉质黏土层的物理指标Table 2. Physical indexes of silty-clay layers
试验场地地下水位埋深较浅, 最浅处约为1.1m, 降雨量主要集中于每年的7~10月, 秋季降雨量大且降温迅速, 冻结前土体含水量大, 进入冻结期后, 地下水在冰冻作用下向上迁移、聚集, 冻结锋面产生冰晶聚集[28], 产生严重的冬季冻胀。地质勘查中发现原土层地表下50~80cm深度的软弱粉质黏土层发育了较厚的多层分凝冰(图 3(a)), 使得原宕迭公路的该段春融期发生严重的车辙和翻浆破坏, 见图 3(b)。
2. 试验
2.1 试验材料
试验土料取自腊子口隧道的挖方弃渣(图 4), 其天然级配曲线见图 5, 不均匀系数为77, 曲率系数为1.3, 属于级配良好土体。根据《公路土工试验规程》 (JTG E40—2007) 标准重型击实试验的结果, 弃渣碎石土最优含水率为5.8%, 最大干密度为2.25g·cm-3。当含水率为5.8%, 融土(23℃) 和冻土(-10℃) 导热系数分别为1.73和2.06 W· (m·K)-1。其渗透系数为0.14cm·s-1。为了进行室内冻胀试验, 过20mm筛后弃渣碎石土粒径小于0.075mm的颗粒含量为14.2%, 并对初始含水率为5.8%和12.0%的弃渣碎石土进行补水和不补水冻胀试验。试验结果显示: 在补水条件下其最大冻胀率分别是0.28%和0.46%, 根据《公路路基设计规范》 (JTG D30—2015) 中季节冻土的冻胀性分级标准, 弃渣碎石土是非冻胀土或弱冻胀土, 即从级配的角度和防冻胀要求的角度, 隧道施工所产生的弃渣碎石土可满足工程换填要求。
2.2 试验方案
针对原宕迭公路出现的冻害问题(图 3), 结合现场水文地质条件, 从选择非冻胀敏感性土与防水两方面入手, 采取的防治措施见表 3。本文的侧重点主要是针对2种换填深度的对比, 并且由于山区沟谷段施工场地有限, 所以, 在研究区域内没有足够的场地单独设不换填的普通路段, 因而原有道路的情况属于普通路段。
表 3 软土路基处理措施Table 3. Protective measures of soft soil subgrade
2.3 现场试验内容、仪器布设与数据采集
现场进行了路基地温、水分、地下水位与变形的监测, 图 6为监测孔的布设, K18+180段路基断面和监测孔见图 7。南路肩地温监测孔因施工损坏, 图 7中未标注。地温监测孔深5m, 地表至2m深度探头间隔0.25m, 2~5m探头间隔0.5m。试验用温度探头是中国科学院冻土工程国家重点实验室研制的高精度热敏电阻探头, 其测量精度为0.05℃, 测温范围为-30℃~50℃。变形测量仪器采用湖南湘银河公司生产的YH-2500冻胀仪, 分辨率为0.01mm, 量程为±200mm; 温度和变形数据都是通过CR3000数据采集仪存储, 采集频率为6h·次-1。水分监测采用美国Decagon公司生产的ECH2O土壤水分传感器, 精度为2%, 测量值为体积含水量。水位监测采用钻孔安装探头自动监测, 探头采用美国Oneset Computer Corporation生产的HOBO U20探头, 可以长期自动记录, 精度为0.1% (即0.1cm), 水分和水位数据采集频率为4h·次-1。在现场施工完成后, 于2013年10月10日全部完成相关自动数据采集设备的布设。因该区域手机基站信号未覆盖, 无法实现远程传输接收数据, 故每季度人工集中下载数据一次。本文分析的地温和变形时间段为2013年10月12日至2015年10月12日, 地下水位和水分是2013年8月中旬至2015年8中旬期间的数据, 即2个冻融周期的数据, 后期数据因设备被人为等因素破坏未能延续, 但该数据基本显示了工程措施的效果。
3. 试验结果分析
3.1 路基地温
地温场的变化幅度和深度反映冻结深度的变化, 由图 8可知: 相比于天然场地和北路肩, 路基中心地温时程等值线0℃线包围的负温区域最大, 说明路基中心的地温更低, 因而路基中心的最大冻深也更大(表 4), 这说明同一试验段存在一定的路基横向热差异; K18+180段2个冻结周期监测到的路基中心最大冻深分别为1.84、1.86 m, 北路肩最大冻深分别为1.05、0.98m, 相应周期内K18+330段路基中心监测到的最大冻深分别为1.70、1.74 m, 北路肩的最大冻深分别为0.91、0.82 m, 即前一试验段冻结深度比后一试验段的大0.12~0.16m, 说明路基土体同一深度处的地温是K18+180段低于K18+330段的, 因而换填深度越大冻结深度也越大; 天然场地2个周期的最大冻深分别为0.89、0.79m, 结合表 4能明显地看出路基土体的最大冻深均大于同时期天然场地的最大冻深, 这是因为试验段路基换填深度内所用的碎石土填料和天然土体相比细颗粒少, 含水率低与导热系数高; K18+180段的最大冻深稍大于K18+330段的最大冻深, 一方面因为其换填深度较大, 另一方面由于山体遮挡作用不同导致不同位置的试验段受到的太阳直射时间存在差异; K18+330段2个冻结周期路基中心的最大冻深分别为1.74、1.70m, 比该段换填深度1.0m分别大0.74、0.70m, 这会增大路基基底冻胀的可能性, 从土体冻胀敏感性角度考虑, 换填深度1.0m不能完全消除路基冻胀。
图 7 K18+180段路基断面和监测孔Figure 7. Cross-section and monitoring boreholes at section K18+180表 4 不同位置的最大冻深Table 4. Maximum frost depths at different locations
3.2 路基水分
试验段路基土体水分随时间的变化见图 9, 可知: K18+180和K18+330试验段路基土体含水率在冻结期的变化趋势基本一致, 在融化后水分状态趋于稳定, 并且在连续的3个秋季里(8~10月) 含水率均未发生明显的变化, 说明试验段设置的地表排水沟截断了地表水分的补给; K18+180段和K18+330段路基中心回填表面含水率冻结前均稳定在27%左右, 冻结期分别稳定在12%与17%左右, 冻结后分别稳定在27%和29%左右, 说明K18+180段因设置了渗沟降低了地下水位, 减小了地下水对路基土体的补给, 而K18+330段存在水分的补给, 即K18+180段采用渗沟结合排水沟的措施达到了截断地下水和地表水补给, 进而减小水分渗透和迁移的工程效果, 而K18+330段仅设地表排水沟只能防止地表水的渗透。
3.3 路基地下水位
图 10为试验段地下水位随时间的变化曲线, 可知: 在图 10(a) 中, 在采取降水措施前, K18+180段初始地下水位深度为1.3m, 进入冬季后, 土体发生冻结, 地下水位持续降低, 在2014年3月6日达到最低值2.1m;之后随着春季气温的回升, 路基土体进入融化期, 地下水位开始波动式缓慢上升; 对比图 10(b) 发现, 2个试验段地下水位总的变化趋势相似, 但在降雨量集中的9月份和5月份之后, 地下水位的变化有着明显的差别; K18+330段由于仅设地表排水沟, 在降雨量大的秋季, 地下水位显著抬升, 至5月份夏季开始, 地下水位在高于初始水位深度处波动, 最大波动幅度达0.2m, 而K18+180段的地下水位一年四季始终低于初始水位; 分析这种差别产生的原因是K18+180段采取了降水措施, 而K18+330段没有设置降水措施, 说明采用排水沟排水结合渗沟降低地下水位的综合措施要比单一的排水措施更有效。
3.4 路基变形
试验段路基变形发展过程见图 11, 可以看出: 路基施工完成后2个试验段均发生了很小的工后沉降, K18+180和K18+330段监测期最大沉降分别为1.5、1.8 mm, 远远小于《公路路基设计规范》 (JTG D30—2015) 规定的软土路基二级公路容许工后沉降500mm; 监测期内K18+180和K18+330两个试验段北路肩的最大冻胀量相差不大, 分别为4.0、4.6 mm, 而路基中心的最大冻胀量分别为4.2、14.0mm (取2个冻结期的最大值), 后者是前者的3.3倍; 总体上试验段路基在监测期的最大冻胀量均在14.0mm以下, 远小于《公路路基设计规范》 (JTG D30—2015) 规定的二级公路路基容许总冻胀量50mm。路基变形结果表明2个试验段采取相应的防治措施后, 路基的稳定性良好。
4. 路基冻结特征影响因素分析
4.1 冻融期路基冻深、融深与冻胀变形
为了分析试验段在冻融期内路基变形和冻结锋面发展的关系, 以冻胀变形较大的路基中心为例, 第1个冻结-融解期变形与冻结深度、融化深度的分布特征见图 12, 可以看出: 在整个冻融期内, 试验段路基中心主要分为2个突变的时间段, 在冻结期, 冻胀变形随冻结深度的增大而增大, 达到峰值后快速减小, K18+180和K18+330段的平均冻结速率分别为3.0、2.7cm·d-1, 即在冻结期大的换填深度对应大的冻结速率, 冻结速率越大, 越不利于水分迁移和分凝成冰[28], 因而换填深度为2.0m的K18+180段在该时段的冻胀变形较小; 在融化初期, 浅层地温白天呈现正温, 夜间出现负温, 继续回冻, 冻胀变形达到第1个峰值, 之后开始近似线性下降; 随着气温的逐步回暖, 融化深度短时间内增大, K18+180和K18+330段的平均融化速率分别为12.3、13.8cm·d-1, 而冻结深度逐渐减小, 冻结深度和融化深度的变化是此消彼长的过程, 冻胀变形随着反复的冻融过程发生反复的增大和减小变化; 在融化深度为0的时期, 冻胀变形再次出现一个峰值, 甚至会出现瞬时冻胀变形大于冻结期最大冻胀变形的情况, 即在反复冻融的时期, 路基变形呈现出反复波动变化的状态, 如果这种变形较大则会损害路面, 在行车荷载作用下易产生开裂, 为防止公路在此阶段发生冻融病害, 春融期应采取适当地限载措施。
4.2 换填深度对路基冻深与冻胀变形的影响
为了分析换填深度对路基冻深及冻胀变形的影响, 以最大冻胀量差异显著的试验段路基中心为例(图 13)。图 13进一步表明: 试验段2个冻结期内的最大冻深均是K18+180段比K18+330段的大0.12~0.16m, 但后者路基中心2个冻结期内的最大冻胀量分别为10.7、14.0 mm, 是前者2个冻结期内最大冻胀量3.4、4.2mm的3倍多; K18+330段在2013~2014年与2014~2015年2个冻结期内的最大冻深分别是1.70、1.74 m, 均大于该段的换填深度1.0m, 从消除冻胀敏感性土质的角度考虑, 换填1.0m不能完全消除路基冻胀; 结合K18+180段与K18+330段的最大冻深与最大冻胀量数据, 得知单纯的冻深越大并不意味着冻胀变形量越大, 路基冻深范围内的土质是路基冻胀的决定性因素, 这与文献[29]中粗颗粒土增大冻深但可减小冻胀的结论一致。在本试验中, 换填深度反映的是弃渣碎石土层的厚度, K18+180段换填了2.0m, 最大冻深为1.86m, 冻结线还在弃渣碎石土层里; 而K18+330段换填了1.0m, 最大冻深为1.74m, 冻结线已深入到粉质黏土层中, 当路基下方及周围土体中水分向路基内迁移、积聚, 使黏土层含水量增大引起较大的分凝冻胀; 弃渣碎石土因为渗透系数大、透水性好, 其作为粗颗粒填料可有效抑制毛细现象, 进而不易冻胀, 在这点上, 弃渣碎石土层类似于传统的碎石层[12], 这对于预防寒冷山区路基冻胀具有积极作用。
图 12 路基中心冻结-融解期变形与冻结/融化深度Figure 12. Deformations and freezing/thawing depths in freezing-thawing period at subgrade centers路基土质是路基发生冻胀的内部因素, 从这个角度考虑, 弃渣碎石土换填深度越大抑制冻胀的效果越好。但根据文献[10]的研究, 当换填深度大于2.0m时, 对路基中心变形量的减小效果已不明显, 需结合热力学稳定性确定合理的换填深度。
4.3 地下水位对路基冻深与变形的影响
冻胀变形也与试验段采用的排水和降水措施有着密切的关系。地下水位对土层冻胀的影响主要取决于土的毛细上升高度, 当冻结区附近地下水位较高, 毛细水上升高度能够达到或接近冻结线, 冻结区能得到水源的补给时, 将会发生比较强烈的冻胀。图 14为第1个冻结期地下水位与冻深随时间的变化曲线。结合图 10、14可知: K18+330段初始地下水位是3.4m, 冻结期间监测地下水位距冻结面的最小距离为1.7 m, 由于黏土的毛细高度大于3.0m[30], 在负温冻结作用下, 该段路基基底粉质黏土层的水分向冻结锋面剧烈迁移、积聚, 产生分凝冻胀, 因而其冻胀变形较大; K18+180段初始地下水位深度是1.3 m, 在设置了渗沟降水措施后, 冻结期间该段监测地下水位稳定在2.0 m左右, 距冻结面的最小距离为0.2 m (图 14(a)), 表明设置的渗沟降低了地下水位0.7 m后, 该段监测地下水位距冻结面的最小距离仍很小, 但在整个路基冻深范围内是粉黏粒含量很低的弃渣碎石土, 其毛细作用弱, 聚冰很少, 主要是原位冻胀, 所以冻胀变形量小。
值得注意的是, 针对K18+180段如果不采取有效的降水措施, 即使在路基冻深范围内全部换填了非冻胀或弱冻胀的碎石土, 一方面换填深度越大冻结深度也越大, 另一方面其初始水位浅并且秋季集中的降雨量还会抬升地下水位, 这样冻结锋面必然位于地下水位以下, 寒季时水分迁移作用导致地下水源源不断地补给到路基土层中, 到暖季时, 土体融化使土中含水量增大, 弱化土颗粒之间固有的结构强度, 必然降低路基强度; 交通荷载和冻融循环作用还会加剧水分的迁移和土体性质的劣化, 这些都可使路基填土中的粗颗粒土冻胀率增大[31, 32], 进而导致路基可能发生较大的竖向位移和较严重的横向不均匀沉降。可见, 在地下水位埋深浅且降雨集中的山区沟谷段, 降低地下水位的措施是防治路基发生冻害必不可少的措施。
5. 结语
(1) 路基土体的最大冻深均大于同时期天然场地的最大冻深; 换填深度越大, 冻深越大, 但冻胀量却越小。
(2) 换填路基稳定性良好, 说明在研究区域对初始地下水位深(> 3.0m) 的试验段采用弃渣碎石土换填结合地表排水沟的措施是合适的, 但对初始地下水位浅(1.3m左右) 的试验段还需增加降低地下水位的措施才能有效控制冻胀。
(3) 在降雨量大、地下水位浅的寒冷山区沟谷地段, 降水措施是必不可少的冻胀防治措施。
(4) 由于路基必然存在阴阳坡效应, 而且山区地形变化剧烈, 道路线形复杂, 沿道路走向日照状况变化大, 路基的冻结状况比平原地区更为复杂, 下一步需重点分析沟谷公路阴阳坡效应及路基长期热稳定性。
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图 7 K18+180段路基断面和监测孔
Figure 7. Cross-section and monitoring boreholes at section K18+180
图 12 路基中心冻结-融解期变形与冻结/融化深度
Figure 12. Deformations and freezing/thawing depths in freezing-thawing period at subgrade centers
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