岛状冻土地区路基不均匀变形控制措施

张宝龙

0 引言

岛状冻土属于高温不稳定冻土。冻土地温一般在 0 ℃～-1 ℃，对水热变化敏感，状态极不稳定，容易受到外界干扰迅速发生退化。冻胀和融沉引发的路基不均匀变形是岛状冻土区道路典型的病害形式。温度、水分共同作用改变了冻土内部土体的力学性质，加之行车荷载的作用，就会引起路基病害[1]。

目前，治理冻土区路基不均匀变形有主动措施和被动措施两大类。主动措施包括调控传导和调控对流，如通风路基[2]、碎（片）石路基[3]及热棒路基[4-5]。被动措施有两类：一类是改变土体表面热辐射条件，如增加路堤高度[6]，使用遮阳棚[7]，将沥青路面粉刷成浅色来增加反射率；另一类是改变路基土体与大气及原冻土热传导状况，如在路基中设置保温材料[8]、隔热板等[9]。

本文通过调查内蒙古自治区境内岛状冻土地区路基病害，分析典型病害的类型和成因，在此基础上提出路基不均匀变形的控制措施。

1 岛状多年冻土区路基典型病害类型及成因分析

1.1 路基典型病害类型

融沉、冻胀、翻浆等病害是岛状多年冻土区路基典型的病害形式。

（1）融沉。由于岛状多年冻土区地下冰层埋藏较浅，道路的施工及运营使多年冻土局部融化，含冰层转化为高含水量层，土体力学性能大大下降，在行车荷载和上覆土层及路面结构的作用下，易发生较大沉陷，从而造成路基严重融沉变形，变形呈现不连续性，如图1所示。由于该区域冻土的分布不连续，冻土的厚度不均匀，所以导致了该地区道路融沉的不均匀性。融沉变形的发生分为蠕变性融沉和突发性融沉。前者是逐渐发生的，在融化季节变形逐渐累加；后者是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于饱和状态，在车辆荷载的作用下，过饱和粘性土顺着冻结面挤出，导致路堤瞬间产生突发性大幅度沉陷。

（2）冻胀。随着温度的降低，土体中的水结成冰，体积增大9%，造成路基土体发生冻胀变形。土体的冻胀变形常呈现不均匀性，如两侧路肩的拱起、路面的整体冻胀或者局部冻胀，如图2所示。

（3）翻浆。路基经历过冬季的冻胀后，在春融期间，路基上部开始融化，下部冻结或停止冻结，形成不透水层。上部土层中过多的水无法及时排出，造成土基软弱，强度急剧降低；在车辆荷载的作用下，路面易发生弹簧、断裂、鼓包和唧泥等病害现象，如图3所示。

1.2 病害成因分析

温度水分和行车荷载的作用是导致岛状冻土区路基产生病害的关键因素。

（1）水的影响。大气降水、路侧积水和地下水是引发冻土路基病害的主要原因。在温度的作用下，水分有从高温向低温迁移的趋势；当温度低于0 ℃时，未冻结区的水分有向0 ℃冻结冰封线迁移的趋势。水分的迁移与冻胀呈现不均匀趋势，因此路基表现为不均匀冻胀变形。

（2）温度的影响。冻土是极为敏感的地质体，温度的升高与降低，会引起土体内部水分的融化与冻结，导致土体由融土变为冻土。由于一年四季温度的大周期变化、一天之内温度的小周期变化，致使土体内部发生水分的状态变化及水分的迁移动力变化，从而引起土体力学强度的衰变。尤其是在道路修筑时，由于路面的吸热作用，路基的高度、阴阳坡的差异等因素改变了原有地温的平衡，致使冻土上限下降，多年冻土的融化，从而引发路基的不均匀变形。

（3）荷载的影响。交通荷载和路基、路面结构的自重是引起路基变形的重要因素之一。在水和温度的共同作用下，路基土体的力学性能衰变，加之荷载的作用，致使路基发生不均匀的变形。

2 岛状冻土路基不均匀变形处治措施

通过现场调研和资料的整理，总结归纳中国冻土地区公路和铁路路基不均变形的处治措施，如表1所示。由表1可知，以桥代路、热棒路基的处治效果较好，但是工程造价较高；挖除冻土换填砂砾（碎石）可以彻底去除季节冻土层的影响；保温路基可以使季节层下部多年冻土不融化。考虑到内蒙古地区博牙高速公路沿线为岛状多年冻土区，受气候变暖和公路修筑的影响，为减小上部季冻层对路基变形的影响，采取破坏冻土的处理措施——彻底换填季冻层。XPS隔热板可以起到很好的隔热保温效果。综合考虑呼伦贝尔地区经济发展、地质地貌、水文条件、各种措施的工程应用效果、环境保护等因素，决定挖除地表以下一定深度的冻土，换填碎石，铺设土工格栅和XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）隔热板。

3 试验路的修筑

3.1 博牙高速概况

（1）公路等级与路面结构。博克图至牙克石高速公路是绥满国道主干线的重要组成部分，路线全长为134.195 km，采用双向四车道标准建设，设计速度为100 km·h-1，路基宽度为26 m。试验路段在21标K260+140～K260+340段，如图4所示。路面结构为16 cm沥青混凝土、20 cm水稳碎石基层、32 cm水稳砂砾底基层、20 cm砂砾垫层。

（2）气候条件。该区为温带大陆性半湿润气候区，主要特征是：春季干燥风大，夏季温凉短促，秋季气温骤降，霜冻早，冬季寒冷漫长。受地形及植被的不同影响，温度自南向北逐渐递减，年均气温1.7 ℃。最冷是1月，月平均气温-20.1 ℃。年极端最高气温38.5 ℃。全年日照时间为2 750～2 850 h。年平均降水量为458.4 mm，主要集中在6～8月，占全年降水量的70%。年均蒸发量为1 455.3 mm。年平均风速为3.4 m·s-1，主导风向为西北风。大部分地区在9月中旬出现早霜，无霜期90～130 d。积雪最大深度在18～50 cm。

（3）冻土分布。试验路地表覆盖约0.5 m左右腐植土，下一层为4.1～7.7 m粉质粘土（粉土），其下为泥岩或砂砾。K260+200处冻土上限为5.2 m，冻土层厚度为3.1 m，冻土类型为少冰冻土。K260+300处冻土上限为2.4 m，冻土层厚度为4 m，冻土类型为多冰冻土。试验路段地质钻孔柱状图如图5所示。

3.2 试验路段路基不均匀变形处治措施

不均匀变形的处治措施主要考虑冻土类型和冻土上限的深度，采用碎石换填、加铺横向土工格栅和铺设XPS保温板、坡脚处设置泥炭保温护脚的措施。

（1）挖除地面线以下3 m深表层土，换填碎石。

（2）地表以上30 cm处铺设横向土工格栅，两侧格栅向上弯起重叠200 cm。

（3）针对少冰冻土段，在路基顶面以下30 cm处铺设5 cm厚XPS板，板上铺一层防水土工布，板下铺设5 cm厚保护砂，如图6所示。

（4）针对多冰冻土路段，路基顶面以下50 cm处铺设5 cm厚XPS板，板上铺一层防水土工布，板下铺设5 cm厚保护砂，如图7所示。

（5）坡脚设置泥炭保温护脚。

3.3 试验路段工后变形的监测

为了分析评价岛状冻土路基不均匀变形的处治效果，在路基压实完成后，挖开路基埋设沉降板。沉降板装配时，应整平地基，压实之后在预埋位置挖去填料至地下50 cm处，埋入沉降板，并紧贴原地面回填夯实，如图8所示。

对施工后路基表面的沉降变形监测1年，监测结果如图9所示。从图9可知，路基沉降在5个月左右基本趋于稳定，总变形量很小，在14～20 mm。由于路基填料为碎石，强度较大，并且在施工过程中采用冲击压实，因此减小了路基工后变形。路基修筑1年后，经过了冻胀与融沉，其变形相对较为稳定，表明本项目的处治措施在处理不均匀变形方面是有效的。

4 结语

（1）现场调研表明，融沉、冻胀、翻浆等病害是岛状多年冻土区路基典型的病害形式，从水、温度和荷载的综合作用角度，分析了病害发生的原因。

（2）在总结中国现有冻土地区公路和铁路路基不均变形的处治措施的基础上，考虑岛状冻土区冻土的工程特性，提出换填碎石、铺设土工格栅和XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）隔热板处治路基不均匀变形的措施。

（3）以博克图至牙克石高速公路21标K260+140～ K260 +340段为依托，详细介绍了路基不均匀变形的处治措施，并结合路基工后变形的监测，验证了路基不均匀变形的处治效果有效。

参考文献：

[1] 李 永.高原多年冻土施工及不良地质工程的处理[J].筑路机械与施工机械化，2008，25（9）：35-37.

[2] 田 乐.多年冻土地区路基病害处治新技术探索与实践[D].西安：长安大学，2012.

[3] 陈冬根.多年冻土区公路路基病害分析与处治对策研究[D].西安：长安大学，2014.

[4] 熊治文，廖小平，朱本珍，等.多年冻土地区路堑边坡病害及其整治原则[J].铁道工程学报，2010，27（7）：6-10.

[5] 次仁拉姆，王巧玲.多年冻土地区路基纵向裂缝预防对策研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2007，26（S1）：46-49.

[6] 沈 迪，张裔佳.多年冻土路基病害分析及处治措施研究[J].交通标准化，2010（9）：137-139.

[7] 艾世勃，李君富.遮阳板与保温材料组合措施整治多年冻土地区路基病害数值分析[J].岩土工程界，2007，10（3）：37-41.

[8] 崔云财.黑龙江岛状多年冻土地区路基处治措施研究[D].西安：长安大学，2012.

[9] 樊云龙，毛雪松，侯仲杰.青藏公路热棒路基在多年冻土地区降温效果分析[J].路基工程，2011（6）：99-102.