謝聰

(西南交通大學(xué) 四川成都 610031)

路基是路面的基礎(chǔ)，是道路的重要組成部分，路基的主要作用是承受路面靜荷載及交通運行的動荷載，同時將荷載向地基深處傳遞與擴散。凍土路基因土質(zhì)、水分、日照溫差不同及荷載作用會引起應(yīng)力場變化和重分布[1]。

當(dāng)溫度為0 ℃或負溫時，路基中含有孔隙水的土顆粒被凍結(jié)，凍結(jié)時間一般不超過一個季節(jié)的土層稱為季節(jié)性凍土。凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時間多于兩年的土層稱為多年凍土。低溫凍結(jié)、高溫融化而呈周期性凍結(jié)融態(tài)，表面和內(nèi)部所含水分的凍結(jié)和融化的交替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)[2]。凍融循環(huán)造成路基變形，凍脹時土體體積增大1.09 倍[3]，溫度升高時又逐漸融化，融化時土體處于飽和狀態(tài)，土顆粒間的摩擦力降低甚至消失，在荷載作用下加速出現(xiàn)路基凍害現(xiàn)象，從而形成凍脹、融沉、翻漿冒泥等路基害。

季節(jié)性凍土分布在我國的華北、西北和東北地區(qū)（見圖1），隨著全球氣溫變暖，最大凍土深度減小趨勢愈加明顯[4]。由相關(guān)資料查詢可知，重凍區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深平均為1.5～1.7 m，路基凍深范圍在1.3～1.5 m；中凍區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深平均值為0.9～1.1 m，路基凍深范圍在0.5～0.7 m；輕凍區(qū)路基凍深小于0.7 m。季節(jié)性土地區(qū)凍土?xí)r間較短，凍融循環(huán)周期短，一般不超過5 個月；標(biāo)準(zhǔn)凍深較淺，一般不超過2 m，我國錫林浩特和愛輝沿線標(biāo)準(zhǔn)凍深超過2.5 m；季節(jié)性凍土地區(qū)年均氣溫較高，年降水量較少，普遍年均降水量不足800 mm。

圖1 中國季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線

在季節(jié)性淺凍路基中，不是所有的路基斷面都被凍結(jié)，而是受日照、氣溫、降水影響較大的路基外部處于凍融循環(huán)狀態(tài)，路基中的溫度分布是非均勻的[5]，從而在路基中形成凍土核和未凍土核。未凍土核區(qū)域內(nèi)的土雖然也經(jīng)歷凍融循環(huán)影響，但其凍融歷程和性質(zhì)與兩側(cè)土不一樣，其變形也和兩側(cè)不一樣。當(dāng)未凍土核周圍土產(chǎn)生凍脹變形時，產(chǎn)生凍脹反力，對未凍土核產(chǎn)生壓密作用，會出現(xiàn)周圍土體積膨脹而中間壓密體積減縮的現(xiàn)象；當(dāng)路基外部土融化時，周圍土層產(chǎn)生融沉，凍融影響區(qū)域常常出現(xiàn)上部未變化而下部融化擴展的情況，而未凍土核幾乎不變形，這必然使路基產(chǎn)生不均勻沉降，再加上車輛荷載的作用，凍土路基極易出現(xiàn)縱向開裂、反拱、融沉、翻漿冒泥等路基病害。隨著路基高度的增加，路基中長年存在未凍土核和非凍土核的時間越長，凍融循環(huán)變形產(chǎn)生的相互牽扯作用對路基的穩(wěn)定性就越不利。

基于路基在凍融循環(huán)過程中形成凍土核和未凍土核，從而使路基產(chǎn)生不均勻沉降變形，在季節(jié)性淺凍地區(qū)對高填方寬幅斷面進行路基設(shè)計處理時，考慮對路基凍融區(qū)和非凍融區(qū)參考當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)凍深進行功能分區(qū)，并嚴控道路臨界高度、合理選線和強化施工保障措施方面來減小凍融對路基變形影響。

1 季節(jié)性凍土橫斷面設(shè)計

影響土的凍脹性因素主要有土、水、溫三大要素，季節(jié)性凍土斷面設(shè)計時主要考慮隔排水、凍融、強度和保溫處理等[6]。由于標(biāo)準(zhǔn)凍深較淺，凍融循環(huán)變形產(chǎn)生的凍土核和未凍土核影響路基變形問題，參照當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)凍深將路基分為凍融區(qū)和非凍區(qū)，在兩區(qū)間設(shè)導(dǎo)流導(dǎo)溫通道從而進行冷熱能量交換，并在非凍區(qū)外設(shè)隔水層阻隔自由水進入，路基外部凍融區(qū)實現(xiàn)凍融循環(huán)功能，非凍區(qū)主要承擔(dān)道路傳來荷載起承重作用。對凍融區(qū)主要考慮保溫措施、填土材的凍脹率、滲性和融沉影響并進行水和熱能疏導(dǎo)，對能量交換區(qū)主要考慮水和熱能疏導(dǎo)，對非凍區(qū)主要考慮填土抗剪強度、壓縮模量、含水率和隔水措施等。道路斷面分為基床承重區(qū)、凍融循環(huán)區(qū)、非凍區(qū)、能量交換區(qū)、基底這5個部分，對非凍區(qū)和基底設(shè)置隔水層，在區(qū)塊間有溫差的部份設(shè)置能量交換區(qū)，整個斷面在冬季處于“內(nèi)熱外冷”狀態(tài)，夏季處于“外熱內(nèi)冷”狀態(tài)。具體斷面功能分區(qū)設(shè)置見圖2。

圖2 凍土路基斷面功能分區(qū)設(shè)置

1.1 基床填料

基床承受著本身巖土自重和路面重量，以及由路面?zhèn)鬟f而來的行車荷載，主要作用是排水和散布載重力，是道路的承重主體。基床填料必須是非凍脹性填料，并具有足夠強度、穩(wěn)定性和水溫穩(wěn)性好的填筑材料。

在路面結(jié)構(gòu)層下方鋪設(shè)土工合成黏土襯墊，防止降雨入滲引起路基水分積聚，并在鋪設(shè)土工合成黏土襯墊時自路基中心向兩側(cè)形成1‰左右的坡度，便于土工合成黏土襯墊上方不積聚水分。基床表層70 cm填級配碎石，上部0.5 m 范圍填料應(yīng)滿足防凍要求，細顆粒含量應(yīng)小于5%，且填筑壓實后的滲透系數(shù)應(yīng)大于5×10-5m/s；于基床表層下部鋪設(shè)兩布一膜不透水工布，土工布上下各設(shè)置10 m中砂墊層有效地阻隔地表水滲入基床底層。

1.2 凍區(qū)填料

主要填筑I級不凍脹性填料，用粗砂、礫石等粗粒土或細顆粒含量小于15%的A、B組碎石類土，填筑厚度不小于當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)凍深。在融區(qū)外坡面鋪設(shè)土工合成黏土襯墊，防止降雨滲入凍融區(qū)，改善凍融區(qū)溫度環(huán)境，減小凍結(jié)深度。

1.3 反濾層

主要解決凍區(qū)和非凍區(qū)排水和熱能交換，填料選用粒徑較大片石、塊石或礫石類填料，填筑厚度不小于15 cm，并起到盲溝排水作用。

1.4 隔水層

鋪設(shè)兩布一膜不透水工布，土工布上下各設(shè)置10 m中砂墊層。

1.5 非凍區(qū)填料

在不考慮排水對凍脹影響情況下，主要從承重和防沉角度出發(fā)，路基填土料可考慮就地取材，采用水穩(wěn)性好、壓縮模量小、強度高、孔隙比小、凍脹率稍大的填筑材料亦可。

1.6 基底填料

底下為凍脹土壤時，可全部除凍土層用粗砂、礫石等粗粒土置換凍脹性或融沉性地基土，在基底做0.5～1.0 m 砂墊層（或天然級配混合砂石墊層)增強地基強度，減弱地基上的融沉變形，也減弱了基底法向凍脹力的作用。基礎(chǔ)兩側(cè)回填40～50 cm礫石或粗顆粒爐渣，減小基礎(chǔ)兩側(cè)土壤凍脹力。

2 路基臨界高度

路基臨界高度是指在不利季節(jié)，當(dāng)路基分別處于干燥、中濕、潮濕狀態(tài)時，路槽底面距地下水位或地面積水水位的最小高度。路基臨界高度可根據(jù)土質(zhì)、氣候因素按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗予以確定。為保證季凍區(qū)路基強度與穩(wěn)定性，其臨界高度必須同時滿足兩個條件：一是滿足路基干濕類型對臨界高度的要求；二是滿足路基凍脹類型對臨界高度的要求。

根據(jù)王福“季凍區(qū)路基臨界高度的分析”一文中提出的兩個表達式：地下水對粘質(zhì)土路基干濕類型影響的表達式Wc=0.4968exp0.002Hg，計算出粘質(zhì)土路基處于干燥、中濕、潮濕狀態(tài)的臨界高度分別為4 m、3.3 m、2.4 m；地表期積水對粘質(zhì)土路基于濕型影響的表達式WC=0.4907exp0.0026Hg，計算出路基處干燥、中濕、潮濕狀態(tài)的臨界高度分別為3.5 m、2.8 m、2.1 m[7]。

3 季節(jié)性凍土地區(qū)選線要求

（1）凍土地區(qū)線路宜以路堤通過。應(yīng)盡量減少挖方、低填淺挖、不填不挖和半填半挖地段的段數(shù)和長度。

（2）線路通過山坡時，路基位置應(yīng)選在坡度較緩、干燥、向陽的地帶。

（3）路基位置應(yīng)避免通過不良凍土現(xiàn)象發(fā)和地下水豐富地段。當(dāng)繞避困難時，應(yīng)選擇病害輕范圍窄的地段通過，并采取合理的工程措施[8]。

4 季節(jié)性凍土路基施工

季節(jié)性凍土路基施工，主要是注意控制路基含水量、壓實度和施工排水。

4.1 土樣壓實度和含水率對粘性凍土的凍脹影響

由相關(guān)研究可知，相同的凍結(jié)溫度下，如果保持壓實度不變，隨著含水率的增加土樣的凍率也一直在增加。當(dāng)土中的含水率超過最佳含水率時土樣凍脹率趨于平緩[9]。在保持凍結(jié)溫度和含水率不變的凍脹前提下，隨著壓實度的增加土樣凍脹率呈減小的趨勢，且變化幅度也在減小，如圖3所示。

圖3 土樣壓實度與凍脹率關(guān)系

4.2 含水量控制

用推土機攤鋪平整，對于粒徑超過要求的石渣料由人工揀出。檢測含水量，將含水量控制在最佳含水量±2%以內(nèi)。

4.3 重型碾壓

碾壓行駛速度越慢越利于激振力的垂直向下傳，碾壓時由兩側(cè)向中，縱向進退式進行，松鋪厚度按30 cm，采用振動壓路機先靜壓一遍，弱振一遍，再開始強振，應(yīng)確保無漏壓、無死角、均勻碾壓。

4.4 埋設(shè)監(jiān)測傳感器

及時監(jiān)測土體壓實度、土體含水量和溫度、地下水位等數(shù)據(jù)，始終保持含水量控制在合理范圍，同時提高壓實度，減小凍脹率。

4.5 施工場地排水

防止地下水、天然雨水無序流入處于施工狀態(tài)的路基，引起路基中水分積聚的層間水等問題，主要措施是采取降低地下水，埋設(shè)截水溝、管滲溝，鋪設(shè)塑料薄膜等方式做好施工場地排水。

5 結(jié)論

季節(jié)性淺凍土地區(qū)由于凍土較淺，凍融循環(huán)周期短，年降水量少，年均氣溫較高，凍融循環(huán)一般在路基外部進行，通過采取對凍融路基進行功能分區(qū)、控制道路臨界高度、合理選線和強化施工保障措施，阻止了凍土路基水分無序遷移，削弱了溫差變化過大的應(yīng)力重分布，減小了凍融循環(huán)對路基的融沉影響，達到了減小路基變形的工程目的。特別是對橫斷面的凍融區(qū)和非凍區(qū)進行功能分區(qū)處理，對于鼓勵就地取材，節(jié)約抗凍脹材料，經(jīng)濟適用方面具有一定的實踐意義，對于有足夠的空間進行凍融分區(qū)處理的高填方寬幅斷面淺凍路基特別適用，但對凍深超過路幅寬度1/3的低路堤窄路幅路基借鑒意義不大。