典型特殊土路基的国外研究概况

各个国家地质情况都比较复杂，在进行公路建设过程中，必须结合环境特点与路基填料类型选择适宜的路基设计与施工技术来满足公路建设要求。近半个世纪以来,全球广大道路工程工作者,从本国实际和建设需要出发,刻苦钻研、反复实践,在路基工程的建设和科学研究中，取得了许多突破性的系列成果。本文按照环境特点与路基填料类型,针对国外几个国家容易出现病害的冻土路基、软土路基、膨胀土路基等进行介绍。

1.冻土路基

我们把温度小于和等于0℃，且含有冰的土(石),称为冻土,在天然条件下,地面以下的冻土保持三年或三年以上者,称为多年冻土。

多年冻土是一种对温度十分敏感且性质易变的地质体，它是在地壳外热源和内热源共同作用下形成、发展、退化、消亡的。与一般的土类相比较,它是既包含固体(矿物骨架),液体(未冻水)和气体(水蒸汽和气体),又含有塑性粘滞体(冰)的四相体系,其各相态成分的含量和特性是随外部条件(温度、压力等)的改变而改变的,并与外界条件处于动态平衡之中。多年冻土作为特殊复杂的四相体系地质体,无疑是影响路基稳定的最直接原因之一。

目前，国内外多年冻土地区路基处治有两种方式:保护冻土,减缓冻土退化速度,减小冻土路基融沉变形,预防道路水损害、冻胀融沉等工程病害;预融或挖出冻土,换填透水性好的砂砾材料,结合土工材料,确保路基强度、稳定性。前一种方式适用于冻土上限较大,冻土层厚度较深情形,后一种方式适用于冻土层较薄、冻土上限较小情况。

采用保护冻土最常用的方法有抬高路堤高度在路堤中铺设保温材料、埋设热棒、覆盖遮阳棚等措施。长期的实践表明,在低温冻土区,抬高路堤高度或铺设保温材料均可有效的保护多年冻土，使多年冻土上限抬升,减小冻土融沉、冻胀病害。在这些基于传热理论的多种工程措施中,遮阳、改变路堤表面颜色、保温材料均属于消极被动保护冻土方案,通风管、热棒、抛石路堤、变导热系数材料均属于积极主动保护冻土的方案。

在面对全球气温变暖、工程建设对冻土扰动严重的挑战下，采取积极主动保护冻土方案显得尤为必要。几种典型的冻土地区道路处治措施应用现状如下:

(1)热棒处治

热棒是迄今为止气液两相对流循环系统中热传输效率最高的一种冷却装置，利用热虹吸原理驱动热棒中的工作介质(如氨、氟利昂、丙烷、CO,等)循环流动,其下端为吸热蒸发段,上端为放热冷凝段，两段中间为绝热段。

(2)气冷路基

气冷路基的主要机理是:利用热对流原理。倾填片石路堤存在空隙,在夏季热空气上升,气冷路基与外界热空气对流终止,阻止了路基内热量的积累;在冬季冷空气下降,气冷路基与外界空气对流循环,使路基内热量散失。气冷路基形式主要有:碎块石路基、片石通风路基、通风管路基等。

碎石路基由Ceoring提出并在美国阿拉斯加多年冻土区推广使用的一种路基处治方法。1969~1970年，前全苏铁路运输研究院斯科沃罗丁冻土研究试验室发现大块碎石路堤基底温度比其它路堤大大降低，并将其应用于俄罗斯多年冻土区的贝一阿Baikal-Amur-Mainline)铁路路基工程中1996~2001年，美国阿拉斯加大学对块石路堤进行了数值模拟,并完成了实体工程试验。

(3)复合式路基

复合式路基也是多年冻土地区防治路基冻胀融沉病害的主要措施之一,主要包括碎石桩、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)、水泥砂砾等复合式路基。早在1835年碎石桩就在法国得到了应用。直到1936年由德国 S.Steuerman 提出用振动水冲法振密砂土地基,50年代末开始用于加固粘性土地基，形成碎石桩。至60年代初德国和英国相继用碎石桩加固性土地基。日本在1957年引进振冲碎石。振冲碎石桩在施工过程中由于排放污水、淤泥量大,在人口稠密和没有排污场地使用时会受到一定限制。为了充分利用碎石桩并克服振冲法的缺点,从80年代开始各国开始研究干法碎石桩，如后来形成的锤击碎石桩、振挤碎石桩、干振碎石桩、强夯碎石桩,在材料上也进行改进如水泥粉煤灰碎石桩(CFG 桩)。

2 膨胀土

(1)膨胀土路基的研究情况膨胀上是一种对环境湿热变化敏感的高塑性粘土。其主要特征是颗粒多分散,富含亲水性的粘土矿物,液限大,胀缩性能大,吸水膨胀软化,失水收缩硬裂。在膨胀土地基上修筑公路路基或采用膨胀性士作为公路路基填料时,受外界因素如地质、水文、气候环境等影响,往往产生道路基底的交替升降变形，路堤压实度的反复变化;在较大路堤填挖段,应力与变形的改变与重复更迭，使道路的强度及稳定性发生变化,产生溜坍、滑坡、纵向开裂等病害,最终造成公路路基、路面与构造物的破坏。

在土木建筑领域,受膨胀土危害的实例很多,尤以美国、南部非洲、澳洲大陆为甚,膨胀土分布范围几乎遍及美、非、亚、澳大陆。膨胀土问题一旦发生处理难度即非常之大，如美国由于膨胀土造成的损失,比洪水、咫风、地震所造成损失总和的两倍还多。膨胀土的问题直到20 世纪 30年代后期才被土力学工程师们所认识。随着经济建设的发展,膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意。1959年,美国首次全国性的膨胀性粘土学术会议在科罗拉多州召开.1959年至1977年,英国、美国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁路规范等文件中增列了有关膨胀土的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所采取的科学态度。

(2)膨胀土路基的治理方法

强膨胀土不应作为路堤填料。高速公路及一、级公路采用中等膨胀土作为路堤填料时应经改性处理后方可填筑。弱膨胀土作为路堤填料时,若胀缩总率不超过 0.7%,可直接填筑,并采取防水、保温、封闭、坡面防护等措施;膨胀土改性处理的最佳掺灰

比,以其掺灰后胀缩总率不超过 0.7%为宜。目前在膨胀土路基施工中主要采用的处理技术有:

1夯实法:夯实膨胀土对抑制膨胀变形有很好效果。

2换填法:换填法是膨胀土路基处理方法中最简单而且可靠有效的方法,即挖除膨胀土,换填非膨胀土或砂砾土。换土深度根据膨胀上的强弱和当地的气候特点确定。

3湿度控制法:湿度控制法包括预湿和保持含水率稳定，为控制由于膨胀土含水率变化而引起的胀缩变形。

4土质改良法:通过添加石灰、水泥、粉煤灰化学添加剂等材料进行膨胀土的改性处理，以达到降低膨胀土膨胀潜势、增加强度和提高水稳定性的目的;一些科研人员还进一步探讨了用化学添加剂(如碳酸钠等)改善石灰稳定膨胀土的效果等。各国科研人员对石灰、粉煤灰稳定膨胀土的效果给予了充分肯定,并在实际工程中得到证实。

土工合成材料加固法:“土工格栅、两布一膜、土工网垫”的使用是为了避免膨胀土与水接触,从而达到消除地基病害的目的。

新型支挡结构法:支挡结构是为了防止边坡的坍塌失稳,确保边坡稳定的构筑物。

3结束语

路基作为道路的基础,在公路工程中起着重要作用。由于它是工程设计蓝图与原地质地貌直接结合的部分,受自然环境影响因素较多。因此,应不断的开拓创新，以建设更经济环保且耐久安全的道路。