根河地區(qū)凍土公路路基處理研究

何濤 閆向陽 劉玉鳳

摘要：在我國的多年凍土區(qū)修筑公路，不可避免要面對秋凍春融引起的路基病害。文章通過分析根河地區(qū)的氣象水文特點，將凍土所處的時期分為冰凍期、反復(fù)凍融期和融化期，對地質(zhì)、地形條件與凍土形成的關(guān)系進行了分析，并針對凍土形成的機理，根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌牡刭|(zhì)、地形條件和多年凍土上下限的埋深，提出了不同的處理措施。

關(guān)鍵詞：凍土;公路路基;季節(jié)性凍融

0 引言

地表巖土體一定深度范圍內(nèi)，溫度<0 ℃且凍結(jié)時間在2年或2年以上的含冰巖土體為多年凍土[1]。國外對多年凍土研究較早，特別是俄羅斯，具有較深的理論性研究基礎(chǔ)[2-3]。我國對多年凍土的研究稍晚，且主要是針對青藏高原公路和鐵路的建設(shè)進行的，并取得了豐厚的成果，如采用熱棒路基、高填路基、片塊石路基及碎石護坡、保溫板路基、遮陽板路基、通風(fēng)管路基和粉煤灰路基[4]等。但是，大興安地區(qū)屬于寒溫帶季風(fēng)氣候，植被、水文與青藏高原有著較大的區(qū)別，而且圍繞著大興安嶺地區(qū)的多年凍土研究成果相對較少，可借鑒的經(jīng)驗并不多。海滿線采用的保溫板路基處理效果甚微，以橋代路是根治凍土路基的有效方法，但因為造價因素的制約，不可能在沿線凍土全部采用。本文主要討論大興安嶺地區(qū)氣候、水文特點與凍土的形成條件以及地質(zhì)、地形條件與凍土形成的關(guān)系，并結(jié)合凍土產(chǎn)生的沉降機理研究凍土公路路基的處理措施，為根河地區(qū)的多年凍土治理提供一定的經(jīng)驗。

1 分析根河地區(qū)氣象水文特點對凍土的影響

根河地區(qū)的凍土呈島狀分布。根河地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長嚴(yán)寒，氣溫年差大，極端最低氣溫達-45 ℃～-40 ℃，主要集中在1～2月份;高溫主要在20 ℃～30 ℃之間，個別情況會出現(xiàn)35 ℃高溫。圖1為根河地區(qū)2011—2018年間全年度氣溫走勢圖。

從圖1可知，根河地區(qū)的氣候有如下特點：

（1）每年的10月下旬至次年的4月下旬氣溫基本在零下，屬于冰凍期，巖土體內(nèi)的水凍結(jié)形成凍土。在此期間降雪集中，積雪覆蓋，反射太陽輻射，進一步促進凍土及冰錐的形成。

（2）每年的4月下旬至5月下旬、9月下旬至10月下旬，根河地區(qū)氣溫白天在零上，夜間處于零下，屬于反復(fù)凍融期。白天氣溫在零上時，凍土融化，土體內(nèi)的細(xì)顆粒被融化水帶走，路基的水毀也發(fā)生在此期間;夜間氣溫降到零下時，土體內(nèi)的水凍結(jié)成冰，如此反復(fù)，使土體內(nèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。（3）每年5月下旬至9月下旬氣溫基本在零上，年平均降水量為450～500 mm，雨季主要集中在6～8月份，屬于融化期。在此期間，季節(jié)性凍土融化，多年凍土處于不穩(wěn)定狀態(tài)，一旦覆蓋層受到破壞，會加劇融化。

2 地質(zhì)、地形條件對凍土形成的影響分析

根據(jù)國道332線阿里河至庫布春林場段（簡稱阿庫線）地質(zhì)勘察資料，多年凍土在粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、卵石土和風(fēng)化巖層中均有分布。由此可知，凍土的形成與巖性關(guān)系不大，但是與含冰率有關(guān)，巖土體含冰率的高低不僅決定了多年凍土的分類，也決定了融化特征，含冰率越高，融沉性越大。如表1所示。

圖2為阿庫線多年凍土段粉質(zhì)黏土層和圓卵石層垂直不連續(xù)分布示意圖。根據(jù)地勘資料分析：粉質(zhì)黏土層中含冰率較低，為少冰凍土，中間部分不含冰，卵石層接近凍土下限部分為飽冰凍土，底部為隔水層;粉質(zhì)黏土中因分布層間上層滯水，在多年凍土層呈凍結(jié)狀態(tài)，圓卵石層底部因為隔水層的緣故，底部為飽冰凍土，上部層不含冰。

由此可知，地下水對凍土的形成和分類有著決定性的作用。路基的修筑起到隔水的作用，在一定程度上改變周圍土體含水率的分布，在地形起伏較大的地區(qū)尤為明顯。在對根河地區(qū)舊路狀況調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)：舊路靠近山坡一側(cè)，排水不暢，路面開裂嚴(yán)重，縱向裂縫分布多。如圖3所示。

由圖3可知，路基的填筑壓實，阻擋了地下水滲流路徑，在排水不暢區(qū)域，造成地下水淤積，使路基靠山段一側(cè)地基土體含水率升高，季節(jié)性凍融形成不均勻沉降，造成路基一側(cè)產(chǎn)生縱向裂縫。

3 凍土區(qū)路基處理分析

根河地區(qū)的多年凍土主要分布在沼澤濕地、地表水強烈侵蝕的地帶、河谷地帶和山前斜坡地下水異常發(fā)育且水位較淺的地帶。在凍土地區(qū)修筑路基，路基的沉降主要由三部分組成：（1）路基本身工后沉降;（2）季節(jié)性反復(fù)凍融產(chǎn)生的沉降;（3）多年凍土退化產(chǎn)生的沉降。對于路基工后沉降，采取控制壓實度、優(yōu)化施工工藝（如使用重型震動壓路機）和施工組織（路基填筑完畢后1～2自然年再鋪設(shè)路面）等措施來控制。對于季節(jié)性反復(fù)凍融，根據(jù)根河地區(qū)氣候水文特點，可采取隔水和排水措施來減少凍融產(chǎn)生的沉降。對于多年凍土退化產(chǎn)生的沉降，根據(jù)多年凍土上下限的埋深采取不同的處理措施，具體措施如下：

（1）對于凍土埋深<4 m路段（當(dāng)?shù)丶竟?jié)性最大凍土埋深為3.5 m），挖除凍土后采取沖擊碾壓的方式回填片石和砂礫進行處置，并在基底鋪筑土工格柵進行反包來消除不均勻沉降。具體措施如圖4所示。

（2）對于地面干燥無積水、多年凍土上限較淺、下限埋深>4 m的陰坡路段，采取保護多年凍土的措施，清除樹根，割除地面以上雜草后將50 cm砂礫沖擊碾壓至地面線以下，在地面填筑100 cm的砂礫，并在兩側(cè)修筑寬度為4 m的保溫護道。保溫護道采用93%的壓實度進行壓實，減少水分的滲入。具體措施如圖5所示。

（3）對于地面有積水、多年凍土上限較淺、下限埋深>4 m的沼澤、河谷路段，采取保護多年凍土的措施，清除樹根，割除地面以上雜草后將50 cm砂礫沖擊碾壓至地面線以下，鋪設(shè)兩布一膜用以減少不均勻沉降和地下水向下滲透，再鋪筑50 cm的砂礫，在砂礫上部鋪砌100 cm的片石，用于路基通風(fēng)，上鋪加設(shè)反濾土工布，并鋪設(shè)30 cm砂礫墊層后再鋪筑路基。具體措施如圖6所示。

以上措施的主要思路是加強排水，以降低路基內(nèi)的含水率來減少季節(jié)性凍融和冬季凍脹對路基產(chǎn)生的影響。砂礫和片石具有較好的消除融脹的效果，宜在清晨填筑，以減小熱量對多年凍土的影響。

4 結(jié)語

（1）根河地區(qū)氣候可分為冰凍期、反復(fù)凍融期和融化期，巖土體的破壞主要發(fā)生在反復(fù)凍融期和融化期。因此，路基修筑后不僅要考慮多年凍土退化的影響，也要重點考慮季節(jié)性凍融的影響。

（2）凍土的形成與巖性關(guān)系不大，但是融沉性與含冰率有關(guān)，含冰率越高，融沉等級越高。

（3）氣溫和巖土體內(nèi)的含水率是凍土形成的關(guān)鍵影響因素，而加強排水，降低路基內(nèi)的含水率，是處理凍土地基的重要手段。

參考文獻：

[1]GB 50321-2014，凍土工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[2]徐學(xué)祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[3]郭東信.普通凍土學(xué)[M].劉鐵良，譯.北京：科學(xué)出版社，1998.

[4]王 芳.博牙高速公路島狀多年凍土地區(qū)路基沉降處治技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

作者簡介：何 濤（1986—），工程師，研究方向：巖土工程及路基工程;

閆向陽（1988—），工程師，研究方向：路線及路基工程;

劉玉鳳（1987—），助理研究員，研究方向：邊坡工程。