淺談碎石類土的凍脹性的危害

淺談碎石類土的凍脹性的危害引言在新建或改擴(kuò)建機(jī)場的飛行區(qū)工程中的跑道道面工程是非常重要的環(huán)節(jié)，因為各種原因，碎石類土曾經(jīng)在很多道面工程中是不考慮東漲的，近年一些工程中的道面出現(xiàn)了抬升、錯臺、斷板、裂縫等病害，經(jīng)分析，判定病害的主要原因是由于在凍結(jié)深度內(nèi)，道面結(jié)構(gòu)中的碎石類土發(fā)生凍脹，土中孔隙水變?yōu)楸蟀l(fā)生體積膨脹破壞道面，現(xiàn)就病害的原因和和凍脹機(jī)理以及處理方法提出一些粗淺的方法。一、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一對道面工程勘察、設(shè)計、施工的影響根據(jù)《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50324-2001）中表3.2.1，對碎（卵）石，礫、粗、中砂（粒徑<0.075mm含量≤15%）是不考慮凍脹性的；根據(jù)新修訂的《凍土地區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范》（JGJ118—2011）表3.1.5對碎（卵）石，礫、粗、中砂（粒徑<0.075mm含量≤15%）按照土的凍前天然含水量和是否存在隔水層的情況，凍脹類別分為不凍脹、弱凍脹、凍脹，在《凍土地區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范》（JGJ118—2011）條文說明中的3.1.5條說明中：對于碎（卵）石，礫、粗、中砂（粒徑<0.075mm含量≤15%），原規(guī)范對地下水位不作考慮。本次修訂討論中，設(shè)計單位提出：由于規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，在道面工程的勘察、設(shè)計、施工環(huán)節(jié)中對碎石類土凍脹性缺乏足夠的認(rèn)識，使得以前一些道面工程在建成后出現(xiàn)了道面抬升、錯臺、斷板、裂縫等病害，導(dǎo)致道面不能正常使用，造此類土下部存在隔水層，且地下水位很高，使得該土層呈飽和含水狀態(tài)時，會出現(xiàn)較強的凍脹。中科院寒旱所的一些路基填土（碎石土、卵石土）在飽和含水的條件下的封閉凍脹實驗也出現(xiàn)過一定程度的凍脹現(xiàn)象。此種凍脹主要源于水相變?yōu)楸捏w積膨脹。二、專項勘察的思路、方法在進(jìn)行過場地踏勘，了解道面病害出現(xiàn)的時間、范圍以及破壞程度后，初步確定了是由凍脹引起的道面破壞，根據(jù)與本工程有關(guān)的勘察報告、設(shè)計藍(lán)圖、施工資料的反映：場地大部分位于基巖出露地區(qū)，僅在局部分布有薄層第四系覆蓋層，場地土主要由①粉土、②礫砂、③強風(fēng)化基巖（花崗巖）、④中風(fēng)化基巖（花崗巖）構(gòu)成，跑道段應(yīng)以③強風(fēng)化基巖（花崗巖）為天然地基持力層，場地局部有地下水出露，水位埋深2.2～2.9m，為孔隙、裂隙潛水，水量不大。道面結(jié)構(gòu)依次為水泥混凝土面層、水泥穩(wěn)定砂礫30cm、天然級配砂礫52cm、壓實土基。1、勘察思路場地現(xiàn)狀地面下道面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土板、水泥穩(wěn)定砂礫、天然級配砂礫，道面下為強風(fēng)化基巖，強風(fēng)化基巖屬于隔水層，道面整體處于一個封閉的狀態(tài)，而水泥混凝土板、水泥穩(wěn)定砂礫不發(fā)生凍脹，基巖凍脹類別為不凍脹，可能發(fā)生凍脹的地層只能是天然級配砂礫。2、勘察方法應(yīng)建設(shè)單位的要求，本次專項勘察應(yīng)在不破壞現(xiàn)狀道面的條件下進(jìn)行，故采用原位測試就成了本次勘察的重點手段，主要方法為高密度電法測試和地震影像測試。高密度電法是綜合物探方法中巖體邊坡災(zāi)害調(diào)查的有效方法之一，其以巖、土體的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。地震影像，可以利用多種波作為有效波來進(jìn)行探測，也可以根據(jù)探測目的要求僅采用一種特定的波作為有效波。除常見的折射波、反射波、繞射波外，還可以利用有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波。在這種方法中，每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發(fā)和接收。在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映出地質(zhì)體沿垂直方向和水平方向的變化。三、勘察結(jié)果1、查明的道面結(jié)構(gòu)勘察結(jié)果根據(jù)顆粒分析試驗結(jié)果，天然級配砂礫中粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%，粒徑小于0.075mm的顆粒含量小于總質(zhì)量的15%，屬于《凍土地區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范》（JGJ118—2011）表3.1.5中可能發(fā)生凍脹的土分類；道面下局部基巖裂隙發(fā)育，裂隙水豐富，此裂隙水受當(dāng)?shù)貧庀笠蛩赜绊懚舾凶兓?，在豐水期，隨著補給源水量的增加，并受基巖隔水層的影響，裂隙水水位上升，使天然級配砂礫呈飽和狀態(tài)。2原位測試勘察成果地震影像的測試結(jié)果：道面下基巖裂隙發(fā)育的地段都是道面病害較為集中出現(xiàn)的范圍；道面結(jié)構(gòu)松散、道面下有空洞的地段基本為道面上產(chǎn)生裂縫病害的單元；高密度電法的測試結(jié)果：裂隙水均賦存基巖深處，在巖石破碎、裂隙發(fā)育的地段出露，測試深度內(nèi)裂隙水呈錐形擴(kuò)散，在接近道面的位置呈帶狀分布，這些地段都是道面病害較為集中出現(xiàn)的范圍。四、道面病害產(chǎn)生的機(jī)理與分析擬建場區(qū)地處新疆北部高緯度地區(qū)，屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)；冬季11月至次年3月，漫長而寒冷，月均氣溫均低于0℃，12月～1月尤為寒冷，本區(qū)最大凍深2.0m，場地現(xiàn)狀地面下凍深范圍內(nèi)的水天然級配砂礫下部存在隔水層，呈飽和含水狀態(tài)時，會發(fā)生凍脹，這種凍脹主要源于水相變?yōu)楸捏w積膨脹。固態(tài)水在土中起到膠結(jié)作用，形成凍土，提高其強度。但解凍后土的強度往往低于凍結(jié)前的強度。天然級配砂礫凍脹過程中受到上層混凝土板以及下層強風(fēng)化基巖的約束，產(chǎn)生的凍脹力作用于上層的水泥穩(wěn)定砂礫層及混凝土板，導(dǎo)致道面出現(xiàn)抬升、錯臺、斷板、裂縫等病害。五、處理建議及方法1、處理方法因為季節(jié)性的凍脹每年都在循環(huán)發(fā)生，道面病害范圍持續(xù)加大，損壞程度也越加嚴(yán)重，如不能從道面結(jié)構(gòu)本身解決凍脹性，病害是無法遏制的，所以為了徹底治理病害，通常建議是挖除現(xiàn)狀道面，重新修建道面。2、處理建議重新修建時應(yīng)從以下幾個方面考慮：（1）建議優(yōu)化道面結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)層的組合設(shè)計應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，結(jié)合地勢、排水設(shè)計和施工工藝綜合考慮，充分發(fā)揮各結(jié)構(gòu)層及其組合整體的作用；（2）在道面周邊設(shè)置防止雨水、地表水浸入道床的排水設(shè)施，高坡地應(yīng)設(shè)截水溝或暗溝，以排走地表水和潛水流；（3）在道面?zhèn)让鎽?yīng)回填非凍脹性的中砂或粗砂，其厚度不應(yīng)小于10cm；（4）在低洼場地，加強排水并采用非凍脹性土填方，填方高度不應(yīng)小于0.5m，其范圍不應(yīng)小于散水坡寬度加1.5m；（5）使用非凍脹性土建造人工地基，使地基的凍融循環(huán)僅發(fā)生在人工地基內(nèi)。結(jié)束語由于在規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中對碎（卵）石，礫、粗、中砂（粒徑<0.075mm含量≤15%）不考慮凍脹性，導(dǎo)致曾經(jīng)一些道面工程在特殊的地質(zhì)環(huán)境中發(fā)生凍脹性破壞，造成了巨大的損失，現(xiàn)重新修訂后對其凍脹性做了明確定義，然而為了處理凍脹問題需要巨大投入，一般情況下都應(yīng)挖除舊道面，重新修建，正所謂“治理重癥，需下猛藥”。且不可認(rèn)為是其小問題，得過且過，任其持續(xù)發(fā)展，照成無法挽回的損失；重新修建時應(yīng)主要考慮的是道面表面、結(jié)構(gòu)中的排水問題，只要沒有水