張發(fā)斌

（青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，青海 西寧810001）

0 引言

我國東北地區(qū)和西北地區(qū)的凍土較多，而在高速公路工程中，凍土地區(qū)的路基設(shè)計(jì)難度和施工復(fù)雜程度較高，設(shè)計(jì)人員必須充分考慮施工區(qū)域的土質(zhì)特征，結(jié)合凍土的類型和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少施工阻礙。目前，在高速公路工程建設(shè)方面，關(guān)于凍土路基的研究比較少，現(xiàn)立足前人的研究基礎(chǔ)，根據(jù)凍土路基的設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合不同的凍土類型對路基設(shè)計(jì)及病害防治對策進(jìn)行研究。

1 凍土的土質(zhì)特點(diǎn)

當(dāng)土層溫度下降到0C 以下時(shí)，含有水分的土壤就會(huì)凍結(jié)，形成凍土，另外，凍土的形成還與植被等因素相關(guān)。根據(jù)土壤凍結(jié)的時(shí)間長短，可以將凍土劃分為短時(shí)凍土、季節(jié)性凍土、多年凍土等類型。凍土多分布在我國北方地區(qū)，這類土壤在施工中難以被改造。凍土呈凍結(jié)狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成分多樣的特點(diǎn)，其中不但包含凍結(jié)的黏土層，還包含凍結(jié)的礫石層、砂層等，不同的成分在臨界凍結(jié)深度上存在較大的差異。表1 為土壤成分的臨界凍結(jié)深度值。

表1 臨界凍結(jié)深度值

凍土的性狀、結(jié)構(gòu)會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化，凍土多在冬季形成，夏季則會(huì)融化，而這會(huì)給高速公路工程的路基施工帶來較大的難度，凍土?xí)欢ǔ潭壬嫌绊懧坊姆€(wěn)定性，容易造成路基沉降等病害。

2 凍土地區(qū)路基設(shè)計(jì)理論

按照凍土的含冰量和融沉等級，可以將凍土劃分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層（見表2）。在凍土地區(qū)施工，需要工程設(shè)計(jì)人員、建設(shè)單位管理人員對項(xiàng)目區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行全面的勘查，以勘查結(jié)果為依據(jù)，準(zhǔn)確評估施工區(qū)域凍土融化后的變形值，結(jié)合相應(yīng)參數(shù)及結(jié)合凍土的特點(diǎn)，對施工區(qū)域的凍土融化進(jìn)行控制，通過相應(yīng)的處理措施預(yù)防凍土可能引發(fā)的公路病害。

表2 凍土的融沉等級分類

2.1 含土冰層路基

首先，含土冰層的融沉等級是最高的，如果高速公路的路基工程在含土冰層中修建，路基會(huì)受到嚴(yán)重影響，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的路基變形，引發(fā)難以補(bǔ)救的道路病害。因此，在高速公路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對施工區(qū)域的地質(zhì)勘測，明確劃分出含土冰層的地段，在設(shè)計(jì)中盡可能避開這些地段，若是無法避開含土冰層，就要在路基施工中采取全部清除、換填等方法，增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性，降低凍土對路基的影響。

2.2 富冰和飽冰凍土路基

在高速公路工程中，富冰和飽冰凍土路基容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的沉降，所以在公路工程設(shè)計(jì)階段，必須科學(xué)、準(zhǔn)確地計(jì)算富冰、飽冰路基的融化沉降量、壓縮沉降量。在實(shí)際施工中，富冰和飽冰凍土路基容易存在地質(zhì)不均勻問題，所以沉降和變形也存在不確定性。因此，在計(jì)算融化沉降量和壓縮沉降量時(shí)，設(shè)計(jì)人員要深入研究勘查數(shù)據(jù)，并結(jié)合具體試驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，科學(xué)應(yīng)對凍土路基，妥善解決路基變形問題。

2.3 少冰和多冰凍土路基

在五類凍土中，少冰和多冰凍土中的含冰量相對較少，對高速公路路基工程的危害較小，設(shè)計(jì)人員可以按照普通高速公路路基的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對一些壓縮沉降較大的施工區(qū)域，可以在施工時(shí)清除表層土壤，然后在這部分區(qū)域中填充質(zhì)量達(dá)標(biāo)的碎石、砂礫等材料。填充完相應(yīng)材料之后，還要用壓路機(jī)進(jìn)行分層碾壓，其間需把握好壓路機(jī)的速度和碾壓次數(shù)，從根源上降低凍土壓縮沉降對路基的影響。

3 高速公路凍土路基的病害分析

在高速公路路基工程中，凍土?xí)o路基造成較多威脅，如導(dǎo)致路基凍脹、翻漿、冰丘等病害。其中，翻漿多會(huì)伴隨凍脹產(chǎn)生，即一般情況下，凍脹較大的路段更容易產(chǎn)生翻漿現(xiàn)象，凍脹較小的路段不易產(chǎn)生翻漿。

3.1 凍脹

在冬季，土壤溫度達(dá)到0C 或以下，土壤里的水分就會(huì)凝結(jié)成冰，將土壤凍結(jié)。凍結(jié)的順序是自上而下的，在這個(gè)過程中，路基下部的水分會(huì)向上聚集，從而使聚冰層變厚，路基上部會(huì)形成冰夾層。土壤的凍結(jié)會(huì)伴隨著體積增大，土壤中的顆粒也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致路基土體出現(xiàn)不均勻凍脹，路面也會(huì)呈現(xiàn)出不均勻的隆起，從而造成路面開裂，直接影響高速公路的運(yùn)營，對行車安全造成威脅。

3.2 翻漿

受到冬季低溫的影響，凍土土體的含水量會(huì)大大提升，當(dāng)春季到來，氣溫逐漸提升，凍土?xí)饾u融化。在這個(gè)過程中，路基上層會(huì)先解凍，如果融化后的水分不能被及時(shí)排出，路基就會(huì)出現(xiàn)潮濕、軟化等問題，路基強(qiáng)度也會(huì)因此下降。如果這時(shí)路基受到特種車輛、大型作業(yè)車輛的碾壓，就會(huì)產(chǎn)生路面下沉，路面裂縫會(huì)向外擠出泥漿，這就是翻漿現(xiàn)象。翻漿是凍土區(qū)域常見的道路病害，路基出現(xiàn)翻漿，會(huì)大大降低公路的承載能力，甚至使公路喪失承載能力。

3.3 融沉

融沉是公路受凍土影響的常見現(xiàn)象，凍土在融化時(shí)會(huì)導(dǎo)致路基融沉。其中，有些融沉與外部荷載無關(guān)，屬于融化沉降，有些融沉和外部荷載有直接關(guān)系，屬于壓密沉降。由于凍土的土體存在差異性，所以不同區(qū)域的凍土在融沉方面也會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生融沉區(qū)域不連續(xù)、融沉厚度不均勻等現(xiàn)象。另外，有些區(qū)域的路基可能在一段時(shí)間內(nèi)緩慢地出現(xiàn)融沉，有些路段則有可能突發(fā)沉陷，若是沉陷程度較大，會(huì)對道路行車安全帶來巨大威脅。

3.4 冰丘

在高速公路凍土路基的施工過程中，如果施工人員在開挖路塹時(shí)存在操作不規(guī)范的問題，就容易產(chǎn)生冰丘。一般情況下，冰丘、冰錐主要存在于多年凍土區(qū)域，其外觀為向上隆起的土丘，形成原因是地下水凍結(jié)，體積膨脹，造成地表隆起。

4 凍土路基病害的影響因素

4.1 人為因素

人為因素是引發(fā)其病害的重要因素，地質(zhì)勘測不科學(xué)、施工工藝不成熟、施工操作不規(guī)范，都會(huì)影響路基質(zhì)量，擴(kuò)大凍土對路基的影響。在凍土路基的施工過程中，施工人員需要結(jié)合施工區(qū)域的土質(zhì)特點(diǎn)、地下水位高度、工程要求等展開施工，尤其要考慮地下水位因素，加強(qiáng)對地下水位的勘測，需布設(shè)好排水設(shè)施，優(yōu)化施工工藝，確保工程質(zhì)量。

4.2 土質(zhì)

在凍土路基施工中，土質(zhì)與病害的產(chǎn)生及病害的嚴(yán)重程度有直接關(guān)系，有些土質(zhì)不易受溫度影響，很少發(fā)生凍脹問題；有些土質(zhì)受溫度影響較大，凍脹問題嚴(yán)重，而這會(huì)加重路基病害。通常情況下，粉性土最容易產(chǎn)生凍脹，出現(xiàn)翻漿的概率也更大，而粗粒土則不容易產(chǎn)生凍脹和翻漿。因此，在高速公路路基施工中，施工人員需要加強(qiáng)對施工區(qū)域土質(zhì)的勘測，結(jié)合土質(zhì)設(shè)計(jì)施工方案，從而降低凍土對路基的影響。

4.3 水分

凍土是水分在負(fù)溫狀態(tài)下固化造成的，無論是凍脹、翻漿，還是其他道路病害，大多與水分在土體中的遷移、變化有關(guān)。以凍脹病害為例，如果土體中的含水量低于臨界值，土體就會(huì)產(chǎn)生凍縮，如果土體中的含水量高于臨界值，土體就會(huì)發(fā)生凍脹。因此，在高速公路路基施工中，設(shè)計(jì)人員和施工人員需要高度重視水分因素，在設(shè)計(jì)、施工前需要對土體中的含水量進(jìn)行勘測，進(jìn)而采取更具針對性的措施加以處理。

4.4 溫度

在高速公路施工中，凍土主要受溫度因素的影響，無論是凍脹還是翻漿，溫度因素起到的影響都非常大。通常情況下，入冬后的溫度越低，土壤的凍結(jié)速度越快，路基上部的聚冰層越薄，產(chǎn)生凍脹等病害的概率越小。反之，如果入冬后氣溫相對較高，且存在冷凍和融化反復(fù)交替的現(xiàn)象，路基上部就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水分聚集，凍脹和翻漿等病害出現(xiàn)的可能性也會(huì)更大。

4.5 路面

在凍土路基中，凍脹、翻漿等病害最終都會(huì)體現(xiàn)在路面上，導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫、鼓包，產(chǎn)生嚴(yán)重的形變等。如果路基中含有較多水分，采用瀝青路面就會(huì)降低路基的透氣性，不利于路基中的水分蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致路基上部聚冰較多，產(chǎn)生翻漿等病害。

5 高速公路凍土路基病害防治策略

5.1 提高施工的規(guī)范性

在高速公路施工過程中，施工單位需要加強(qiáng)對凍土問題的重視，不斷優(yōu)化施工工藝。為提高路基部分施工的規(guī)范性，建設(shè)單位需要對施工過程進(jìn)行有效的監(jiān)督、管理，對每一個(gè)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)。施工人員需要按照規(guī)范流程做好施工準(zhǔn)備、測量放樣、清理場地、平整壓實(shí)、路堤填筑、碾壓密實(shí)等工作，保證施工質(zhì)量。

5.2 采取換填土措施

換填土能夠有效改善凍土土質(zhì)，降低凍土對路基穩(wěn)定性的影響，避免道路裂縫等病害。在換土施工中，施工人員需要挖出不良土體，并用粗砂、礫石等非凍脹性材料進(jìn)行回填（施工流程見圖1）。在這一過程中，施工人員需要先對施工區(qū)域的土質(zhì)進(jìn)行勘測，掌握該區(qū)域的地下水位高度，進(jìn)而明確換填深度、換填材料，而后挖除路基范圍內(nèi)的雜物，并在換填之后分層壓實(shí)，最大限度地提高路基的穩(wěn)定性。另外，若采用換填土方法，施工單位需要加強(qiáng)對施工成本的控制，避免施工成本超出預(yù)算。

圖1 凍土換填的施工流程

5.3 科學(xué)控制土中的含水量

凍脹、冰丘等道路病害都是由水分引發(fā)的，要避免此類病害，設(shè)置良好的排水系統(tǒng)是關(guān)鍵。在路基施工中，施工人員需要使路基保持干燥，這樣可以從根本上避免水分凍結(jié)對路基的影響。在設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要充分掌握土體中的水分分布情況，測量不同位置凍土中的含水量，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，依靠科學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以免破壞施工區(qū)域的自然條件，引發(fā)其他道路病害。

5.4 全面做好保溫措施

凍土主要受溫度因素的影響，溫度會(huì)直接影響凍土的凍結(jié)深度，進(jìn)而影響凍脹的嚴(yán)重程度。在高速公路路基施工中，施工人員需要做好保溫措施，有效預(yù)防凍脹等病害。為了更好地保持路基溫度，可以在路基施工中增加保溫層，降低路基土體的凍結(jié)深度，從而更好地防治凍脹病害，還需要在路基的邊坡部位設(shè)置凍土保護(hù)層，減少外界溫度對凍土的影響。

5.5 加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

在公路施工中，若是路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，則路面容易出現(xiàn)裂縫等問題，自然降水會(huì)隨著這些裂縫滲入地下，使地基的含水量更高，這會(huì)進(jìn)一步加大凍土對路基的影響，進(jìn)而引發(fā)其他道路病害，影響公路的使用壽命。路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)一定程度上影響路基的穩(wěn)定性，提高路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，能更好地減少道路病害，避免翻漿等問題。為此，在路面施工中，可以選用水泥穩(wěn)定砂礫、煤渣石灰土等材料，打造半剛性結(jié)構(gòu)層，提高路面的承載力，避免路面出現(xiàn)裂縫，有效控制地基含水量，提高公路的整體穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

在高速公路工程中，路基施工質(zhì)量會(huì)直接影響整體工程質(zhì)量。而凍土土質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響路基施工效果，容易引發(fā)凍脹、融沉、翻漿等公路病害。為全面提高路基部分的施工質(zhì)量，更好地發(fā)揮高速公路的作用，設(shè)計(jì)人員和施工人員需要高度重視凍土處理問題，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)、規(guī)范施工，采取有效的處理措施，科學(xué)控制土體中的含水量，切實(shí)保證路基施工質(zhì)量，保證路基、路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高公路工程整體質(zhì)量。