高速公路盐渍土路基危害与处理方法
新疆库阿高速公路盐渍土路基危害与处理
方法
摘要: 新疆高速公路库阿段是连接南疆各主要城市的通道,此段公路盐渍土路基病害较为严重。根据新疆高速公路库阿段盐渍土路基病害的实际资料,分析了南疆地区盐渍土的工程特性;探讨了影响盐渍土路基病害产生的因素,主要是气候条件、地形地貌、地层岩性、水文地质、植被和人为因素;最后结合新疆高速公路库阿段工程实际,分析研究了具体的工程治理措施。
关键词:盐渍土;路基病害;治理措施;高速公路
1引言
新疆库车-阿克苏段高等级公路,位于新疆维吾尔自治区南疆的阿克苏地区境内。起点与已经开工的G314线库尔勒-库车段高速公路相接,终点为阿克苏市建化厂,沿线经库车、新和、温宿、阿克苏市。路线全长258.645千米。该公路自建成后,盐渍土病害的作用较为明显,严重影响了行车安全。所以查明库阿高速公路段盐渍土路基病害,研究工程治理措施,对保证公路正常运营和南疆地区经济顺利发展有着非常重要的意义。
2新疆高速公路库阿段盐渍土路基病害
新疆高速公路库阿段内盐渍土路基病害较为明显,盐渍土病害严重地段,路基下沉、道路变形,严重影响了行车安全。
2.1硫酸盐渍土的松胀和膨胀性影响路基稳定
硫酸盐的溶解度随温度而变化,温度降低时,盐溶解达到饱和状态,盐分即从溶液中结晶析出,体积增大。温度升高时结晶又溶解于溶液中,体积缩小。在含水量较小的土体中所含的固体硫酸盐在低温时吸水结晶,体积增大,温度升高时又脱水变成粉末状固体,体积缩小。从而使主体结构破坏、变松的现象,即为硫酸盐渍土的松胀性。这一现象多发生在地表土层,往往引起路肩及边坡土体变松,影响路基稳定。由于季节性的温度变化,即秋后温度降低,引起较深部分土层中硫酸盐吸水结晶,体积增大,促使土体体积增大,即为硫酸盐渍土的膨胀性。春季温度回升时硫酸盐脱水体积变小,土体体积缩小。硫酸盐渍土的膨胀影响深度及膨胀量都相当大。引起路基季节性的隆起和下沉,造成路基不稳定,增大了养护工作量。
2.2 碳酸盐对土膨胀性的影响往往造成路基塌陷
当盐渍土中含有大量的吸附性阳离子并遇水时,由于胶体颗粒和吸附性阳离子互相作用,在胶体颗粒和粘土颗粒周围形成结合水薄膜,减少了各颗粒间的粘着力,使其相互分离,引起土体膨胀。试验证明,当土中Na2 CO3含量超过0. 5%时,其膨胀量即有显著增大。由于碳酸盐的膨胀作用,在路基遇水时,往往造成边坡坍塌,路基泥泞。
2.3 盐渍度对土的塑性的影响往往造成路基失稳
同一类土当含盐量增加时其液塑限相应减小,塑性指数也有所降低,这种性质对路基的稳定性十分不利。因为遇水后,当含水量相同时,盐渍土比非盐渍土较早地达到塑限或流塑状态,即较早地达到不太稳定的状态。
3盐渍土的主要工程特性
从表1 可以看出:富集硫酸盐渍土和亚硫酸盐渍土的地段,路基松胀现象比较严重;而富集氯盐渍土和亚氯盐渍土的地段,溶蚀现象比较严重。这种差别是由于盐渍土的工程性质决定的。从本工程实际情况来看,盐渍土的工程特性主要表现在三方面:溶陷性,盐胀性,腐蚀性[1 2 ] 。
4影响新疆高速公路库阿段盐渍土形成的因素
4.1 地形、地质条件
新疆高速公路库阿段大都经过在天山南簏山前冲、洪积倾斜平原区和冲、洪积平原区的中上部。由北向南的地形横断面看,南疆铁路库喀段经过的地区是从山前到平原,地形由陡变缓,土层组成由粗变细,地下水埋藏由深变浅,矿化度由小变大,地表盐渍化程度由轻变重。地形、地质条件是盐渍土路基病害生成的主要因素之一。
4.2 气候条件
工程段位于欧亚大陆深处范围内,远离海洋,属暖温带干旱型气候,具有大陆性气候特点:气候干燥、降水偏少、日照气温高、年季变化大、气候变化剧烈、冬寒酷暑、昼夜温差大、蒸发量远远大于降雨量(本地区年降水量均在200mm以下,各站年平均蒸发量为189515~
3185mm) 、最大风速23m/s并且多风,使土壤中盐份大量沉积和向表层积聚,形成大范围的土壤盐渍化。气候条件是盐渍土病害形成与发展的促进因素。
沿线气象要素表
4.水文地质条件也是影响土壤盐渍化的重要因素。盐分的积聚, 与地下水水位、矿化度和矿化类型有密切关系, 地下水水位越高, 蒸发越强, 土壤的积盐也越快。同时, 地下水矿化度愈高, 地下水向土壤输送的盐分越多, 土壤的积盐也越重。新疆高速公路库阿段强烈蒸发的气候条件和地下水矿化度较高的水文地质条件是本段土壤积盐严重的主要因素。
4.4 地层岩性
新疆高速公路库阿段的地层岩性多为第四系松软地层, 如砂类土和粘性土, 大颗粒碎石类土不会产生盐渍化作用。一般来说粘质土的毛细管孔隙过于细小, 毛细管水上升高度受到抑制, 砂质土的毛细管孔隙直径较大, 地下水借毛细管引力上升的速度快但高度较小, 这两种土均不易积盐。粉砂质土如粉土, 毛细管孔径适中, 地下水上升速度既快、上升高度又高, 特别易于积盐, 但当有夹粘层存在时, 情况又有所不同。
4.5 植被
在本工程施工段落中有大量盐生植物加剧了土壤的盐渍化。象新疆地区胡杨、芦苇等深根植物较多, 在它生长过程中的蒸腾作用, 消耗了大量地下水, 相应加大了地下水的矿化度, 间接加强了土的盐渍化。此外常见的盐土植物以及干旱地区的深根性植物或盐生植物, 又能从土层深处及地下水中吸收水分和盐分, 将盐分累积于植物体中, 植物死亡后, 有机残体分解, 盐分回归土壤, 逐渐积累于地表, 具有一定的积盐作用。
4.6 人为因素
盐碱地开荒种地,必须对其进行土壤的改良,而工程段很多病害区地处农田边缘,农民为改良土壤,对路基附近的农田进行大量浇灌、洗盐。地表水通过各种渠道进入到路基附近,增加了路基附近的含水量和含盐量。另外,施工后,路基两侧局部地形遭到破坏,部分涵洞高悬,排水不畅,路基两侧积水,为盐渍土病害的形成创造了条件。所以人为因素也是促使铁路路基土盐渍化程度加重的重要因素。
5 盐渍土路基病害处理措
盐渍土路基的工程治理措施有很多,有基底处理法、设置毛细水隔断层法和提高路基高度、浸水预溶法、强夯法、化学处理盐渍土法、降低税违法。
对新疆库阿高速公路段而言,根据本工程的特点, 新疆库阿高速公路段处理盐渍土路基病害采用路基基底表层处理,清除表层厚度30cm并压实,产出后的地表应做成由路中心向两侧约3%的横波,采用砾类土回填;路基填料调运非盐渍化的砾类土;完善路基、路面排水系统;路基中部路床顶设置两布一膜复合土工布做隔断层,阻断毛细水携带盐分上升;挖方路段,采用反开挖填方路基形式,对路堤采用砾料土填筑,并于上路床底铺设复合土工膜隔断层等综合处理措施。现以断面为例(图1) ,具体工程处理措施如下:
5.1 基底处理
换填法一般应用在路基含盐量超过规定的要求、路床过湿压实度达不到压实要求或路基标高受限制的低填浅挖地段采用,换填一般采用就近砂砾或风积砂,换填厚度应根据地质勘探资料以及填料的试验结果确定, 最小不应小于1. 0 m。
必须确保所换填的土质为非盐渍土且有足够的强度。一般地,换填土宜选用砾石土或风积砂。从路基换填及铲除的盐渍土不得堆于路基两侧坡脚,应集中拉运到距离线路不得小于30 m 以外,以免发生次生盐渍化。
5.2 设置毛细水隔断层。
隔断层法就是在路基某一层位设置一定厚度的隔断层,其根本目的是隔断毛细的上升,防止水分和盐分进入路基上部,从而避免路基或路面遭受破坏。
隔断层类型按采用材料有土工布(膜) 隔断层、风积砂或河砂隔断层,砾(碎) 石隔断层和沥青砂,油毛毡等隔断层。土工膜、沥青砂、油毛毡属不透水性隔断层,可隔断下层毛细水和气态水上升,砾石和风积砂属透水性隔断层,只可隔断毛细水的上升。
设置隔断层是处治路基盐胀最有效、最简便的措施,应优先考虑采用。一般应用于中强盐渍土地段,特别是硫酸盐渍土地段,受地面水或地下水毛细水影响的基,标高受限制的挖方路堑或被利用的原有路基含量超限路段。
5.3 提高路基高度。
提高路基填筑高度,可以减少进入路基上部的水分和盐分,使上部路床受盐渍影响较小,有效防止盐胀。在排水不良或过湿的地带,一般采用该方法。有些盐渍土地区地下水位较高,为了使路基不受冻害和再盐渍化的影响,应控制路堤高度至不再盐渍化的最小高度。
该方法施工简便是最常用的措施。提高法只能应用于弱中且为非硫酸盐渍土地段。施工中首先应将表层的植被、盐壳、腐殖土等清除,然后才可按规范要求分层填筑。施工中必须严格控制填料,确保填料为非盐渍土且具有较好的透水性。
5.4 浸水预溶法
浸水预溶法即对路基预先浸水,在渗透过程中土中易溶盐溶解,并渗流到较深的土层中,易溶盐的溶解破坏了土颗粒之间的原有结构,在土自重应力下产生压密。浸水预溶可使路基土盐胶结构改变,并在一定程度上降低路基土含盐量,可提前消除盐渍土溶陷等病害。
浸水完成后即进入晾晒期,晾晒的目的主要是调整路基土含水率,达到满足下一步施工条件。在现场浸水及晾晒完成后,进行表面高程观测、浸水后土的常规物理力学指标试验等测试,对预溶的效果进行检验,并重新评价预溶后的场地土。
浸水预溶法一般适用于厚度较大,渗透性较好的砂、砾石土、粉土和粘性盐渍土。
5.5 强夯法
路基土在浸水后,强度会大幅降低,为了提高路基土强度,消除或降低路基土的溶陷性,对浸水后的路基土体采用强夯法加固处理。该方法工艺简单、效果好、施工速度快、费用低、适合土层范围广。强夯处理的主要目的是: ①提高路基土的干密度,减少孔隙比,以达到消除和减少溶陷沉降量;②满足规范的压实度要求; ③提高路基土的均匀性及整体性,消除或减少差异沉降量及剩余沉降量。
新疆国道314线库车至阿克苏段公路改建工程,路基由盐渍化的粉土、低液限粘性土堆筑形成,经强夯法处理后,极大地改善了原路基土的强度与均匀性,满足新建公路要求。
强夯法一般和浸水预溶法配合使用,浸水后强夯效果最佳。
5.6 化学处理盐渍土法
对路基上层的硫酸盐渍土进行化学处理,使土中的易溶盐成分和性质发生变化,从而不再产生盐胀或减轻盐胀。在硫酸盐渍土中掺入氯盐可以减少盐胀,因为硫酸钠在氯盐溶液中其溶解度随氯盐浓度增加而减小。当土中C (Cl - ) / C(SO2 -4 ) 的比值增大到6 ,抑制盐胀的效果最为显著。这种方法对治理硫酸盐渍土路基的病害很有效,经济效益最为显著,目前所用的掺加剂,效果明显的有CaCl2 、BaCl2 等,其反应式为
Na2 SO4 + CaCl2 = 2NaCl + CaSO4 ↓
Na2 SO4 + BaCl2 = 2NaCl + BaSO4 ↓
反应生成的硫酸钙仅微溶于水,性质稳定。另外,氯化钙无毒,极易溶于水,而且易于配制溶液,渗透性好,易于灌注,由氯化钙溶液带入的附加水也少。为使化学处理的盐渍土不受下层水分和盐分的影响,路基底部应设置隔离层。
5.7 降低水位法
降低地下水位以减少进入路基上部的水分和盐分,其效果与提高路基类似,需要把地下水位降低到一定深度才有较好的效果。同样,如果产生盐胀的水分中气态水占有较大比例,则不宜单纯采用降低地下水位的方法。
5.8 其他方法
路基洒水采用卤水,可增加路基强度。砂砾培筑路肩,可减少路肩培土的盐胀。盐渍土层较厚,含盐量较高时,可采用桩基处理。改良法改良盐渍土路基填料等。
6 结束语
路基提高法施工简便,当附近满足要求的填料较丰富时,可应用于弱中非硫酸盐渍土段,但有时为了满足防止发生次生盐渍化的最小填筑高度时,会使路基临空面增大,造成行车安
全受到影响;换填法可改善路基土的特性,但是挖(弃) 方量、借方量大处理困难,处理不当易发生次生盐渍化,填料需严格控制,因多数情况下需远运,成本较高;强夯法工艺简单、效果好,施工速度快,费用低,适合土层范围广,易于保护环境,但强夯法一般配合浸水预溶法使用,在过干旱缺水地区使用有限制;隔断层法可隔断毛细水上升,保证路床上部的稳定,施工中应严格选用隔断层材料,该法较经济,已普遍应用。
上述方法各有优缺点,有自己的适用条件,在工程复杂地区,为了得到较好的处理效果,往往配合使用。新疆库阿公路在扇缘地带地下水位普遍较高,表面土层过湿,盐渍化程度高的地区,采用了换填加隔断层法,双管齐下,效果明显。新疆盐渍土分布广泛,盐渍土对公路路基的危害性极大,因此,有效的公路路基处治方法,应根据公路等级对路基的要求、盐渍土地区的工程特性、盐渍土的含盐类别及含盐量与对公路工程的影响程度,结合施工环境条件、施工工期及当地筑路材料来源,经技术经济比较综合确定。
参考文献
[ 1 ]新疆盐渍土地区公路路基路面设计与施工规范 XJTJ 01-2001.
[ 2 ]沙漠地区公路设计与施工指南 JTG/T D31-2008
[ 3 ]公路路基设计规范 JTGD20-2004
[ 4 ]贺 刚. 不透水土工膜在处理不良地质路基中的应用[J ] . 山西建筑,2007 ,33 (5) :3142315.
[ 5 ]王来发,宋丽新. 浅议盐渍土的处理[J ] . 青海交通科技,2006 (2) :14216.
[ 6 ]王兆东,张 雷. 盐浸土对路基的病害及防治[J ] . 辽宁交通科技,2005 (1) :35237.
作 者:蒋向超
性 别:男
出生日期:1986年7月14日
学 历:大学本科
职 称;助理工程师