探析迪庆高原冬季季节性冻土路基施工

探析迪庆高原冬季季节性冻土路基施工

沈鹏1周树晶2

1.云南交通职业技术学院650500；2.云南省公路局迪庆公路管理总段674400

摘要：公路是线型建筑物，路基是线型建筑物的主体，它贯穿公路的全线，与桥梁、隧道相连。因此，路基是公路的重要组成部分，其质量的好坏，关系到整个公路的质量。路基又是路面的基础，它与路面共同承受行车荷载的作用。实践证明没有坚固、稳定的路基，就没有稳固的路面。路基的强度和稳定性是保证路面强度和稳定性的先决条件。季节性冻土在冻结时可使地面隆起，融化时可使表土翻浆泥泞。为了保证工期，在云南最高海拔的迪庆必须在有季节性冻土的冬季继续施工。为保证质量，对季节性冻土进行有效的处理，成为工程上一个十分重要的课题。使路基具有足够的水温稳定性，在季节性冰冻比较严重的地区迪庆，如何科学的采取措施及优化施工工艺，值得所有技术人员研究。解决季节性冻土对路基的危害。本文对国道214线香德二级公路冬季路基施工的有关方面进行了探析，以期对季节性冻土的施工提供一点参考。

关键词：迪庆高原；冬季季节性冻土；路基施工

引言：

国道214线香德二级公路起点为海拔3300米的香格里拉县，止点为海拔3500米的德钦县。穿越海拔4380米的白茫雪山垭口。线路总体走向为由北向南，路线全长154.328KM。迪庆地处滇、藏、川三省（区）交界处，在东经90°35’——100°19’、北纬26°52’——29°16’之间，金沙江、澜沧江中上游，北接西藏昌都地区，东邻四川甘孜藏族自治州，南与丽江地区毗邻，西与怒江州相连。迪庆属青藏高原南延部分，横断山脉西南腹地。全州平均海拔3380米，是云南省海拔最高的地区。地形呈纵深切割之势，高低悬殊大，最高6740米。全年无夏季，年平均气温5.5℃，最低气温可达-27°，最高气温26°。4月—10月为无霜期，但在白茫雪山上9月就会雪花飘飘，冰天雪地。所以，为了工期，必须在冬季也要进行路基及混凝土的施工。

一、冻土的成因及危害

冻土是指温度等于或低于0℃且含有冰的各类土，发生在高纬度或高山等严寒地区。冻结状态持续多年的不融土，称为多年冻土。受季节影响，冬冻、夏融呈周期性冻结和融化的土，称之为季节性冻土。多年冻土可以深达几十米。接近地表部分，受季节性影响夏季融化和冬季冻结的表土层，又称为融冻层。在融冻层以下，不受季节影响而常年冻结的土层，称为多年冻土层。多年冻土面至地面的埋藏深度，称为多年冻土层的上限。凡是多年冻土层上限与融冻层下限之间相连的，称为不衔接的多年冻土层；相衔接的，则称为衔接的多年冻土层。

对于迪庆来说主要存在季节性冻土，极少存在多年冻土。故季节性冻土对路基的危害比多年冻土危害更大。因为多年冻土层十分坚固，可以成为一般建筑物的良好基础。而季节性冻土不能作为结构物的基础。

（一）季节性冻土的物理力学性质

在冻土层地区，由于水温条件不同，若地表水向土层下部渗透被阻断，且地面又缺少溪沟或深谷，地表水排泄不畅时，冻土层通常处于保水状态。当冻土层将表面封冻以后，冻土内部与大气隔绝，可能有一部分孔隙并未被冰（或水）全部充满，在冻土层下限以下的水仍然处于不冻状态，并承受着冻土层的压力。这个留在冻土层下面的土中水，基本与外界隔绝，对上层土不产生什么影响。在冻结过程中，被封闭在融冻层下面的水，在压力作用下，可向低压角落汇集成鼓包，并在鼓包上突破出裂口，冰和水同时自裂口涌出而形成冰锥。严重的冰锥有可能破坏地面建筑物或造成交通障碍。

对于季节性冻土，土的物理力学性质完全受水的液态和固态变化的控制。由于0℃的冰比0℃的水体积可以膨胀1/11，融冻层冻结时。地面都要向上隆起，融化时也都要向下沉陷。因此，融冻层不能作为建筑物的天然地基。另一方面，由于土中水的冰点温度不同，当气温降到0℃以下时，首先结冰的是重力水，其次是毛细水，最后才是结合水。当大气温度低于0℃时，土中向上运动的水和水汽骤冷结冰，体积大大缩小，使土中空隙变成真空，负压力吸引下层的水分子向上运动，遇冷又冻结成冰，使水分子不断涌向表土层低温区冻结。其次，表土层冻膨压迫土中毛细管变细、结合水水膜变薄，更有利于吸引深层的土中水向上聚集和冻结，使表土层中的含冰量加大。这种现象称为聚冰作用。受聚冰作用的影响，冻土中的含冰率成倍增加，表土层发生严重冻胀现象。假若细粒土中水分小于土粒结合水所需含水量，土空隙很难有冰体固结，土层处于干冻状态，土的物理力学性质变化不大。粗粒土冻结时不会有聚冰作用，体积膨胀很小。从实际资料得知，粒径大于0.07mm的细砂土，即便有充分的地下水源，冰冻时也不致发生显著的冻胀现象。在季节性冻土的内部，水结冰时体积发生膨胀，土固体颗粒体积收缩，受聚冰作用影响，土体膨胀量增多。这些因素都会使土的空隙率发生变化，即土在冻结前的孔隙率一定小于冻结后的孔隙率，致使冻土初融时处于泥泞流动状态，水分蒸发干燥后处于疏松状态。

（二）季节性冻土公路路基的主要病害成因及影响因素

1、冻胀

（1）成因

冻胀就是在冬季地基土及填土中的水冰结时发生的体积膨胀。路基开始冻结时，由于负温的作用，水分开始由下层向冻结锋面聚集，形成冰晶体、夹冰层，通常路面特别是黑色路面其导温性较两侧路肩强得多，因此路面下基层冻结速度大，冻结深度也大，冻结线在路面下呈凹曲线。路基下部和路肩土体中水分将向路基中部集聚，是路面下部成为较厚的据冰层，从而产生冻胀，造成路面不平或产生裂缝。是由于土温降到冰点以下，土体原孔隙中部分水结冰体积膨胀，更主要的是在土壤水势梯度作用下未冻区的水分向冻结前缘迁移、聚集并冻结，体积膨胀所致。

（2）影响因素：

①土质。土质对冻融的影响可表现在两个方面：一为土的颗粒组成；二为土中所含矿物成分。对于粗颗粒砂土，由于水的自重作用及粗颗粒土易于排水，土体在冻结过程中，除原位水冻结产生一定的膨胀力外，基本无外来水分补给，因此冻胀量不大。唯颗粒在0.05—0.002的土具有较大的冻胀性。

②土体密度（压实度）。一般情况下，三相体系土体密度增加，只是缩小了土体的孔隙，并不改变土体的水分含量，但却改变着土体的饱和程度。他们之间的关系式如下：

W=Sr（Yw-Yd）/GS

式中：W—土体含水量，%；

Sr—饱和度，%；

Yw—水的容重，g/m3；

Yd—土的干容重，g/m3；

GS—土颗粒的重度；

土体密度同样影响着土体的冻结速度。当土体密度一定时，其冻结速度随着土体饱和度的减少而增加，因而随着土体饱和度的增大，冻结深度的发展曲线逐渐变缓，这是因为，土中的水分增加时，冻结过程水的相变潜热也增大，降低了土体的冻结速率。同样，在饱和的一样的情况下，土体密度增大，冻结速率加快。这是由于密度增大使单位体积内骨架颗粒数量增加，孔隙减少，导热系数增大所致。

③荷载。当增加土体外部附加荷载时就会对土体冻胀产生显著的抑制作用。土体外部压力增加，增大土体颗粒间接触应力，降低了土体的冻结点，影响着土中水分相态转化。在外荷载作用的同时会减少未冻土中水分向冻结锋面的迁移量，这就是说会影响水分迁移的抽吸力。这种抽吸力是土粒中冰与水之间的界面力。饱和土中冰生长的理论公式为：

△P1+△Pw=2σw/ri

式中：△P1—冰上的压力，N/m2；

△Pw—水中的抽吸力，N/m2；

σw—冰水间的界面能量，μm；

ri—有效孔隙半径，J/m2。

④含水量。土中水分的存在是构成土冻结过程中产生冻胀的重要因素之一。水分多少及其补给是造成相同条件下具有不同冻胀量的基础。冻结过程中，由于水分向着冻结锋面迁移的结果，使冻土中水分出现垂直分布。一般冻结后土体上部含水量增加而下部含水量减少。

⑤温度。土体冻结过程，实际上是土中温度变化的过程。土体的冻结温度取决于土体颗粒的分散度、含水量、矿物成分和水溶液的浓度。同一土质条件下，土体的冻结温度随着含水量的增大而增高。此外，在任何负温下土体总保持一定的未冻含水量，这些特性直接影响着冻胀特性。

在封闭系统中，土体水分随负温增大不断冻结，未冻水含量减少，含水量增大，土体积增大，因而土体的冻胀率随着土体的温度降低而增大。对于不同土质的土体，冻胀率不同，但随温度变化的规律相似。

⑥盐分。土中含盐量大，冰点可以降低，因此土中含有较多盐分时，土的冻结温度降低。在同样含水量、土质、温度等条件下，冻胀量较小。

２、融沉

（1）成因

春季路基开始融化，这时路面下土比路肩土融化快，使路基形成凹型残留冻土核。冻土核为一不透水层，使其上部已经融化的土中的水分不能排除，从而造成翻浆。融沉多发生在含冰量大的粘质土地段。融冻层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基变形。融沉主要表现在路堤之路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡滑坍等。

（2）影响因素

①土质。通过实验（朱元林、张家蕊，土的冻胀性实验研究）证明：颗粒成分是影响融沉系数的重要因素。

②含水量。各种现场及实验室试验（朱元林、张家蕊，土的冻胀试验研究；徐学祖，冻土物理学等）证明：冻土融沉系数与含水量间的关系非常密切。在允许自由排水条件下，融沉系数A0随含水量W的增加而急剧增加。各种土质的变化规律均相似，大部分情况下，当含水量W小于等于某种临界状态含水量WC时，A0—W曲线可用直线描述，即：

A01=a1W-b1

式中：a1、b1—与土质有关的实验常数。

③荷载。在土体的融化过程中，不但发生土体融化引起的土体的体积减小，而且在自重作用下，引起土体中水分缓慢排出产生固结沉降。而外部荷载的作用使得土体进一步压密及固结作用，引起土体在融化时沉降量的增加。

④土体密度（压实度）。融沉系数随冻土密度的增大而减小，热融下沉的实质是冻土融化过程中土空隙发生变化。热融沉下沉量随冻土孔隙减少而减少。所以土中孔隙比越大，融化下沉系数就越大。

3、冰害

冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水，或开挖路堑后地下水自边坡流出，在寒冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基或边坡挂冰，路堑内积冰等病害。

冰害在严寒的迪庆高原地区尤为严重，对路基工程来说，路堑地段较路堤地段冰害要多，尤其发生在浅层地下水发育的低填浅挖及零填深挖地段的冰害，危害更大。

二、季节性冻土路基施工的处理措施

1、采取隔水措施：在季节性冻土上填筑路堤，在季节性融化时，表土层都会溢出过饱和的水，影响路堤填土的稳定。水分经毛细作用上升到路面土基，可降低路面结构层力学强度，在行车荷载作用下造成翻浆破坏。为此在冻土层上应先填筑大于0.8m厚的粗粒土作路堤底层，以隔断地表水、地下水和毛细水。如果全部采用粗粒土填筑路堤，还应在路堤顶面（土基和路肩）及两侧边坡夯填一层粘土，防止雨水渗入而在路堤底部形成持水层，以致冬季发生冰冻现象。

2、搞好路基排水，做好路基防护。排除地表水，阻止地下水上升。填土区若有地下水，应在四周设置排水沟和集水井，将水位降低。已填好土若遇水浸，应把稀泥铲除后，方能进行下道工序。填土区应保持一定横坡以利排水，并尽可能做到当天填土，当天压实。在路基范围内的地表积水进行疏干排水。施工的临时性排水与永久性排水相结合，使排水系统始终保持畅通；对于路基坡脚无法与排水沟连通时，施工时用路基填料将集水坑回填，把路基积水挤至路基坡脚5米以外。此外，为了排除地下水，施工中还采取加深边沟、设置渗沟等方法将水排至路基外。

（1）压实。压实检查应采用重型击实标准。成型后路床强度应符合设计要求，用不小于20T的压路机或等效碾压机械进行碾压2—3遍，无轮迹和软弹现象。

（2）防护措施。挖方路基地下水发育地段，路基边沟均应有防渗措施。路堑坡顶避免设置截水沟或排水沟，宜修挡水墙并与坡顶距离不小于6米。若必须修排水沟或截水沟时，应与挡水墙的距离不小于4米。

（3）填料选择。普通路段路基基底填料选用保温隔水性能较好的细粒土，上部（厚度不大于60cm）需用粗粒土。对于换填路段的换填料应选用砂性土和砾石土渗水土或当地非膨胀土。对于路旁有积水的路段，路基底部应选用石方进行填筑。采用粘性土或透水性不良的土壤填筑路堤时，要控制图的湿度，碾压时含水量不超过最佳含水量+2%，不得用冻土块或草皮层及沼泽地含草根的湿土填筑路基。通过热融湖（塘）路堤，水下部分必须用渗水性良好的集料填筑，并高出水面0.5米以上。

（4）基底处理。填方基底为含冰过多的细粒土时，应挖除并用渗水性材料填筑压实，再填路基。当基底为排水困难的低洼沼泽地段时，其底部应设置毛细水隔离层。其厚度应在路基沉落后高出水面0.5米，并在其上铺设反滤层。

从以上可以看出，高原地区季节性冻土路基施工主要与路基的土质、土体密度、荷载、土的含水量、温度及盐分有关。颗粒成分是影响冻胀和融沉系数主要因素。其中最重要的是粉粘粒含量，粉粘粒对土体膨胀和融沉特性有很重要的影响。

参考文献：

[1]吴树培《地质与土质》人民交通出版社，1985；

[2]吴紫旺等《冻土路基工程》兰州大学出版社，2001；

[3]吴滋旺等《土的冻胀性研究》中科院兰州冻土研究所集刊，1988；

[4]何兆益、杨锡武《路基路面工程》人民交通出版社，2006

[5]金效仪《路基路面工程》人民交通出版社，1987。