嚴寒凍土地區公路路基施工技術研究

曾佑理，龍 輝，馬 強

（中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400023）

0 引言

現階段，我國道路工程建設速度逐漸加快，一些特殊、復雜地區的道路建設也取得一定的成效，進一步完善了我國交通網線，為人們的出行提供了便利。但是，在嚴寒凍土地區公路建設過程中，自然天氣和地質狀況會對路基施工造成影響。因此，施工隊伍應該了解嚴寒凍土地區公路路基施工影響因素以及容易出現的危害，并采用有效方式進行計算和優化，促使公路路基施工順利進行。

1 嚴寒凍土地區公路路基施工影響因素

1）含冰量 根據凍土土壤中含冰量的高低，可以將其分為多冰、少冰、刨冰、富冰等凍土以及含土冰層。其中，多冰和少冰凍土可稱為低含冰量的凍土，刨冰、富冰凍土及含土冰層可稱為高含冰量的凍土。前者在融化后對公路路基造成的影響較小，后者在融化后會改變土壤的緊實度，進而對公路路基造成巨大的影響，導致其出現變形、破壞等情況。

2）地溫 嚴寒凍土地區的土體溫度衡量其熱穩定性的主要指標，可以用年平均地溫表示。年平均地溫較低，表示該地區熱穩定性較好；年平均地溫較高，表示該地區熱穩定性較差。

3）環境變化 在一般情況下，嚴寒凍土地區凍土的位置較淺，對周圍環境發生的變化較為敏感，比如氣溫提升、人為活動增加、植被減少等，都會導致凍土地區地溫提升，降低其熱穩定性。

2 凍土路基穩定性計算方式

2.1 傳統極限平衡方式

現階段，對嚴寒凍土地區公路的穩定性評價主要采用傳統極限平衡方式，其主要原理為在路基土體抗剪參數降低到巖土體穩定系數之后，路基內部力學狀態達到極限平衡，這時路基土體沿潛在滑移面處于臨界失穩狀態。選擇嚴寒凍土地區公路路基進行研究，建立凍土路基計算模型，如圖1所示。

圖1 典型凍土路基計算模型（單位：m）

在凍土路基冰水相變的過程中，采用二維非穩態傳熱微分方程進行表示。上邊界的溫度變化如式（1）所示；下邊界為熱流邊界，熱流密度q設定為216J/（m2·h）。假設路基填土初始溫度為8℃，以7月對地基土體進行監測的溫度場作為初始條件。

式中，Ts為初始年平均地溫（℃）；A為表面地溫振幅（℃），t為距初始時刻的時間（h）；琢為年增溫率，取值為0.052℃。

對固結土類的抗剪強度造成影響的因素主要為土體成分、溫度以及加荷時間，綜合考慮凍土溫度變化對土體力學參數造成的影響，采用公式（2），（3）進行計算。

式中，ai，bi，aj，bj均為試驗常數；茲為土體溫度（℃）；c 為黏聚力；漬為內摩擦角（°）。

當土體溫度為-0.05～0.05℃時，表示其處于凍融交界區域；當土體溫度超過0.05℃時，表示其處于融化狀態；當土體溫度低于-0.05℃時，表示其處于凍結狀態。路基各個地層力學參數如表1所示，路基各個地層熱力學參數如表2所示。

表1 公路路基各個地層力學參數

表2 公路路基各個地層熱力學參數

2.2 折線法評價凍土路基穩定性

折線法是根據嚴寒凍土地區公路路基軟弱面抗剪特性的穩定性進行分析，無法反映嚴寒凍土路基破壞特性，而且在冰膠結力的作用下，穩定性會明顯提升。因此，可以對暖季嚴寒地區凍土路基的穩定性進行分析，采用折線法計算出4.0m深的凍土路基穩定性隨時間的變化，如圖2所示。

圖2 折線法計算嚴寒地區凍土公路路基穩定性時間變化

從圖中可以看到，5月路基開始解凍，其穩定性下降，6—7月降低到最小值，8月路基穩定性開始提升，這時其會受到季節的影響，在抗剪強度控制下，凍融交界面不再是路基的滑移面。通過折線法將路基的穩定性呈現出來，能夠看到路基的異常情況。

3 嚴寒凍土地區公路路基施工技術

3.1 路堤施工技術

1）填料選擇和路基借土 在對嚴寒凍土地區進行施工過程中，應避免對周圍凍土造成破壞影響，施工前要對路基取土坑進行合理設計，嚴禁隨意取土。在實際施工過程中，嚴禁采用推土機等設備進行施工，并且嚴格控制土坑位置以及開挖的深度。在取土之前，需要集中堆積腐殖土，并合理劃分土坑，實現集中深挖操作。在完成取土之后，要整平土坑，將腐殖土重新填入取土坑中，可以在土坑上種植耐寒植物，以保證土坑的穩定性。

2）地表排水系統施工和養護 嚴寒地區凍土融化容易出現路基下沉、地表水滲透，這就需要在施工前意識到這一問題，做好排水系統建設，并且與路基工程同步完成。

3）厚層地下冰段的施工 需要在土層凍結之前將施工所需材料、設備等運送到施工現場，在溫度最低時進行填筑。施工材料與地基長時間處于負溫度狀態下，能夠有效保護地下冰層。同時，還可以將砂、卵石等堆積到高于路面的高度，在回暖時期進行施工，避免基坑暴露時間過長。

3.2 路埑施工技術

在進行路埑施工前，需要做好準備工作，包括標記施工點、確定取土地點、準備施工材料等。要保護施工現場周圍環境，不可隨意動土。回填土施工需要一次性完成，避免二次開挖埑面在空氣中暴露時間過長。同時，需要在路埑邊坡位置設置擋水埝，避免路埑開挖后大量的地下水從路埑邊坡涌出，導致路基處于潮濕狀態，降低路基強度。在熱量傳遞作用下，如果凍土層融化，將會導致公路路基的穩定性下降。通常擋水埝的高度應高于0.8m，頂寬超過1m，外側邊坡坡度在1∶（1.5～2.0）為宜，內側坡度在 1∶（0.5～1.0）為宜。

4 結語

在嚴寒凍土地區進行公路路基施工，應掌握土壤中含水量、地濕、環境變化等情況，明確凍土路基穩定性計算方式，采用路堤施工技術、路埑施工技術，做好施工準備工作，保證公路路基質量，提升其穩定性。