浅谈碎石类土的冻胀性的危害

浅谈碎石类土的冻胀性的危害引言在新建或改扩建机场的飞行区工程中的跑道道面工程是非常重要的环节，因为各种原因，碎石类土曾经在很多道面工程中是不考虑东涨的，近年一些工程中的道面出现了抬升、错台、断板、裂缝等病害，经分析，判定病害的主要原因是由于在冻结深度内，道面结构中的碎石类土发生冻胀，土中孔隙水变为冰后发生体积膨胀破坏道面，现就病害的原因和和冻胀机理以及处理方法提出一些粗浅的方法。一、规范、标准不统一对道面工程勘察、设计、施工的影响根据《冻土工程地质勘察规范》（GB50324-2001）中表3.2.1，对碎（卵）石，砾、粗、中砂（粒径<0.075mm含量≤15%）是不考虑冻胀性的；根据新修订的《冻土地区建筑设计规范》（JGJ118—2011）表3.1.5对碎（卵）石，砾、粗、中砂（粒径<0.075mm含量≤15%）按照土的冻前天然含水量和是否存在隔水层的情况，冻胀类别分为不冻胀、弱冻胀、冻胀，在《冻土地区建筑设计规范》（JGJ118—2011）条文说明中的3.1.5条说明中：对于碎（卵）石，砾、粗、中砂（粒径<0.075mm含量≤15%），原规范对地下水位不作考虑。本次修订讨论中，设计单位提出：由于规范、标准的不统一，在道面工程的勘察、设计、施工环节中对碎石类土冻胀性缺乏足够的认识，使得以前一些道面工程在建成后出现了道面抬升、错台、断板、裂缝等病害，导致道面不能正常使用，造此类土下部存在隔水层，且地下水位很高，使得该土层呈饱和含水状态时，会出现较强的冻胀。中科院寒旱所的一些路基填土（碎石土、卵石土）在饱和含水的条件下的封闭冻胀实验也出现过一定程度的冻胀现象。此种冻胀主要源于水相变为冰的体积膨胀。二、专项勘察的思路、方法在进行过场地踏勘，了解道面病害出现的时间、范围以及破坏程度后，初步确定了是由冻胀引起的道面破坏，根据与本工程有关的勘察报告、设计蓝图、施工资料的反映：场地大部分位于基岩出露地区，仅在局部分布有薄层第四系覆盖层，场地土主要由①粉土、②砾砂、③强风化基岩（花岗岩）、④中风化基岩（花岗岩）构成，跑道段应以③强风化基岩（花岗岩）为天然地基持力层，场地局部有地下水出露，水位埋深2.2～2.9m，为孔隙、裂隙潜水，水量不大。道面结构依次为水泥混凝土面层、水泥稳定砂砾30cm、天然级配砂砾52cm、压实土基。1、勘察思路场地现状地面下道面结构为水泥混凝土板、水泥稳定砂砾、天然级配砂砾，道面下为强风化基岩，强风化基岩属于隔水层，道面整体处于一个封闭的状态，而水泥混凝土板、水泥稳定砂砾不发生冻胀，基岩冻胀类别为不冻胀，可能发生冻胀的地层只能是天然级配砂砾。2、勘察方法应建设单位的要求，本次专项勘察应在不破坏现状道面的条件下进行，故采用原位测试就成了本次勘察的重点手段，主要方法为高密度电法测试和地震影像测试。高密度电法是综合物探方法中岩体边坡灾害调查的有效方法之一，其以岩、土体的导电性差异为物理基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律从而达到解决地质问题的目的。地震影像，可以利用多种波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的波作为有效波。除常见的折射波、反射波、绕射波外，还可以利用有一定规律的面波、横波和转换波。在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。三、勘察结果1、查明的道面结构勘察结果根据颗粒分析试验结果，天然级配砂砾中粒径大于2mm的颗粒质量大于总质量的50%，粒径小于0.075mm的颗粒含量小于总质量的15%，属于《冻土地区建筑设计规范》（JGJ118—2011）表3.1.5中可能发生冻胀的土分类；道面下局部基岩裂隙发育，裂隙水丰富，此裂隙水受当地气象因素影响而敏感变化，在丰水期，随着补给源水量的增加，并受基岩隔水层的影响，裂隙水水位上升，使天然级配砂砾呈饱和状态。2原位测试勘察成果地震影像的测试结果：道面下基岩裂隙发育的地段都是道面病害较为集中出现的范围；道面结构松散、道面下有空洞的地段基本为道面上产生裂缝病害的单元；高密度电法的测试结果：裂隙水均赋存基岩深处，在岩石破碎、裂隙发育的地段出露，测试深度内裂隙水呈锥形扩散，在接近道面的位置呈带状分布，这些地段都是道面病害较为集中出现的范围。四、道面病害产生的机理与分析拟建场区地处新疆北部高纬度地区，属于中温带大陆性气候区；冬季11月至次年3月，漫长而寒冷，月均气温均低于0℃，12月～1月尤为寒冷，本区最大冻深2.0m，场地现状地面下冻深范围内的水天然级配砂砾下部存在隔水层，呈饱和含水状态时，会发生冻胀，这种冻胀主要源于水相变为冰的体积膨胀。固态水在土中起到胶结作用，形成冻土，提高其强度。但解冻后土的强度往往低于冻结前的强度。天然级配砂砾冻胀过程中受到上层混凝土板以及下层强风化基岩的约束，产生的冻胀力作用于上层的水泥稳定砂砾层及混凝土板，导致道面出现抬升、错台、断板、裂缝等病害。五、处理建议及方法1、处理方法因為季节性的冻胀每年都在循环发生，道面病害范围持续加大，损坏程度也越加严重，如不能从道面结构本身解决冻胀性，病害是无法遏制的，所以为了彻底治理病害，通常建议是挖除现状道面，重新修建道面。2、处理建议重新修建时应从以下几个方面考虑：（1）建议优化道面结构设计，结构层的组合设计应根据当地具体情况，结合地势、排水设计和施工工艺综合考虑，充分发挥各结构层及其组合整体的作用；（2）在道面周边设置防止雨水、地表水浸入道床的排水设施，高坡地应设截水沟或暗沟，以排走地表水和潜水流；（3）在道面侧面应回填非冻胀性的中砂或粗砂，其厚度不应小于10cm；（4）在低洼场地，加强排水并采用非冻胀性土填方，填方高度不应小于0.5m，其范围不应小于散水坡宽度加1.5m；（5）使用非冻胀性土建造人工地基，使地基的冻融循环仅发生在人工地基内。结束语由于在规范、标准中对碎（卵）石，砾、粗、中砂（粒径<0.075mm含量≤15%）不考虑冻胀性，导致曾经一些道面工程在特殊的地质环境中发生冻胀性破坏，造成了巨大的损失，现重新修订后对其冻胀性做了明确定义，然而为了处理冻胀问题需要巨大投入，一般情况下都应挖除旧道面，重新修建，正所谓“治理重症，需下猛药”。且不可认为是其小问题，得过且过，任其持续发展，照成无法挽回的损失；重新修建时应主要考虑的是道面表面、结构中的排水问题，只要没有水