1、冻土路基病害成因及处理摘要：随着我国公路建设事业的不断推进，寒地冻土区域的公路建设事业也取得了蓬勃的发展。从已建成的公路、铁路等交通基础设施运营效果看，多年冻土工程建设面临着许多新的问题。尤其在高温冻土区，如何在解决冻土路基热稳定性的前提下，保持路基工程的长期稳定性问题，是目前冻土区道路工程研究的重要课题之一。本文首先分析了冻土路基病害的形成机理和冻土工程地质特性，然后重点探讨了冻土路基病害的主要类型及成因，最后详细阐述了冻土路基病害的治理措施。 关键词：冻土；路基；病害；冻胀翻浆；排水 Abstract: as Chinas highway construction business, th
2、e continuous progress of the cold permafrost area highway construction business has made rapid development. From the completed highway, railway and other transportation infrastructure operation effect look, permafrost engineering construction is faced with many new problems. Especially in the high t
3、emperature permafrost region, and how to solve the frozen soil subgrade under the premise of thermal stability, maintain the long-term stability of the subgrade engineering, is the permafrost region road engineering research one of the important issues. This paper first analyzes the permafrost roadb
4、ed disease formation mechanism and frozen soil engineering geological characteristics, and then probes into the frozen soil roadbed disease of the main types and causes, and finally elaborated on frozen soil roadbed disease control measures. Keywords: frozen soil; Subgrade; Disease; Frost heave pump
5、ing; drainage 中图分类号： P642.14 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 一、冻土路基病害的形成机理 冻土是一种特殊土类，其特殊性主要表现在它的性质与温度密切相关。常规土类性质主要受颗粒的矿物和机械成分、密度和含水量控制，多半表现为静态特性。冻土的性质除受上述因素控制以外，同时它的性质随温度和时间都在变化，表现为动态特性。所以，冻土是一处对温度十分敏感且性质不稳定的土体。 随着全球气候的逐渐变暖和人类活动加强，多年冻土上限呈现出下降的趋势，多年冻土也在不断退化，对路基路面的稳定也造成了极大威胁。关键的是冻土在冻结、融化时具有特殊的物理、力学性质变化。土
6、壤冻结时最重要的物理过程是水分的迁移和重分布，而冻土融化时最重要的是物理力学变化是结构、强度的急剧衰减。从而在冻融循环中不断地改变着土层的形态结构和物理力学性质，导致工程建筑物基础的反复变化与破坏。在大多数情况下，病害的发生发展过程与变化结果具有单向、不可逆的规律。 冻土地区筑路工作中的问题除了一般寒区道路中常见的路基冻胀、翻浆、路面冻融松散、低温开裂外，还有冻土地区特有的道路病害路基热融沉降、边坡热融滑塌等。 二、冻土工程地质特性 （一）冻胀融沉性 冻土也具有热胀冷缩的特性，冻土中的水发生相变，土的体积则发生变化，当大量的水分从液态转化为固态时，土的体积便发生冻胀；当水从固态转变为液态时，土
7、便发生融化下沉，这就是冻土的冻胀融沉特性。 （二）热稳定性 多年冻土土体温度( 简称地温) 是反映多年冻土热稳定性的重要指标，即年较差为零的深度处的地温。年平均地温低，多年冻土的蓄冷量大，热稳定性好；年平均地温高，多年冻土的蓄冷量小，热稳定性差。 （三）对外界环境变化的敏感性 一般情况下，多年冻土天然上限附近高含冰量冻土比较发育，由于其埋深浅，对环境变化极为敏感，例如气温升高、水对多年冻土的热侵蚀、生态环境恶化( 如植被退化) 导致多年冻土吸收的太阳辐射热量增加及人为活动引起多年冻土地温场变化等。这些因素都将导致多年冻土地温升高、热稳定性变差。 三、冻土路基病害的主要类型及成因 （一）路基冻胀
8、 路基的冻胀病害是与气温、土质及水源条件密切相关的，主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的粘性土为主，往往富含水分。工程上主要发生在土质的浅路堑和修筑在塔头沼泽积水地段的较低路堤上。分析冻胀产生的原因主要有以下几个方面： 路基基床表面不平整，积水冻结膨胀形成冻胀病害。其最大量很少超过 50 mm，一般最多在 30 mm40 mm，多在 25 mm 以下。形成时间从10 月中旬，到 11 月末便趋于稳定，一般产生在路基基床表面往下30mm50 mm 左右。 2、碎石或混砂道床垫层不洁，污染严重，混入泥土较多，遇积水产生冻胀。当含泥量为 20%50%时，冻胀量可
9、达 10 mm20 mm 左右，道床冻胀在时间上从 10 月中旬11 月上旬基本稳定。 3、地表水或地下水(或浅层水) 对路基土的不均匀浸湿。 4、路堤填土不均匀及路堑基底土质差异，因土的性质及结构不同，从而形成不同的冻胀病害。 路基不同朝向形成的不均匀冻胀，如线路走向为东西向时，路基有明显的向阳和背阳坡，使路基填土的冬季含水量和冻结深度发生差异，其结果是出现单侧冻胀。 路基冻胀不仅使路面高低不平，还容易导致公路的路面，特别是混凝土刚性路面产生裂缝，这种裂缝多呈纵向分布，且经冻融反复作用而不断加宽，严重时使路面呈破碎状。冻胀造成的道路破坏，对公路尤其是高速公路危害极大，轻者给行车带来障碍，重者
10、造成行车事故。 （二）路基冻融翻浆 在高寒冻土地区，由于在土壤冻结过程中汇聚了过多的水分，且土质状态不好，到春暖化冻时水分不能及时排出，从而造成土基软弱，强度降低。在车辆荷载的作用下，路面发生弹簧、裂纹、鼓包、车辙、唧泥等现象，称为冻融翻浆。路基冻融翻浆的原因有以下几点： 1、气候。秋末初冬,形成较大的温差梯度。由于土中薄膜水具有自高温向低温转移的特性,较大的地温差,将使深部的土中水向基床上聚集,结成扁冰体。初冬气候温和,降温缓慢,使冻结线在基床上层滞留时间较长,造成水分向上聚集的有利条件。春寒较长,晚春气温急剧回升,基床上部土融化较快,大量的融冻水分无法排出,又来不及蒸发,形成流塑状泥浆。2
11、、水源。秋末多雨,冻结前土基原始含水量大。台地区域上层滞水或丘陵区域的层间水丰富,地下水位偏高。土层冻结具“开系统”条件,地下水位在冻层附近。地表排水系统不畅,积水较多,或路基有道碴槽积水,向基床渗透聚集。最后,侧沟积雪较多,春融期又遇降水,造成融冻层湿度恶化。 3、行车荷载 车辆动荷载通过松软基床时,动应力将远远超过基床承载力,特别由于翻浆基床的存在,成为翻浆冒泥的直接原因。 道路翻浆地段对行车安全造成极大危害。 （三）路基热融沉陷 多年冻土天然上限附近的细粒土和有一定量细粒土充填的粗颗粒土中，往往存在厚层地下冰和高含冰量冻土，由于其埋藏浅，受气候、生态、微地貌、水文条件等天然因素和各种人为
12、活动的影响很容易融化，天然上限下降，融化后的土体在其自重作用下发生融沉。由于修筑路堤或开挖路基，破坏了冻土的保护层或使冻土上限上升，加之路基填土高度不够，路基排水不畅等原因，导致路基土层发生热融沉陷，从而使路基沉陷变形破坏。具体表现为路基下沉,路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡滑塌等。融沉的特点有:1)突然的大量下沉；2)周期性的持续下降。 （四）路基边坡热融滑坍 冻土路堑开挖后，冻土埋藏深度将变浅或完全暴露在大气当中，固态冰开始融化，土体饱水，强度急剧下降，如果处理不当，将会引起路堑边坡开裂、溜坍、下滑。在有厚层地下冰分布的地区，由于路基的修建而破坏了土层的热力平衡状态，而使其发生热融
13、滑坍，导致路基边坡发生滑溜或坍塌，这种病害主要发生在挖方地段或高度不足的低填方路段。 （五）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，在隆冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基顶面或边坡挂冰、堑内积冰等病害，是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土地区则尤为严重。 四、冻土路基病害的主要治理措施 （一）排水措施 1、做好路基排水 良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。 路基范围内的地面水、地下水都应通过顺畅的途径迅速引离路基，以防水分停滞浸湿路基。为此，应重视排水沟渠的设计，注意沟渠排水纵坡和出水口的设计
14、。在一个路段内重视排水系统的设计，使排水沟渠与桥涵组成一个完整的通畅的排水系统。 为降低路基附近的地下水位，可采用有管渗沟；为拦截并排除流向路基的地下水，可采用截水渗沟，同时考虑冰冻深度的影响。 加强路槽排水 在冻胀与翻浆严重地段，应注意做好路槽排水，通常采用设砂垫层和横向盲沟等措施进行路槽排水。 （1）铺设砂垫层 砂垫层在融期可起蓄水、排水作用，能隔断毛细水上升，可防止融期路基泥浆上挤污染路面结构层，冬季对路基冻胀可起缓冲作用，从而减轻路面冻胀。在盛产砂石地区，可以采用铺设砂垫层排水，防止冻胀和翻浆。 （2）加设横向盲沟 道路纵坡大于 3%的坡腰翻浆路段，当中级路面基层采用透水性材料时，为了
15、及时排出透水层内的纵向水流和春融期土基化冻时的多余水分，可在路槽下设置横向盲沟。横向盲沟可设成人字形，纵向间距 10m 左右，深度 2040cm，宽 40cm 左右，填以沙砾等透水性好的材料，出口按一般盲沟处理。 （二）保温护道 保温护道也是整治路基病害的一种常用措施。作用是加强对路基边坡、坡脚处冻土的保护厚度，减少气温对多年冻土的影响程度和范围；同时也起到防止路基坡脚积存水体和渗入的作用。 但是，对护道的填筑材料、断面结构形式和尺寸及防渗水能力要有周密的考虑和设计。然而，过去填筑的保温护道明显存在不足，多数已起不到保温作用而失效。过去也曾采用过片石护道，但实践证明，在多年冻土地区采用片石护道
16、非但不能约束路基底的下沉侧挤，反而加速了基底的融化下沉。它只能在不破坏冻土原则的情况下采用。 对路堤和路堑边坡的坍塌和热融滑坍病害的工程措施，常用的有护道及具有支撑作用的护坡。护道主要适用于较高的路堤，可用成台阶式，主要针对由于季节性冻融界及过陡情况下的边坡坍塌变形。而对于边坡变形所采用的片石护坡则有过深刻的教训即不具支撑作用的、较薄的无结构片石扩坡不能抵御冻融变形的破坏，反而加剧边坡变形。 （三）换土 当采用水稳定性好、冰冻稳定性好、强度高的粗颗粒土换填路基上部时，可以提高土基的强度和稳定性。 换土措施的使用条件为： 因路基标高限制，不允许提高路基，且附近有粗粒土可用时； 原有路基土质不良，
17、需铺设高级路面时。 换土层厚度可根据地区情况、公路等级、行车要求以及换填材料等因素确定。 根据一些地区的经验，在路基上部 6080cm 厚的范围换填粗粒土，路基可以基本稳定，换土厚度也可以根据强度要求，按路面结构层厚度的计算方法计算确定。 （四）土工布、EPS 导温垫床 土工布具有隔离、渗滤、排水、加固和强化土体的作用，在整治一般翻浆中已广泛应用。EPS 是铁科院铁建所试验研究的一种新型防冻土工聚合材料，由可发性聚苯乙烯贮存，予发泡、成熟处理及模制过程加工而成的泡沫材料。试验证明,密度为 45kg/m3 的 EPS 材料，吸水率小，含气量高，导温系数小，在受水浸湿时仍有较好的隔热效果，且能满足
18、动荷载为 200kPa 的强度和变形要求。近几年已在寒冷地区整治路基冻害中多处使用，效果良好。 （五）采用遮阳棚调控辐射 应用遮阳棚遮挡路堤，可以有效地保护路堤、边坡及邻近区域。采用遮阳棚这一方法措施来给路基土降温，是利用遮阳棚来预防路堤堤身与基底土免受直接太阳辐射和雨雪水的影响，因为这些都是造成路基底冻土层退化和线路沉陷的主要原因。实质上，遮阳棚对路堤堤身和基底土的冷却作用，类似于多年冻土地基上的房屋和建筑物地下室利用室外空气自然通风对地基实施冷却作用。为了提高遮阳棚对太阳辐射的反射率，增加遮阳棚防辐射效果，在遮阳棚外表面涂上具有高反射性质的涂料油漆，例如涂上白色或银白色油漆材料，效果会更佳。 结语 冻土路基虽然有许多的病害，但只要从设计、施工乃至养护维修各个环节都能够充分认识病害的发生机理及其严重性，并给予足够的重视，采取合理的措施给予预防和治理，相信冻土地区路基的病害会得到很好的控制。 参考文献 1王铁行.多年冻土地区路基冻胀变形分析J.中国公路学报，2005.4. 2喻长富.多年冻土地区路基病害整治的探讨与对策J.黑龙江交通科技，2006.5. 3郭子仪，张宝龙.冻土路基病害成因及处理方法J.内蒙古科技与经济，2008.2.
