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(jì)分析

王韜

摘要：為了研究?jī)鐾恋貐^(qū)路基凍脹融沉現(xiàn)象，解決存在于路基的凍脹問(wèn)題，提高路基整體安全性，文章結(jié)合實(shí)體工程，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和防凍設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，凍結(jié)率會(huì)隨著含水量增加而增加;表層級(jí)配碎石層是凍脹變形的主要集中部位;根據(jù)凍脹觀測(cè)結(jié)果分析可知，增強(qiáng)路基排水能力、設(shè)置纖維混凝土防水層和選用不易風(fēng)化、細(xì)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(jì)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速公路的通車(chē)?yán)锍萄杆僭黾樱溲鼐€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(huì)周期性凍結(jié)融化，其周期性變化會(huì)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(yán)重的路基坍塌、邊坡熱融滑塌災(zāi)害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和影響路線運(yùn)營(yíng)。寒區(qū)工程建設(shè)是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的一個(gè)重點(diǎn)，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(jì)有著廣闊前景。

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

1.1 季節(jié)性凍土區(qū)凍害類(lèi)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?yàn)槁坊媳砻嫘】油莘e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(huì)引起坡面隆起、路肩縱向開(kāi)裂變形。其產(chǎn)生原因有很多：凍結(jié)時(shí)水分向上遷移、路基存在積水、道床厚度過(guò)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(duì)路基的侵入、路基上表面土壓實(shí)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(huì)引起道路嚴(yán)重破壞，造成較大經(jīng)濟(jì)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(jī)理

土體凍脹是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可以用“毛細(xì)水遷移理論”解釋其作用原理。路基水分可分為毛細(xì)水和薄膜水。路基中的水分在低溫下開(kāi)始結(jié)晶，冰晶會(huì)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(zhǎng)溫度在-0.3 ℃～-0.1 ℃之間。路基填料在凍結(jié)過(guò)程中，路基下土層傳來(lái)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(huì)在兩者達(dá)到平衡時(shí)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(huì)在其表面形成一張水膜，所以冰凍面的冰成分會(huì)逐漸增加，土顆粒間距會(huì)隨著冰成分不斷增加而變大，其他水分會(huì)在土顆粒中形成空隙冰晶，所以路基土?xí)纬杀Ь奂瘞АＭ令w粒中冰晶的含量會(huì)隨著土體含水量的增加而增加，當(dāng)冰晶達(dá)到一定量時(shí)會(huì)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(huì)產(chǎn)生更大的能量。粒徑越小，土顆粒之間會(huì)因?yàn)榭障陡《a(chǎn)生毛細(xì)作用力，有利于水分的移動(dòng)，加劇了凍結(jié)變形。當(dāng)土顆粒中含水量很低時(shí)，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(huì)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(huì)在凍土融化過(guò)程中不斷增加，土顆粒空隙水壓力越來(lái)越大，土體壓實(shí)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(huì)加速排出，會(huì)因?yàn)橥令w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(guò)程中，當(dāng)干容重較大時(shí)，土顆粒孔隙越小，沉降變形就越小，反之同理。

2 工程實(shí)踐

2.1 工程概況

某公路全長(zhǎng)750.36 km，路線總體走向自東向西，路面設(shè)計(jì)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(jì)

該公路路基防凍設(shè)計(jì)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(fēng)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(xì)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(xì)顆粒。

（3）增強(qiáng)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(qiáng)排水能力。當(dāng)表層水因?yàn)榈叵滤惠^高而不易于排出時(shí)，宜設(shè)置隔斷層阻止地下水進(jìn)入基床，并設(shè)置滲溝、暗溝排水，基床填料要進(jìn)行填料處理。在地下水位較高及地勢(shì)較平坦、較低的路段，適合采用路堤形式，著重增強(qiáng)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(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、施工圖要求進(jìn)行，用嚴(yán)格的過(guò)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(jì)細(xì)節(jié)。

（1）采用專(zhuān)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(yán)格控制路基施工過(guò)程中<0.075 mm的粒徑含量。試驗(yàn)室凍脹率測(cè)試、細(xì)料含量測(cè)定、滲透試驗(yàn)和首件的碾壓驗(yàn)證都要在施工前完成，并在施工過(guò)程中加強(qiáng)質(zhì)量檢測(cè)。

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

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

2.4 變形監(jiān)測(cè)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(jì)分別見(jiàn)下頁(yè)表1和表2。11月、1月、3月、5月為4個(gè)監(jiān)測(cè)周期，1監(jiān)測(cè)周期是15 d，“1～2監(jiān)測(cè)周期”是1月和11月監(jiān)測(cè)結(jié)果的差值，“1～3監(jiān)測(cè)周期”是3月和11月監(jiān)測(cè)結(jié)果的差值。

從該公路總體凍脹變形監(jiān)測(cè)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(shuō)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(yǔ)

該工程采取了有效的凍土地區(qū)路基防凍脹融沉設(shè)計(jì)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(shí)度、較高的路基含水率都會(huì)引起路基凍脹變形，凍脹變形集中在表層級(jí)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(cè)結(jié)果，完善后續(xù)防凍措施。

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