寒冷地區高速公路路基凍害病因分析及處理措施

陳 明

（中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400711）

0 引言

路基需要與路面共同承擔車輛往來所產生的荷載力以及自然條件的影響，是高速公路工程中比較重要的建設項目。在冬、春兩季，寒冷地區高速公路路基土體中含有的水分便會出現凍結、融化等一系列現象，進而使公路路基結構的穩定性發生變化。最終導致公路路基、路面等發生翻漿、凍脹、龜裂等一系列病害，嚴重增加了道路運輸的安全隱患。導致路基凍害的因素通常包括路基土質、土壤含水量、氣候條件、公路結構、整體建設質量等。為保障道路的基礎通行能力以及區域性交通的運輸安全，必須對容易發生路基凍害的路段進行長期的監測與管理，分析該區域路基土凍脹、融化與沉降變形的變化規律，針對已經出現典型病癥的凍害開展及時且有效的處理措施。

本文以山西省長治市長子縣某重建公路工程為例，對寒冷地區高速公路路基凍害病因進行分析，并提出有效的處理措施。

1 工程概況

1.1 基本情況

長子縣縣道南（呈）泊（里）線路位于山西省長治市長子縣，與省道227線、省道326線相銜接，同時串聯了長子縣與其周邊村鎮的交通線路，是長子縣境內最主要的出境縣道之一。該線路投入使用后缺乏養護，歷經多年的高負荷運行其路面已經出現坑槽、龜裂等病害。同時，受到氣候條件的影響，致使該路段在冬季過后出現了顯著的凍脹、翻漿病害。種種問題已經嚴重限制了周邊居民的安全出行需求，為保障村民的出行安全，同時也為保障區域性交通線路的穩定運輸需求，決定對該條道路進行路面改造，旨在提升道路的服務能力，并進一步增強長子縣道路路網通行能力。

線路改造以魯家溝村東上黨區界處為起點，起點樁號為K0+000，終止于泊里村東，終點路段與省道326線相交，終點樁號為k9+900，改造線路全程長9.90km。針對原始道路病害多、路面狹窄等缺陷，本次改造設計在揭除既有道路舊油皮后，采用先找平、后加鋪新瀝青混凝土面的模式。在既有道路的基礎上完成兩側拓寬50～150cm、原路面增高20cm，同時在路面兩側設置50cm×55cm的矩形C25混凝土路邊石作為土路肩。除此之外，為有效解決、預防該路段的冬季凍害隱患，特采取具有針對性的處理施工方案。

1.2 氣象條件

長子縣隸屬于我國山西省長治市，介于北緯35°53′～36°15′，東經112°27′～113°00′之間，冬季寒冷寡照、春季干燥多風，屬于典型的寒冷地區。該區域地形較為復雜，高差懸殊，因此存在比較顯著的區域氣候垂直變化特點。這一特殊條件也導致長子縣同一條交通線路在不同路段容易爆發較大差異的公路病害。長子縣每年的11月至次年3月中旬會進入到凍脹期，4月份后會逐漸進入融沉期。該項目路線改造所在地為季節性凍土區中凍區，無特殊情況下標準凍深不會超過1.5m。

1.3 路基土基本物理性質

對于公路路基土而言，易溶鹽的組成成分以及含量會直接決定相關土體的凍脹特性，在易溶鹽含量超出標準閾值的情況下，不僅土體會因氣溫降低而出現凍脹、變形的情況，還有可能導致土體鹽脹變形[1]。因此需要配合相應的試驗對建設路段土體中的易溶鹽成分以及含量進行分析，以此為后期的建設工程奠定基礎。對施工現場路基土進行取樣試驗分析，易溶鹽成分分析結果見表1所示。

表1 改造建設路段土中易溶鹽成分分析

由表1可知，該路段路基土壤中的易溶鹽成分主要包含鈣、鎂化合物，其中的碳酸氫鹽具有比較高的活性，極易受外界影響轉化為較為穩定的碳酸鹽。同時，由于鈣鎂化合物通常具有較強的膠結作用，因此在低氣溫環境下比較容易導致路基土出現凍脹現象；土樣中氯離子以及硫酸根離子的占比分別為0.003%以及0.014%，由于其兩者具有較強的親水性，因此比較容易促進路基土中的水分遷移，誘發路基土凍脹病害；土樣中易溶鹽的平均含量約為352.9mg∕kg，pH值約為8.53，整體含量較低、酸堿性比較適中，無特殊情況下不會導致路基土在凍結狀態下出現鹽脹變形問題[2]。

2 寒冷地區路基主要凍害及病因

2.1 沉降變形

通常情況下，基于凍害的沉降變形會發生在含冰量較大的黏性土、多年凍土地帶。但受到近年來冬季極端氣候現象增多的影響，致使長子縣縣道南（呈）泊（里）線路也出現了幾處受冷后路基沉降的病害事故。造成該病害的最主要因素是融沉。相較而言，季節性凍土對外界溫度、濕度等條件的變化具有較強的敏感度，長子縣近年出現了幾次春季突然性的異常升溫現象，也存在春季晝夜溫差過高的情況。這導致積雪、凍冰等在短時間內融化成為大量積水，加之該路段本身便具有一定的龜裂病害問題，最終在大量融水向下滲透后造成了路基周邊土體的松動，進一步引發了路基的沉降、變形病害[3]。

2.2 凍脹

凍脹是山西省常見公路病害中發生頻率最高的凍害。造成路基凍脹最主要的因素集中在土質、環境溫度以及土壤水分含量三個方面。對未經改造施工的路基土進行取樣，在經過晾曬烘干以及攪拌均勻后結合土樣篩分試驗對其土粒情況進行分析，最終結果見圖1所示。

圖1 顆粒級配曲線

（1）該路段的既有土體密度較大、礦物成分較高，在冬季比較容易引發路基土體凍脹；

（2）該路段既有土體中細粒組土體顆粒的含量約為17.17%，砂粒組含量約為71.83%，礫（粒）組含量11.00%，基本能夠滿足《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）對道路土體顆粒的規定。但其中的細粒組土體顆粒含量偏高，比較容易導致路基土出現凍脹現象。

除此之外，由于長子縣縣道南（呈）泊（里）線路年久失修，其本身便具有一定的裂縫隱患，日漸增加的車流量更是加劇了這一病害，在公路穩定性持續下降的影響下，道路結構的穩定性也出現了持續下降的趨勢，加大了凍脹產生的概率[4]。

2.3 翻漿

翻漿是指在地下水過于飽和的情況下，部分地下水逐漸滲出地面。此類病害在冬季、春季交替時具有較高的發病概率。主要原因在于，山西省在春季融冰期間存在晨間、夜間溫度低而白日溫度高的現象，這會導致土壤中的水分在春季處于反復融化、凍結的循環狀態，從而導致路基穩定性遭受破壞。除此之外，翻漿所引起的道路凸起通常會受到車輛運行軌跡的影響，而長子縣縣道南（呈）泊（里）線路既有的交通規劃模式以及車輛運行特點也是造成翻漿的主要原因。

3 處理措施

誘發路基沉降變形、脹凍以及翻漿的主要因素集中在路基土層含水量、周邊環境溫度、填料配比等幾個方面。因此，本次長子縣縣道南（呈）泊（里）線路改造工程針對路基凍害采用如下綜合性的治理措施。

3.1 完善路基防水排水處理

進一步優化路基防水、排水系統能夠有效防止地面融水以及地下水侵入到地基之中，進而保持路基土的長時間干燥，減少凍結、融化過程中水分聚流的來源[5]。為進一步強化公路性能，改造工程中同步落實了路基、路面排水系統的建設工程。路基、路面排水工程數量見表2、表3所示。

表2 路基、路面排水系統工程數據（蓋板邊溝）

表3 路基、路面排水系統工程數據（邊溝涵）

項目中的路基地面排水施工主要工藝如下：

（1）確定石、砂、水泥材料：保障石料表面無污垢、水銹等雜質，片石應呈現塊狀，中部厚度應在15cm以上；砂和水泥的質量標準主要參考行業標準規定進行選擇；

（2）測量放樣：依照圖紙放樣中心線以及高程；

（3）基坑開挖：以人工配合挖掘機開挖，即挖掘機挖出90%以上土方后，在基坑底留出10cm左右的土層，而后利用人工修正坑底以及基坑周邊；

（4）基礎以及溝身砌筑：片石砌體采用分批臥砌、上下錯縫、內外搭砌的方法施工；砌筑工作一旦中斷，再次砌筑時需將砌筑表面加以清掃和濕潤，而后再將石塊重新鋪設在新的砂漿之上，并且要在砂漿凝固前將外露縫勾好；

（5）勾縫：勾縫砂漿標號應大于砌體砂漿標號；勾縫前應利用清水沖凈掛干混砂漿；勾縫過程中要注意在縫隙內填滿擠滿砂漿；勾縫完畢后，隨即清除附掛砂漿。

3.2 提升路基填土高度

全面提升全路段路基高度，在既有的60cm路基填土基礎上，將路基填土高度增加至80cm，采用分層平行攤鋪的施工方式，每完成一個階段的施工都需要對路基填土的壓實度進行檢測與修正以填方通過，過程中有意控制避免零填、低填路基；由于本次改造路線處于農村區域，因此周邊區域內存在一定的不良水文地質地段，為防止其他因素加劇春季融水對路基的影響，在對路面設計進行綜合考慮后，在既有的設計標準上適當提升了路基路面的厚度，最終設計路基路面厚度為55cm，整體結構如下：

（1）面層：5cm厚AC-16F細粒式密級配瀝青混凝土；（2）基層：20cm厚水泥穩定碎石；

（3）30cm 厚水泥石灰綜合穩定土，水泥石灰配比為2∶10∶88。

3.3 改善路基填料配比

優先采用水穩定性更高、冰凍穩定性更強且強度更高的粗顆粒土替換既有道路路基的上部分土層，以此提升土基的強度與穩定性。針對路床的填料需要對材料的強度、施工過程中的壓實度進行嚴格控制，同時盡量選擇直徑較大、顆粒較粗的材料預防后期可能出現的凍脹情況。鑒于該項目所處區域較為偏遠，難以調來適合的路基填料，特別設置了填石路基，主要應用路塹挖石方依照工程填石工藝標準進行鋪設。該方法在有效處理了缺乏石方又缺乏土方問題的同時預防了后期的路基凍脹問題[6]。針對該工程中既缺乏石方又缺乏土方的路段，采用風積砂處治路基凍脹。

4 結束語

本文結合長子縣縣道南（呈）泊（里）線路實際改造工程，對諸如山西等寒冷區域公路路基可能產生的凍害現象進行研究，在對不同病害的產生機制進行深入分析后，重點提出了綜合性的防治與處理措施。通過完善路基防水排水處理、提升路基填土高度、改善路基填料配比等，皆可有效提升公路的穩定性，減少翻漿、凍脹等病害的產生，提高公路的質量和通行的安全性，延長公路的使用壽命。