根河地區凍土公路路基處理研究

何濤 閆向陽 劉玉鳳

摘要：在我國的多年凍土區修筑公路，不可避免要面對秋凍春融引起的路基病害。文章通過分析根河地區的氣象水文特點，將凍土所處的時期分為冰凍期、反復凍融期和融化期，對地質、地形條件與凍土形成的關系進行了分析，并針對凍土形成的機理，根據當地不同的地質、地形條件和多年凍土上下限的埋深，提出了不同的處理措施。

關鍵詞：凍土;公路路基;季節性凍融

0 引言

地表巖土體一定深度范圍內，溫度<0 ℃且凍結時間在2年或2年以上的含冰巖土體為多年凍土[1]。國外對多年凍土研究較早，特別是俄羅斯，具有較深的理論性研究基礎[2-3]。我國對多年凍土的研究稍晚，且主要是針對青藏高原公路和鐵路的建設進行的，并取得了豐厚的成果，如采用熱棒路基、高填路基、片塊石路基及碎石護坡、保溫板路基、遮陽板路基、通風管路基和粉煤灰路基[4]等。但是，大興安地區屬于寒溫帶季風氣候，植被、水文與青藏高原有著較大的區別，而且圍繞著大興安嶺地區的多年凍土研究成果相對較少，可借鑒的經驗并不多。海滿線采用的保溫板路基處理效果甚微，以橋代路是根治凍土路基的有效方法，但因為造價因素的制約，不可能在沿線凍土全部采用。本文主要討論大興安嶺地區氣候、水文特點與凍土的形成條件以及地質、地形條件與凍土形成的關系，并結合凍土產生的沉降機理研究凍土公路路基的處理措施，為根河地區的多年凍土治理提供一定的經驗。

1 分析根河地區氣象水文特點對凍土的影響

根河地區的凍土呈島狀分布。根河地區屬于寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長嚴寒，氣溫年差大，極端最低氣溫達-45 ℃～-40 ℃，主要集中在1～2月份;高溫主要在20 ℃～30 ℃之間，個別情況會出現35 ℃高溫。圖1為根河地區2011—2018年間全年度氣溫走勢圖。

從圖1可知，根河地區的氣候有如下特點：

（1）每年的10月下旬至次年的4月下旬氣溫基本在零下，屬于冰凍期，巖土體內的水凍結形成凍土。在此期間降雪集中，積雪覆蓋，反射太陽輻射，進一步促進凍土及冰錐的形成。

（2）每年的4月下旬至5月下旬、9月下旬至10月下旬，根河地區氣溫白天在零上，夜間處于零下，屬于反復凍融期。白天氣溫在零上時，凍土融化，土體內的細顆粒被融化水帶走，路基的水毀也發生在此期間;夜間氣溫降到零下時，土體內的水凍結成冰，如此反復，使土體內結構產生破壞。（3）每年5月下旬至9月下旬氣溫基本在零上，年平均降水量為450～500 mm，雨季主要集中在6～8月份，屬于融化期。在此期間，季節性凍土融化，多年凍土處于不穩定狀態，一旦覆蓋層受到破壞，會加劇融化。

2 地質、地形條件對凍土形成的影響分析

根據國道332線阿里河至庫布春林場段（簡稱阿庫線）地質勘察資料，多年凍土在粉土、粉質黏土、黏土、卵石土和風化巖層中均有分布。由此可知，凍土的形成與巖性關系不大，但是與含冰率有關，巖土體含冰率的高低不僅決定了多年凍土的分類，也決定了融化特征，含冰率越高，融沉性越大。如表1所示。

圖2為阿庫線多年凍土段粉質黏土層和圓卵石層垂直不連續分布示意圖。根據地勘資料分析：粉質黏土層中含冰率較低，為少冰凍土，中間部分不含冰，卵石層接近凍土下限部分為飽冰凍土，底部為隔水層;粉質黏土中因分布層間上層滯水，在多年凍土層呈凍結狀態，圓卵石層底部因為隔水層的緣故，底部為飽冰凍土，上部層不含冰。

由此可知，地下水對凍土的形成和分類有著決定性的作用。路基的修筑起到隔水的作用，在一定程度上改變周圍土體含水率的分布，在地形起伏較大的地區尤為明顯。在對根河地區舊路狀況調查的過程中發現：舊路靠近山坡一側，排水不暢，路面開裂嚴重，縱向裂縫分布多。如圖3所示。

由圖3可知，路基的填筑壓實，阻擋了地下水滲流路徑，在排水不暢區域，造成地下水淤積，使路基靠山段一側地基土體含水率升高，季節性凍融形成不均勻沉降，造成路基一側產生縱向裂縫。

3 凍土區路基處理分析

根河地區的多年凍土主要分布在沼澤濕地、地表水強烈侵蝕的地帶、河谷地帶和山前斜坡地下水異常發育且水位較淺的地帶。在凍土地區修筑路基，路基的沉降主要由三部分組成：（1）路基本身工后沉降;（2）季節性反復凍融產生的沉降;（3）多年凍土退化產生的沉降。對于路基工后沉降，采取控制壓實度、優化施工工藝（如使用重型震動壓路機）和施工組織（路基填筑完畢后1～2自然年再鋪設路面）等措施來控制。對于季節性反復凍融，根據根河地區氣候水文特點，可采取隔水和排水措施來減少凍融產生的沉降。對于多年凍土退化產生的沉降，根據多年凍土上下限的埋深采取不同的處理措施，具體措施如下：

（1）對于凍土埋深<4 m路段（當地季節性最大凍土埋深為3.5 m），挖除凍土后采取沖擊碾壓的方式回填片石和砂礫進行處置，并在基底鋪筑土工格柵進行反包來消除不均勻沉降。具體措施如圖4所示。

（2）對于地面干燥無積水、多年凍土上限較淺、下限埋深>4 m的陰坡路段，采取保護多年凍土的措施，清除樹根，割除地面以上雜草后將50 cm砂礫沖擊碾壓至地面線以下，在地面填筑100 cm的砂礫，并在兩側修筑寬度為4 m的保溫護道。保溫護道采用93%的壓實度進行壓實，減少水分的滲入。具體措施如圖5所示。

（3）對于地面有積水、多年凍土上限較淺、下限埋深>4 m的沼澤、河谷路段，采取保護多年凍土的措施，清除樹根，割除地面以上雜草后將50 cm砂礫沖擊碾壓至地面線以下，鋪設兩布一膜用以減少不均勻沉降和地下水向下滲透，再鋪筑50 cm的砂礫，在砂礫上部鋪砌100 cm的片石，用于路基通風，上鋪加設反濾土工布，并鋪設30 cm砂礫墊層后再鋪筑路基。具體措施如圖6所示。

以上措施的主要思路是加強排水，以降低路基內的含水率來減少季節性凍融和冬季凍脹對路基產生的影響。砂礫和片石具有較好的消除融脹的效果，宜在清晨填筑，以減小熱量對多年凍土的影響。

4 結語

（1）根河地區氣候可分為冰凍期、反復凍融期和融化期，巖土體的破壞主要發生在反復凍融期和融化期。因此，路基修筑后不僅要考慮多年凍土退化的影響，也要重點考慮季節性凍融的影響。

（2）凍土的形成與巖性關系不大，但是融沉性與含冰率有關，含冰率越高，融沉等級越高。

（3）氣溫和巖土體內的含水率是凍土形成的關鍵影響因素，而加強排水，降低路基內的含水率，是處理凍土地基的重要手段。

參考文獻：

[1]GB 50321-2014，凍土工程地質勘查規范[S].

[2]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京：科學出版社，2001.

[3]郭東信.普通凍土學[M].劉鐵良，譯.北京：科學出版社，1998.

[4]王 芳.博牙高速公路島狀多年凍土地區路基沉降處治技術研究[D].西安：長安大學，2011.

作者簡介：何 濤（1986—），工程師，研究方向：巖土工程及路基工程;

閆向陽（1988—），工程師，研究方向：路線及路基工程;

劉玉鳳（1987—），助理研究員，研究方向：邊坡工程。