高速公路凍土路基設計理論及病害防治對策研究

張發斌

（青海省交通規劃設計研究院有限公司，青海 西寧810001）

0 引言

我國東北地區和西北地區的凍土較多，而在高速公路工程中，凍土地區的路基設計難度和施工復雜程度較高，設計人員必須充分考慮施工區域的土質特征，結合凍土的類型和當地的氣候條件，提高設計質量，減少施工阻礙。目前，在高速公路工程建設方面，關于凍土路基的研究比較少，現立足前人的研究基礎，根據凍土路基的設計原則，并結合不同的凍土類型對路基設計及病害防治對策進行研究。

1 凍土的土質特點

當土層溫度下降到0C 以下時，含有水分的土壤就會凍結，形成凍土，另外，凍土的形成還與植被等因素相關。根據土壤凍結的時間長短，可以將凍土劃分為短時凍土、季節性凍土、多年凍土等類型。凍土多分布在我國北方地區，這類土壤在施工中難以被改造。凍土呈凍結狀態，具有結構復雜、成分多樣的特點，其中不但包含凍結的黏土層，還包含凍結的礫石層、砂層等，不同的成分在臨界凍結深度上存在較大的差異。表1 為土壤成分的臨界凍結深度值。

表1 臨界凍結深度值

凍土的性狀、結構會隨著季節的變化而變化，凍土多在冬季形成，夏季則會融化，而這會給高速公路工程的路基施工帶來較大的難度，凍土會一定程度上影響路基的穩定性，容易造成路基沉降等病害。

2 凍土地區路基設計理論

按照凍土的含冰量和融沉等級，可以將凍土劃分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層（見表2）。在凍土地區施工，需要工程設計人員、建設單位管理人員對項目區域的地質情況進行全面的勘查，以勘查結果為依據，準確評估施工區域凍土融化后的變形值，結合相應參數及結合凍土的特點，對施工區域的凍土融化進行控制，通過相應的處理措施預防凍土可能引發的公路病害。

表2 凍土的融沉等級分類

2.1 含土冰層路基

首先，含土冰層的融沉等級是最高的，如果高速公路的路基工程在含土冰層中修建，路基會受到嚴重影響，容易產生嚴重的路基變形，引發難以補救的道路病害。因此，在高速公路設計中，設計人員需要加強對施工區域的地質勘測，明確劃分出含土冰層的地段，在設計中盡可能避開這些地段，若是無法避開含土冰層，就要在路基施工中采取全部清除、換填等方法，增強路基的穩定性，降低凍土對路基的影響。

2.2 富冰和飽冰凍土路基

在高速公路工程中，富冰和飽冰凍土路基容易出現較為嚴重的沉降，所以在公路工程設計階段，必須科學、準確地計算富冰、飽冰路基的融化沉降量、壓縮沉降量。在實際施工中，富冰和飽冰凍土路基容易存在地質不均勻問題，所以沉降和變形也存在不確定性。因此，在計算融化沉降量和壓縮沉降量時，設計人員要深入研究勘查數據，并結合具體試驗，優化設計，科學應對凍土路基，妥善解決路基變形問題。

2.3 少冰和多冰凍土路基

在五類凍土中，少冰和多冰凍土中的含冰量相對較少，對高速公路路基工程的危害較小，設計人員可以按照普通高速公路路基的標準進行設計。針對一些壓縮沉降較大的施工區域，可以在施工時清除表層土壤，然后在這部分區域中填充質量達標的碎石、砂礫等材料。填充完相應材料之后，還要用壓路機進行分層碾壓，其間需把握好壓路機的速度和碾壓次數，從根源上降低凍土壓縮沉降對路基的影響。

3 高速公路凍土路基的病害分析

在高速公路路基工程中，凍土會給路基造成較多威脅，如導致路基凍脹、翻漿、冰丘等病害。其中，翻漿多會伴隨凍脹產生，即一般情況下，凍脹較大的路段更容易產生翻漿現象，凍脹較小的路段不易產生翻漿。

3.1 凍脹

在冬季，土壤溫度達到0C 或以下，土壤里的水分就會凝結成冰，將土壤凍結。凍結的順序是自上而下的，在這個過程中，路基下部的水分會向上聚集，從而使聚冰層變厚，路基上部會形成冰夾層。土壤的凍結會伴隨著體積增大，土壤中的顆粒也會發生移動，這會導致路基土體出現不均勻凍脹，路面也會呈現出不均勻的隆起，從而造成路面開裂，直接影響高速公路的運營，對行車安全造成威脅。

3.2 翻漿

受到冬季低溫的影響，凍土土體的含水量會大大提升，當春季到來，氣溫逐漸提升，凍土會逐漸融化。在這個過程中，路基上層會先解凍，如果融化后的水分不能被及時排出，路基就會出現潮濕、軟化等問題，路基強度也會因此下降。如果這時路基受到特種車輛、大型作業車輛的碾壓，就會產生路面下沉，路面裂縫會向外擠出泥漿，這就是翻漿現象。翻漿是凍土區域常見的道路病害，路基出現翻漿，會大大降低公路的承載能力，甚至使公路喪失承載能力。

3.3 融沉

融沉是公路受凍土影響的常見現象，凍土在融化時會導致路基融沉。其中，有些融沉與外部荷載無關，屬于融化沉降，有些融沉和外部荷載有直接關系，屬于壓密沉降。由于凍土的土體存在差異性，所以不同區域的凍土在融沉方面也會呈現出不同的特點，進而產生融沉區域不連續、融沉厚度不均勻等現象。另外，有些區域的路基可能在一段時間內緩慢地出現融沉，有些路段則有可能突發沉陷，若是沉陷程度較大，會對道路行車安全帶來巨大威脅。

3.4 冰丘

在高速公路凍土路基的施工過程中，如果施工人員在開挖路塹時存在操作不規范的問題，就容易產生冰丘。一般情況下，冰丘、冰錐主要存在于多年凍土區域，其外觀為向上隆起的土丘，形成原因是地下水凍結，體積膨脹，造成地表隆起。

4 凍土路基病害的影響因素

4.1 人為因素

人為因素是引發其病害的重要因素，地質勘測不科學、施工工藝不成熟、施工操作不規范，都會影響路基質量，擴大凍土對路基的影響。在凍土路基的施工過程中，施工人員需要結合施工區域的土質特點、地下水位高度、工程要求等展開施工，尤其要考慮地下水位因素，加強對地下水位的勘測，需布設好排水設施，優化施工工藝，確保工程質量。

4.2 土質

在凍土路基施工中，土質與病害的產生及病害的嚴重程度有直接關系，有些土質不易受溫度影響，很少發生凍脹問題；有些土質受溫度影響較大，凍脹問題嚴重，而這會加重路基病害。通常情況下，粉性土最容易產生凍脹，出現翻漿的概率也更大，而粗粒土則不容易產生凍脹和翻漿。因此，在高速公路路基施工中，施工人員需要加強對施工區域土質的勘測，結合土質設計施工方案，從而降低凍土對路基的影響。

4.3 水分

凍土是水分在負溫狀態下固化造成的，無論是凍脹、翻漿，還是其他道路病害，大多與水分在土體中的遷移、變化有關。以凍脹病害為例，如果土體中的含水量低于臨界值，土體就會產生凍縮，如果土體中的含水量高于臨界值，土體就會發生凍脹。因此，在高速公路路基施工中，設計人員和施工人員需要高度重視水分因素，在設計、施工前需要對土體中的含水量進行勘測，進而采取更具針對性的措施加以處理。

4.4 溫度

在高速公路施工中，凍土主要受溫度因素的影響，無論是凍脹還是翻漿，溫度因素起到的影響都非常大。通常情況下，入冬后的溫度越低，土壤的凍結速度越快，路基上部的聚冰層越薄，產生凍脹等病害的概率越小。反之，如果入冬后氣溫相對較高，且存在冷凍和融化反復交替的現象，路基上部就會出現嚴重的水分聚集，凍脹和翻漿等病害出現的可能性也會更大。

4.5 路面

在凍土路基中，凍脹、翻漿等病害最終都會體現在路面上，導致路面出現裂縫、鼓包，產生嚴重的形變等。如果路基中含有較多水分，采用瀝青路面就會降低路基的透氣性，不利于路基中的水分蒸發，進而導致路基上部聚冰較多，產生翻漿等病害。

5 高速公路凍土路基病害防治策略

5.1 提高施工的規范性

在高速公路施工過程中，施工單位需要加強對凍土問題的重視，不斷優化施工工藝。為提高路基部分施工的規范性，建設單位需要對施工過程進行有效的監督、管理，對每一個施工環節進行檢驗。施工人員需要按照規范流程做好施工準備、測量放樣、清理場地、平整壓實、路堤填筑、碾壓密實等工作，保證施工質量。

5.2 采取換填土措施

換填土能夠有效改善凍土土質，降低凍土對路基穩定性的影響，避免道路裂縫等病害。在換土施工中，施工人員需要挖出不良土體，并用粗砂、礫石等非凍脹性材料進行回填（施工流程見圖1）。在這一過程中，施工人員需要先對施工區域的土質進行勘測，掌握該區域的地下水位高度，進而明確換填深度、換填材料，而后挖除路基范圍內的雜物，并在換填之后分層壓實，最大限度地提高路基的穩定性。另外，若采用換填土方法，施工單位需要加強對施工成本的控制，避免施工成本超出預算。

圖1 凍土換填的施工流程

5.3 科學控制土中的含水量

凍脹、冰丘等道路病害都是由水分引發的，要避免此類病害，設置良好的排水系統是關鍵。在路基施工中，施工人員需要使路基保持干燥，這樣可以從根本上避免水分凍結對路基的影響。在設計排水系統時，設計人員需要充分掌握土體中的水分分布情況，測量不同位置凍土中的含水量，并進行相關試驗，依靠科學的數據進行設計，以免破壞施工區域的自然條件，引發其他道路病害。

5.4 全面做好保溫措施

凍土主要受溫度因素的影響，溫度會直接影響凍土的凍結深度，進而影響凍脹的嚴重程度。在高速公路路基施工中，施工人員需要做好保溫措施，有效預防凍脹等病害。為了更好地保持路基溫度，可以在路基施工中增加保溫層，降低路基土體的凍結深度，從而更好地防治凍脹病害，還需要在路基的邊坡部位設置凍土保護層，減少外界溫度對凍土的影響。

5.5 加強路面結構的穩定性

在公路施工中，若是路面結構強度不足，則路面容易出現裂縫等問題，自然降水會隨著這些裂縫滲入地下，使地基的含水量更高，這會進一步加大凍土對路基的影響，進而引發其他道路病害，影響公路的使用壽命。路面結構的強度會一定程度上影響路基的穩定性，提高路面結構的強度，能更好地減少道路病害，避免翻漿等問題。為此，在路面施工中，可以選用水泥穩定砂礫、煤渣石灰土等材料，打造半剛性結構層，提高路面的承載力，避免路面出現裂縫，有效控制地基含水量，提高公路的整體穩定性。

6 結語

在高速公路工程中，路基施工質量會直接影響整體工程質量。而凍土土質會嚴重影響路基施工效果，容易引發凍脹、融沉、翻漿等公路病害。為全面提高路基部分的施工質量，更好地發揮高速公路的作用，設計人員和施工人員需要高度重視凍土處理問題，需要優化設計、規范施工，采取有效的處理措施，科學控制土體中的含水量，切實保證路基施工質量，保證路基、路面結構的穩定性，提高公路工程整體質量。