冻胀土在道路工程中的影响与治理策略研究

彭亚强

（中铁十二局集团国际工程有限公司，天津 300000）

0 引言

在北方严寒季节，道路工程区域地下水文地质条件的变化会导致道路工程桥涵和公路路基的冻胀现象。这种现象表现为道路翻浆、路面局部沉陷或开裂、桥涵基础结构上提或裂缝、路面基桩上抬或墩部断裂等，严重危害道路工程，影响后续项目投入应用、公路交通安全和经济发展。因此，工程技术人员需要针对冻胀土在道路工程中的影响，研究相应的治理措施，采用合理的策略规避冻胀土对道路工程造成的风险。

1 冻胀土形成的因素及特性

1.1 冻胀土形成的因素

第一，水分含量大。冻胀土中的水分含量越大冻胀性就越强。在冻结过程中，土层周围水分补充越及时其冻胀性也会越强。

第二，周围温度低。随着土层周围温度的下降，冻胀土的冻结速度会随之加快，与此同时，冻胀土层内的冰体量也会不断增加，冻胀土的冻胀强度会随温度的降低而增大，即冻胀土的冻结速度越缓慢，其所需的冻结时间会越长，冻结程度也随之越强。

第三，通常情况下，道路工程外部的承压能力越大，冻胀土的冻胀性会越小。在常见的道路工程建设中，大跨径桥涵基础的冻胀现象较少，是因外部抗荷载能力强，能够有效抑制冻胀土的产生，甚至可消除冻胀现象。

1.2 冻胀土的特性

在严寒的气候条件下，土中的原有孔隙充满水分，且由外部环境中向冻胀土补充和迁移的水分会随着冻结时间的延长和温度的降低逐渐凝结为冰，在冻土中形成冰晶体，随着冰晶体的膨胀，冻胀土的土颗粒会产生移动和拥挤的现象，进而引发土体膨胀。从外部角度来看，冻胀土的表面会形成大小不一的开裂或鼓包，待气温回升，会产生明显的下沉现象，随着冰晶体的融化，道路工程的路基部位会出现翻浆或路面开裂现象，个别部位还会出现隆岗、冻胀丘等问题。由此可见，冻胀土具备水分充足、负温度性、土颗粒位移等特性，致使土体产生膨胀现象。其中，水分是冻胀土形成最为基本的条件，其常以冰晶体的形式存在于冻胀土中[1]。

2 冻胀土对道路工程的影响

2.1 对桥涵基础的影响

第一，由于冻胀土膨胀产生的冻胀力使得桥梁基础产生位移和上拔，气温回升冻胀土层内的冰晶融化，其含水量大幅增加，会致使冻胀土内水分达到饱和状态，软化土层。然而，因冻胀土颗粒的排水能力极差，致使水分大量外溢，造成道路工程桥涵基础下沉，导致桥涵基础结构发生严重变形。随着桥涵基础下沉程度的加大，道路工程的路基会越发不稳定，其表现为路基表面开裂或呈波浪形起伏。

第二，在工程施工的过程中，若道路工程涵洞内的积水未被及时清理，或者积水浸泡时间过长，会导致涵洞内部的热量经由涵洞表面渗入冻胀土层，使冻胀土层融化，以致涵洞基坑逐渐下沉，承载力降低。在涵洞地基的活动层，涵洞表层与涵洞之间的稳固性无法得到保障，其主要表现为两者间的混凝土强度不足，无法抵御冻胀土融化后所产生的受力，严重时会导致涵洞涵台部位开裂[2]。

第三，铺砌层遭到破坏。通常情况下，公路工程建设中的铺砌层对冻胀土作用下的融沉承载力较低（见图1），具体表现为当铺砌层发生损坏时，其表层会出现渗水现象，渗漏的水分会逐步扩散至冻胀土层中导致冻土融化，引发工程区域的土体发生整体下移现象，使得道路工程地基的承载能力降低，道路工程中运用的基础基桩、涵洞等也会随之下沉，致使道路工程路基的整体稳定性无法得到保障。

图1 冻土的融沉、翻浆

2.2 对公路路基的影响

2.2.1 冻胀

土体产生冻胀的主要原因通常是在严寒天气条件下，周边未冻结土层中的水分向冻结区域土层聚集并产生迁移，与此同时，在负温的作用下，土层中的水分逐渐凝结为冰晶体，其中结合水的最外层也逐步冻结，随着冰晶体体积的逐渐膨胀，土层中的土颗粒所能结合的水膜会变薄，土颗粒会产生剩余分子引力。另外，由于土颗粒所结合的水膜变薄，导致水离子产生的渗附压力变强，在这两种作用力的相互作用之下，土层下卧层未被冻结处的水膜结合水便会在作用力下逐渐被吸附到水膜较薄的区域，此区域土层的冻结速度随之加快，冰晶体的体积也逐渐膨大。而未冻结区域的水分会在作用力下继续向冻结区凝聚和迁移，随着冰晶体的扩大，逐渐形成夹层，最终导致土体表面发生隆起，形成冻胀。

2.2.2 翻浆

翻浆是指在严寒地区道路工程建设中，冻土层的水分会发生连续上涌并形成聚流，进而在低温作用下冻结成冰，待气温回升冰层融化，土层表面的水量会急剧增加，反之土层的承载力下降，在车辆荷载作用下，道路路面会发生裂缝、冒泥等现象，进而形成翻浆。

2.2.3 融沉

融沉是冻胀土区域主要的危害形式之一，多发生在含冰量较大的黏性土层，当路基底部冻胀土层上部的路堑边坡处分布有埋藏位置较浅的冰层时，冰层多会因人为作业或施工操作等原因产生局部融化，冰层融化后，上部土层会在外部作用力下沉陷，严重时会导致道路工程施工路基发生形变，其多表现为路基形变下沉、路堑边坡下滑或路基侧面路肩位置开裂等，且这种损坏常伴有周期性的持续、大面积发展趋势[3]。

2.2.4 冰害

冰害多发生于冻土尤为严重的地区，冰害的成因主要是道路工程开挖过程中，暴露于地面的地下水自路堑周边沿边坡流出，并在负温的作用下逐渐结冰，导致路基路堑位置逐渐积冰，随着冰层厚度的逐渐积累，会在一定程度上对工程进度造成阻碍。

3 对冻胀土危害的防治措施

3.1 加强对桥涵基础的科学规划

对道路工程的桥涵基础建设而言，其结构基础和预埋尺寸必须由工程技术人员进行科学测算，并依据当地的水文地质特征和气候条件对冻胀土层的特性进行测定，以有效规避冻胀土对桥涵基础建设的影响，其结构物两侧的回填工作以及后续的维护操作也要有效避免冻胀土的影响。

另外，在桥涵基础的勘测阶段，工程技术人员要根据当地的水文地质特征科学选址，保障桥涵基础设计符合工程建设的相应标准。

同时，结合对冻胀土区域勘测数据的科学分析，有效设置桥涵基础的预埋深度等参数，并将误差控制在合理范围内，尽可能地将冻胀土对桥涵基础建设的影响降到最低，在规划桥涵基础排水设施的过程中，工程技术人员要科学做好防排水相关措施，定期检测并严格控制各个出排水管道的质量及通畅情况，有效减少后续的维修工作，节约工程成本，尽量减少工程施工区域周边水源对冻胀土区域的给水[4]。

3.2 采用合理手段加强对道路路基的治理

3.2.1 增加冻胀土路段的路基高度

增加冻胀土路段的路基高度可以明显减少冻胀土区域地下水的迁移和聚集现象。通常情况下，在地下水位较高时，由于负温的作用，地表水流容易聚集并产生冰层，同时，地下水在冻胀土的作用力下集聚在夹层中，因温度降低而形成冰层，致使冻胀土层厚度增加，待气温回升，会对道路工程建设产生更大的危害，对沥青道路工程的危害更大。

因此，在工程建设过程中可采用增加沥青道路路基高度的方式，以有效规避下沉、翻浆、融沉等现象，延长道路使用寿命，保证道路投入使用后的稳定性和安全性。

3.2.2 换土、排水及隔水

在道路工程建设过程中，采用换土的方式，可以有效规避冻胀土的形成。另外，采用排水及隔水的方法可以有效隔绝地表水或土层下部地下水上聚而形成的水流，避免水流在负温作用下形成冰层对工程建设造成阻碍。其具体措施包括：

第一，采用修建排水沟、排水槽等方式排出地表水。

第二，由工程技术人员挖好道槽，架设盲沟，铺设排水管道，再替换渗水性土壤。

第三，通过截水明沟或暗沟实现排水，并采用聚苯乙烯薄膜或薄板阻隔土层上表水的迁移和聚集[5]。

3.2.3 抛石护坡、护道

抛石护坡、护道是一种常用的冻胀土路基稳固和安全性保障措施。护坡、护道内的碎石缝隙间由于空气的对流，可以形成天然的循环，有效防止外界热量的进入和传导。这些空气流通通道可以保持路基地下温度的恒定，形成天然的阻隔屏障，使路基地下的冻胀土保持稳固性。在炎热的夏季，抛石护坡、护道可以发挥出更好的作用，确保道路施工建设的顺利进行[6]。

3.3 施工技术措施

3.3.1 天然土保温

天然土保温是一种常用的冻胀土路基稳固和安全性保障措施。该方法利用自然土适当提升路基的填土高度，降低冻胀土对工程建设的破坏影响。由于该技术成本较低，因此在工程建设中运用较为普遍。在常年冻胀土区域，平均地表温度低于-1.5℃时，技术人员通常会采用加高路基的方法以保证路基的整体稳固性和安全性。但对于地表温度高于-1.5℃的冻胀土区域，采用加高路基的方法无法保证路基的稳定性。因为道路路基区域的地表温度受太阳辐射及地表湍流等热交换的影响，路肩及边坡位置会呈现阴面和阳面温度差较高的情况。在气温回升的情况下，路基阳面的融沉现象就会比阴面的融沉现象更为剧烈，严重时可能还会出现路基下沉或下滑的现象。

3.3.2 主动降温技术

在冻胀土地段的道路工程建设中，工程技术人员可以采取多种主动降温技术来降低冻胀土的破坏影响。

首先，针对环境条件相对稳定的冻胀土地段，可以在采取抛石护坡、护道措施的前提下，使用热棒制冷技术。该技术可以利用其中的液气转换和循环技术实现冻胀土层中热量的传输，不仅具备热量传输效率高、热传输能力强、传热温差小、恒温性能好以及单向传递等优良特点，且施工费用低，可以有效节省经济成本。热棒结构由一根密封钢管添加液态氮组合而成，在温度的作用下，液态氮会在冷凝段与蒸发段之间发生气态和液态之间的状态转化，通过往复传输可以将热量传递到冻胀土层区域的大气中，降低冻胀土的地表温度，防止冻胀土层内冰晶体的融化。

其次，针对环境条件极不稳定的冻胀土地段，可以以传统的桥梁结构代替道路结构，修建可以直接跨越冻胀土地段的道路工程同时可以依据工程建设方案适当规划工程里程，以保证工程投入使用后的效果和便捷性。

最后，根据情况在工程建设的路基中埋设工程专用的工业保温层或通风管，特别是桥涵工程，可以采用桩基来提升路基的稳定性[7]。

4 结语

综上所述，在道路工程建设不断推进的时代背景下，针对冻胀土在道路工程中的影响，工程技术人员应科学分析冻胀土的成因、特性及危害，并积极寻求更为有效的治理策略，在道路工程建设中采取多种主动降温技术，以保障我国道路工程建设稳步健康发展。