季节性冻土地区预防冻胀融沉路基结构优化设计分析

王韬

摘要：为了研究冻土地区路基冻胀融沉现象，解决存在于路基的冻胀问题，提高路基整体安全性，文章结合实体工程，对其结构特点和防冻设计进行研究。结果表明：在一定范围内，冻结率会随着含水量增加而增加;表层级配碎石层是冻胀变形的主要集中部位;根据冻胀观测结果分析可知，增强路基排水能力、设置纤维混凝土防水层和选用不易风化、细颗粒含量较少的路基填料可以提高路基抗冻能力。

关键词：道路工程;预防冻胀融沉;路基;优化设计

0 引言

近年来，我国高速公路的通车里程迅速增加，其沿线有着较大的区域跨度，各种干线、支线公路分布在冻土地区。冻土是一种温度低于0 ℃而且土颗粒被冰凝结的特殊土，在温度影响下会周期性冻结融化，其周期性变化会引起路基不均匀沉降，影响上部路网稳定性。在这种冻土地区易引起公路路基冻胀融沉现象，从而导致严重的路基坍塌、边坡热融滑塌灾害，造成严重的经济损失和影响路线运营。寒区工程建设是我国基础建设的一个重点，穿越冻土区的线路有青藏公路、青康公路、南水北调工程等，这些工程都饱受土体冻结和融化的影响，所以季节性冻土地区预防冻胀融沉路基的结构优化设计有着广阔前景。

1 季节性冻土区冻胀融沉类型、产生机理和影响因素

1.1 季节性冻土区冻害类型

（1）表层冻害

冻胀量在0.3～0.4 mm范围内，发生在路基土体临界冻结深度上半部分，早冬季节是其高发期，结冻解冻表现为“早起早落”型。这种冻害产生原因大多是因为路基上表面小坑洼积水的气温变化使积水发生物理变化引起。

（2）道床冻害

一般发生在11月，12月停止发展，冻胀厚度在0.1～0.4 mm范围内，会引起坡面隆起、路肩纵向开裂变形。其产生原因有很多：冻结时水分向上迁移、路基存在积水、道床厚度过小、路基土热传导不均匀以及稳定度较低、地下水与地表水对路基的侵入、路基上表面土压实不均匀等。

（3）深层冻害

多发生在晚冬季节，冻期结束后停止发展，属“晚起晚落”型，是由地下水产生的，出现在路基土临界冻结深度内下半部分，其冻胀量在3 mm以上。由于冻胀量较大，所以会引起道路严重破坏，造成较大经济损失。这种冻害产生的原因跟地下水位高低有关，地下水位越高，冻胀量越大。

1.2 季节性冻土区冻胀融沉机理

土体冻胀是一个复杂的过程，可以用“毛细水迁移理论”解释其作用原理。路基水分可分为毛细水和薄膜水。路基中的水分在低温下开始结晶，冰晶会随着温度下降而体积逐渐增大。小孔隙冰晶在-0.6 ℃环境下出现，大空隙中冰晶生长温度在-0.3 ℃～-0.1 ℃之间。路基填料在冻结过程中，路基下土层传来的热量和空隙水结冰释放的热量可以抵抗空气冷量，冰冻面会在两者达到平衡时稳定在路基内的某一位置。在土和冰晶吸附作用下，冰冻面旁边未冻水分会在其表面形成一张水膜，所以冰冻面的冰成分会逐渐增加，土颗粒间距会随着冰成分不断增加而变大，其他水分会在土颗粒中形成空隙冰晶，所以路基土会形成冰晶聚集带。土颗粒中冰晶的含量会随着土体含水量的增加而增加，当冰晶达到一定量时会造成路基冻胀变形。

1.3 冻胀融沉的主要影响因素

1.3.1 冻胀

影响冻胀变形的主要因素是土质和水。土颗粒的表面积与粒径大小有关，粒径越小则表面积越大，土颗粒与水的相互作用会产生更大的能量。粒径越小，土颗粒之间会因为空隙更小而产生毛细作用力，有利于水分的移动，加剧了冻结变形。当土颗粒中含水量很低时，即使温度很低，也不易产生冻结变形，路基土冻胀变形程度会随着含水量的增加而增加（一定范围内）。

1.3.2 融沉

影响融沉的主要因素是荷载和干容重。土中含水量会在冻土融化过程中不断增加，土颗粒空隙水压力越来越大，土体压实固结速度在外部荷载作用下加快，导致沉降。在荷载作用下，孔隙水还会加速排出，会因为土颗粒间孔隙水压力减小而导致沉降。土中含水量越大，干容重越小，冻土在融化过程中，当干容重较大时，土颗粒孔隙越小，沉降变形就越小，反之同理。

2 工程实践

2.1 工程概况

某公路全长750.36 km，路线总体走向自东向西，路面设计年限为15年。工程周边气候寒冷，最低温度为-39.6 ℃。

2.2 路基防冻设计

该公路路基防冻设计主要采取以下措施：

（1）纤维混凝土防水层：浇筑50～100 mm的C25纤维混凝土在轨道底部边缘。纤维混凝土伸缩缝、纤维混凝土与其他接缝处采取隔离措施，并浇筑热沥青砂浆。轨道底座上部被沥青密封后，用聚乙烯材料填塞轨道伸缩缝。

（2）路基填料：路基基床大部分采用不易风化的卵石填料。在基床底部最大冻结深度内填筑粒径d≤0.075 mm的细颗粒含量<15%的A、B组防冻填料，防渗水的“两布一膜”土工布在填筑层外部增设。基床表层采用含量<4.5%的粒径d≤0.075 mm的细颗粒。

（3）增强路基排水能力：在低路堤路段，采用路堤式路堑结构加强排水能力。当表层水因为地下水位较高而不易于排出时，宜设置隔断层阻止地下水进入基床，并设置渗沟、暗沟排水，基床填料要进行填料处理。在地下水位较高及地势较平坦、较低的路段，适合采用路堤形式，着重增强路基本体及表面排水能力，减少地下水影响。用“上封下疏”的方式整治冻胀，塞填路面缝隙，疏通路肩泄水孔防止地表水下漏，增加疏排孔、渗水沟，解决路堑积水。

2.3 质量控制

每一道施工工艺要严格按照规范标准、施工图要求进行，用严格的过程控制和施工工艺将路基冻胀变形控制在合理范围内，注重设计细节。

（1）采用专业筛分设施工厂化生产防冻填料，控制好质量源头，严格控制路基施工过程中<0.075 mm的粒径含量。试验室冻胀率测试、细料含量测定、渗透试验和首件的碾压验证都要在施工前完成，并在施工过程中加强质量检测。

（2）路基施工按照“三阶段、四区段、八流程”标准进行，防冻填料的含水率严格控制在规定范围，不在冬季雨季施工。防冻层底部标高尽量设置在较低范围。在路基填筑施工过程中，保证防冻层厚度，采用路基连续压实技术。

（3）路基施工完毕后建立完善的冻胀监测系统，加强观测，至少完成一个冻融循环期的监测。

2.4 变形监测情况以及分析

该公路2015—2016年、2016—2017年全线路基冻胀变形统计分别见下页表1和表2。11月、1月、3月、5月为4个监测周期，1监测周期是15 d，“1～2监测周期”是1月和11月监测结果的差值，“1～3监测周期”是3月和11月监测结果的差值。

从该公路总体冻胀变形监测情况可以得出结论：路基整体处于稳定状态，其冻胀量分布区间比较稳定，全路线冻胀量>10 mm的路基不到10%，说明全路线路基冻胀得到良好的控制，处于稳定的工作状态。

3 结语

该工程采取了有效的冻土地区路基防冻胀融沉设计措施，整体路基的冻胀稳定可控。不规则冻胀融沉程度与路基结构有关，较低的压实度、较高的路基含水率都会引起路基冻胀变形，冻胀变形集中在表层级配碎石层。为了預防季节性冻土地区路基结构冻胀融沉，建议完善路基排水能力，并且根据冻胀观测结果，完善后续防冻措施。

参考文献：

[1]石刚强.季节性冻土地区高铁路基冻胀规律及防治对策研究[J].路基工程，2019（3）：99-103，119.

[2]王 通.季节性冻土高铁路基冻胀融沉仿真[D].石家庄：石家庄铁道大学，2018.

[3]王彦虎.季节性冻土区路基冻胀特性及治理方法研究[D].兰州：兰州交通大学，2018.

[4]朱凤杰.高山多年冻土地区路基冻胀融沉机理及稳定性评价[D].西安：长安大学，2017.

作者简介：王 韬（1989—），硕士，工程师，主要从事公路规划勘察设计工作。