乔保平

一、任务与工作概况

大兴安岭是“高寒禁区”，无霜期只有80余天，存在大面积岛状、连续多年冻土。在公路建设及运营过程中，由于冻害造成的公路路面冻胀、下沉变形问题非常严重，直接影响行车安全及林区旅游、矿产开发等经济发展。为查明造成冻害的地质、气候等原因，初步解决本地区因季节冻土冻胀、多年冻土融化下沉造成的路基变形问题，于2015年2月开始在漠大线二级公路K103km处选取130米试验段做科学研究，2016年5月15日结束外业勘察、勘测、测温及监测等工作。

本次科学试验采用设备及完成工作

本试验于2015年2月27日开始引点布点；2015年3月1日开始野外勘察及测试，2016年5月15日结束。冻土路基试验段选在漠大线二级公路K103km处，长130米，该段路面每年沉降变化较大，代表性极强。具体试验工作如下：

1、首先布置地质勘察，查明路基下地层岩性，冻土结构，冻土类型，共布置5个断面10个勘探孔；地温观测孔4个深度16米，距离路基5米外，孔内分别布设一根热敏地温观测线，每根观测线安装30个热敏感应温度测试探头，共120个；

2、路基地面观测及地温观测

为了更精确测定路面的沉降冻胀量，采用高精度定位仪RTK一台，电子DL-2007水准仪一台，条码标尺水准尺两个；在试验路段路中心线上，布设27个沉降观测点，平均15天观测次，连续观测一个周期年，水准点引用800米外铁路桥面处国家点高程。地温观测时间为一年，每15天观测一次，与沉降观测同步。

3、查阅收集该段路基结构设计图纸一套，原设计原则是保持冻结设计原则，不破坏原地表植被结构，路基为500mm厚砂砾石垫层，6%水泥混凝土水稳层300mm厚，路面层为30%水泥混凝土200mm厚。

二、野外测试结果与室内分析

1、地质勘察：2015年3月20日开始地质勘察，经踏勘，本地区地貌单元为山间平地，地层岩性以冲洪积地层为主；经钻探及室内土样分析，本路段地基土地层岩性为：0～8米为粉粘土，黄褐色，冻结，可见大量薄冰及网状夹冰，冰厚2～5mm不等，融化后软可塑，干强度中，有韧性； 8～15米花岗岩全风化层，黄褐色，肉红色，中密，冻结，可见少量细小（0.5mm以下）的冰晶体，融化后很湿，呈粗细砂状；15米以下为花岗岩强风化，呈砾砂状，冻结，整体冻土，无冰晶及夹冰。

2、本路段地基土冻土类型：根据勘察及试验结果分析，该地段的3.0米以上为季节冻土，粘性土平均含水量在35%以上，塑性含水量在23%左右，根据季节冻土冻胀性分类，该试验段季节冻土冻胀类别属于强冻胀；3.0米以下冻土属于连续、衔接型多年冻土；总含水量大于35%，局部含冰层总含水量达到40%，根据总含水量划分多年冻土融沉性分类，属于富冰型冻土，类别为融沉；饱冰型冻土，类别为强融沉；根据地温-0.5～-1.2℃，该路段地基土属于不稳定冻土带和基本稳定带。

3、经长期观测地温，勘查区为衔接多年冻土，季节最大融化深度为3～4米；一段面出现特殊现象，融化至6.0米；每年的5月5日开始自上而下开始融化，10月下旬开始自上而下、自下而上同时冻结，至11月10日左右融化冻土全部又冻结完毕。

4、根据路基试验段27点地面高程一年的监测结果，融化下沉的最低点在10月21～30日，而冻胀最高点在4月20～28日之间，平均高差为10cm。

三、分析冻害产生原因

根据一年的观测资料，结合地质地貌、气候变化分析该试验段造成路基沉降、冻胀的主要原因有以下几点。

1、根据地温观测及分析，该试验段路面吸热导致路基最大融化深度达3.0～4.0米，综合分析，形成冻害的主要原因为季节冻土的强冻胀及季节冻土完全融化和1米左右厚多年冻土融化造成的路基土综合下沉；第一段面处地温融化深度达到6米，主要原因是地温管周侧回填时没有封闭好，由地表水直接流入孔内造成的，该断面路面沉降与其它路段一致，属于异常案例。

2、公路建设后，由于路基的填高，堵塞公路上游地表水自由排泄通道，使地表水不能正常排泄到公路下游低洼地带，在公路上游大量积水形成人工湖泊，并使路基土长期浸泡水中，造成融化的路基土及地基土含水量增大达饱和状态。冬季随着气温的下降，季节冻深的逐渐加大，地基土内结合水冻结呈冰，路基土及地基土体积膨胀并逐渐开始向上产生不均匀冻胀。

3、根据沉降监测，平均融沉量10cm；建设路基结构层厚度1.0米。自5月8日开始，随着气温的回暖，路基自上而下开始逐渐融化，直至10月26日左右融化至最深4米，在重型货车通过时，上部压力不断导入路基，使路基中水分因受压被挤出，路基土不同程度的被压密，产生不均匀沉降。

4、公路路基最底层，回填土应回填碎石土，该路段没有碎石土垫层，造成路基土与自然地面接触带骨架胶结强度不够大，也是引起变形原因之一。

四、病害处理方案

1、路基结构层设计厚度不足：根据地温测试分析，最大融化深度4米，已建公路路基结构层总厚度1.0米，不能确保路基下冻土始终保持冻结；建议路基结构层設计厚度不小于4.0米，路基底部两侧应增设宽1.5米以上，高3米的三角形辅助路基。

2、因修建公路后，路基形成天然大坝，阻隔地表水及浅层孔隙潜水向下游排泄，由于长期积水使路基及地基土含水率增大，冬季产生强烈冻胀；设计时宜在公路低洼地段增设排水管涵，及时排出上游大气降水，保持路基最优含水率。

3、在多年冻土地区，路基底部垫层应设计厚度50～100cm、直径不小于20cm的碎石土做路基基底垫层，以增强路基的骨架强度，同时增大底部垫层与自然地面接触的孔隙，减小地表水向上部路基土的迁移，也便于地表水向低洼地段排泄。