高原冻土地区公路路基回填的施工技术分析

冯大财

四川省公路桥梁建设集团 610000

摘 要：在本文的研究中，本文主要就高原冻土区公路路基回填施工技术进行分析。了解公路回填施工设计，并采用相应的施工方案将其分为原土基层、粉质粘土加气泡混凝土基层、人工级沙砾基层等。利用相应的分析软件，建立路基模型，分析经过冻融循环前后的路基回填材料变化以及结构特征。经过数据分析比对，选择性价比最优的天然级配砂砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土基层。经过实验分析可以得知，冻融循环后，该路基变化率不大，且竖向沉降以及水平带位移能够更快的趋于稳定。结合施工现场的条件，对施工方案进行优化，以有效降低材料冻融循环对于路基自身的稳定性影响。

关键词：高原冻土；公路路基；回填施工；技术分析

对于公路路基回填的施工技术进行分析，考虑部分公路路基实际水文地质条件，需要确保施工效率以及施工成本的均衡。如考虑该公路是否存在物资运输困难等问题，该地区是否属于高原冻土地区。为满足变形控制的标准要求，优先选择当地的材料完成施工。这种“就近原则”不仅能够有效的降低工程造价，还能更好的保护当地水土环境，保障施工效率。此外，对于高原冻土地区公路路基的结构以及换填材料、参数等，还可以进行二次分析研究，具有极高的参考价值。

1. 高原冻土地区公路路基回填的相关研究

对于高原冻土地区公路路基回填的相关研究资料、理论、数据模拟等，我国主要针对特殊地质条件给出合理的改进措施以及施工建议。对于施工过程出现的问题进行优化，避免该问题影响最终的施工效果。在研究中，对于公路路基回填的研究，着重于外界环境因素以及冻土地区路基稳定性的自身影响。分析各种潜在的影响威胁，并通过有限双元强度折算法，对于冻土地区的工程概况进行稳定性分析。随公路路基回填高度增加，当地的冻土年限上限下降，在冻土的融化反应中，其面积均出现增加，包含了横向增加以及纵向增加^[1]。其路基的稳定性以及安全系数也会出现一定程度的变化，如以转折点为例，当安全系数增长时，转折点对应较高，随路基高度升高，路基的稳定性以及安全系数也会出现变化。分析比对路基的双侧融化以及单侧融化状态，可以明显的得知路基双侧融化时安全系数更低，对于高原冻土地区公路路基的回填给出两种相应的解决方案。1.使用快速硬化且施工便捷的新型材料，确保工程效率。2.对于呈现面积不大的区域，通过厚度换填修复采用XPS板+CLSM换填修复，可以满足实际工程的需要^[2]。

在实际应用中，根据现场工程的水文地质条件，结合ABAQUS有限元软件，建立相应的模型，以分析各回填材料对于最终施工效果的影响。考虑到季节性因素，如冻土高速铁路路基修筑后，冻融变形的分布规律。结合冰、水二者的相互作用，通过理论以及有限元模型，对温度变形耦合进行连续计算，随冻胀率的增大以及冻融的深度发展，季节性冻土地区的路基是否存在横向或竖向差异变形以及横向位移拉应力等是否随之增加，路基中的水分对于路基变形稳定性是否有重要的影响等进行原因分析。通过分析结果，得知不同层位的温度对于冻土地区的公路路基回填材料有影响。并根据其分布的不同特征，了解空气、面层、基层、路基的实时温度变化。此外，结合空气、沥青、混凝土面层、水泥混凝土面层的温度，算出梯度值。与冷季、热季、转换期相对应对高原地区的路基边坡稳定性，实现力学分析^[3]。

2. 高原冻土区自身的病害分析

2.1融沉问题

高原冻土区域极容易出现融沉问题，最显著的便是不均匀下沉变形。随气候转暖以及工程活动所带来的一系列潜在影响，冻土中的地下冰出现融化趋势。但受当地实际情况影响，排水较为缓慢，且经常出现固结，导致地基处于不稳定的状态。这种不稳定性导致公路路基融化下沉，出现破坏。分析冻土的工程性质，出现问题的路段多以冰冻土为整体构造，冻土的含冰量较少。因此，水分流失大于速限值。当冻土在融化过程中，假定融化系数大于5%，分布于工作区间段内的K72+315～K72+390，因此了解总沉降量不超过10cm。强融沉地段可以见到微层状冻土结构，经过数据比对，该结构的总含水量高达37%～50%。沙土类冻结含量为20%～31%，换算冻土粘结系数为13%～17%。因此，可以判定该区域工程地质条件较差，地基不稳定。对冻融线性以及强融地段，其构成主要包含了保冰冻土以及含土冰层，与前两者相比，冻结粘性土的含水量更大，甚至可高达惊人的70%。融沉系数保持在25%～29%，在融化后，该地段将会产生差距极大的冻土沉降量。工程地质条件较差，因此地基不稳定。除土质、含水量、密度等因素外，还取决于冻土中的冻土构造以及含冰特征^[4]。

2.2冻胀问题

在冻胀问题的分析中，季节性冻土区出现工程病害与冻胀、翻浆问题有一定关联。土体冻胀必备的三大条件，分别包含冻胀敏感土以及超过土体自身素质、移动结冰冻条件。以上三项条件缺一不可，在实际工程中可以通过合理的改进措施，削弱其中某一条件，就可以有效避免土体的动荡，削弱土体动荡的危害，达到防冻效果。但在工程开展过程中，对于防冻机制的设计理论以及实践出现配合问题，治理措施无法考虑到周围环境的影响变化，导致防冻措施有效性下降。在土体冻胀机理中，公路中段可分为三地带，有可能会产生的道路动态问题

^[5]。如沼泽、地洼地带，这些洼地有积水条件，地下水位较浅，水分补给来源丰富，且动身范围主要土质包含了泥炭、亚粘土、亚沙土等，这些自然环境符合土体产生动荡的条件，而斜坡地带水位埋深为2.5m，这就导致土体的含水量较高，通常维持在46%左右。在冻深范围的土质包含了腐殖土、亚砂土、黄色亚粘土等，在冻结时有冻结期，通常9月～次年6月，具有缓慢冻结的特点。因此，斜坡地带有适合土体冻胀的条件，地下水位距冻结封面的最小距离。在冻结过程中，地下水可以通过土体孔隙的毛细管迁移，补充冻结封面，使土体产生较大的冻存量。而在山岭地带，地表为厚度较小的腐植质亚粘土或沙土层，形成第三系全风化沙粒盐以及泥岩土体的含量较少，但在较为平缓或凹地的山岭中，土体含水量较高，就一般而言，地下水位埋深较大，可设置为2.5m至4m山顶地带的动荡性较小，属于弱动荡性。但值得注意的是，山岭地带的自然环境导致大气降水量很容易出现下沉。当渗透量较小的泥岩出现在下伏岩层时，地下水就很容易出现倾斜。通过多处流动泉水调查分析，在线路上的半填半挖都有可能阻断地下水的流向，导致地下水冻结引起路基翻浆，冬季还会产生冰锥，出现一系列的冻害现象。对于公路路基路面产生明显的破坏性，在公路路基的施工技术中，必须着重注意。

3. 高原冻土区公路路基回填施工要素

高原冻土区公路路基回填，需要考虑到冻土是否处于退化过程。冻土若厚度较薄、地温较高，就需要考虑多年冻土退化问题，分析公路的含冰量。在退化特征以及公路路基稳定性上，需要根据具体的工程路段提出设计原则。在多年冻土退化后，其是否能够影响路基的稳定性以及维持原有设计方案，在预先融化上多年冻土厚度小于2m或冻土温度高于0.5℃的沉积性路段，采取预先融化设计原则。且在多年的冻土厚度>2m和冻土温度低于0.5℃上，采用沥青或砂石等柔软的临时性路面完成过渡。土体退化后，再完成刚性路面的设计，保护多年冻土。对于冻土厚度较大，低温较低的路段，采取保护性原则，根据多年的冻土工程性质，对该路段的病害特征完成详细分析。并结合相应的设计原则，给出实验工程项目的研究报告^[6]。

4.高原冻土区公路路基回填施工方案设计

在高原冻土公路路基回填方案设计中，首先需要落实因地制宜原则。根据施工现场的实际环境，合理的选择施工方案，以解决有可能会出现的各项问题。例如，考察路基施工是否存在冻土冻融的问题，为了满足施工环境以及施工工期，需要对施工区域内部的样图进行分离提取，以便完成指标实验，确定土壤自身的类别以及性质，为工程提供可靠依据。且项目提出4种路基回填材料方案如表1所示，均采用中粒式沥青^[7]。与其他方案对比，方案1较为可行，方案2透水性较好，可以降低动土层对路面结构的影响，且能够有效的降低施工成本。方案3可以降低后续地基沉降问题。方案4抗压强度较高，也可以对抗后续沉降现象。

表1 路基回填材料方案

方案	基层	底基层
1	原土	原土
2	水泥稳定砂砾	天然级配砂砾
3	气泡混凝土	粉质粘土
4	宕渣	人工级配砂砾

5. 有限元模型设置

5.1明确计算方案

在计算中，其基本原理通过强度折减法，改变土体自身的抗剪强度，使系统能够达到破坏前的临界状态。并将临界状态的系数作为最基本安全系数，这种计算方式可以有效避免土体强度降低。因此，采用强度折算法，非常符合实际工程的情况。在模型的建立中，分析高原地区公路路基材料以及施工出现的问题，合理的选择优化方案，运用有限元软件，建立路基摩尔库伦力学模型，得出路基各尺寸以及参数。在边界选取上，选取路基边坡影响最小处，且X轴的长度选取路基基层宽度的3倍以上，而Z轴则选取路基回填高度的3倍，整体的边坡施工比例为1:1.5。在结构中施加位移约束。在冻融循环模拟上，通过建立公路路基有限元模型，根据工程的概况，测算得出当地气温变化^[8]。在曲线设计上，分析初始水位线，根据最终的勘察结果报告，得知水位的升降函数以及初始模型的参数。选取实际的工程案例为依托，明确岩土力学参数设置的合理性，划分三个地貌单元。即山丘冰川地貌、中高山峡谷地貌和中高山河谷盆地地貌，如表2所示。

表2 岩土参数

编号	类型	弹性模量E/MPa	容重y/kN·m-3	黏聚力C/kPa	摩擦角o/（o）	泊松比u	本构模型
1	原土	15000	20.0	23.2	30.0	0.30	摩尔-库伦
2	天然级配砂砾	25429	27.2	35.2	35.9	0.16	摩尔-库伦
3	水泥稳定砂砾	25000	26.5	34.1	36.0	0.25	摩尔-库伦
4	粉质粘土	20000	24.0	32.0	16.0	0.30	摩尔-库伦
5	气泡混凝土	23000	26.1	30.2	32.0	0.27	摩尔-库伦
6	人工级配砂砾	24000	21.0	31.0	31.0	0.25	摩尔-库伦
7	宕渣	30000	23.0	35.0	35.0	0.25	摩尔-库伦
8	中粒式沥青	12000	25.0	30.2	30.2	0.30	摩尔-库伦
9	混凝土	27000	24.0	14.1	14.1	0.27	弹性

5.2结果分析

在最后结果分析中，由于当地施工条件较为恶劣，因此季节性变化明显。土体经过多次冻融循环后，其力学性能必然会发生改变，公路路基的稳定性会下降。因此，通过有限元模型，在历经数次冻融循环实验后，土体内部水分变化与路基材料的力学性能变化等有明显影响。因此，选择性价比最优的天然级配砂砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土基层。

5. 结论

综上所述，经过有限元模型计算得出的4种路基填料，分析2号方案天然级配砂砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土基层的监测点竖向应力值与水平应力值较小，在施工中必须注重边坡防护质量，以解决潜在的问题。根据最终现场监测点以及有限元模型结合的报告，了解位移增量模拟，可以得知2号方案天然级配砂砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土基层累积量最小，且趋于稳定，符合公路设计规范要求。

由于高原冻土区公路路基回填很容易受到冻融循环产生的力学影响，介于施工进度以及最终的施工效果，选择2号施工方案——天然级配砂砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土基层。经过有线性模型，明确冻土的冻融时间以及其后续的深度变化曲线，证明2号施工方案——天然级配砂砾底基层+水泥稳定砂砾基层+中粒式沥青混凝土基层具有可行性。

【参考文献】

[1] 白永厚, 陈泽盟, 张耀阳,等. 高原冻土地区公路路基回填材料优选及施工技术[J]. 水利水电技术(中英文), 2021.

[2] 丁姣月, 程伟峰, 于英霞,等. 高原冻土地区公路边坡冻融稳定性及施工技术[J]. 河南大学学报：自然科学版, 2021, 51(3):10.

[3] 王金祥. 高原多年冻土公路路基施工技术探索研究[J]. 科技经济导刊, 2020, v.28;No.710(12):69-70.

[4] 杨磊. 高原冻土区路基施工技术及质量控制[J]. 交通世界, 2020(4):3.

[5] 田亚军. 高原冻土地区路基施工与质量控制研究[J]. 华东公路, 2020(3):2.

[6] 胡银忠. 高原,高寒冻土地区路基施工质量控制[J]. 名城绘, 2020.

[7] 周正旗. 浅谈青藏高原多年冻土地区直锥基础施工控制[J]. 2020.

[8] 徐明燕, 李军良. 公路路基施工技术分析[J]. 工程技术(文摘版)·建筑, 2022(24).