季节性浅冻地区冻土路基处理探讨

谢聪

(西南交通大学 四川成都 610031)

路基是路面的基础，是道路的重要组成部分，路基的主要作用是承受路面静荷载及交通运行的动荷载，同时将荷载向地基深处传递与扩散。冻土路基因土质、水分、日照温差不同及荷载作用会引起应力场变化和重分布[1]。

当温度为0 ℃或负温时，路基中含有孔隙水的土颗粒被冻结，冻结时间一般不超过一个季节的土层称为季节性冻土。冻结状态持续时间多于两年的土层称为多年冻土。低温冻结、高温融化而呈周期性冻结融态，表面和内部所含水分的冻结和融化的交替出现，称为冻融循环[2]。冻融循环造成路基变形，冻胀时土体体积增大1.09 倍[3]，温度升高时又逐渐融化，融化时土体处于饱和状态，土颗粒间的摩擦力降低甚至消失，在荷载作用下加速出现路基冻害现象，从而形成冻胀、融沉、翻浆冒泥等路基害。

季节性冻土分布在我国的华北、西北和东北地区（见图1），随着全球气温变暖，最大冻土深度减小趋势愈加明显[4]。由相关资料查询可知，重冻区标准冻深平均为1.5～1.7 m，路基冻深范围在1.3～1.5 m；中冻区标准冻深平均值为0.9～1.1 m，路基冻深范围在0.5～0.7 m；轻冻区路基冻深小于0.7 m。季节性土地区冻土时间较短，冻融循环周期短，一般不超过5 个月；标准冻深较浅，一般不超过2 m，我国锡林浩特和爱辉沿线标准冻深超过2.5 m；季节性冻土地区年均气温较高，年降水量较少，普遍年均降水量不足800 mm。

图1 中国季节性冻土标准冻深线

在季节性浅冻路基中，不是所有的路基断面都被冻结，而是受日照、气温、降水影响较大的路基外部处于冻融循环状态，路基中的温度分布是非均匀的[5]，从而在路基中形成冻土核和未冻土核。未冻土核区域内的土虽然也经历冻融循环影响，但其冻融历程和性质与两侧土不一样，其变形也和两侧不一样。当未冻土核周围土产生冻胀变形时，产生冻胀反力，对未冻土核产生压密作用，会出现周围土体积膨胀而中间压密体积减缩的现象；当路基外部土融化时，周围土层产生融沉，冻融影响区域常常出现上部未变化而下部融化扩展的情况，而未冻土核几乎不变形，这必然使路基产生不均匀沉降，再加上车辆荷载的作用，冻土路基极易出现纵向开裂、反拱、融沉、翻浆冒泥等路基病害。随着路基高度的增加，路基中长年存在未冻土核和非冻土核的时间越长，冻融循环变形产生的相互牵扯作用对路基的稳定性就越不利。

基于路基在冻融循环过程中形成冻土核和未冻土核，从而使路基产生不均匀沉降变形，在季节性浅冻地区对高填方宽幅断面进行路基设计处理时，考虑对路基冻融区和非冻融区参考当地标准冻深进行功能分区，并严控道路临界高度、合理选线和强化施工保障措施方面来减小冻融对路基变形影响。

1 季节性冻土横断面设计

影响土的冻胀性因素主要有土、水、温三大要素，季节性冻土断面设计时主要考虑隔排水、冻融、强度和保温处理等[6]。由于标准冻深较浅，冻融循环变形产生的冻土核和未冻土核影响路基变形问题，参照当地标准冻深将路基分为冻融区和非冻区，在两区间设导流导温通道从而进行冷热能量交换，并在非冻区外设隔水层阻隔自由水进入，路基外部冻融区实现冻融循环功能，非冻区主要承担道路传来荷载起承重作用。对冻融区主要考虑保温措施、填土材的冻胀率、渗性和融沉影响并进行水和热能疏导，对能量交换区主要考虑水和热能疏导，对非冻区主要考虑填土抗剪强度、压缩模量、含水率和隔水措施等。道路断面分为基床承重区、冻融循环区、非冻区、能量交换区、基底这5个部分，对非冻区和基底设置隔水层，在区块间有温差的部份设置能量交换区，整个断面在冬季处于“内热外冷”状态，夏季处于“外热内冷”状态。具体断面功能分区设置见图2。

图2 冻土路基断面功能分区设置

1.1 基床填料

基床承受着本身岩土自重和路面重量，以及由路面传递而来的行车荷载，主要作用是排水和散布载重力，是道路的承重主体。基床填料必须是非冻胀性填料，并具有足够强度、稳定性和水温稳性好的填筑材料。

在路面结构层下方铺设土工合成黏土衬垫，防止降雨入渗引起路基水分积聚，并在铺设土工合成黏土衬垫时自路基中心向两侧形成1‰左右的坡度，便于土工合成黏土衬垫上方不积聚水分。基床表层70 cm填级配碎石，上部0.5 m 范围填料应满足防冻要求，细颗粒含量应小于5%，且填筑压实后的渗透系数应大于5×10-5m/s；于基床表层下部铺设两布一膜不透水工布，土工布上下各设置10 m中砂垫层有效地阻隔地表水渗入基床底层。

1.2 冻区填料

主要填筑I级不冻胀性填料，用粗砂、砾石等粗粒土或细颗粒含量小于15%的A、B组碎石类土，填筑厚度不小于当地标准冻深。在融区外坡面铺设土工合成黏土衬垫，防止降雨渗入冻融区，改善冻融区温度环境，减小冻结深度。

1.3 反滤层

主要解决冻区和非冻区排水和热能交换，填料选用粒径较大片石、块石或砾石类填料，填筑厚度不小于15 cm，并起到盲沟排水作用。

1.4 隔水层

铺设两布一膜不透水工布，土工布上下各设置10 m中砂垫层。

1.5 非冻区填料

在不考虑排水对冻胀影响情况下，主要从承重和防沉角度出发，路基填土料可考虑就地取材，采用水稳性好、压缩模量小、强度高、孔隙比小、冻胀率稍大的填筑材料亦可。

1.6 基底填料

底下为冻胀土壤时，可全部除冻土层用粗砂、砾石等粗粒土置换冻胀性或融沉性地基土，在基底做0.5～1.0 m 砂垫层（或天然级配混合砂石垫层)增强地基强度，减弱地基上的融沉变形，也减弱了基底法向冻胀力的作用。基础两侧回填40～50 cm砾石或粗颗粒炉渣，减小基础两侧土壤冻胀力。

2 路基临界高度

路基临界高度是指在不利季节，当路基分别处于干燥、中湿、潮湿状态时，路槽底面距地下水位或地面积水水位的最小高度。路基临界高度可根据土质、气候因素按当地经验予以确定。为保证季冻区路基强度与稳定性，其临界高度必须同时满足两个条件：一是满足路基干湿类型对临界高度的要求；二是满足路基冻胀类型对临界高度的要求。

根据王福“季冻区路基临界高度的分析”一文中提出的两个表达式：地下水对粘质土路基干湿类型影响的表达式Wc=0.4968exp0.002Hg，计算出粘质土路基处于干燥、中湿、潮湿状态的临界高度分别为4 m、3.3 m、2.4 m；地表期积水对粘质土路基于湿型影响的表达式WC=0.4907exp0.0026Hg，计算出路基处干燥、中湿、潮湿状态的临界高度分别为3.5 m、2.8 m、2.1 m[7]。

3 季节性冻土地区选线要求

（1）冻土地区线路宜以路堤通过。应尽量减少挖方、低填浅挖、不填不挖和半填半挖地段的段数和长度。

（2）线路通过山坡时，路基位置应选在坡度较缓、干燥、向阳的地带。

（3）路基位置应避免通过不良冻土现象发和地下水丰富地段。当绕避困难时，应选择病害轻范围窄的地段通过，并采取合理的工程措施[8]。

4 季节性冻土路基施工

季节性冻土路基施工，主要是注意控制路基含水量、压实度和施工排水。

4.1 土样压实度和含水率对粘性冻土的冻胀影响

由相关研究可知，相同的冻结温度下，如果保持压实度不变，随着含水率的增加土样的冻率也一直在增加。当土中的含水率超过最佳含水率时土样冻胀率趋于平缓[9]。在保持冻结温度和含水率不变的冻胀前提下，随着压实度的增加土样冻胀率呈减小的趋势，且变化幅度也在减小，如图3所示。

图3 土样压实度与冻胀率关系

4.2 含水量控制

用推土机摊铺平整，对于粒径超过要求的石渣料由人工拣出。检测含水量，将含水量控制在最佳含水量±2%以内。

4.3 重型碾压

碾压行驶速度越慢越利于激振力的垂直向下传，碾压时由两侧向中，纵向进退式进行，松铺厚度按30 cm，采用振动压路机先静压一遍，弱振一遍，再开始强振，应确保无漏压、无死角、均匀碾压。

4.4 埋设监测传感器

及时监测土体压实度、土体含水量和温度、地下水位等数据，始终保持含水量控制在合理范围，同时提高压实度，减小冻胀率。

4.5 施工场地排水

防止地下水、天然雨水无序流入处于施工状态的路基，引起路基中水分积聚的层间水等问题，主要措施是采取降低地下水，埋设截水沟、管渗沟，铺设塑料薄膜等方式做好施工场地排水。

5 结论

季节性浅冻土地区由于冻土较浅，冻融循环周期短，年降水量少，年均气温较高，冻融循环一般在路基外部进行，通过采取对冻融路基进行功能分区、控制道路临界高度、合理选线和强化施工保障措施，阻止了冻土路基水分无序迁移，削弱了温差变化过大的应力重分布，减小了冻融循环对路基的融沉影响，达到了减小路基变形的工程目的。特别是对横断面的冻融区和非冻区进行功能分区处理，对于鼓励就地取材，节约抗冻胀材料，经济适用方面具有一定的实践意义，对于有足够的空间进行冻融分区处理的高填方宽幅断面浅冻路基特别适用，但对冻深超过路幅宽度1/3的低路堤窄路幅路基借鉴意义不大。