前嫩公路伊春至北安东段高速公路多年冻土特征及路基设计

2022-10-05

前锋农场至嫩江公路 (以下简称前嫩公路) 伊春至北安东段位于东经128°54′~126°30′和北纬47°43′~48°14′之间, 沿线地区公路自然区划为I 2区, 地处零星岛状多年冻土区, 多年冻土处于强烈退化过程, 属高温冻土。

根据气象资料表明, 年平均气温的变化趋势是在上升, 黑龙江省北部地区从1980年~1999年的年平均气温据统计升高了1.7℃, 这也是多年冻土退化的主要原因。小兴安岭地区多年冻土带的轮廓线形态即多年冻土带的南界摆动在年平均气温等值线-1℃~1.0℃之间。

目前小兴安岭多年冻土仅分布在沟谷谷地及支谷地带, 这是零星残存的多年冻土。原因在于沟谷发育着厚层的草炭、泥炭和腐殖土, 含有大量水分的草炭与泥炭, 不但起着良好的保温作用, 而且具有较强的蒸发耗热能力, 减少了地表土层的热交换量, 阻隔了太阳辐射热的向下传递, 对下伏多年冻土起到良好保护作用。相反, 在两侧的山坡、山岭上, 仅有0.5m左右的腐殖土层, 土中含水量小, 比较干燥, 对气温变化较为敏感。岛状多年冻土的存在为沼泽湿地提供了良好的发育条件, 沼泽湿地的发育同时也延缓了多年冻土的退化速度。

1 多年冻土的工程地质特征

本段公路的多年冻土勘探工作采用沿线调查, 物探筛查, 钻探核查相结合的勘探原则进行, 解决了全线实际所需的冻土区、融区的分布、冻土上限、含冰层的位置、含冰量的多少、冻土的结构特征、冻土层的厚度等数据, 进行了冻土类型划分和冻土环境的工程地质评价。

(1) 多年冻土区的植物生长是与该地的气候、地质、地理条件相互作用的产物。

小兴安岭地区的多年冻土指示植物如当地人所说的“老头树”, 这是一种营养不良的病态树;落叶松挂满松罗、苔藓, 胸径达到15cm以上的落叶松由于营养不良已干枯, 成为站干;塔头湿地长满茂盛的塔头草, 沟谷地带生长着的水冬瓜、桦木丛等, 这些植物的指示特征都为多年冻土区的初判提供了参考。

(2) 考虑到路线上多数地段第四系覆盖层以粘土、砂砾为主, 地层结构简单, 下伏岩性以沉积岩为主, 选用了高密度电法来进行冻土区、融区的划分, 寻找多年冻土段落及上下限。针对在桥梁钻探中揭示的多年冻土段落, 采用了高密度电法勘探来进行实验勘探, 得出如下结论:融区地段, 一般表层第四系地层中的视电阻率随其含水率的不同其值一般为数十至100Ωm;岛状多年冻土区视电阻率显著增高, 通常情况下为1000Ωm~3000Ωm, 效果较为明显。通过高密度电法勘探筛查出全线共存在十余段有高阻异常的段落, 均被随后的钻探地质资料印证, 初步解决了全线实际所需的冻土区和融区的分布、冻土上限等指标。

(3) 通过工程地质钻探解决了实际所需的多年冻土含冰层的位置、含冰量的多少、冻土的结构特征、冻土层的准确厚度等关键数据。图1为K62+250钻孔4m~5m处的岩芯照片, 可见多处呈层状或明显定向的冰条带, 冰层厚度达23mm, 强融沉~强融陷。

(4) 沿线几个探孔 (孔深3m左右) 地温观测资料表明:由山坡到沟谷, 地温逐渐降低, 往沟底部的方向地温进一步地降低, 由非冻土转向融区再转向冻土, 温度趋向沟谷底部达到最低温度值。如在K103+625阳坡的地温为5.04℃, 洼地中心K103+725的地温为1.54℃。

(5) 冻土试验。

不同含水量的冻土融沉变形规律如图2, 由图2可知, 初始融沉值与冻土总含水量关系密切, 含水量越大, 随着荷载加大, 融沉曲线趋于平缓, 图2中四种不同含水量的冻土融沉系数分别为42.4%、24.5%、8.4%、5.6%, 对应含水量分别为50%、30%、20%、16.5%, 从融沉量来看, 该地区各路段冻土性质 (尤其是含水量) 差异较大, 其中个别段融沉偏大, 需严格保护冻土, 大部分路段融沉量较小, 可允许一定融化。各级荷载下, 冻土的融化压缩变形具有共同的规律性, 如图3, 变形随时间的发展呈对数关系。

全线多年冻土的冻土分布及特征如表1。

2 多年冻土的路基设计

鉴于小兴安岭多年冻土南界岛状冻土处在强烈的退化期, 随着大气候的转暖和本地区年平均气温上升趋势以及人为生产生活活动热的扰动, 根据实际勘测结果采用了如下路基设计原则。

(1) 融区路基

项目所在区域年平均气温1.3℃~4℃, 极端最高气温39.4℃, 最低气温-44.9℃, 最大季节性冻土深度2.5m, 冬季降温较快, 水分易积聚, 形成聚冰带, 春季升温缓慢, 水分不易下渗, 容易形成冬季路基水聚冰冻胀和春融季节的翻浆, 导致路面出现冻胀、开裂、渗水及路基冻胀翻浆等病害, 为保证路基、路面的稳定, 采取了如下措施。

对软弱土采取换填砂砾并且砂砾层高出地面积水位的处理措施, 同时还保证路基最小填土高度, 以避免冻胀翻浆对路基带来的危害。

为阻断毛细水对路面的侵害, 防止路面出现冻胀、开裂、渗水, 视路基干湿情况, 中湿路面以下设置了20cm厚天然砂砾垫层, 同时挖方路段边沟底下设置盲沟, 加强完善排水措施, 以减少水害, 保证路基、路面的稳定。

(2) 岛状多年冻土路基

路线范围内有多处岛状多年冻土段, 分布在林区塔头路段, 覆盖塔头等植被。多年冻土一般厚3m~5m, 最大达12m, 局部地段多年冻土冻深在季节性冻土范围内, 但由于植被覆盖良好, 基本不融化。冻土类型有少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层等。本地区处于退化的岛状多年冻土区, 属高温冻土。对于饱冰冻土及含土冰层, 由于融沉性较强, 路基施工后, 会产生较大变形。富冰冻土、多冰冻土一般融后变形较小。为保证路基稳定及控制施工后融沉变形, 对于不同的冻土区地段, 设计时采用不同的处理方法。

多年冻土埋藏小于3m采用完全清除的处理方案, 清基深度为清到少冰冻土的砂砾层。

多年冻土埋深大于3m的路段采用设置复合地基的处理方案。冻土处理深度依据钻探资料确定, 但应穿透高含冰量的冻层。若下部为少冰冻土的砂砾、粗砂或泥岩, 则采用柔性桩 (碎石桩) ;若下部土质为粘性土, 或含冰量大的砂砾层, 则采用刚性桩 (水泥搅拌桩) 。对于设置复合地基的路段, 表层的泥炭层可不清除, 直接填筑60cm厚的砂砾并铺设两层钢塑土工格栅进行复合地基施工的设计方案。

严禁在坡脚外10m范围内挖排水沟, 施工时应注意保护路线两侧的植被。

3 结语

(1) 前嫩公路伊春至北安东段高速公路岛状多年冻土处于强烈的退化过程中, 具有厚度薄、地温高、局部含冰量高的特点, 冻土类型多为富冰、饱冰冻土, 融沉等级多为Ⅲ、Ⅳ级。

(2) 融区路基采取换填砂砾, 并且砂砾层高出地面积水位的处理措施;多年冻土埋藏小于3m采用完全清除的处理方案;多年冻土埋深大于3m的路段采用设置复合地基的处理方案。

(3) 随着社会的发展, 越来越多的工程项目会在多年冻土地区实施, 通过本项目的实践与研究, 为退化型岛状多年冻土地区其它的重大基础设施建设提供了借鉴作用。

摘要:综合勘探方法为前嫩公路伊春至北安东段高速公路方案比选提供了工程地质条件方面的参考依据, 在分析该区多年冻土分布特征及冻土工程地质特点的基础上, 以地基稳定为核心, 提出了针对不同冻土路段的路基设计原则, 以减少冻胀、融沉带来的工程病害问题, 为公路安全运营提供技术保证。

关键词:多年冻土,岛状多年冻土,冻土退化,多年冻土路基

参考文献

[1] 吉林省公路勘测设计院, 前嫩公路伊春至北安东段高速公路工程地质勘察报告[R].长春:吉林省公路勘测设计院, 2009.

[2] JTJ064-98, 公路工程地质勘察规范[S].

[3] JTGD30-2004, 公路路基设计规范[S].