摘要
交通荷载下路基结构动水力响应及颗粒迁移特性是揭示翻浆病害形成机理和演化机制的基础与关键。该文通过开展动荷载下分层砾石‒砂粉土柱试验,探究了翻浆状态下细粒迁移的驱动机制。试验结果表明:泥浆晃动造成砾石层内交替出现了正、负值压力梯度,该振荡压力梯度有效增强下部砂粉土层孔隙渗流,随后为细粒迁移提供了必要的动水力条件。细粒迁移导致泥浆浊度增大至稳定值,撤去动力加载泥浆,细粒很快发生沉降并填充在砾石孔隙中形成泥化夹层,从而显著降低砾石‒砂粉土柱的竖向渗透性。结合青海省G0615德马高速公路(花石峡至久治段)翻浆病害处治工程实践,发现降雨融雪水分从沥青面层入渗为病害重要诱因,这些水分甚至在基层内产生“水包”。车辆通过时路面结构层挤压变形,水稳基层中泥浆沿裂隙向上冒出并造成砂砾料逐渐发生侵蚀破坏。考虑施工难度、经济成本和青藏高原生态环境保护要求,根据病害等级和危害程度不同,分别采用了注浆修补封闭法和开挖铣刨封闭法进行病害处治。上述方法在加固封闭水稳基层、降低路面渗透性等方面发挥了积极作用。相关研究为认识翻浆病害发展规律、提升病害处治能力及推动高原公路高品质养护提供了有益借鉴。
0 引言
“交通运输安全与应急保障”“重大设施寿命预测技术”“复杂系统、灾变形成及其预测控制”等涉及交通基础设施全寿期安全保障与综合性能提升相关专题已列为中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》优先发展主题或前沿技术或基础研
唧泥翻浆作为在役公路常见病害之一,其往往造成基层结构裂损、路面坑槽脏污、服役性能变差以及运营安全隐患突
翻浆发展具有隐蔽性、渐进性、周期不规律,难预测等特点,且与道路结构、填料类型、交通荷载和水分补给条件等内外因素密切相
土中细粒与水之间相互作用是翻浆发展的来源和条件。在数值计算方面,Sibille
基于此,本文围绕中国青藏高原公路长期存在的翻浆问题,以及着眼未来公路高品质建养的重大需求,考虑填料特性、结构特点及服役环境规律,开展了交通荷载下翻浆病害机理与处治对策研究。通过在室内再现动荷载下路基翻浆过程,调查了振荡超孔隙水压和泥浆浊度增长之间的内在关联,阐明了泥浆晃动对土中细粒运动的驱动机制。结合青海省G0615德马高速公路(花石峡至久治段)翻浆病害处治实践,从查明病害水源成因、病害程度评价与处治方案选择优化等方面分析了防控翻浆病害的有效途径。相关成果对认识翻浆病害发展规律、指导翻浆防控工作,以及提升中国公路路基路面结构设计方法和养护技术具有重要的理论意义和工程价值。
1 翻浆病害室内试验
1.1 试验系统及材料
翻浆冒泥模型试验系统包括竖向加载、水位控制和数据采集装置等,详细的结构组成与功能介绍可从先前的研究报告获

图1 试验材料的级配组成
Figure 1 Gradation composition of test materials
1.2 试验设计及荷载
采用分层装填压实法制作试样,上部砾石层的初始压实度为95%,孔隙比为0.6;砂粉土层初始密实度为90%、干密度为1.85 g/c

图2 加载前试样照片与结构示意图(单位:mm)
Figure 2 Specimen photos and structure before loading(unit:mm)
2 结果与讨论
2.1 砾石层中动水力响应
饱和砾石层在不同深度处的超孔隙水压力随时间的变化规律如

图3 砾石层不同深度处超孔隙水压力随时间的变化
Figure 3 Variation of excess pore pressure with time at different gravel layer depths
2.2 抽吸效应形成机理
根据振荡超孔隙水压力的分析结果,定义超孔隙水压力梯度i表征循环荷载引起的饱和砾石层动水力响应,由此探究分层砾石‒砂粉土试样中颗粒迁移的驱动机制。超孔隙水压力梯度计算式如下:
(1) |
式中:和为在砾石层深度a和b处的瞬时振荡超孔隙水压力(Pa);为孔隙流体的重度,取10 kN/
基于此,利用加载过程中砾石表层和底层的振荡超孔隙水压力,计算整个饱和砾石层内压力梯度时变特征,结果如

图4 砾石层内压力梯度随时间变化
Figure 4 Variation of pressure gradient in gravel layer with time
2.3 泥浆浊度时空演化规律
不施加循环荷载所有土颗粒都保持静止状态,清晰的砾石‒砂粉土接触面长期存在。施加循环荷载后细粒向上迁移,并在砾石层悬浮而形成泥浆(

图5 抽吸效应诱发水‒质迁移翻浆形成示意图
Figure 5 Mud pumping induced by pumping effect causing fluid and particle migration
砾石层不同深度处泥浆浊度随时间的变化,如

(a) 泥浆浊度

(b) 泥浆浊度增长速率
图6 砾石层内泥浆参数时变曲线
Figure 6 Time-varying curve of slurry parameters in gravel layer
由
通过上述研究,笔者认为翻浆形成机理为:防排水措施不良的路床路基发生积水,在交通荷载激励下积水晃动诱发超孔隙水压力梯度,由此促使土中孔隙渗流驱动细粒发生迁移。颗粒沉积造成路床排水能力变差,特别是在雨季,积水为形成更强的抽吸效应提供了有利条件。上述过程循环往复,最终诱发翻浆病害。除降雨融雪入渗外,地下水位上升同样可能造成道路内部积水,为有效处治病害,必须严控道路内部水含量和通过路表封闭防水,以及在路基底层设置防水层,均可在一定程度上缓解翻浆病害发生。
3 翻浆病害处治对策
3.1 工程概况
青藏高原是中国面积最大、世界海拔最高的高原,被称为“世界屋脊”、地球“第三极”。近年来受全球气候变化影响,青藏高原地区在役公路工程病害呈现频发特征、规模和危害性也不断扩大,包括路基冻融沉陷翻浆、路面开裂坑槽等问题,严重威胁高原交通运输安全,迫切需要掌握高寒高海拔地区公路病害特征和服役状态,并针对病害开展及时有效的处治防控工作。本次翻浆病害处治工程位于青海省德令哈—马尔康高速公路(简称“德马高速”),该路是京藏高速(G6)联络线德令哈—康定高速公路(G0615)的重要组成部分,于2013年8月开工建设。2017年11月13日,德马高速公路青海省花石峡至久治段全线通车,该段西起果洛藏族自治州玛多县花石峡镇,东至果洛藏族自治州久治县,途经玛多、玛沁、甘德、久治4县10个乡镇,线路全长389 km,平均海拔4 150 m。由于青藏高原气候严寒、不良地质及冻土发育、水文条件复杂等因素,德马高速花久段在设计、施工、运营各阶段,均遇到了高原工程建设中不可回避的冻害问题。自建成通车运营以来,局部路段冻融沉陷、唧泥翻浆反复发作,特别是在山坡过水路段,翻浆病害更加严重,养护大队对其组织过多次修补,花费大量人力物力但始终未解决问题(

图7 G0615德马高速(花石峡至久治段)翻浆实地调研
Figure 7 Field investigation on mud pumping on G0615 Dema Expressway (Huashixia to Jiuzhi Section)
3.2 病害发育特征
开展病害现场调研分析是研究病害成因与发展规律的基础,进而提出科学有效的处治措施。笔者发现翻浆病害路段普遍存在沥青面层级配不良、离析严重和裂隙发育等特点,且翻浆主要出现在行车道的车辙线处,在超车道和硬路肩的病害较少。翻浆间距1~3 m,翻浆物质包括矿粉、粉黏土和其他细粒,根据路基路面设计方案推测,上述翻浆物质主要来自水泥稳定砂砾基层和底基层,少量来自路基表层。为进一步弄清翻浆对路基路面结构的危害,在实地调研中开展了钻芯取样(

图8 G0615德马高速结构设计方案与病害取芯调查(单位:cm)
Figure 8 G0615 Dema Expressway structure design scheme and disease coring investigation(unit: cm)
为查明病害路段结构内部的水分来源,特别是道路中分带是否存在渗水通道,实地调研时对严重病害点处中分带进行了开挖检测。开挖检测结果显示:中分带底部防水土工布较为完好,很少有水分会自中分带向两侧道路横向流动。因此,德马高速花久段翻浆病害主要成因为:路面结构层施工质量控制不佳,部分路段沥青混凝土级配不良且离析严重,复杂气候环境和交通荷载耦合下造成裂隙发育,降雨融雪在路表产生积水并沿裂缝入渗,从而造成材料性能变差和内部积水。由于水稳基层内含有矿粉等细粒,它们往往充填在骨架结构组成的孔隙当中,容易悬浮分散到水中并形成泥浆。当车辆通过时,路面结构层发生挤压变形,水稳基层孔隙中泥浆沿裂隙向上“冒”出并形成翻浆(

图9 复杂运营环境增大道路翻浆病害发生风险示意图
Figure 9 Mud pumping risk increased by complex operating environment
3.3 处治思路与方案
正确分析病害成因是科学制定处治方案和处治施工的基础和前提。翻浆是因水而生,所以病害处治的有效途径是封闭面层,加固水稳基层,提高路基强度,降低路面渗透性,使内部积水能够快速排出并切断降雨融雪下渗路径,避免水分再次侵入水稳基层和路基
G0615德马高速花久段穿越阿尼玛卿雪山,形成了很多低洼积水、承压水和山坡过水等不良路段,这些路段翻浆病害“久治不愈”。根据翻浆病害发展程度和危害影响,提出了适用于高寒高海拔地区道路翻浆病害处治思路与方法(

图10 高原公路翻浆病害处治思路与方案
Figure 10 Approach and solution for treating mud pumping on plateau highway
注浆处治翻浆在工程实践中长期被使用并取得了较好效

图11 G0615德马高速翻浆病害处治前后的照片
Figure 11 Mud pumping before and after treatment on G0615 Dema Expressway
病害处治过程严格遵循“生态优先,绿色发展”的理
当前翻浆试验、现场测试与处治施工的初步工作对开展更深入的病害机理与靶向处治研究具有启发作用。高寒高海拔地区气候环境季节性差异显著,尤其是冻融循环、温度波动及降水融雪等对路基路面稳定耐久性的影响
4 结论
本文以青藏高原地区公路翻浆病害处治需求为导向,综合采用室内试验和现场测试等方法,探究了高原暖湿化背景下道路翻浆形成机理与处治对策。主要结论如下:
(1) 泥浆晃动所形成的振荡超孔压梯度是诱发翻浆病害形成的重要驱动因素。从饱和砾石‒砂粉土柱测试结果可见,动荷载下饱和砾石层泥浆晃动造成了超孔隙水压力呈现持续振荡特点,由此造成正、负压力梯度交替出现。该压力梯度增强砂粉土表层内的孔隙渗流,并当渗流施加在细粒表面上的拖拽力打破原本的静力平衡状态时,这些细粒被孔隙渗流裹挟而产生脱离、悬浮和迁移流动。
(2) 颗粒迁移进入上部砾石层形成泥浆,在动荷载下泥浆浊度首先快速增长而后逐渐达到稳定值,这归结为砂粉土表层内的细粒含量在持续降低。明确不同抽吸强度下土体侵蚀深度将为定量评估翻浆发展与危害影响提供了重要线索。翻浆还造成饱和砾石‒砂粉土柱的竖向渗透性显著降低,特别是无动力加载时,由于颗粒沉降造成在砾石底层形成低渗透的泥化夹层。基于诱发翻浆所需的富水条件,全方位结构封闭在今后公路设计建造中须被重视。
(3) 结合G0615德马高速公路翻浆病害处治工程,利用现场勘查测试,发现翻浆物质包括矿粉、粉黏土和其他细粒,在水泥稳定砂砾基层和底基层发生了明显的侵蚀破坏;病害路段沥青面层普遍级配不良、离析严重且裂隙发育,导致降雨融雪水分下渗并聚集在路床基层是病害发生的重要诱因。按病害发育和危害程度,制定了注浆修补封闭和开挖铣刨封闭法处治,成功遏制了病害的反复发作。从高原生态环境保护、施工难度、经济成本和处治效果等方面论述了当前处治技术的优势和不足,为今后加强高原公路翻浆病害致灾机制与靶向处治领域研究指明了方向。
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