冻土地区冻胀病害防治措施研究现状

范荣全，胡荣兵，李 畅，王 斌，吕学海

(1.国网四川省电力公司，四川 成都 610041；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；3.国网四川省电力公司经济技术研究院，四川 成都 610041)

近些年来中国在寒冷地区开展的工程建设活动越来越多，例如青藏铁路、川藏铁路、中俄输油管线、藏中联网等大型工程，这些工程在建设、运行时将会面临许多由于冻土而带来的诸多问题，如冻胀、融沉、冻拔等，其中冻土的冻胀问题是中国东北、华北、西北季冻区土木工程建设过程中所遇到的主要问题[1]。

土的冻胀是指土体温度降低至冰点以下时，土中水分结冰体积膨胀，同时未冻区水分在水势梯度作用下向冻结前缘迁移加剧的现象，从而导致建筑工程的不均匀变形甚至破坏[2-3]。在冻土地区进行人类工程活动必须提前做好冻土工程地质勘查工作，对于大型建筑物理应选择较为良好的建筑地基，对于铁路、公路及输电线路等线状工程则应进行合理选线。鉴于客观条件限制，可能发生冻胀病害的工程则必须做好冻胀防治措施，由此在对冻土冻胀机理研究的基础上探讨如何对这一病害进行有效防治具有较大的现实意义。

1 冻胀病害防治研究现状

国内外大量专家学者对冻土冻胀理论的不断深入研究，揭示了冻胀现象的产生必须同时满足3个条件：①具有冻胀敏感性土，例如黏性土或粉土等；②地基土中含有一定的水分，或者地下水位较高；③外界空气温度低于0℃。只有3个条件同时满足才会发生冻胀，缺一不可。因此，对冻胀病害的防治主要从冻胀病害形成的条件入手。

1.1 改良土质

改良土质法主要是指通过挖方换填，挖除粉粒含量较高的土并用较纯净的砂砾换填以减小冻胀破坏的方法。采用换填法来进行冻胀控制的前提是不同土质对于冻胀作用的敏感性具有较大差异。Chamberlin[4]于1981年按照土的粒径级配对各种土的冻胀敏感性进行了系统归类。而不同国家对于不同级配土的冻胀敏感性判断依据有不同的标准，美国、法国等多以冻胀速率来衡量，而前苏联、英国及中国等则多采用冻胀率为依据。陈肖柏等[5]对不同级配的砂砾料试样在不同冻结速率下进行了多组冻胀敏感性试验得出：在温度恒定条件下，砂砾料的冻胀速率随着细粒土含量增大而增大。李洪升等[6]基于广义强度准则，提出了一种较合理的地基土换填抗冻胀能力评价方法，并通过挡墙基础的实例进行了计算。叶阳升等[7]提出了铁路路基填料冻胀性分类的具体方案，该方案阐明了土的冻胀敏感性，有利于在实际工程中合理选择最优填料进行换填施工。黑龙江省低温建筑研究所通过中粗砂换填地基的防冻害试验，测得了基础和基础冻深内的基侧、基底下面换填中粗砂后，冻胀力可以减少84%～88%[8]。

地基土的换填具有较好的效果，在工程实践中已经得到广泛应用。中国东北地区修建房屋时在基础底部及侧面均采用中粗砂进行换填，而且经过长时间的检验，验证了该方法对冻胀的防治卓有成效。此外，在冻土地区公路、铁路修建过程中也大量应用换填路基的处理措施。田亚户等[9]通过热力耦合理论分析得出青藏铁路多年冻土区路基排水渠道周围换填非冻胀土可使其稳定性显著提高。国道213线、新疆天山公路、青藏公路均在适宜地段采用砂砾石或是中粗砂对路基进行换填，而且事实证明该法的确起到了有效防治冻胀病害的作用[10-12]。白静等[13]经过一系列室内PE管道浅埋试验分析得出在黑龙江等季冻区内优先使用炉渣换填对冻胀防治的效果更好。

1.2 控制水分

地基土中水分的存在是促成冻胀病害产生的很重要的一个因素，当土中水分含量较少时是不足以产生冻胀现象的，只有当土中含水量达到起始冻胀含水量时才会产生冻胀现象。因此控制地基土中水分含量是防止冻胀的一个根本措施。

按照水的来源将冻胀的防治分为排除地表水和隔离地下水两类。对地表水主要是通过设置排水系统来进行排水。针对水量较为充沛的建筑群周围可设置截、排水沟；对于公路、铁路等线状工程则应在其周围设置天沟、侧沟、挡水埝、盲井等来排水。值得注意的是各种防排水沟必须要与线路之间保持一定距离，以免水分渗流影响工程。对地下水的控制可以分为隔水层法与非隔水层法。

1.2.1隔水层法

在实际工程中多采用隔离层来限制地下水的迁移，因此对于隔离层法研究极为重要。宋晖等[14]将隔离层分为透水性和不透水性2种，前者多为砂砾、炉渣、碎石等构成，厚度10～15 cm；而后者则是由各种不透水膜料制成，可进一步分为开敞式和封闭式2种。

工程中使用最广泛的隔离层是土工膜，作为一种柔性防渗材料，其具有防渗效果好、施工方便、造价低等优势，因此在水电站大坝、垃圾场、围堰等工程中得以广泛应用[15-16]。由于土工膜厚度一般只有0.5～2.0 mm，因此在各项施工过程中是极易造成损坏的，Nosko等[17-18]通过对大约325万m2水文土工膜进行数据统计，分析得出超过70%的损坏是发生在膜上保护层铺设阶段，还有少部分发生在铺设和运行阶段，因此对于施工期间土工膜的监测极为重要。其中电学探测法能较为准确地定位出具体的受损位置，而且操作简便，因而在土工膜监测中应用较多[19]。

土工膜作为隔水层在各类工程中得以广泛应用，并且都取得了较好的效果。陈立杰等[20]以甘肃靖会总干渠的梯形渠道为例，用软件模拟了复合土工膜防冻胀的效果，结果表明其法向及切向冻胀力可减小30%～48%。俞永科等[21]在高原水库防渗中使用了复合土工膜进行防冻胀处理，事实证明该措施能够达到库区的防渗要求，增强工程抵御冻胀能力。单既连等[22]在西藏塘河水电站利用复合土工膜来解决引水渠的防渗抗冻胀问题，经过时间的验证和监测数据的证明，整个施工地段没有冻胀凸起，达到了预期的目的。曹立、王永顺等[23-24]阐明了土工膜在冻区铁路路基冻胀防治中的基本工作原理及其所取得的良好效果。

1.2.2非隔水层法

非隔水层法包括抬高基底法和化学法2种，虽不是直接通过铺设隔水层阻止地下水的迁移，但其本质仍为控制土中的水分。

抬高基底法多用于公路、铁路建设中，其原理是将线路路基提高到一定高度，使得地基土中水分的毛细作用无法对路基造成影响，该法在地下水位较高或是地表排水不畅的地段使用较多。一般公路最小填筑高度H可由下式确定[25]：

H=h1+hc

(1)

式中h1——路基必须具备的干土层厚度；hc——路基土层危险毛细上升高度。

通过化学方法来防治冻胀主要有2个原理，一个是在土体中添加可溶盐来降低土中水分的冰点，从而提高冻胀产生的难度；另一个是添加特殊的化学试剂来加强土的憎水性，使得冻结时的水分迁移作用大大减弱从而达到预防冻胀的效果。在实际的运用中，北方许多火车站排水不畅，便在地基中加入食盐来降低水的冰点，使得冻胀作用减弱；在许多季节性冻土区，经常会在桩基侧面涂抹沥青玛蹄脂之类的憎水性物质来克服冻胀。张登良等[26-28]通过室内试验及现场验证研究了沥青玛蹄脂混合料在防冻胀方面的效果，并给出了有针对性的适合不同条件的配合比设计方法。

1.3 控制温度

控制温度法一般是指在地基表面设置保温层，作为防冻胀最为有效的方法之一，该法的实质是通过增大热阻来降低热交换强度，从而使得冻结深度和冻胀量减小。20世纪50年代，挪威开创了在路基工程中使用保温材料的先河，并积累了一定的经验[29]。随后陆续有多个国家开始在地基中通过设置保温层来预防冻胀病害，其中使用最多的材料是聚苯乙烯泡沫板。

张彦武等[30]通过对比试验从经济、技术、防冻胀效果3个方面对聚苯乙烯泡沫板在渠道防冻胀中的特点进行了阐述，指明了该措施具有较大的综合优势；王英浩等[31]通过现场试验结合计算机模拟技术，分析了聚苯乙烯泡沫板作为保温层对于渠系水工建筑物温度场的影响作用，并给出了确定其最佳厚度和位置的具体方法。随着聚苯乙烯泡沫板的研究愈加深入，越来越多的工程中开始使用这一材料，例如新疆芳草湖农场东干渠改扩建工程、高台县友联灌区三清干渠改建工程、十三陵抽水蓄能电站等工程均采用聚苯乙烯泡沫板对冻胀病害进行防治[32-34]。

当然保温材料是多种多样的，聚苯乙烯泡沫板只是其中一种，在实际工程活动中还有许多材料被加以利用。例如挪威在铁路路基底铺设泥炭质保温块，该材料不但保温效果好，而且持水能力较强，因此取得了很不错的效果；中国东北大庆地区创造性地将炼油产生的石蜡渣废料加以利用，将其置于房屋四周地基之下，使得地基深度明显减小，保障了建筑物的安全[25]。

1.4 其他防治冻胀的措施

上述3种方法分别从土质、水分、温度3个方面出发，介绍了冻胀防治方面采取的相关措施。除此之外还有一些其他的方法被运用于实际工程中的冻胀防治。冻胀病害的本质是地基土膨胀作用于基础，前述各种方法均围绕地基展开。那么同样可以从基础方面来考虑，即选择具有抗冻胀性的基础形式或者将基础埋置于合适的深度以达到防治冻胀的目的。程国栋[25]等给出了冻土地区中比较常见的3种扩大式基础形式(图1)。艾小芃等[35]针对扩大式基础的特点，提出了其抗冻拔的设计与校核方法；黄润哲等[36]系统介绍了扩大式基础的时间运用及计算方法、步骤、参考数据；王力威等[37]从设计、抗冻特点等方面对扩大式基础在工程中的应用做了阐述。

a)混凝土墩式基础 b)钢筋混凝土扩大柱基 c)爆扩短桩 图1 常见扩大式基础形式

基础所受到的冻胀力分为两部分，一部分是基础侧面受力，另一部分是基础底面受力。基础埋置深度决定了基础底面受力情况，因此除了合理选择基础的形式之外，其埋置深度对于防治冻胀来说也是至关重要的。一般来说，基础的埋深需要满足建筑物对地基强度和稳定性的要求，可以根据建筑物级别、使用年限以及地基土的性质综合确定。中国《工业与民用建筑地基设计规范》中对季节冻土区基础最小埋深给出了具体规定[38]。

2 冻胀防治方法评述

通过对上述防治冻胀方法的总结不难发现，不论是改良土质、控制水分和温度还是选择合适的基础形式和埋深，每一种方法出发点不同，都具有各自的优缺点。

a)基于不同土质冻胀敏感性不同的原理，通过改良土质的方式来防治冻胀，其施工较为简单，尤其是当能够就近获取填料时成本会大大降低，所以该方法在工程实践中应用极为广泛，而且其效果在中国东北地区房屋建筑及藏区公路、铁路等工程中得到了有效验证。但是有些工程所在地缺乏优质天然填料，因此研发成本低廉的人工填料是该方法今后能够广泛应用的基本保证。

b)包括土工膜在内的各种塑料薄膜隔水层具有可塑性强、延展性好的特点，能够有效防止水分的迁移，而且施工成本较低，在水电站库区、渠道等冻胀防治方面使用较多，而且都取得了较为理想的效果，但是该方法的劣势也较为明显，即施工过程中极易损坏，导致冻胀防治效果大幅降低。因此有必要重点研发抗损性能良好的隔水层材料，并总结在施工过程中如何有效避免其发生损坏。使用化学法进行冻胀防治效果虽然很好，但是其成本高昂，因此该法并未得以广泛推广。所以研究低价、环保的化学工业原料是研究该方法今后应重点关注的方向。

c)综合考虑施工成本和防治效果，铺设保温层是各种冻胀防治措施中极具优势的一种方法。保温层不但能够维持地基土温度，还能一定程度上起到控制土中水分迁移的作用。聚苯乙烯泡沫板作为最常见的一种保温材料，其抗冻性、耐久性等综合性能还有待进一步深入研究。此外，还应该结合实际情况，因地制宜地将当地的各种工业废料利用起来，既经济又环保。

d)工程建筑受冻胀病害是地基土与基础相互作用的结果，因此也可从基础方面来考虑冻胀的防治，基础类型及埋深的合理选择能够对基础抵抗冻胀作用起到良好的效果。不过不是所有建筑都可以选择所需的基础形式，也受到一定限制。所以该法仍需与前述3种方法配合使用。

综上所述，为了在降低成本的同时提高冻胀防治效果，要从实际情况出发合理利用当地天然材料，也要积极引入各种新型材料，达到经济投入与预期效果之间的最佳平衡。

3 结论

经过国内外众多学者的不懈努力及大量工程实践的检验，人们对于冻土地区冻胀防治措施的研究取得了一定成果。通过对多项冻胀防治措施的归纳总结，得到如下结论。

a)目前冻胀防治措施的研究主要是从改良土质、控制水分、控制温度及合理选择基础类型和埋深几个方面考虑。换填地基土的方法成本较低且施工简便，但是必须考虑填料获取的难易程度；铺设土工膜隔水层价格低廉，但是在施工过程中极易受损；保温法防治冻胀的经济成本和效果相对较为合理，要特别注意保温材料的最优选择；扩大式基础能够增大基础的锚固能力但成本较高，无法大规模应用。

b)各项冻胀防治措施也各有其优劣势，每一项工程所面临的实际工况都不尽相同，所以根据实际情况如何将多种冻胀防治措施以最优的组合方式结合起来应用于实践中是今后研究的重点方向。