严寒冻土地区公路路基施工技术研究

曾佑理，龙 辉，马 强

（中国建筑第二工程局有限公司西南分公司，重庆 400023）

0 引言

现阶段，我国道路工程建设速度逐渐加快，一些特殊、复杂地区的道路建设也取得一定的成效，进一步完善了我国交通网线，为人们的出行提供了便利。但是，在严寒冻土地区公路建设过程中，自然天气和地质状况会对路基施工造成影响。因此，施工队伍应该了解严寒冻土地区公路路基施工影响因素以及容易出现的危害，并采用有效方式进行计算和优化，促使公路路基施工顺利进行。

1 严寒冻土地区公路路基施工影响因素

1）含冰量 根据冻土土壤中含冰量的高低，可以将其分为多冰、少冰、刨冰、富冰等冻土以及含土冰层。其中，多冰和少冰冻土可称为低含冰量的冻土，刨冰、富冰冻土及含土冰层可称为高含冰量的冻土。前者在融化后对公路路基造成的影响较小，后者在融化后会改变土壤的紧实度，进而对公路路基造成巨大的影响，导致其出现变形、破坏等情况。

2）地温 严寒冻土地区的土体温度衡量其热稳定性的主要指标，可以用年平均地温表示。年平均地温较低，表示该地区热稳定性较好；年平均地温较高，表示该地区热稳定性较差。

3）环境变化 在一般情况下，严寒冻土地区冻土的位置较浅，对周围环境发生的变化较为敏感，比如气温提升、人为活动增加、植被减少等，都会导致冻土地区地温提升，降低其热稳定性。

2 冻土路基稳定性计算方式

2.1 传统极限平衡方式

现阶段，对严寒冻土地区公路的稳定性评价主要采用传统极限平衡方式，其主要原理为在路基土体抗剪参数降低到岩土体稳定系数之后，路基内部力学状态达到极限平衡，这时路基土体沿潜在滑移面处于临界失稳状态。选择严寒冻土地区公路路基进行研究，建立冻土路基计算模型，如图1所示。

图1 典型冻土路基计算模型（单位：m）

在冻土路基冰水相变的过程中，采用二维非稳态传热微分方程进行表示。上边界的温度变化如式（1）所示；下边界为热流边界，热流密度q设定为216J/（m2·h）。假设路基填土初始温度为8℃，以7月对地基土体进行监测的温度场作为初始条件。

式中，Ts为初始年平均地温（℃）；A为表面地温振幅（℃），t为距初始时刻的时间（h）；琢为年增温率，取值为0.052℃。

对固结土类的抗剪强度造成影响的因素主要为土体成分、温度以及加荷时间，综合考虑冻土温度变化对土体力学参数造成的影响，采用公式（2），（3）进行计算。

式中，ai，bi，aj，bj均为试验常数；兹为土体温度（℃）；c 为黏聚力；渍为内摩擦角（°）。

当土体温度为-0.05～0.05℃时，表示其处于冻融交界区域；当土体温度超过0.05℃时，表示其处于融化状态；当土体温度低于-0.05℃时，表示其处于冻结状态。路基各个地层力学参数如表1所示，路基各个地层热力学参数如表2所示。

表1 公路路基各个地层力学参数

表2 公路路基各个地层热力学参数

2.2 折线法评价冻土路基稳定性

折线法是根据严寒冻土地区公路路基软弱面抗剪特性的稳定性进行分析，无法反映严寒冻土路基破坏特性，而且在冰胶结力的作用下，稳定性会明显提升。因此，可以对暖季严寒地区冻土路基的稳定性进行分析，采用折线法计算出4.0m深的冻土路基稳定性随时间的变化，如图2所示。

图2 折线法计算严寒地区冻土公路路基稳定性时间变化

从图中可以看到，5月路基开始解冻，其稳定性下降，6—7月降低到最小值，8月路基稳定性开始提升，这时其会受到季节的影响，在抗剪强度控制下，冻融交界面不再是路基的滑移面。通过折线法将路基的稳定性呈现出来，能够看到路基的异常情况。

3 严寒冻土地区公路路基施工技术

3.1 路堤施工技术

1）填料选择和路基借土 在对严寒冻土地区进行施工过程中，应避免对周围冻土造成破坏影响，施工前要对路基取土坑进行合理设计，严禁随意取土。在实际施工过程中，严禁采用推土机等设备进行施工，并且严格控制土坑位置以及开挖的深度。在取土之前，需要集中堆积腐殖土，并合理划分土坑，实现集中深挖操作。在完成取土之后，要整平土坑，将腐殖土重新填入取土坑中，可以在土坑上种植耐寒植物，以保证土坑的稳定性。

2）地表排水系统施工和养护 严寒地区冻土融化容易出现路基下沉、地表水渗透，这就需要在施工前意识到这一问题，做好排水系统建设，并且与路基工程同步完成。

3）厚层地下冰段的施工 需要在土层冻结之前将施工所需材料、设备等运送到施工现场，在温度最低时进行填筑。施工材料与地基长时间处于负温度状态下，能够有效保护地下冰层。同时，还可以将砂、卵石等堆积到高于路面的高度，在回暖时期进行施工，避免基坑暴露时间过长。

3.2 路埑施工技术

在进行路埑施工前，需要做好准备工作，包括标记施工点、确定取土地点、准备施工材料等。要保护施工现场周围环境，不可随意动土。回填土施工需要一次性完成，避免二次开挖埑面在空气中暴露时间过长。同时，需要在路埑边坡位置设置挡水埝，避免路埑开挖后大量的地下水从路埑边坡涌出，导致路基处于潮湿状态，降低路基强度。在热量传递作用下，如果冻土层融化，将会导致公路路基的稳定性下降。通常挡水埝的高度应高于0.8m，顶宽超过1m，外侧边坡坡度在1∶（1.5～2.0）为宜，内侧坡度在 1∶（0.5～1.0）为宜。

4 结语

在严寒冻土地区进行公路路基施工，应掌握土壤中含水量、地湿、环境变化等情况，明确冻土路基稳定性计算方式，采用路堤施工技术、路埑施工技术，做好施工准备工作，保证公路路基质量，提升其稳定性。