1. 引言
目前，土层人工冻结法在我国各个行业中经常被用来临时加固土体强度 [1] [2] [3] [4]。土层可以在冻结期间内大大提高其强度，满足工程的需求，在工程结束融化后可以恢复原状，降低对环境的污染和破坏 [5] - [10]。我国幅员辽阔，输电线路的修建会无法避免草原等环保要求高的地区。为了在输电线路修建过程中避免对环境的破坏，可以在地表架设冻结层，通过人工注水冻结，在保护地表上形成临时道路。通过人工冻结法形成的临时道路，在车辆通过后可立即在短时间内恢复原状，在下一次车辆通过时可提前进行冻结，通过后又可恢复原状，施工灵活度和成本都可以很好的控制。
为了探索输电线路施工便道人工冻结路基承载特性，开展了加筋人工冻结路基力学性能模型试验，并与未加筋冻结路基进行了试验对比。
2. 试验概况
2.1. 试验方案
为研究不同厚度、不同加筋材料对人工冻结路面力学性能的影响，对低温冻结状态下的人工注水冻结路面进行了抗压模型试验。以输电线路施工便道为原型，路面宽度一般为5 m，路基深度3 m，选取长度为10 m的施工便道进行模拟，综合考虑试验场地以及测试仪器等因素采用试验几何模型比为1:10，模型平面尺寸为100 × 50 cm，厚度为30 cm。
将与路基模型相同横截面尺寸的冰块置于路基模型上，开展了不同厚度、不同加筋材料冰块的抗压试验。试验工况、模型尺寸、温度条件见表1。
2.2. 试验场地及设备
试验在北京中煤矿山工程有限公司煤矿深井建设技术国家工程实验室冷库中进行，最低环境温度可达到−40℃。
Table 1. Conditions of model experiment
表1. 模型试验工况
试验加载系统主要由千斤顶、横梁、反力支座组成。加载系统中，千斤顶是动力源，通过反力梁对模型施加下压荷载。
试验量测系统主要由率式位移传感器、RS-JYC静载仪组成。位移传感器的位移测量精度达到0.01 mm。静载仪集荷载、位移数据采集与加载进程控制于一体，具有高度自动化和智能化。
3. 试验结果和分析
3.1. 无加筋人工注水冻结路面模型试验
无加筋人工注水冻结路面模型试验结果如图1所示，在冻结和试验过程中环境温度均为−20℃。
(a) 冰厚度为10 cm和30 cm (b) 冰厚度为2 cm和5 cm
Figure 1. Curves: load-displacement result of frozen roadbed model experiment
图1. 人工注水冻结路面模型试验
通过试验结果可知，人工注水冻结路面的抗压特性与冰的厚度紧密相关，厚度越大，在相同荷载作用下，冻结路面和路基的整体位移越小。根据冰试样抗压试验结果可知，未破坏时冰自身变形较小，整体位移主要来自冻结土，由于冰厚度的增加，传递到土体的附加应力降低，故冰厚度越大，整体位移越小。厚度为2 cm和5 cm的人工冻结路面分别在加载达到2.4 kN和3 kN时发生破坏，而厚度为10 cm和30 cm的人工冻结路面在加载到15 kN时均未发生破坏。大部分小型施工机械重量为2~5吨，这说明厚度为10 cm的人工冻结路面基本可以承受小型施工机械通过。
3.2. 加筋人工注水冻结路面模型试验
3.2.1. 采用钢筋作为加筋体
试验中使用的钢筋直径为8 mm，长度400 mm，共布设8根，沿冻结体长方向垂直布置，间距为10 cm，冻结体厚度为30 cm。
试验加载按慢速维持荷载法进行，每级加载1 kN，共加载15级。试验结果如图2所示。
Figure 2. Curves: load-displacement result of frozen roadbed model experiment with reinforcement bars
图2. 加钢筋人工注水冻结路基试验结果
试验中厚度为30 cm加钢筋人工注水冻结路基未发生破坏，每级位移增长较小，至加载结束后整体位移较小，且在加载过程中并未发现位移突然增大现象，表明并没有破坏倾向。在试验荷载范围内，人工冻结体呈弹性变形状态。与未加筋30 cm厚冻结体对比可知，采用钢筋作为加筋体冻结体并未提升自身抗变形能力，在相同荷载作用下，位移与未加筋冻结体基本相同。
3.2.2. 采用土工格栅作为加筋体
试验中使用塑料双向土工格栅，人工冻结体厚度取5 cm和30 cm，在5 cm厚冻结体中铺设1层土工格栅，在30 cm厚冻结体中铺设3层土工格栅。
试验加载按慢速维持荷载法进行，每级加载1 kN，共加载15级。试验结果如图3所示。
Figure 3. Curves: load-displacement result of frozen roadbed model experiment with geotechnical grille
图3. 土工格栅人工注水冻结路基试验结果
试验中厚度为5 cm和30 cm的加土工格栅人工注水冻结路基均未发生破坏。在试验荷载范围内，两种厚度的人工冻结体均呈弹性变形状态。
本次试验与之前相同厚度冻结体试验进行对比。厚度5 cm的冻结体比对未加筋冻结体试验结果，加入土工格栅后冻结体的承载能力得到很大提升，说明加入土工格栅可以更好的改善冻结体的承载性能，土工格栅作为冻结体的骨架存在使其可以承受更大荷载而不发生破坏。厚度30 cm的冻结体比对未加筋和钢筋加筋冻结体试验结果，相同荷载下，加入土工格栅的冻结体的位移更小，提升人工冻结路基承载力。
另外，由试验关系曲线可以看出，在相同荷载作用下，厚度为30 cm的人工注水冻结路基位移明显小于5 cm的人工注水冻结路基，说明冰厚度越大，整体位移越小，承载能力更高。
3.2.3. 采用土工格室作为加筋体
试验中使用土工格室规格为宽100 mm × 长800 mm，沿长方向水平铺设2条，每条2个格室，人工冻结体厚度为30 cm。
试验加载按慢速维持荷载法进行，每级加载1 kN，共加载15级。试验结果如图4所示。
Figure 4. Curves: load-displacement result of frozen roadbed model experiment with geotechnical grid
图4. 土工格室人工注水冻结路基试验结果
试验中厚度为30 cm加土工格室人工注水冻结路基未发生破坏，呈弹性变形状态。根据位移荷载曲线所呈现的线性可以看出每级位移增长较平缓，没有破坏趋势。与厚度为30 cm未加筋和加钢筋人工注水冻结路基相比，采用土工格室作为加筋体冻结体自身抗变形能力略有提高，但提高的程度不高。
综上试验结果可知，通过在人工冻结路面中加入钢筋、土工格栅或土工格式格室可以改善人工冻结路面的力学性能。这主要是由于加筋体与人工冻结路面构成了一种组合材料并共同工作，不同材料由于自身的材料特性表现出不同的改善效果，双向土工格栅对于人工冻结路基承载性能的提高最为有利。双向土工格栅与人工冻结体接触范围最大，在冻结体内充当了骨架的效果，在厚度较小时对提升人工冻结路面的力学性能有较大优势。
4. 小结
1) 冻结厚度是人工注水冻结路基整体承载性能的主要影响因素。在相同荷载作用下，人工注水冻结路面厚度越大，路面和路基的整体位移就越小。
2) 不同加筋体对冻结路基承载性能的影响有较大差别。总体来说，在人工注水冻结体中加入加筋体有利于提高整体承载性能。对比三种加筋材料，双向土工格栅对于人工冻结路基承载性能的提高最为有利。
基金项目
中国电科院创新基金，输电线路施工便道人工冻结路基承载特性研究(GC83-18-003)。