寒冷地区高速公路路基冻害病因分析及处理措施

陈 明

（中铁二十二局集团第五工程有限公司，重庆 400711）

0 引言

路基需要与路面共同承担车辆往来所产生的荷载力以及自然条件的影响，是高速公路工程中比较重要的建设项目。在冬、春两季，寒冷地区高速公路路基土体中含有的水分便会出现冻结、融化等一系列现象，进而使公路路基结构的稳定性发生变化。最终导致公路路基、路面等发生翻浆、冻胀、龟裂等一系列病害，严重增加了道路运输的安全隐患。导致路基冻害的因素通常包括路基土质、土壤含水量、气候条件、公路结构、整体建设质量等。为保障道路的基础通行能力以及区域性交通的运输安全，必须对容易发生路基冻害的路段进行长期的监测与管理，分析该区域路基土冻胀、融化与沉降变形的变化规律，针对已经出现典型病症的冻害开展及时且有效的处理措施。

本文以山西省长治市长子县某重建公路工程为例，对寒冷地区高速公路路基冻害病因进行分析，并提出有效的处理措施。

1 工程概况

1.1 基本情况

长子县县道南（呈）泊（里）线路位于山西省长治市长子县，与省道227线、省道326线相衔接，同时串联了长子县与其周边村镇的交通线路，是长子县境内最主要的出境县道之一。该线路投入使用后缺乏养护，历经多年的高负荷运行其路面已经出现坑槽、龟裂等病害。同时，受到气候条件的影响，致使该路段在冬季过后出现了显著的冻胀、翻浆病害。种种问题已经严重限制了周边居民的安全出行需求，为保障村民的出行安全，同时也为保障区域性交通线路的稳定运输需求，决定对该条道路进行路面改造，旨在提升道路的服务能力，并进一步增强长子县道路路网通行能力。

线路改造以鲁家沟村东上党区界处为起点，起点桩号为K0+000，终止于泊里村东，终点路段与省道326线相交，终点桩号为k9+900，改造线路全程长9.90km。针对原始道路病害多、路面狭窄等缺陷，本次改造设计在揭除既有道路旧油皮后，采用先找平、后加铺新沥青混凝土面的模式。在既有道路的基础上完成两侧拓宽50～150cm、原路面增高20cm，同时在路面两侧设置50cm×55cm的矩形C25混凝土路边石作为土路肩。除此之外，为有效解决、预防该路段的冬季冻害隐患，特采取具有针对性的处理施工方案。

1.2 气象条件

长子县隶属于我国山西省长治市，介于北纬35°53′～36°15′，东经112°27′～113°00′之间，冬季寒冷寡照、春季干燥多风，属于典型的寒冷地区。该区域地形较为复杂，高差悬殊，因此存在比较显著的区域气候垂直变化特点。这一特殊条件也导致长子县同一条交通线路在不同路段容易爆发较大差异的公路病害。长子县每年的11月至次年3月中旬会进入到冻胀期，4月份后会逐渐进入融沉期。该项目路线改造所在地为季节性冻土区中冻区，无特殊情况下标准冻深不会超过1.5m。

1.3 路基土基本物理性质

对于公路路基土而言，易溶盐的组成成分以及含量会直接决定相关土体的冻胀特性，在易溶盐含量超出标准阈值的情况下，不仅土体会因气温降低而出现冻胀、变形的情况，还有可能导致土体盐胀变形[1]。因此需要配合相应的试验对建设路段土体中的易溶盐成分以及含量进行分析，以此为后期的建设工程奠定基础。对施工现场路基土进行取样试验分析，易溶盐成分分析结果见表1所示。

表1 改造建设路段土中易溶盐成分分析

由表1可知，该路段路基土壤中的易溶盐成分主要包含钙、镁化合物，其中的碳酸氢盐具有比较高的活性，极易受外界影响转化为较为稳定的碳酸盐。同时，由于钙镁化合物通常具有较强的胶结作用，因此在低气温环境下比较容易导致路基土出现冻胀现象；土样中氯离子以及硫酸根离子的占比分别为0.003%以及0.014%，由于其两者具有较强的亲水性，因此比较容易促进路基土中的水分迁移，诱发路基土冻胀病害；土样中易溶盐的平均含量约为352.9mg∕kg，pH值约为8.53，整体含量较低、酸碱性比较适中，无特殊情况下不会导致路基土在冻结状态下出现盐胀变形问题[2]。

2 寒冷地区路基主要冻害及病因

2.1 沉降变形

通常情况下，基于冻害的沉降变形会发生在含冰量较大的黏性土、多年冻土地带。但受到近年来冬季极端气候现象增多的影响，致使长子县县道南（呈）泊（里）线路也出现了几处受冷后路基沉降的病害事故。造成该病害的最主要因素是融沉。相较而言，季节性冻土对外界温度、湿度等条件的变化具有较强的敏感度，长子县近年出现了几次春季突然性的异常升温现象，也存在春季昼夜温差过高的情况。这导致积雪、冻冰等在短时间内融化成为大量积水，加之该路段本身便具有一定的龟裂病害问题，最终在大量融水向下渗透后造成了路基周边土体的松动，进一步引发了路基的沉降、变形病害[3]。

2.2 冻胀

冻胀是山西省常见公路病害中发生频率最高的冻害。造成路基冻胀最主要的因素集中在土质、环境温度以及土壤水分含量三个方面。对未经改造施工的路基土进行取样，在经过晾晒烘干以及搅拌均匀后结合土样筛分试验对其土粒情况进行分析，最终结果见图1所示。

图1 颗粒级配曲线

（1）该路段的既有土体密度较大、矿物成分较高，在冬季比较容易引发路基土体冻胀；

（2）该路段既有土体中细粒组土体颗粒的含量约为17.17%，砂粒组含量约为71.83%，砾（粒）组含量11.00%，基本能够满足《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）对道路土体颗粒的规定。但其中的细粒组土体颗粒含量偏高，比较容易导致路基土出现冻胀现象。

除此之外，由于长子县县道南（呈）泊（里）线路年久失修，其本身便具有一定的裂缝隐患，日渐增加的车流量更是加剧了这一病害，在公路稳定性持续下降的影响下，道路结构的稳定性也出现了持续下降的趋势，加大了冻胀产生的概率[4]。

2.3 翻浆

翻浆是指在地下水过于饱和的情况下，部分地下水逐渐渗出地面。此类病害在冬季、春季交替时具有较高的发病概率。主要原因在于，山西省在春季融冰期间存在晨间、夜间温度低而白日温度高的现象，这会导致土壤中的水分在春季处于反复融化、冻结的循环状态，从而导致路基稳定性遭受破坏。除此之外，翻浆所引起的道路凸起通常会受到车辆运行轨迹的影响，而长子县县道南（呈）泊（里）线路既有的交通规划模式以及车辆运行特点也是造成翻浆的主要原因。

3 处理措施

诱发路基沉降变形、胀冻以及翻浆的主要因素集中在路基土层含水量、周边环境温度、填料配比等几个方面。因此，本次长子县县道南（呈）泊（里）线路改造工程针对路基冻害采用如下综合性的治理措施。

3.1 完善路基防水排水处理

进一步优化路基防水、排水系统能够有效防止地面融水以及地下水侵入到地基之中，进而保持路基土的长时间干燥，减少冻结、融化过程中水分聚流的来源[5]。为进一步强化公路性能，改造工程中同步落实了路基、路面排水系统的建设工程。路基、路面排水工程数量见表2、表3所示。

表2 路基、路面排水系统工程数据（盖板边沟）

表3 路基、路面排水系统工程数据（边沟涵）

项目中的路基地面排水施工主要工艺如下：

（1）确定石、砂、水泥材料：保障石料表面无污垢、水锈等杂质，片石应呈现块状，中部厚度应在15cm以上；砂和水泥的质量标准主要参考行业标准规定进行选择；

（2）测量放样：依照图纸放样中心线以及高程；

（3）基坑开挖：以人工配合挖掘机开挖，即挖掘机挖出90%以上土方后，在基坑底留出10cm左右的土层，而后利用人工修正坑底以及基坑周边；

（4）基础以及沟身砌筑：片石砌体采用分批卧砌、上下错缝、内外搭砌的方法施工；砌筑工作一旦中断，再次砌筑时需将砌筑表面加以清扫和湿润，而后再将石块重新铺设在新的砂浆之上，并且要在砂浆凝固前将外露缝勾好；

（5）勾缝：勾缝砂浆标号应大于砌体砂浆标号；勾缝前应利用清水冲净挂干混砂浆；勾缝过程中要注意在缝隙内填满挤满砂浆；勾缝完毕后，随即清除附挂砂浆。

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路基填土基础上，将路基填土高度增加至80cm，采用分层平行摊铺的施工方式，每完成一个阶段的施工都需要对路基填土的压实度进行检测与修正以填方通过，过程中有意控制避免零填、低填路基；由于本次改造路线处于农村区域，因此周边区域内存在一定的不良水文地质地段，为防止其他因素加剧春季融水对路基的影响，在对路面设计进行综合考虑后，在既有的设计标准上适当提升了路基路面的厚度，最终设计路基路面厚度为55cm，整体结构如下：

（1）面层：5cm厚AC-16F细粒式密级配沥青混凝土；（2）基层：20cm厚水泥稳定碎石；

（3）30cm 厚水泥石灰综合稳定土，水泥石灰配比为2∶10∶88。

3.3 改善路基填料配比

优先采用水稳定性更高、冰冻稳定性更强且强度更高的粗颗粒土替换既有道路路基的上部分土层，以此提升土基的强度与稳定性。针对路床的填料需要对材料的强度、施工过程中的压实度进行严格控制，同时尽量选择直径较大、颗粒较粗的材料预防后期可能出现的冻胀情况。鉴于该项目所处区域较为偏远，难以调来适合的路基填料，特别设置了填石路基，主要应用路堑挖石方依照工程填石工艺标准进行铺设。该方法在有效处理了缺乏石方又缺乏土方问题的同时预防了后期的路基冻胀问题[6]。针对该工程中既缺乏石方又缺乏土方的路段，采用风积砂处治路基冻胀。

4 结束语

本文结合长子县县道南（呈）泊（里）线路实际改造工程，对诸如山西等寒冷区域公路路基可能产生的冻害现象进行研究，在对不同病害的产生机制进行深入分析后，重点提出了综合性的防治与处理措施。通过完善路基防水排水处理、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稳定性，减少翻浆、冻胀等病害的产生，提高公路的质量和通行的安全性，延长公路的使用寿命。