G217 线独山子至乔尔玛段公路建设工程冻土处理方法研究

G217 线独山子至乔尔玛段公路建设工程冻土处理方法研究

王 涛 任新平 虎晓奕

新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 新疆乌鲁木齐 830006

摘要：G217 线独山子至乔尔玛段第二合同段冻土病害较为严重，主要表现在路基变形沉降，路面破损等方面，给本项目的运营带来极大的安全隐患。查明冻土病害的成因，提出合理的处置方案建议十分重要。通过对该路段的冻土病害专项勘察，本次提出了采用片块石进行换填处理、控制路基填料细颗粒含量、适当增加路基高度的处置建议。

关键词：多年冻土 冻胀 片块石换填 路基高度

1 概况

项目区位于南天山中段山岭重丘区，横穿依连哈比尔尕山南北坡，地形起伏较大，呈南高北低之势。K643+000～哈希勒根达坂（K660）段主要地貌类型为：山谷地貌，路线主要分布于山前坡积体、山体以及泥石流堆积体之上。

2项目气象条件

项目区属天山中部北麓山区气候亚区，因面临准噶尔盆地气候较干燥，夏季短暂冬季漫长，山区地形高程对降水量有较大影响，海拔高程为2478～3539m，降水量 177.6～397.7mm。根据区域气象资料，垂直梯度上每升高 100m ，年降水量增加 16.3mm，山区降水主要集中在每年4～7 月。本项目位于高海拔区，夏季多雨，六月和七月为雨季，每月有三分之二的阴雨天，冬季多雪，海拔3000m 以上含水量丰富的碎石土、细粒土层，冻胀现象较为普遍。

3项目区沿线冻土分布特征

多年冻土特征：根据本次勘察钻孔揭示的地层显示，多年冻土主要分布于K654～K661段，海拔高度在3115～3440米之间的范围之内。

其中： K654+000～K655+400段，路线布设于冰碛堆积体与坡积物堆积体之上，海拔高度在3200～3115 米之间，地基土固结度较低，现有路基变形沉降、路面破损现象表现较为集中。地基土以角砾、碎石为主，季节性冻土冻胀等级为Ⅰ，冻胀类别为不冻胀；多年冻土范围冻土类别为：含土冰层与富冰冻土。富冰冻土范围内融沉等级为Ⅱ级，融沉类型为弱融沉，含土冰层范围内其融沉类别为融陷，融沉等级为Ⅴ，路基多年冻土类型为不稳定型（Ⅲ）。根据收集资料，路基填筑碎石层中细粒含量较大，呈中密、潮湿状态，土体含水量高，为弱冻胀土或中等冻胀土。在季节性冻土冻胀与多年冻土融沉、融陷双重作用下，造成路基变形、路面破损。

K655+400～K658+900段，路线布设于坡积物堆积体之上，海拔高度在3360～3200米之间，地基土固结度一般，现有路基变形沉降、路面破损现象表现不明显。由于本段路线布设于山体朝阳一侧，太阳照射时间长、强度大，加之地面横坡较大，坡积物以碎块石为主，细颗粒含量少，分选性好，积雪容易融化，且排水通道畅通，不易在破体内聚集，从而使得多年冻土在本段落不发育。 季节性冻土冻胀等级为Ⅰ级，冻胀类别为不冻胀。现有路基的轻微变形沉降与地基土局部压实度不足或局部冻胀有较大的关系。

K658+900～K661+000段，路线布设于泥石流堆积体的前缘。海拔高度在3440～3360米之间，地基土固结度较低，现有路基变形沉降、路面破损以及结构物破坏现象表现的较为明显。本段多年冻土呈大片连续分布，属连续多年冻土。多年冻土上限随地基土粒径的增大而降低，角砾、碎石土的冻土上限在2.6～5.0米，而块石土的冻土上限达到8.0米。地基土以角砾、碎石为主，局部揭示到连续的冰层。季节性冻土冻胀等级为Ⅰ，冻胀类别为不冻胀；多年冻土范围冻土类别为富冰冻土与含土冰层、冰层。富冰冻土范围内融沉等级为Ⅱ级，融沉类型为弱融沉， 含土冰层与冰层范围内其融沉类别为融陷，融沉等级为Ⅴ级，路基多年冻土类型为不稳定型（Ⅲ）。

4冻土形成的机制分析

1、土质：本项目细粒土具有较强的冻胀性，易形成翻浆，这种土毛细水上升较高且快，在负温作用下水份易于迁移，如水源供给充足可形成特别严重的冻胀，在春融季节，承载力急剧下降易形成翻浆，且根据现场调查，细粒土中含较多的易溶盐，更易于形成冻胀和翻浆。粗粒土在一般情况下不易引起冻胀和翻浆，因其毛细水上升高度小、聚冻少，且在饱水情况下也能保持一定的强度。

2、水：冻胀与翻浆的过程，实际就是水在路基中迁移、相变的过程。路基附近地表水及浅层地下水，提供了充足的水源，是形成冻胀和翻浆的重要条件。

3、温度：在同样的冻结或冻冻指数的条件下，冻结速度和负温作用的特点对冻胀和翻浆的形成有很大的影响。例如，在初冬时气温较高或冷暖交替变化，温度在1℃～3℃～5℃之间停留时间较长，冻结线长时间停留在土基上部，就会使大量的水份聚流至距地表很近的地方，形成严重的冻胀和翻浆。反之，冬季一开始就很冷，冻结线下降很快，水份来不及向上迁移，路基上部聚冰少，冻胀和翻浆就较轻或不出现。另外，春融期间的气温变化及化冻速度对翻浆也有影响。如春季开始化冻时，天气聚暖，路基急剧融化，会加重翻浆。另外，春融期间冷暖交替并伴有雨、雪，也会使翻浆加重。

4、路面：冻胀与翻浆都是通过路面变形破坏而表现出来的，冻胀与翻浆和路面是密切相关的。路面类型对翻浆有影响，在比较潮湿的路基上铺筑沥青路面衙，由于沥青路面透气性较差，路基中的水份不能通畅地从表面蒸发，可能导致聚冻增加，冻胀量增大，导致翻浆，路面厚度对冻胀与翻浆也有影响，路面厚度大时可减轻冻胀，可减轻或避免翻浆。

5处置方案及建议

处置方案建议：①K654+000～K655+400段属于岛状多年冻土区域，对于路基融沉表现较明显的段落，对地基 换填片块石处理，或适当增加路基高度，以保证路面以下3-5米范围内为通风保温层；对于轻微变形段落，建议不予处理； ②、K655+400～K658+900段，冻融现象不明显，路基路面整体稳定、完整，建议不予处理； ③、K658+900～K661+000段属连续性多年冻土区，冻土上限比较高，路基路面变形破损较严重，并对地基换填片块石处理，或适当增加路基高度，以保证路面以下3-5米范围内为通风保温层；对于轻微变形段落，建议不予处理； ④、路基填料建议采用片块石，控制路基填料细颗粒含量，以减轻冻胀影响。

5结语

本文提出了高海拔区多年冻土病害形成机理和处置方法，研究表明：提出的方案能够有效降低路基和道路表面每年发生的损坏现象，对其他冻土公路的建设和加固具有一定指导意义。未来将持续观察，可以建立一个区域性的高海拔冻土指导性的数据库，用以指导工程实践。