根河地区冻土公路路基处理研究

何涛 闫向阳 刘玉凤

摘要：在我国的多年冻土区修筑公路，不可避免要面对秋冻春融引起的路基病害。文章通过分析根河地区的气象水文特点，将冻土所处的时期分为冰冻期、反复冻融期和融化期，对地质、地形条件与冻土形成的关系进行了分析，并针对冻土形成的机理，根据当地不同的地质、地形条件和多年冻土上下限的埋深，提出了不同的处理措施。

关键词：冻土;公路路基;季节性冻融

0 引言

地表岩土体一定深度范围内，温度<0 ℃且冻结时间在2年或2年以上的含冰岩土体为多年冻土[1]。国外对多年冻土研究较早，特别是俄罗斯，具有较深的理论性研究基础[2-3]。我国对多年冻土的研究稍晚，且主要是针对青藏高原公路和铁路的建设进行的，并取得了丰厚的成果，如采用热棒路基、高填路基、片块石路基及碎石护坡、保温板路基、遮阳板路基、通风管路基和粉煤灰路基[4]等。但是，大兴安地区属于寒温带季风气候，植被、水文与青藏高原有着较大的区别，而且围绕着大兴安岭地区的多年冻土研究成果相对较少，可借鉴的经验并不多。海满线采用的保温板路基处理效果甚微，以桥代路是根治冻土路基的有效方法，但因为造价因素的制约，不可能在沿线冻土全部采用。本文主要讨论大兴安岭地区气候、水文特点与冻土的形成条件以及地质、地形条件与冻土形成的关系，并结合冻土产生的沉降机理研究冻土公路路基的处理措施，为根河地区的多年冻土治理提供一定的经验。

1 分析根河地区气象水文特点对冻土的影响

根河地区的冻土呈岛状分布。根河地区属于寒温带大陆性季风气候，冬季漫长严寒，气温年差大，极端最低气温达-45 ℃～-40 ℃，主要集中在1～2月份;高温主要在20 ℃～30 ℃之间，个别情况会出现35 ℃高温。图1为根河地区2011—2018年间全年度气温走势图。

从图1可知，根河地区的气候有如下特点：

（1）每年的10月下旬至次年的4月下旬气温基本在零下，属于冰冻期，岩土体内的水冻结形成冻土。在此期间降雪集中，积雪覆盖，反射太阳辐射，进一步促进冻土及冰锥的形成。

（2）每年的4月下旬至5月下旬、9月下旬至10月下旬，根河地区气温白天在零上，夜间处于零下，属于反复冻融期。白天气温在零上时，冻土融化，土体内的细颗粒被融化水带走，路基的水毁也发生在此期间;夜间气温降到零下时，土体内的水冻结成冰，如此反复，使土体内结构产生破坏。（3）每年5月下旬至9月下旬气温基本在零上，年平均降水量为450～500 mm，雨季主要集中在6～8月份，属于融化期。在此期间，季节性冻土融化，多年冻土处于不稳定状态，一旦覆盖层受到破坏，会加剧融化。

2 地质、地形条件对冻土形成的影响分析

根据国道332线阿里河至库布春林场段（简称阿库线）地质勘察资料，多年冻土在粉土、粉质黏土、黏土、卵石土和风化岩层中均有分布。由此可知，冻土的形成与岩性关系不大，但是与含冰率有关，岩土体含冰率的高低不仅决定了多年冻土的分类，也决定了融化特征，含冰率越高，融沉性越大。如表1所示。

图2为阿库线多年冻土段粉质黏土层和圆卵石层垂直不连续分布示意图。根据地勘资料分析：粉质黏土层中含冰率较低，为少冰冻土，中间部分不含冰，卵石层接近冻土下限部分为饱冰冻土，底部为隔水层;粉质黏土中因分布层间上层滞水，在多年冻土层呈冻结状态，圆卵石层底部因为隔水层的缘故，底部为饱冰冻土，上部层不含冰。

由此可知，地下水对冻土的形成和分类有着决定性的作用。路基的修筑起到隔水的作用，在一定程度上改变周围土体含水率的分布，在地形起伏较大的地区尤为明显。在对根河地区旧路状况调查的过程中发现：旧路靠近山坡一侧，排水不畅，路面开裂严重，纵向裂缝分布多。如图3所示。

由图3可知，路基的填筑压实，阻挡了地下水渗流路径，在排水不畅区域，造成地下水淤积，使路基靠山段一侧地基土体含水率升高，季节性冻融形成不均匀沉降，造成路基一侧产生纵向裂缝。

3 冻土区路基处理分析

根河地区的多年冻土主要分布在沼泽湿地、地表水强烈侵蚀的地带、河谷地带和山前斜坡地下水异常发育且水位较浅的地带。在冻土地区修筑路基，路基的沉降主要由三部分组成：（1）路基本身工后沉降;（2）季节性反复冻融产生的沉降;（3）多年冻土退化产生的沉降。对于路基工后沉降，采取控制压实度、优化施工工艺（如使用重型震动压路机）和施工组织（路基填筑完毕后1～2自然年再铺设路面）等措施来控制。对于季节性反复冻融，根据根河地区气候水文特点，可采取隔水和排水措施来减少冻融产生的沉降。对于多年冻土退化产生的沉降，根据多年冻土上下限的埋深采取不同的处理措施，具体措施如下：

（1）对于冻土埋深<4 m路段（当地季节性最大冻土埋深为3.5 m），挖除冻土后采取冲击碾压的方式回填片石和砂砾进行处置，并在基底铺筑土工格栅进行反包来消除不均匀沉降。具体措施如图4所示。

（2）对于地面干燥无积水、多年冻土上限较浅、下限埋深>4 m的阴坡路段，采取保护多年冻土的措施，清除树根，割除地面以上杂草后将50 cm砂砾冲击碾压至地面线以下，在地面填筑100 cm的砂砾，并在两侧修筑宽度为4 m的保温护道。保温护道采用93%的压实度进行压实，减少水分的渗入。具体措施如图5所示。

（3）对于地面有积水、多年冻土上限较浅、下限埋深>4 m的沼泽、河谷路段，采取保护多年冻土的措施，清除树根，割除地面以上杂草后将50 cm砂砾冲击碾压至地面线以下，铺设两布一膜用以减少不均匀沉降和地下水向下渗透，再铺筑50 cm的砂砾，在砂砾上部铺砌100 cm的片石，用于路基通风，上铺加设反滤土工布，并铺设30 cm砂砾垫层后再铺筑路基。具体措施如图6所示。

以上措施的主要思路是加強排水，以降低路基内的含水率来减少季节性冻融和冬季冻胀对路基产生的影响。砂砾和片石具有较好的消除融胀的效果，宜在清晨填筑，以减小热量对多年冻土的影响。

4 结语

（1）根河地区气候可分为冰冻期、反复冻融期和融化期，岩土体的破坏主要发生在反复冻融期和融化期。因此，路基修筑后不仅要考虑多年冻土退化的影响，也要重点考虑季节性冻融的影响。

（2）冻土的形成与岩性关系不大，但是融沉性与含冰率有关，含冰率越高，融沉等级越高。

（3）气温和岩土体内的含水率是冻土形成的关键影响因素，而加强排水，降低路基内的含水率，是处理冻土地基的重要手段。

参考文献：

[1]GB 50321-2014，冻土工程地质勘查规范[S].

[2]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京：科学出版社，2001.

[3]郭东信.普通冻土学[M].刘铁良，译.北京：科学出版社，1998.

[4]王 芳.博牙高速公路岛状多年冻土地区路基沉降处治技术研究[D].西安：长安大学，2011.

作者简介：何 涛（1986—），工程师，研究方向：岩土工程及路基工程;

闫向阳（1988—），工程师，研究方向：路线及路基工程;

刘玉凤（1987—），助理研究员，研究方向：边坡工程。