多年冻土区公路路基病害分析与处治措施研究

文 / 魏志远

引言

冻土主要是指内部含有冰，且温度在0℃以下的土岩，内部包含由冰夹层和胶结冰构成的塑性冰包裹体、液态水和薄膜状结合水构成的未冻水、气态成分，整体表现为多相非均匀颗粒结构，一般可以将冻土分为多年冻土和季节性冻土两大类。多年冻土主要分布于中国、美国、俄罗斯、加拿大等区域。冻土面积占据了我国国土面积的30%以上，分布于青藏高原地区、大兴安岭等。随着我国基础建设的不断扩增，冻土区资源的利用开发活动已经不断加剧，如输油管线、铁路隧道、南水北调、青藏铁路等工程。但是冻土结构的复杂地质特性对于我国的寒区经济建设造成了极大的阻滞，其中路基病害是多年冻土公路中常见的形式，技术人员需要对多年冻土公路路基病害进行原因分析，制定针对性的处治措施，为将来的多年冻土区域基础建设提供技术依据。

一、冻土工程地质特性

冻土工程地质主要具备以下三个特性：首先是冻胀融沉性。冻土结构具备热胀冷缩的性质，冻土内部的水一旦发生结冰现象，就会造成冻土结构的膨胀；当冻土内部的水从固相转变为液相时，冻土又会发生下沉。其次是冻土表现为热稳定性，多年冻土热稳定性重要指标是冻土土体温度，一般采取年平均地温进行表示。多年冻土的蓄冷量随着年平均气温的降低而增大，继而表现为较高的热稳定性；多年冻土的蓄冷量随着年平均气温的升高而降低，此时表现为较差的热稳定性。冻土对于外界环境具备较高的敏感性。多年冻土结构中埋深较浅的高含冰量冻土往往发育较为完整，其对于外界气温的变化敏感性强，如果周围气温增加，会对冻土造成热侵蚀；植被退化、人为干扰等生态环境的破坏也会导致冻土过多的吸收太阳辐射而造成冻土地温的变化，最终引起冻土的热稳定性丧失。

二、多年冻土路基主要病害形式

多年冻土路基沉陷是常见的病害形式。多年冻土结构中存在的高含冰量冻土和厚层地下冰往往伴随着天然上限附近的细粒土。考虑到这部分结构埋深较浅，极容易受到生态、水文地质条件、气候、人为干扰等因素的影响发生融化，会造成天然上限下降，冻土结构在自重作用下产生融沉现象。公路建设中的路基开挖、路堤修筑等活动对冻土结构中的保护层会造成破坏，如果此时路基高度欠缺、排水设施不完善，就易造成路基沉陷。一些融区附近的多年冻土具备外界环境的高敏感性，路基不均匀变形在交界处极易发生，继而影响冻区公路行车的安全和运营。相关数据研究资料表明，新疆高速公路沿线附近大面积出现了路基不均匀变形，局部路段的沉陷深度超过了30cm，当路基不均匀变形病害发展到一定程度时，便会表现为波浪病害。波浪病害和冻土特征之间具备较为明显的关联。图1结果表明，多年冻土含冰量和地温、波浪病害之间的关系基本上和多年冻土地温和含冰量、路基沉陷病害之间的关系保持一致，这表明路基波浪的形成主要归因于路基不均匀变形。值得注意的是，波浪变形并不一定只发生在寒区，公路施工中选取的路基填料质量欠缺也会造成路基在较大温差变化下的冻胀融沉。

路基滑坡也常常出现在多年冻土区。公路路前的施工开挖会导致冻土暴露于空气当中或埋深变浅，冻土内部的固相开始融化，强度快速下降，如果此时没有额外的防护措施，便会造成公路路前的边坡失稳、下滑。在一些具备较厚深度地下冰的冻土区域，公路路基的施工也会破坏既有的冻土热力平衡现状，引发热融滑坍。这种现象主要发生于一些高度欠缺的低填方区域。除此之外，路基冻胀、翻浆等现象也经常出现。路基结构中的水分在低温环境下结冰膨胀，造成路基的冻胀不均匀，引发路基变形开裂，随着温度升高，路基中的冰体出现融化，造成水分过多，且渗流困难时，路基则会在外力作用下造成坍滑、路面冒泥翻浆等灾害。路基裂缝的产生则主要是在一些阴阳坡中冻土人为上限横向失稳、路基温度场不对称，继而引发不均匀沉降，此时路基路肩部位、表面等结构经常出现纵向裂缝，其宽度一般在10mm左右，长度可以达到几十米，对路基整体稳定性具有较大威胁。

三、多年冻土地区公路路基病害影响因素

公路路基在多年冻土区的病害主要受外因、内因两大因素影响。内因是年平均地温较高区域内高含冰量冻土的存在，外因则是太阳辐射、气候变化、人为干扰等活动导致冻土受到影响。内因导致的土体冻胀融沉主要与冻土内的温度、应力、水分密切相关。冻土由气体、未冻水、土颗粒、冰晶等多相材料构成，其力学特性具备多介质的综合影响，在外界荷载作用下，其内部各组份分别承受不同荷载，随着作用时间的不断延长，冻土内部的应力随着组分的变化而不断发生重组，随着夹层的解冻，冻土会发生融沉变形，而气温一旦下降，冻土结冰则会造成冻胀病害。

外因中的土基质松散特性也会影响土体冻胀强度。寒区多年冻土路基的土结构一般为粉质粘土、粉质土、砂质土，其中毛细水上升速度在粘性土等颗粒粒径较小的土体中十分明显，较高的毛细水上升水位会引发严重的冻胀危害。对于砂质土，因其毛细水现象较少，空隙率大等特点，极难形成冻土病害。水分在路基冻土病害发展中起重要推进作用。这主要归因于水分在路基中随时间不断迁移，冻土区存在充分的水源是路基翻浆和冻胀的主要原因，路基内部含水量的提升即会造成地下水位不断提升，继而引发路基的病害。另外，冻胀和翻浆并不一定只在一定的冻结深度和冰冻之下才能够发展，如果外界温度足够低，过高的冰冻速率也会造成冻胀、翻浆的形成。路面破坏形式是路基病害的主要表现，公路路面铺装对于路基破坏具有重要影响，一般路面黑色沥青的施工在遇见较高的太阳辐射情况下，即会造成温度骤升，路基会出现融化沉陷。在一些交通流量较大的区域，如果重车比例较大，路面翻浆病害则会愈加明显。

四、多年冻土公路路基病害处治技术

对于多年冻土地区的公路路基病害防治技术主要有常见的高温路基、保温板路基、通风路基、热棒路基、保温护道等。不同的处治技术具有不同的应用特点，针对性的选择合适的路基病害防治技术具有十分重要的社会现实意义。保温隔热层路基主要是在一定的路基施工高度下，采取新型工业特性的施工材料，有效避免环境热量的向下倒入，扩大路基的热阻的一种结构形式，该路基形式能够延缓冻土过快的发生融沉，达到保护冻土的作用，公路施工中经常采取聚苯烯塑料泡沫板作为路基的填充材料，并且需要适当提升路基的修筑高度。

此外，通过优化路基内部、边界的换热对流情况来改善路基的稳定性也可以开展以下措施。首先是采取人工冷却装置-热棒，利用仪器内部液气相的循环来实现路基内部热量的排出，最终达到路基的冷却目的。在严寒季节可以将热棒对空气中的冷量进行采集，对多年冻土进行传输冷冻，提升稳定性；在热季，环境温度往往高于冻土温度，此时利用热棒的液气平衡系统吸收环境热量，保证过多热量难以有效到达冻土内部，保证其结构完整性。路基结构的碎石通风化设置能够充分发挥路基的透气性，碎石路基内部存在着较大的孔隙结构，这加强了冷热空气之间的自由对流和热量交换，以此实现冻土上限的热平衡，也可以在路基内部隔一定的距离设置相应尺寸的圆管来构造通风管路堤，实现地基的冷却。

改善公路界面反射率来降低太阳辐射的吸收，实现冻土地温的保护，此时可以采取遮阳板来对路堤进行必要的遮挡。这能够避免路堤堤身和路基直接面临太阳辐射，达到冻土的保护。在遮阳板上一般涂刷一些高反射性的油漆，这样能够提升反射率。

结语

尽管我国对于多年冻土路基的研究已经相对丰富，但是如何更有效地进行冻土的防治仍就需要多方努力。在寒区多年冻土的处治上，技术人员需要充分结合当地工程地质特性，对周围气候环境、地质水文条件、人工干扰等多因素进行分析，继而针对性提出优化措施，确保冻土寒区公路建设的稳定安全。