季節(jié)性凍土地區(qū)公路路基設計要點

王維濤

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

季節(jié)性凍土區(qū)是指冬季氣溫降低使土體凍結，而在春天土體融化的地區(qū)，具有季節(jié)性循環(huán)的特點。在這一地區(qū)進行公路路基設計需要引起特別注意和重視，否則一旦路基土發(fā)生凍脹，將造成較大的損失，甚至引起安全事故。

1 路基凍脹成因與工程措施

對于季節(jié)性凍土區(qū)，因路基填料和含水量等條件存在差異，可能產生一定程度的不均勻凍脹現象，致使地面開裂。當氣溫回升時，凍土開始融化，整體將處在飽和狀態(tài)，相鄰土粒之間的摩阻力減小甚至消失，此時受荷載作用極易導致沉降與翻漿。不論凍結或融化，都會給路基的使用造成影響，埋下安全隱患。

1.1 填料分析

若按照凍脹性可將路基填料分成以下五個等級：I 級，為不凍脹；II 級，為弱凍脹；III 級，為凍脹；IV 級，為強凍脹；V 級，為特強凍脹。由于塊石的細顆粒含量相對較少，所以在發(fā)生凍結時能使水快速排出，能起到防止體積膨脹的作用?；诖?，在凍結深度內將巖石作為填料能起到減小或徹底消除凍脹性的作用。如果填料中細粒土的實際含量超過15%，則必定發(fā)生凍脹。因此在凍結區(qū)內必須對填料中細粒土實際含量予以嚴格控制；若路塹段內的凍結區(qū)含有凍脹土，則需將其挖除，并采用非凍脹土進行換填[1]。

1.2 水的影響

這方面主要體現在發(fā)生凍結前土體實際含水量和凍結過程中水分補給。當土體實際含水量達到界限值時，土體開始凍脹，并伴隨含水量不斷增加，凍脹率變大。土體凍脹性和地下水之間的關系取決于毛細水高度，如果地下水位比臨界深度低，則可忽略地下水對土體凍脹性帶來的影響，只考慮土體自身含水量即可；而如果地下水位比臨界深度高，則在毛細水的持續(xù)作用下，地下水將伴隨土體不斷凍結而為土體提供水分，使凍脹性顯著增強。

1.3 凍結深度

對于有害凍結深度，通常為最大凍結深度60%～95%，根據當地實際情況與相關經驗，可將最大凍結深度的70%作為有害凍結深度[2]。

1.4 凍土處理

最常用的凍土處理方法為物理化學法，即利用鹽分與交換陽離子的方法來改良地基土，使土粒子和水之間發(fā)生相互作用，促使土體所含水分的遷移強度與冰點發(fā)生變化，以減弱凍脹性。該方法還可具體分為以下幾種：憎水物質改良法；分散改良土法；土粒聚集與人工鹽漬化法等。其中，憎水物質改良是指在土體內摻入一些憎水物質，促使土體顆粒具備一定憎水性，使?jié)B透通道變化，降低含水量，常用的憎水物質包括重油、液態(tài)石油瀝青和表面活性劑等。

2 防凍脹設計要點

2.1 基床設計

對于路堤填料，應達到以下要求：如果路基的高度已經超過有害凍結深度，則基床的表面到有害凍結深度這一區(qū)域，應使用非凍脹土進行填筑；而當路基填筑高度比有效凍結深度小時，需開挖到有害凍結深度處，然后采用非凍脹土進行換填。對路塹進行換填和處理時，應達到以下要求：如果有害凍結深度以內的地基土屬于I 級凍脹或II 級凍脹，則可不做換填處理；而若地基土屬于凍脹土，則從基床的表面開始直到有害凍結深度處的所有土體都應挖除，并使用非凍脹土進行換填處理[3]。

2.2 地下水處理

當路塹從地下水相對發(fā)育的段落中通過時，必須重視地下水可能給路基造成的影響，采取下列措施進行處理：

（1）采用防滲隔斷層，即在換填層的層底設置一層0.1m厚的防滲隔斷層，具體可采用中粗砂+兩布一膜，以此隔水防滲，并防止地下毛細水。

（2）降低水位。針對處在凍結深度中的地下水，若此部位地基土屬于凍脹土，則可通過滲水盲溝的設置來處理。將盲溝設于側溝平臺以下，并在溝內填筑清洗干凈的碎石，同時在溝的四周包裹土工布，將其作為反濾層，滲水管底部高程不得對于側溝底部的設計高程到最大凍結深度-0.25m 之間，并將滲溝出水口設置在地勢相對開闊的部位，最后根據實際情況采取合理有效的保溫措施[4]。

（3）路塹邊坡排水。當路基邊坡存在地下水，同時地下水所在區(qū)域中的地基土屬于凍脹土時，應根據現場地質情況設置支撐滲溝，在穩(wěn)定狀況良好的土層中進行設置，并在基底處做好防滲，使?jié)B溝高程處在地下水位實際高程+最大水位變化范圍內。

2.3 地表水處理

進入到路基中的地表水在發(fā)生凍脹與融沉后，會引起病害發(fā)生，對此應采取有效措施防止地表水下滲，具體措施包括：

（1）在基床上進行隔水防滲層的設置。為避免地表水對路基本體造成侵蝕，可以在基床的表面鋪設一層厚度為0.1m 的隔水防滲層，即中粗砂+復合土工膜，以此防止地表水進入到基床范圍內。

（2）對路基排水出路予以合理銜接，比如采用排水溝把路基兩側存在的地表水引排至涵洞，或直接引入到溝渠當中。

（3）加強路肩和邊坡的防護設計，尤其是要對邊坡坡腳開展嚴格的防沖刷設計，增強坡腳處的防沖刷能力。

2.4 邊坡支護系統(tǒng)防凍脹

通過調查可知，路基邊坡支護系統(tǒng)長時間受到凍融的作用和影響，出現了較為嚴重的開裂破壞。對此，為盡可能減少維修成本，對于在嚴寒地區(qū)修建的支護結構，需采用等級為C25 以上的片石混凝土；對于路塹防護，注意不可在全斷面設置護墻，以孔窗式護墻為宜；擋墻最好應設置在巖層上，禁止設于凍脹土地基，若無法達到，需將該部分的地基土挖除，并使用非凍脹土進行換填。

2.5 既有路基防凍脹

（1）當地下水位處于凍結深度之內時，需在路基兩側設置滲水盲溝，用于將地下水阻擋在路基范圍之外。

（2）避免地表水進入到路基凍脹區(qū)之內，通過路肩與邊坡的修整，并采用漿砌片石對路肩予以有效防護，在條件允許的情況下還可采用植草等方式來防護；對既有路基必須做好排水，采用排水溝使地表水進入到排水涵洞當中，也可引入到對應的溝渠當中。

（3）當路塹側溝排水無法通暢時，需要在基床表面兩側重新開挖梯形截面的側溝，其底部寬度按照0.4m 控制，深度按照0.6m 控制，由強度為M7.5 的水泥砂漿進行砌筑。對需要改動邊坡的段落，應在側溝外部采用重力式擋墻予以收坡；若對既有邊坡進行的改動很大，則需按照新建段落相關標準加強邊坡防護。

（4）對于基床產生翻漿和唧泥現象的段落，先對表層土體進行開挖，挖深按不小于0.6m 控制，然后換填新土，必要時還應在基床表面采用擠密樁進行進一步加固，擠密樁之間的距離一般按照0.53m 控制，且路肩寬度內的樁數不能少于5 根。

3 結語

綜上所述，路基發(fā)生凍脹會使路面產生嚴重破壞，直接影響公路的使用。因此，在季節(jié)性凍土區(qū)進行公路路基設計時，必須加強防凍脹處理，堅持從填料的優(yōu)選、防排水及防護等不同方面入手，根據當地自然環(huán)境與氣候，深入探究并探索防凍害技術，選擇適宜的技術措施，保證路基始終處于穩(wěn)定及安全狀態(tài)，并為其他季節(jié)性凍土區(qū)的路基設計提供參考依據。