多年冻土区道路病害成因与防治——以青海省二(道沟)治(多)公路改建工程为例

吴登岳

(青海省交通建设管理有限公司 西宁 810000)

引言

冻土是指温度低于0 ℃，内部含有冰的各类土岩的统称，根据存在时间的长短划分为短时冻土(数小时～数天)、季节冻土(数个月)与多年冻土(两年以上)。多年冻土又可分为高纬度多年冻土与高海拔多年冻土，我国是世界上第三大冻土国，多年冻土主要分布在青藏高原，属于高海拔多年冻土[1]。

多年冻土的产生是地表与大气长期作用的结果，其自身的工程性质受温度变化影响[2]，低温多年冻土的工程性质良好，而高温、高含冰量冻土则极不稳定。就道路工程而言，由于填筑路基改变了原始地气间的换热条件，打破了多年冻土的平衡状态，造成路基下覆多年冻土退化，容易引起路基路面的不均匀沉降，影响道路的正常通行能力[3-4]。而在全球气候变暖与人类工程活动双重影响下，多年冻土退化速度也在加快，近年来热融湖塘、热融滑塌等不良地质灾害频发，对道路工程的稳定性与安全性构成了严重威胁。通过各类工程措施防治路基下覆多年冻土退化，成为多年冻土区路基工程设计、施工的关键。

本文对青海省二治公路改建工程进行了道路病害调查，对各类病害类型及其分布范围进行了统计，并对典型路面病害分析了成因，提出具体了改建整治措施。

1 多年冻土区道路病害

调查了青海二道沟—治多县公路改建工程118km范围内的道路病害情况(表1)。并对四种病害的典型路段分析了病害成因，并提出治理措施。

表1 路面病害统计

1.1 涎流冰

K320+900路段出现了长83 m，宽10 m，厚0.5 m的涎流冰，如图1所示。该处主要为富冰冻土路段，属于较差冻土工程地质路段(C类)，该路段大部分路基融沉起伏较大，病害为中等以上等级，融沉等级为Ⅲ级。原设计处理方式为：地面不清除表层植被，直接填筑0.8m的砂砾土，然后进行冲击碾压，顶面设置一层双向土工格栅塑钢，再采用粗颗粒土进行填筑。排水方式为道路右侧设置纵向盲沟，经集水池收集边坡渗水后，通过横向盲沟排出。

图1 涎流冰路段

病害成因：①该路段处于多年冻土区，路基经过反复冻融后，强度有所减弱，导致稳定性差；②山体渗水通过边沟底部渗入路基，再经过反复冻融后，导致路基出现不均匀变形；③路基的填筑与开挖，打破了多年冻土的平衡状态，导致多年冻土退化，冻土上限下移；④路基填土高度不足、路基排水不畅等因素也加剧了路基的融沉病害。

解决方案：①先修盲沟，做好路基排水，保证地表水和地下水不侵入路基，确保路基干燥，然后重新填筑路基、铺设路面；②采用填石路基，路基底部采用块石填筑，利用块石空隙大、过水性好的特点，使地下水通过块石路基排出路基范围，使路基保持干燥，降低冻融循环对路基稳定性的影响；③在路线右侧修筑盲沟，排除地下及地表水，采用片石通风路基。

1.2 沉陷

K360+354路段路面发生沉陷，沉陷面积约为37m2。该处路段主要为饱冰冻土，冻土工程地质路段等级为D类，部分路基沉降起伏较大，不均匀沉降变形很大，多数冻土病害等级为严重或很严重，融沉等级为V级。原设计处理方式为：原地面不清除表层植被，直接填筑0.8m的砂砾土，然后进行冲击碾压，顶面设置一层双向土工格栅塑钢，再采用粗颗粒土进行填筑，路基填筑高度为2.3m。

病害成因：(1)该路段位于多年冻土区，路基在反复冻融后，路基强度有所降低，导致路基稳定性差；(2)沥青路面的吸热效应与填筑路基增大了热阻，导致路基下覆多年冻土融化，冰变成水后体积收缩，加之融水排出，导致路基产生较大的融沉变形。

K379+551、K379+737路段存在大面积的融沉，沉降面积高达170m2。该路段多年冻土主要为富冰冻土，为较差冻土工程路段(C类)，路基融沉起伏较大，不均匀沉降变形较大，冻土病害大多数为中等及以上，融沉等级为Ⅲ级。

病害成因分析：①该路段位于多年冻土区，路基在冻融循环作用下，基体强度有所降低，稳定性变差；②路基施工过程中，施工工序衔接不紧凑，开挖后未能及时填筑块石，导致多年冻土融化，承载能力及稳定性降低，使得碎石填筑于软弱基层之上。

针对上述路段原设计处理方式为：对路基全幅进行超挖换填1.5m的碎石层，现提出以下解决方案：采用块石与热棒复合路基形式，路基底部采用块石填筑，利用块石的良好通风性能，加速多年冻土热量的释放，减缓下覆多年冻土的退化速度；沿道路两侧路肩布置热棒，提高下覆多年冻土层的冷储量，从而达到防治多年冻土退化的目的。

1.3 纵向裂缝

根据调查统计，全线路段共有36条纵向裂缝，以K319+180～K319+700段为例(图2)，该段存在多条纵向裂缝，裂缝宽度为3～20mm，深度达150mm，裂缝长度与裂缝宽度无明显变化。该路段属于较好冻土工程地质路段(B类)，路基融沉起伏小，沉降变形小，路基病害多为轻微—较轻，融沉等级为Ⅱ级。

图2 纵向裂缝路段

成因分析：①该路段处于多年冻土区，路基经过反复冻融后，路基强度有所降低，导致路基稳定性变差；②山体渗水通过边沟底部渗入路基，导致路基局部含水率增大，在反复冻融过程中，路基两侧出现不均匀沉降，引发纵向裂缝；③修筑路堤与开挖路基，导致多年冻土上限提升，加之路基填筑高度不够、路基排水不畅等因素，导致路基容易出现热融沉陷。

原设计处理方案为：填方高度H≥1.5m时，不清表碾，并在顶面设置一层双向土工格栅塑钢，其上路及填筑均采用粗颗粒土进行填筑；填土高度H<1.5m时,换填0.8m的粗颗粒土。K319+100～K319+340路段右侧设置纵向盲沟，经集水池收集边坡渗水后通过横向盲沟排出。

解决方案：①路基右侧设置保温盲沟，排出地下水，确保路基不受浸泡，重新填筑路基；②抬高路基填筑高度，提高路基承载力；③进行平面改线，路线向左偏移，利用原地基承载力较高的路段，并采取相应的地基处理方式。

1.4 横向裂缝

横向裂缝在全线的分布数量最多，共计有270条。如图3、4所示：裂缝宽度小于5mm的数量最多，共计237条，占到横向裂缝总数的87.8%；裂缝宽度介于5～10mm的共计28条，占比为10.4%；裂缝宽度大于10mm的共计5条，占比为1.9%。结合地质资料发现：对于一般路基而言，其横向裂缝宽度往往小于5mm；而裂缝宽度为5～10mm常出现在富冰冻土、多年冻土路段，裂缝宽度大于10mm的均发生在多年冻土路段。可见，地下冰含量越高的路段，路基融沉变形更大，路基路面更容易出现大裂缝。

图3 横向裂缝分布直方图

2 多年冻土区道路病害成因

多年冻土区路基病害多由路基融沉所引起，多表现为不均匀沉降、裂缝等，而造成路基融沉的因素包括很多[5-7]。

2.1 气候因素

环境温度可以影响多年冻土的发育情况，年平均温度为负温对多年冻土的发育是有利的，而全球变暖与局部地区升温则容易导致多年冻土退化。降雨、降雪也会影响多年冻土发育，雨水下渗的同时，也将地表热量带入地基中，另外，由于积雪的导热系数低于冻土，减少了空气向地层的冷量传入，也不利于多年冻土的发育。

2.2 地质因素

地表植被可以有效降低地表的吸热量，植被退化不仅导致多年冻土退化，还会引起地表荒漠化，引发更多次生灾害。地下冰含量与土质也会影响路基病害：冻土根据含冰量差异可划分为含土冰层、饱冰、富冰、多冰和少冰冻土，多年冻土退化引起的路基变形与冻土层含冰量具有正相关性；与以亚黏土、亚砂土等细颗粒土为主的路段相比，以砂砾、碎石等粗颗粒土为主的路段，难以发育形成高含冰量冻土，路基相对稳定。

图4 横向裂缝占比图

2.3 工程因素

高填方路基通过增大路基热阻，可减缓上部路基热量流入，延缓多年冻土退化速度；与窄幅路基相较，宽幅路基吸热效应更加显著，路中底部冻土退化速度更快；东西走向的公路比南北走向更容易产生阴阳效应；沥青混凝土路面吸热能力强，会加速多年冻土退化速度；路基坡面因太阳辐射差异，容易出现阴阳坡效应，导致路基沿横向出现差异沉降，产生纵向裂缝。

此外，地下水、地表水径流的水文因素以及人为扰动，同样也能引发多年冻土退化，导致路基出现融沉变形。

3 多年冻土区道路病害防治

3.1 多年冻土区路基设计原则

多年冻土区道路设计要因地制宜，往往遵循两项原则[8]：一是保护多年冻土的设计原则，即通过采取一系列工程措施，使多年冻土路基在服役期间长期保持冻结状态；二是允许多年冻土融化的设计原则，即在建设初期通过工程措施人为加速冻土融化，或是路基服役期间允许发生融化变形。一般来说，保护多年冻土设计原则适用于稳定多年冻土区，而允许融化原则适用于不连续、不稳定多年冻土区。

3.2 多年冻土区路基病害防治措施

工程上通过调节热传导、热对流与热辐射的方式调控多年年冻土路基温度场。常见的工程防治措施如下：

3.2.1 隔热保温路基

隔热保温路基是在路基内铺设一层隔热保温层，常用材料为EPS和PU板。主要利用保温材料的低导热性能来阻止路基上部热量的向下传递，从而抑制多年冻土上限下降，延缓冻土退化速度，保持多年冻土的相对稳定性[9-10]。而保温材料的选择、保温层的厚度、保温板的埋深与上部填土的压实度等因素应是隔热保温路基设计与施工的重点。

3.2.2 通风管路基

通风管路基利用通风管中空气对流，在暖季，可以将路基上部传递的热量带出，减少地表热流的向下传递；在寒季，低温冷空气对流可以降低路基温度，提高路基下覆多年冻土的冷储量，维持路基的热稳定性。而当采用通风管路基时，需要满足一定条件，只有当气温能够满足通风管的冻结指数大于融化指数的2倍时，才能保障通风管路基的冻结深度大于融化深度，起到保护多年冻土的目的，否则会适得其反[11]。

3.2.3 碎石路基

碎石路基的原理是：寒季空气温度低，冷空气密度大向下流动，通过块石层下沉至路基底部，在温差与密度差作用下，与块石体内空气产生对流，加速路基底部向空气散热，降低路基温度，达到保护多年冻土的目的[12]。暖季环境温度较高，路面与坡面以热传导方式将热量传递至路基中，而热空气密度小，仅停留在块石层上部，基底冷空气则位于块石层下部，二者之间不会发生对流，而空气的导热系数极小，热交换速率极低，从而保护下覆多年冻土，人为促使冻土上限抬升。

3.2.4 热棒路基

热棒以其传热效率高、无能耗、单向传热、启动温差小等特点，在青藏铁路、青藏公路、输变电塔基以及隧道防护工程中被广泛应用[13-14]。它是一种气液两相闭式热虹吸管，利用工质(氨)的气液两相对流循环将路基下覆多年冻土的热量置换到空气中。热棒在气温低于地温时，发挥制冷作用，使地基冷却降温；气温高于地温时，不会向地基传递热量而升温，因此，热棒可以降低冻土路基地温，达到保护多年冻土、抑制冻土融沉变形的作用。

此外，还有像块石—通风管、热棒—隔热层等复合式路基[15]，这类工程措施在调控路基温度场、防治多年冻土退化方面同样具有良好的表现。

4 结论

(1)多年冻土区道路病害十分普遍，主要以路基不均匀沉降、裂缝等热融沉陷问题为主，病害成因复杂，主要是由于气候与工程因素导致多年冻土退化引起。

(2)多年冻土退化引起的道路融沉变形是道路设计、施工与养护全生命周期都要重点考虑的问题。就道路改建工程而言，设计阶段要明确既有路基路面病害的主要类型及成因，本着“因地制宜、经济合理”的原则，对改建道路进行设计与优化；施工阶段要严格控制施工质量与施工进度；运营期间也是道路病害的多发期，需要加强对多年冻土与环境的监测，做到“早发现，早处理”，加之采取适当的工程防治措施，以保障多年冻土道路的稳定性。