張寶龍

0 引言

島狀凍土屬于高溫不穩(wěn)定凍土。凍土地溫一般在 0 ℃～-1 ℃，對(duì)水熱變化敏感，狀態(tài)極不穩(wěn)定，容易受到外界干擾迅速發(fā)生退化。凍脹和融沉引發(fā)的路基不均勻變形是島狀凍土區(qū)道路典型的病害形式。溫度、水分共同作用改變了凍土內(nèi)部土體的力學(xué)性質(zhì)，加之行車荷載的作用，就會(huì)引起路基病害[1]。

目前，治理凍土區(qū)路基不均勻變形有主動(dòng)措施和被動(dòng)措施兩大類。主動(dòng)措施包括調(diào)控傳導(dǎo)和調(diào)控對(duì)流，如通風(fēng)路基[2]、碎（片）石路基[3]及熱棒路基[4-5]。被動(dòng)措施有兩類：一類是改變土體表面熱輻射條件，如增加路堤高度[6]，使用遮陽(yáng)棚[7]，將瀝青路面粉刷成淺色來(lái)增加反射率；另一類是改變路基土體與大氣及原凍土熱傳導(dǎo)狀況，如在路基中設(shè)置保溫材料[8]、隔熱板等[9]。

本文通過(guò)調(diào)查內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)島狀凍土地區(qū)路基病害，分析典型病害的類型和成因，在此基礎(chǔ)上提出路基不均勻變形的控制措施。

1 島狀多年凍土區(qū)路基典型病害類型及成因分析

1.1 路基典型病害類型

融沉、凍脹、翻漿等病害是島狀多年凍土區(qū)路基典型的病害形式。

（1）融沉。由于島狀多年凍土區(qū)地下冰層埋藏較淺，道路的施工及運(yùn)營(yíng)使多年凍土局部融化，含冰層轉(zhuǎn)化為高含水量層，土體力學(xué)性能大大下降，在行車荷載和上覆土層及路面結(jié)構(gòu)的作用下，易發(fā)生較大沉陷，從而造成路基嚴(yán)重融沉變形，變形呈現(xiàn)不連續(xù)性，如圖1所示。由于該區(qū)域凍土的分布不連續(xù)，凍土的厚度不均勻，所以導(dǎo)致了該地區(qū)道路融沉的不均勻性。融沉變形的發(fā)生分為蠕變性融沉和突發(fā)性融沉。前者是逐漸發(fā)生的，在融化季節(jié)變形逐漸累加；后者是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后處于飽和狀態(tài)，在車輛荷載的作用下，過(guò)飽和粘性土順著凍結(jié)面擠出，導(dǎo)致路堤瞬間產(chǎn)生突發(fā)性大幅度沉陷。

（2）凍脹。隨著溫度的降低，土體中的水結(jié)成冰，體積增大9%，造成路基土體發(fā)生凍脹變形。土體的凍脹變形常呈現(xiàn)不均勻性，如兩側(cè)路肩的拱起、路面的整體凍脹或者局部?jī)雒?，如圖2所示。

（3）翻漿。路基經(jīng)歷過(guò)冬季的凍脹后，在春融期間，路基上部開(kāi)始融化，下部?jī)鼋Y(jié)或停止凍結(jié)，形成不透水層。上部土層中過(guò)多的水無(wú)法及時(shí)排出，造成土基軟弱，強(qiáng)度急劇降低；在車輛荷載的作用下，路面易發(fā)生彈簧、斷裂、鼓包和唧泥等病害現(xiàn)象，如圖3所示。

1.2 病害成因分析

溫度水分和行車荷載的作用是導(dǎo)致島狀凍土區(qū)路基產(chǎn)生病害的關(guān)鍵因素。

（1）水的影響。大氣降水、路側(cè)積水和地下水是引發(fā)凍土路基病害的主要原因。在溫度的作用下，水分有從高溫向低溫遷移的趨勢(shì)；當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，未凍結(jié)區(qū)的水分有向0 ℃凍結(jié)冰封線遷移的趨勢(shì)。水分的遷移與凍脹呈現(xiàn)不均勻趨勢(shì)，因此路基表現(xiàn)為不均勻凍脹變形。

（2）溫度的影響。凍土是極為敏感的地質(zhì)體，溫度的升高與降低，會(huì)引起土體內(nèi)部水分的融化與凍結(jié)，導(dǎo)致土體由融土變?yōu)閮鐾?。由于一年四季溫度的大周期變化、一天之?nèi)溫度的小周期變化，致使土體內(nèi)部發(fā)生水分的狀態(tài)變化及水分的遷移動(dòng)力變化，從而引起土體力學(xué)強(qiáng)度的衰變。尤其是在道路修筑時(shí)，由于路面的吸熱作用，路基的高度、陰陽(yáng)坡的差異等因素改變了原有地溫的平衡，致使凍土上限下降，多年凍土的融化，從而引發(fā)路基的不均勻變形。

（3）荷載的影響。交通荷載和路基、路面結(jié)構(gòu)的自重是引起路基變形的重要因素之一。在水和溫度的共同作用下，路基土體的力學(xué)性能衰變，加之荷載的作用，致使路基發(fā)生不均勻的變形。

2 島狀凍土路基不均勻變形處治措施

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和資料的整理，總結(jié)歸納中國(guó)凍土地區(qū)公路和鐵路路基不均變形的處治措施，如表1所示。由表1可知，以橋代路、熱棒路基的處治效果較好，但是工程造價(jià)較高；挖除凍土換填砂礫（碎石）可以徹底去除季節(jié)凍土層的影響；保溫路基可以使季節(jié)層下部多年凍土不融化。考慮到內(nèi)蒙古地區(qū)博牙高速公路沿線為島狀多年凍土區(qū)，受氣候變暖和公路修筑的影響，為減小上部季凍層對(duì)路基變形的影響，采取破壞凍土的處理措施——徹底換填季凍層。XPS隔熱板可以起到很好的隔熱保溫效果。綜合考慮呼倫貝爾地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地質(zhì)地貌、水文條件、各種措施的工程應(yīng)用效果、環(huán)境保護(hù)等因素，決定挖除地表以下一定深度的凍土，換填碎石，鋪設(shè)土工格柵和XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）隔熱板。

3 試驗(yàn)路的修筑

3.1 博牙高速概況

（1）公路等級(jí)與路面結(jié)構(gòu)。博克圖至牙克石高速公路是綏滿國(guó)道主干線的重要組成部分，路線全長(zhǎng)為134.195 km，采用雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為100 km·h-1，路基寬度為26 m。試驗(yàn)路段在21標(biāo)K260+140～K260+340段，如圖4所示。路面結(jié)構(gòu)為16 cm瀝青混凝土、20 cm水穩(wěn)碎石基層、32 cm水穩(wěn)砂礫底基層、20 cm砂礫墊層。

（2）氣候條件。該區(qū)為溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候區(qū)，主要特征是：春季干燥風(fēng)大，夏季溫涼短促，秋季氣溫驟降，霜凍早，冬季寒冷漫長(zhǎng)。受地形及植被的不同影響，溫度自南向北逐漸遞減，年均氣溫1.7 ℃。最冷是1月，月平均氣溫-20.1 ℃。年極端最高氣溫38.5 ℃。全年日照時(shí)間為2 750～2 850 h。年平均降水量為458.4 mm，主要集中在6～8月，占全年降水量的70%。年均蒸發(fā)量為1 455.3 mm。年平均風(fēng)速為3.4 m·s-1，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。大部分地區(qū)在9月中旬出現(xiàn)早霜，無(wú)霜期90～130 d。積雪最大深度在18～50 cm。

（3）凍土分布。試驗(yàn)路地表覆蓋約0.5 m左右腐植土，下一層為4.1～7.7 m粉質(zhì)粘土（粉土），其下為泥巖或砂礫。K260+200處凍土上限為5.2 m，凍土層厚度為3.1 m，凍土類型為少冰凍土。K260+300處凍土上限為2.4 m，凍土層厚度為4 m，凍土類型為多冰凍土。試驗(yàn)路段地質(zhì)鉆孔柱狀圖如圖5所示。

3.2 試驗(yàn)路段路基不均勻變形處治措施

不均勻變形的處治措施主要考慮凍土類型和凍土上限的深度，采用碎石換填、加鋪橫向土工格柵和鋪設(shè)XPS保溫板、坡腳處設(shè)置泥炭保溫護(hù)腳的措施。

（1）挖除地面線以下3 m深表層土，換填碎石。

（2）地表以上30 cm處鋪設(shè)橫向土工格柵，兩側(cè)格柵向上彎起重疊200 cm。

（3）針對(duì)少冰凍土段，在路基頂面以下30 cm處鋪設(shè)5 cm厚XPS板，板上鋪一層防水土工布，板下鋪設(shè)5 cm厚保護(hù)砂，如圖6所示。

（4）針對(duì)多冰凍土路段，路基頂面以下50 cm處鋪設(shè)5 cm厚XPS板，板上鋪一層防水土工布，板下鋪設(shè)5 cm厚保護(hù)砂，如圖7所示。

（5）坡腳設(shè)置泥炭保溫護(hù)腳。

3.3 試驗(yàn)路段工后變形的監(jiān)測(cè)

為了分析評(píng)價(jià)島狀凍土路基不均勻變形的處治效果，在路基壓實(shí)完成后，挖開(kāi)路基埋設(shè)沉降板。沉降板裝配時(shí)，應(yīng)整平地基，壓實(shí)之后在預(yù)埋位置挖去填料至地下50 cm處，埋入沉降板，并緊貼原地面回填夯實(shí)，如圖8所示。

對(duì)施工后路基表面的沉降變形監(jiān)測(cè)1年，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。從圖9可知，路基沉降在5個(gè)月左右基本趨于穩(wěn)定，總變形量很小，在14～20 mm。由于路基填料為碎石，強(qiáng)度較大，并且在施工過(guò)程中采用沖擊壓實(shí)，因此減小了路基工后變形。路基修筑1年后，經(jīng)過(guò)了凍脹與融沉，其變形相對(duì)較為穩(wěn)定，表明本項(xiàng)目的處治措施在處理不均勻變形方面是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，融沉、凍脹、翻漿等病害是島狀多年凍土區(qū)路基典型的病害形式，從水、溫度和荷載的綜合作用角度，分析了病害發(fā)生的原因。

（2）在總結(jié)中國(guó)現(xiàn)有凍土地區(qū)公路和鐵路路基不均變形的處治措施的基礎(chǔ)上，考慮島狀凍土區(qū)凍土的工程特性，提出換填碎石、鋪設(shè)土工格柵和XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）隔熱板處治路基不均勻變形的措施。

（3）以博克圖至牙克石高速公路21標(biāo)K260+140～ K260 +340段為依托，詳細(xì)介紹了路基不均勻變形的處治措施，并結(jié)合路基工后變形的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了路基不均勻變形的處治效果有效。

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