季節(jié)性凍土地區(qū)預(yù)防凍脹融沉路基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

王韜

摘要：為了研究凍土地區(qū)路基凍脹融沉現(xiàn)象，解決存在于路基的凍脹問題，提高路基整體安全性，文章結(jié)合實體工程，對其結(jié)構(gòu)特點和防凍設(shè)計進行研究。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，凍結(jié)率會隨著含水量增加而增加;表層級配碎石層是凍脹變形的主要集中部位;根據(jù)凍脹觀測結(jié)果分析可知，增強路基排水能力、設(shè)置纖維混凝土防水層和選用不易風化、細顆粒含量較少的路基填料可以提高路基抗凍能力。

關(guān)鍵詞：道路工程;預(yù)防凍脹融沉;路基;優(yōu)化設(shè)計

0 引言

近年來，我國高速公路的通車里程迅速增加，其沿線有著較大的區(qū)域跨度，各種干線、支線公路分布在凍土地區(qū)。凍土是一種溫度低于0 ℃而且土顆粒被冰凝結(jié)的特殊土，在溫度影響下會周期性凍結(jié)融化，其周期性變化會引起路基不均勻沉降，影響上部路網(wǎng)穩(wěn)定性。在這種凍土地區(qū)易引起公路路基凍脹融沉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致嚴重的路基坍塌、邊坡熱融滑塌災(zāi)害，造成嚴重的經(jīng)濟損失和影響路線運營。寒區(qū)工程建設(shè)是我國基礎(chǔ)建設(shè)的一個重點，穿越凍土區(qū)的線路有青藏公路、青康公路、南水北調(diào)工程等，這些工程都飽受土體凍結(jié)和融化的影響，所以季節(jié)性凍土地區(qū)預(yù)防凍脹融沉路基的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有著廣闊前景。

1 季節(jié)性凍土區(qū)凍脹融沉類型、產(chǎn)生機理和影響因素

1.1 季節(jié)性凍土區(qū)凍害類型

（1）表層凍害

凍脹量在0.3～0.4 mm范圍內(nèi)，發(fā)生在路基土體臨界凍結(jié)深度上半部分，早冬季節(jié)是其高發(fā)期，結(jié)凍解凍表現(xiàn)為“早起早落”型。這種凍害產(chǎn)生原因大多是因為路基上表面小坑洼積水的氣溫變化使積水發(fā)生物理變化引起。

（2）道床凍害

一般發(fā)生在11月，12月停止發(fā)展，凍脹厚度在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)，會引起坡面隆起、路肩縱向開裂變形。其產(chǎn)生原因有很多：凍結(jié)時水分向上遷移、路基存在積水、道床厚度過小、路基土熱傳導(dǎo)不均勻以及穩(wěn)定度較低、地下水與地表水對路基的侵入、路基上表面土壓實不均勻等。

（3）深層凍害

多發(fā)生在晚冬季節(jié)，凍期結(jié)束后停止發(fā)展，屬“晚起晚落”型，是由地下水產(chǎn)生的，出現(xiàn)在路基土臨界凍結(jié)深度內(nèi)下半部分，其凍脹量在3 mm以上。由于凍脹量較大，所以會引起道路嚴重破壞，造成較大經(jīng)濟損失。這種凍害產(chǎn)生的原因跟地下水位高低有關(guān)，地下水位越高，凍脹量越大。

1.2 季節(jié)性凍土區(qū)凍脹融沉機理

土體凍脹是一個復(fù)雜的過程，可以用“毛細水遷移理論”解釋其作用原理。路基水分可分為毛細水和薄膜水。路基中的水分在低溫下開始結(jié)晶，冰晶會隨著溫度下降而體積逐漸增大。小孔隙冰晶在-0.6 ℃環(huán)境下出現(xiàn)，大空隙中冰晶生長溫度在-0.3 ℃～-0.1 ℃之間。路基填料在凍結(jié)過程中，路基下土層傳來的熱量和空隙水結(jié)冰釋放的熱量可以抵抗空氣冷量，冰凍面會在兩者達到平衡時穩(wěn)定在路基內(nèi)的某一位置。在土和冰晶吸附作用下，冰凍面旁邊未凍水分會在其表面形成一張水膜，所以冰凍面的冰成分會逐漸增加，土顆粒間距會隨著冰成分不斷增加而變大，其他水分會在土顆粒中形成空隙冰晶，所以路基土會形成冰晶聚集帶。土顆粒中冰晶的含量會隨著土體含水量的增加而增加，當冰晶達到一定量時會造成路基凍脹變形。

1.3 凍脹融沉的主要影響因素

1.3.1 凍脹

影響凍脹變形的主要因素是土質(zhì)和水。土顆粒的表面積與粒徑大小有關(guān)，粒徑越小則表面積越大，土顆粒與水的相互作用會產(chǎn)生更大的能量。粒徑越小，土顆粒之間會因為空隙更小而產(chǎn)生毛細作用力，有利于水分的移動，加劇了凍結(jié)變形。當土顆粒中含水量很低時，即使溫度很低，也不易產(chǎn)生凍結(jié)變形，路基土凍脹變形程度會隨著含水量的增加而增加（一定范圍內(nèi)）。

1.3.2 融沉

影響融沉的主要因素是荷載和干容重。土中含水量會在凍土融化過程中不斷增加，土顆粒空隙水壓力越來越大，土體壓實固結(jié)速度在外部荷載作用下加快，導(dǎo)致沉降。在荷載作用下，孔隙水還會加速排出，會因為土顆粒間孔隙水壓力減小而導(dǎo)致沉降。土中含水量越大，干容重越小，凍土在融化過程中，當干容重較大時，土顆粒孔隙越小，沉降變形就越小，反之同理。

2 工程實踐

2.1 工程概況

某公路全長750.36 km，路線總體走向自東向西，路面設(shè)計年限為15年。工程周邊氣候寒冷，最低溫度為-39.6 ℃。

2.2 路基防凍設(shè)計

該公路路基防凍設(shè)計主要采取以下措施：

（1）纖維混凝土防水層：澆筑50～100 mm的C25纖維混凝土在軌道底部邊緣。纖維混凝土伸縮縫、纖維混凝土與其他接縫處采取隔離措施，并澆筑熱瀝青砂漿。軌道底座上部被瀝青密封后，用聚乙烯材料填塞軌道伸縮縫。

（2）路基填料：路基基床大部分采用不易風化的卵石填料。在基床底部最大凍結(jié)深度內(nèi)填筑粒徑d≤0.075 mm的細顆粒含量<15%的A、B組防凍填料，防滲水的“兩布一膜”土工布在填筑層外部增設(shè)。基床表層采用含量<4.5%的粒徑d≤0.075 mm的細顆粒。

（3）增強路基排水能力：在低路堤路段，采用路堤式路塹結(jié)構(gòu)加強排水能力。當表層水因為地下水位較高而不易于排出時，宜設(shè)置隔斷層阻止地下水進入基床，并設(shè)置滲溝、暗溝排水，基床填料要進行填料處理。在地下水位較高及地勢較平坦、較低的路段，適合采用路堤形式，著重增強路基本體及表面排水能力，減少地下水影響。用“上封下疏”的方式整治凍脹，塞填路面縫隙，疏通路肩泄水孔防止地表水下漏，增加疏排孔、滲水溝，解決路塹積水。

2.3 質(zhì)量控制

每一道施工工藝要嚴格按照規(guī)范標準、施工圖要求進行，用嚴格的過程控制和施工工藝將路基凍脹變形控制在合理范圍內(nèi)，注重設(shè)計細節(jié)。

（1）采用專業(yè)篩分設(shè)施工廠化生產(chǎn)防凍填料，控制好質(zhì)量源頭，嚴格控制路基施工過程中<0.075 mm的粒徑含量。試驗室凍脹率測試、細料含量測定、滲透試驗和首件的碾壓驗證都要在施工前完成，并在施工過程中加強質(zhì)量檢測。

（2）路基施工按照“三階段、四區(qū)段、八流程”標準進行，防凍填料的含水率嚴格控制在規(guī)定范圍，不在冬季雨季施工。防凍層底部標高盡量設(shè)置在較低范圍。在路基填筑施工過程中，保證防凍層厚度，采用路基連續(xù)壓實技術(shù)。

（3）路基施工完畢后建立完善的凍脹監(jiān)測系統(tǒng)，加強觀測，至少完成一個凍融循環(huán)期的監(jiān)測。

2.4 變形監(jiān)測情況以及分析

該公路2015—2016年、2016—2017年全線路基凍脹變形統(tǒng)計分別見下頁表1和表2。11月、1月、3月、5月為4個監(jiān)測周期，1監(jiān)測周期是15 d，“1～2監(jiān)測周期”是1月和11月監(jiān)測結(jié)果的差值，“1～3監(jiān)測周期”是3月和11月監(jiān)測結(jié)果的差值。

從該公路總體凍脹變形監(jiān)測情況可以得出結(jié)論：路基整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其凍脹量分布區(qū)間比較穩(wěn)定，全路線凍脹量>10 mm的路基不到10%，說明全路線路基凍脹得到良好的控制，處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

3 結(jié)語

該工程采取了有效的凍土地區(qū)路基防凍脹融沉設(shè)計措施，整體路基的凍脹穩(wěn)定可控。不規(guī)則凍脹融沉程度與路基結(jié)構(gòu)有關(guān)，較低的壓實度、較高的路基含水率都會引起路基凍脹變形，凍脹變形集中在表層級配碎石層。為了預(yù)防季節(jié)性凍土地區(qū)路基結(jié)構(gòu)凍脹融沉，建議完善路基排水能力，并且根據(jù)凍脹觀測結(jié)果，完善后續(xù)防凍措施。

參考文獻：

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作者簡介：王 韜（1989—），碩士，工程師，主要從事公路規(guī)劃勘察設(shè)計工作。