嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路路基施工技術(shù)研究

曾佑理，龍 輝，馬 強(qiáng)

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400023）

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)道路工程建設(shè)速度逐漸加快，一些特殊、復(fù)雜地區(qū)的道路建設(shè)也取得一定的成效，進(jìn)一步完善了我國(guó)交通網(wǎng)線，為人們的出行提供了便利。但是，在嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路建設(shè)過(guò)程中，自然天氣和地質(zhì)狀況會(huì)對(duì)路基施工造成影響。因此，施工隊(duì)伍應(yīng)該了解嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路路基施工影響因素以及容易出現(xiàn)的危害，并采用有效方式進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，促使公路路基施工順利進(jìn)行。

1 嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路路基施工影響因素

1）含冰量 根據(jù)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(duì)公路路基造成的影響較小，后者在融化后會(huì)改變土壤的緊實(shí)度，進(jìn)而對(duì)公路路基造成巨大的影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)變形、破壞等情況。

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

3）環(huán)境變化 在一般情況下，嚴(yán)寒凍土地區(qū)凍土的位置較淺，對(duì)周圍環(huán)境發(fā)生的變化較為敏感，比如氣溫提升、人為活動(dòng)增加、植被減少等，都會(huì)導(dǎo)致凍土地區(qū)地溫提升，降低其熱穩(wěn)定性。

2 凍土路基穩(wěn)定性計(jì)算方式

2.1 傳統(tǒng)極限平衡方式

現(xiàn)階段，對(duì)嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要采用傳統(tǒng)極限平衡方式，其主要原理為在路基土體抗剪參數(shù)降低到巖土體穩(wěn)定系數(shù)之后，路基內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)達(dá)到極限平衡，這時(shí)路基土體沿潛在滑移面處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。選擇嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路路基進(jìn)行研究，建立凍土路基計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 典型凍土路基計(jì)算模型（單位：m）

在凍土路基冰水相變的過(guò)程中，采用二維非穩(wěn)態(tài)傳熱微分方程進(jìn)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(shè)定為216J/（m2·h）。假設(shè)路基填土初始溫度為8℃，以7月對(duì)地基土體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的溫度場(chǎng)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(shí)刻的時(shí)間（h）；琢為年增溫率，取值為0.052℃。

對(duì)固結(jié)土類的抗剪強(qiáng)度造成影響的因素主要為土體成分、溫度以及加荷時(shí)間，綜合考慮凍土溫度變化對(duì)土體力學(xué)參數(shù)造成的影響，采用公式（2），（3）進(jìn)行計(jì)算。

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

當(dāng)土體溫度為-0.05～0.05℃時(shí)，表示其處于凍融交界區(qū)域；當(dāng)土體溫度超過(guò)0.05℃時(shí)，表示其處于融化狀態(tài)；當(dāng)土體溫度低于-0.05℃時(shí)，表示其處于凍結(jié)狀態(tài)。路基各個(gè)地層力學(xué)參數(shù)如表1所示，路基各個(gè)地層熱力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 公路路基各個(gè)地層力學(xué)參數(shù)

表2 公路路基各個(gè)地層熱力學(xué)參數(shù)

2.2 折線法評(píng)價(jià)凍土路基穩(wěn)定性

折線法是根據(jù)嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路路基軟弱面抗剪特性的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，無(wú)法反映嚴(yán)寒凍土路基破壞特性，而且在冰膠結(jié)力的作用下，穩(wěn)定性會(huì)明顯提升。因此，可以對(duì)暖季嚴(yán)寒地區(qū)凍土路基的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用折線法計(jì)算出4.0m深的凍土路基穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化，如圖2所示。

圖2 折線法計(jì)算嚴(yán)寒地區(qū)凍土公路路基穩(wěn)定性時(shí)間變化

從圖中可以看到，5月路基開(kāi)始解凍，其穩(wěn)定性下降，6—7月降低到最小值，8月路基穩(wěn)定性開(kāi)始提升，這時(shí)其會(huì)受到季節(jié)的影響，在抗剪強(qiáng)度控制下，凍融交界面不再是路基的滑移面。通過(guò)折線法將路基的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出來(lái)，能夠看到路基的異常情況。

3 嚴(yán)寒凍土地區(qū)公路路基施工技術(shù)

3.1 路堤施工技術(shù)

1）填料選擇和路基借土 在對(duì)嚴(yán)寒凍土地區(qū)進(jìn)行施工過(guò)程中，應(yīng)避免對(duì)周圍凍土造成破壞影響，施工前要對(duì)路基取土坑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，嚴(yán)禁隨意取土。在實(shí)際施工過(guò)程中，嚴(yán)禁采用推土機(jī)等設(shè)備進(jìn)行施工，并且嚴(yán)格控制土坑位置以及開(kāi)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(shí)現(xiàn)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(wěn)定性。

2）地表排水系統(tǒng)施工和養(yǎng)護(hù) 嚴(yán)寒地區(qū)凍土融化容易出現(xiàn)路基下沉、地表水滲透，這就需要在施工前意識(shí)到這一問(wèn)題，做好排水系統(tǒng)建設(shè)，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(jié)之前將施工所需材料、設(shè)備等運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，在溫度最低時(shí)進(jìn)行填筑。施工材料與地基長(zhǎng)時(shí)間處于負(fù)溫度狀態(tài)下，能夠有效保護(hù)地下冰層。同時(shí)，還可以將砂、卵石等堆積到高于路面的高度，在回暖時(shí)期進(jìn)行施工，避免基坑暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

3.2 路埑施工技術(shù)

在進(jìn)行路埑施工前，需要做好準(zhǔn)備工作，包括標(biāo)記施工點(diǎn)、確定取土地點(diǎn)、準(zhǔn)備施工材料等。要保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境，不可隨意動(dòng)土。回填土施工需要一次性完成，避免二次開(kāi)挖埑面在空氣中暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。同時(shí)，需要在路埑邊坡位置設(shè)置擋水埝，避免路埑開(kāi)挖后大量的地下水從路埑邊坡涌出，導(dǎo)致路基處于潮濕狀態(tài)，降低路基強(qiáng)度。在熱量傳遞作用下，如果凍土層融化，將會(huì)導(dǎo)致公路路基的穩(wěn)定性下降。通常擋水埝的高度應(yīng)高于0.8m，頂寬超過(guò)1m，外側(cè)邊坡坡度在1∶（1.5～2.0）為宜，內(nèi)側(cè)坡度在 1∶（0.5～1.0）為宜。

4 結(jié)語(yǔ)

在嚴(yán)寒凍土地區(qū)進(jìn)行公路路基施工，應(yīng)掌握土壤中含水量、地濕、環(huán)境變化等情況，明確凍土路基穩(wěn)定性計(jì)算方式，采用路堤施工技術(shù)、路埑施工技術(shù)，做好施工準(zhǔn)備工作，保證公路路基質(zhì)量，提升其穩(wěn)定性。