高速公路冻土路基设计理论及病害防治对策研究

张发斌

（青海省交通规划设计研究院有限公司，青海 西宁810001）

0 引言

我国东北地区和西北地区的冻土较多，而在高速公路工程中，冻土地区的路基设计难度和施工复杂程度较高，设计人员必须充分考虑施工区域的土质特征，结合冻土的类型和当地的气候条件，提高设计质量，减少施工阻碍。目前，在高速公路工程建设方面，关于冻土路基的研究比较少，现立足前人的研究基础，根据冻土路基的设计原则，并结合不同的冻土类型对路基设计及病害防治对策进行研究。

1 冻土的土质特点

当土层温度下降到0C 以下时，含有水分的土壤就会冻结，形成冻土，另外，冻土的形成还与植被等因素相关。根据土壤冻结的时间长短，可以将冻土划分为短时冻土、季节性冻土、多年冻土等类型。冻土多分布在我国北方地区，这类土壤在施工中难以被改造。冻土呈冻结状态，具有结构复杂、成分多样的特点，其中不但包含冻结的黏土层，还包含冻结的砾石层、砂层等，不同的成分在临界冻结深度上存在较大的差异。表1 为土壤成分的临界冻结深度值。

表1 临界冻结深度值

冻土的性状、结构会随着季节的变化而变化，冻土多在冬季形成，夏季则会融化，而这会给高速公路工程的路基施工带来较大的难度，冻土会一定程度上影响路基的稳定性，容易造成路基沉降等病害。

2 冻土地区路基设计理论

按照冻土的含冰量和融沉等级，可以将冻土划分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层（见表2）。在冻土地区施工，需要工程设计人员、建设单位管理人员对项目区域的地质情况进行全面的勘查，以勘查结果为依据，准确评估施工区域冻土融化后的变形值，结合相应参数及结合冻土的特点，对施工区域的冻土融化进行控制，通过相应的处理措施预防冻土可能引发的公路病害。

表2 冻土的融沉等级分类

2.1 含土冰层路基

首先，含土冰层的融沉等级是最高的，如果高速公路的路基工程在含土冰层中修建，路基会受到严重影响，容易产生严重的路基变形，引发难以补救的道路病害。因此，在高速公路设计中，设计人员需要加强对施工区域的地质勘测，明确划分出含土冰层的地段，在设计中尽可能避开这些地段，若是无法避开含土冰层，就要在路基施工中采取全部清除、换填等方法，增强路基的稳定性，降低冻土对路基的影响。

2.2 富冰和饱冰冻土路基

在高速公路工程中，富冰和饱冰冻土路基容易出现较为严重的沉降，所以在公路工程设计阶段，必须科学、准确地计算富冰、饱冰路基的融化沉降量、压缩沉降量。在实际施工中，富冰和饱冰冻土路基容易存在地质不均匀问题，所以沉降和变形也存在不确定性。因此，在计算融化沉降量和压缩沉降量时，设计人员要深入研究勘查数据，并结合具体试验，优化设计，科学应对冻土路基，妥善解决路基变形问题。

2.3 少冰和多冰冻土路基

在五类冻土中，少冰和多冰冻土中的含冰量相对较少，对高速公路路基工程的危害较小，设计人员可以按照普通高速公路路基的标准进行设计。针对一些压缩沉降较大的施工区域，可以在施工时清除表层土壤，然后在这部分区域中填充质量达标的碎石、砂砾等材料。填充完相应材料之后，还要用压路机进行分层碾压，其间需把握好压路机的速度和碾压次数，从根源上降低冻土压缩沉降对路基的影响。

3 高速公路冻土路基的病害分析

在高速公路路基工程中，冻土会给路基造成较多威胁，如导致路基冻胀、翻浆、冰丘等病害。其中，翻浆多会伴随冻胀产生，即一般情况下，冻胀较大的路段更容易产生翻浆现象，冻胀较小的路段不易产生翻浆。

3.1 冻胀

在冬季，土壤温度达到0C 或以下，土壤里的水分就会凝结成冰，将土壤冻结。冻结的顺序是自上而下的，在这个过程中，路基下部的水分会向上聚集，从而使聚冰层变厚，路基上部会形成冰夹层。土壤的冻结会伴随着体积增大，土壤中的颗粒也会发生移动，这会导致路基土体出现不均匀冻胀，路面也会呈现出不均匀的隆起，从而造成路面开裂，直接影响高速公路的运营，对行车安全造成威胁。

3.2 翻浆

受到冬季低温的影响，冻土土体的含水量会大大提升，当春季到来，气温逐渐提升，冻土会逐渐融化。在这个过程中，路基上层会先解冻，如果融化后的水分不能被及时排出，路基就会出现潮湿、软化等问题，路基强度也会因此下降。如果这时路基受到特种车辆、大型作业车辆的碾压，就会产生路面下沉，路面裂缝会向外挤出泥浆，这就是翻浆现象。翻浆是冻土区域常见的道路病害，路基出现翻浆，会大大降低公路的承载能力，甚至使公路丧失承载能力。

3.3 融沉

融沉是公路受冻土影响的常见现象，冻土在融化时会导致路基融沉。其中，有些融沉与外部荷载无关，属于融化沉降，有些融沉和外部荷载有直接关系，属于压密沉降。由于冻土的土体存在差异性，所以不同区域的冻土在融沉方面也会呈现出不同的特点，进而产生融沉区域不连续、融沉厚度不均匀等现象。另外，有些区域的路基可能在一段时间内缓慢地出现融沉，有些路段则有可能突发沉陷，若是沉陷程度较大，会对道路行车安全带来巨大威胁。

3.4 冰丘

在高速公路冻土路基的施工过程中，如果施工人员在开挖路堑时存在操作不规范的问题，就容易产生冰丘。一般情况下，冰丘、冰锥主要存在于多年冻土区域，其外观为向上隆起的土丘，形成原因是地下水冻结，体积膨胀，造成地表隆起。

4 冻土路基病害的影响因素

4.1 人为因素

人为因素是引发其病害的重要因素，地质勘测不科学、施工工艺不成熟、施工操作不规范，都会影响路基质量，扩大冻土对路基的影响。在冻土路基的施工过程中，施工人员需要结合施工区域的土质特点、地下水位高度、工程要求等展开施工，尤其要考虑地下水位因素，加强对地下水位的勘测，需布设好排水设施，优化施工工艺，确保工程质量。

4.2 土质

在冻土路基施工中，土质与病害的产生及病害的严重程度有直接关系，有些土质不易受温度影响，很少发生冻胀问题；有些土质受温度影响较大，冻胀问题严重，而这会加重路基病害。通常情况下，粉性土最容易产生冻胀，出现翻浆的概率也更大，而粗粒土则不容易产生冻胀和翻浆。因此，在高速公路路基施工中，施工人员需要加强对施工区域土质的勘测，结合土质设计施工方案，从而降低冻土对路基的影响。

4.3 水分

冻土是水分在负温状态下固化造成的，无论是冻胀、翻浆，还是其他道路病害，大多与水分在土体中的迁移、变化有关。以冻胀病害为例，如果土体中的含水量低于临界值，土体就会产生冻缩，如果土体中的含水量高于临界值，土体就会发生冻胀。因此，在高速公路路基施工中，设计人员和施工人员需要高度重视水分因素，在设计、施工前需要对土体中的含水量进行勘测，进而采取更具针对性的措施加以处理。

4.4 温度

在高速公路施工中，冻土主要受温度因素的影响，无论是冻胀还是翻浆，温度因素起到的影响都非常大。通常情况下，入冬后的温度越低，土壤的冻结速度越快，路基上部的聚冰层越薄，产生冻胀等病害的概率越小。反之，如果入冬后气温相对较高，且存在冷冻和融化反复交替的现象，路基上部就会出现严重的水分聚集，冻胀和翻浆等病害出现的可能性也会更大。

4.5 路面

在冻土路基中，冻胀、翻浆等病害最终都会体现在路面上，导致路面出现裂缝、鼓包，产生严重的形变等。如果路基中含有较多水分，采用沥青路面就会降低路基的透气性，不利于路基中的水分蒸发，进而导致路基上部聚冰较多，产生翻浆等病害。

5 高速公路冻土路基病害防治策略

5.1 提高施工的规范性

在高速公路施工过程中，施工单位需要加强对冻土问题的重视，不断优化施工工艺。为提高路基部分施工的规范性，建设单位需要对施工过程进行有效的监督、管理，对每一个施工环节进行检验。施工人员需要按照规范流程做好施工准备、测量放样、清理场地、平整压实、路堤填筑、碾压密实等工作，保证施工质量。

5.2 采取换填土措施

换填土能够有效改善冻土土质，降低冻土对路基稳定性的影响，避免道路裂缝等病害。在换土施工中，施工人员需要挖出不良土体，并用粗砂、砾石等非冻胀性材料进行回填（施工流程见图1）。在这一过程中，施工人员需要先对施工区域的土质进行勘测，掌握该区域的地下水位高度，进而明确换填深度、换填材料，而后挖除路基范围内的杂物，并在换填之后分层压实，最大限度地提高路基的稳定性。另外，若采用换填土方法，施工单位需要加强对施工成本的控制，避免施工成本超出预算。

图1 冻土换填的施工流程

5.3 科学控制土中的含水量

冻胀、冰丘等道路病害都是由水分引发的，要避免此类病害，设置良好的排水系统是关键。在路基施工中，施工人员需要使路基保持干燥，这样可以从根本上避免水分冻结对路基的影响。在设计排水系统时，设计人员需要充分掌握土体中的水分分布情况，测量不同位置冻土中的含水量，并进行相关试验，依靠科学的数据进行设计，以免破坏施工区域的自然条件，引发其他道路病害。

5.4 全面做好保温措施

冻土主要受温度因素的影响，温度会直接影响冻土的冻结深度，进而影响冻胀的严重程度。在高速公路路基施工中，施工人员需要做好保温措施，有效预防冻胀等病害。为了更好地保持路基温度，可以在路基施工中增加保温层，降低路基土体的冻结深度，从而更好地防治冻胀病害，还需要在路基的边坡部位设置冻土保护层，减少外界温度对冻土的影响。

5.5 加强路面结构的稳定性

在公路施工中，若是路面结构强度不足，则路面容易出现裂缝等问题，自然降水会随着这些裂缝渗入地下，使地基的含水量更高，这会进一步加大冻土对路基的影响，进而引发其他道路病害，影响公路的使用寿命。路面结构的强度会一定程度上影响路基的稳定性，提高路面结构的强度，能更好地减少道路病害，避免翻浆等问题。为此，在路面施工中，可以选用水泥稳定砂砾、煤渣石灰土等材料，打造半刚性结构层，提高路面的承载力，避免路面出现裂缝，有效控制地基含水量，提高公路的整体稳定性。

6 结语

在高速公路工程中，路基施工质量会直接影响整体工程质量。而冻土土质会严重影响路基施工效果，容易引发冻胀、融沉、翻浆等公路病害。为全面提高路基部分的施工质量，更好地发挥高速公路的作用，设计人员和施工人员需要高度重视冻土处理问题，需要优化设计、规范施工，采取有效的处理措施，科学控制土体中的含水量，切实保证路基施工质量，保证路基、路面结构的稳定性，提高公路工程整体质量。