公路工程施工冻土处理技术研究

唐熊键

（安顺公路建设养护有限公司，贵州 安顺 561000）

0 引言

冻土是指温度低于或等于冰点至少两年、部分或全部含冻的土壤和岩石。由于气温和季节的变化，冻土的性质也会发生变化，公路工程施工在冻土地区面临诸多挑战。冻土不仅对施工过程产生影响，还会对公路的长期稳定性和安全性造成威胁。因此，研究如何处理冻土，提高冻土地区公路工程的施工效率和公路的使用寿命，已经成为公路工程领域的重要研究课题。在过去的几十年中，冻土处理技术研究取得了显著的进展，但由于冻土的复杂性和多变性，目前仍然存在一些问题。因此，需对冻土处理技术进行深入研究，探索其在公路工程中的应用，以及未来的发展趋势[1]。

1 冻土的性质和类型

冻土是一种特殊的土壤状态，由温度低于或等于冰点至少两年、部分或全部含冻的土壤和岩石组成。基于其持续存在的时间和稳定性，冻土可分为两种基本类型：季节性冻土和永久冻土。季节性冻土主要在冬季冻结，随着夏季气温的上升而融化，具有较明显的季节变化特征。永久冻土则在全年都保持冻结状态，其温度低于冰点，并能持续两年以上。

季节性冻土和永久冻土的存在对公路工程的影响是显著而不同的。在永久冻土地区，公路建设需对土壤进行保温处理，防止土壤在暴露于温暖环境后发生融化，这可能引发土壤稳定性下降，进而导致公路基础的破坏。在季节性冻土地区，公路则需要设计出能够有效应对冬季冻胀和夏季萎缩的措施，以保持路基的稳定性。

冻土的物理性质对施工工程的影响较大。冻土的强度、压缩性、热导率、湿度和水分含量等因素都将影响到冻土的处理方式和公路最终的稳定性。

热导率是冻土物理性质中的一个重要指标，它影响了冻土融化和冻结的速度。高热导率的冻土在温度变化时，冻结或融化的速度较快，这对于季节性冻土地区的公路工程来说，可能导致冬季冻胀和夏季萎缩的问题更加严重。

湿度和水分含量则影响了冻胀和融解的程度。当土壤含水量过高时，冻胀的程度将增大，这可能引发公路路面的开裂和破损。相反，如果土壤的含水量过低，那么在冻结过程中，土壤将更容易出现裂纹，这对公路的稳定性也是不利的。

综上所述，冻土的性质和类型对公路工程的设计和施工具有重大的影响。因此，对冻土的深入研究和了解，对于提高公路工程的质量和使用寿命具有重要的价值。

2 冻土处理的基本方法和策略

2.1 物理方法

物理方法是处理冻土最常用的方法之一。在冻土处理中，物理方法主要通过改变冻土的物理状态来改善其性质，从而提供稳定的土壤条件。物理方法具体包括改善排水、改善绝热和改变温度条件三种方法。

改善排水是控制冻土性质的关键因素之一。在公路工程中，可以合理设计排水系统，通过设置排水沟和排水管，将冻土中的水分迅速排除，减少冻胀的风险[2]。

改善绝热是另一个重要的物理方法，其目的是减少地表热量的损失，降低土壤温度波动，防止冻土的过度融化。改善绝热的方法可以采用多种手段。一种常见的方法是使用绝热材料，如泡沫塑料板、绝热毯等，覆盖在冻土表面以减少热量的传导和辐射损失。另外，种植植被也可以起到一定的绝热作用。植被可以形成覆盖层，减少土壤表面的直接日射和风力冷却效应，从而减缓土壤的温度变化。

改变温度条件是物理方法中的一个重要方面。具体的方法包括采用加热设备进行人工加热，或者通过冷冻设备将土壤温度降低。在公路工程中，可以使用加热设备如加热棒、地源热泵等来提高冻土的温度，加速冻土的融化过程。而在需要保持冻土的情况下，可以使用冷冻设备如冷却管、制冷系统等来降低土壤温度，延缓冻土的融化[3]。

2.2 化学方法

化学方法是处理冻土的一种有效手段，通过添加化学物质来改变冻土的物理性质。在冻土处理中，常用的化学物质包括盐类和乳化剂。

盐类是常用的化学改良剂之一，其作用是降低土壤的冻结温度，减少冻胀现象。盐类可以改变水分的冻结特性，使土壤中的水分在较低温度下形成高浓度的盐水溶液，从而降低冻土的融化点。常用的盐类包括氯化钠、氯化钙等。在公路工程中，可以在冻土中适量添加盐类，以降低土壤的冻结温度，减缓冻胀的程度。然而，需要注意的是，盐类的使用应控制在一定范围内，以免对周围环境造成污染。

乳化剂是一种常用的化学改良剂，其主要作用是改善土壤的结构，增强土壤的稳定性。乳化剂可以改变土壤颗粒之间的相互作用力，促进土壤颗粒的结合和团聚，从而提高土壤的强度和稳定性。常见的乳化剂包括乳化沥青、聚合物乳化剂等。在公路工程中，可以使用乳化剂对冻土进行处理，改善其力学性能，增加土壤的承载能力和抗冻性能。

2.3.2 护理质量改进内容 护理质量改进素材获取途径用“加、减、乘、除”表，即，“加”是把外行业成功的质量管理元素加入护理工作中;“减”是如何减少护理工作中常犯的错误;“乘”是摆脱传统观念束缚的超越思维，创新护理工作模式和方法;“除”是剔除司空见惯、无效的护理工作程序。如护理工作流程的重建，护理工具的改革，护理措施的改进等。

2.3 生物方法

生物方法是一种新兴的冻土处理方法，利用微生物等生物手段来改变冻土的性质。生物方法具有环保性和可持续性的优势，在冻土处理中具有潜力。

特定的微生物可以产生抗冻蛋白，这些蛋白能够降低土壤的冻结温度，这种微生物可以在冻土中生长和繁殖，通过其代谢产物改变土壤的物理特性，减少冻结的程度。此外，一些微生物的代谢产物还能改善土壤的结构，增强其稳定性。例如，某些微生物可以分泌黏多糖物质，促进土壤颗粒之间的结合，增加土壤的黏聚力和抗剪强度。

尽管生物方法在冻土处理中的研究还处于初级阶段，但其潜力巨大。生物方法具有较低的环境影响，可以与自然系统更好地协同，同时具备可持续性和可再生性的特点。然而，生物方法的应用还面临一些挑战，如微生物的选育和应用技术有待进一步的发展。因此，在实际应用中，还需要加强对微生物的研究，优化生物方法的处理方案，以实现更好的冻土处理效果。

在公路工程中，处理冻土的策略应根据冻土的类型和性质、施工条件以及环境因素等多个方面综合考虑。针对季节性冻土，可以采取改善排水、改善绝热和降低冻结温度的措施，以减小冻胀的风险。对于永久冻土，应注重保持冻土的温度稳定，防止过度融化，以维持土壤的稳定性。具体的处理策略需要根据地质调查结果、施工条件、环境影响评价等综合因素进行科学决策，确保公路工程在冻土地区的安全和可持续发展。

3 最新的冻土处理技术在公路工程中的应用

随着科技的不断发展，人们不断探索和研发新的冻土处理技术，以提高公路工程在冻土地区的施工质量和效率。最新的冻土处理技术有纳米技术、高性能绝热材料、新型化学添加剂和冻土处理机械化。

3.1 纳米技术

纳米技术是近年来迅速发展的一种新兴技术，通过对材料的微观结构进行精确控制，可以改变冻土的性质。在冻土处理中，纳米技术可以应用在多个方面。例如，利用纳米颗粒可以改善冻土的强度和热导率。通过添加纳米氧化铝或纳米碳纤维等纳米材料，可以增强冻土的力学性能，减小冻胀和融化的影响。纳米技术还可以用于改善冻土的抗压性和抗剪性能，提高冻土的稳定性。然而，纳米技术在冻土处理中的应用仍处于研究阶段，需要进一步的试验和工程验证。

3.2 高性能绝热材料

高性能绝热材料是另一种新型的冻土处理技术，可以有效地阻止永久冻土的融化。这些材料具有较高的热阻和较低的热传导率，可以减少冻土中的热量流失，降低土壤的温度波动。例如，气凝胶和聚氨酯泡沫等高性能绝热材料可以作为路基的保温层，减少热量的传导和辐射，从而减缓冻土的融化速度。这种技术可以有效延长公路的使用寿命，减少维护成本。然而，高性能绝热材料的成本较高，需要进一步降低成本，才能提高在公路工程中的应用效率。

3.3 新型化学添加剂

新型化学添加剂是一种通过改变冻土的化学性质来改善其物理性质的技术。这些添加剂可以影响冻土的冻结温度和力学性能，从而减小冻胀的影响。例如，超塑化剂和防冻剂等化学添加剂可以降低冻土的冻结温度，改善其工作性质。超塑化剂可以改善冻土的可塑性和流动性，便于施工操作。防冻剂可以改变冻土中水分的冻结特性，降低冻土的融化点。这些化学添加剂的应用简单，效果明显，但需要对其造成的环境影响进行评估和控制。

3.4 冻土处理机械化

冻土处理机械化是利用现代机械设备进行冻土处理的一种新技术。传统的冻土处理通常依靠大量的人工劳动和时间，效率较低。而冻土处理机械化可以通过使用挖掘机、加热设备、冷冻设备等先进设备，实现对冻土的快速处理。这种机械化处理技术能够大大提高施工效率，减少施工时间，降低人力成本[4]。

综上所述，最新的冻土处理技术在公路工程中的应用为公路工程在冻土地区的施工提供更多的选择。这些技术能够改善冻土的物理性质，提高公路工程的施工质量和效率，同时延长公路的使用寿命和降低维护成本。然而，这些新技术在实际应用中仍面临一些挑战，如成本、环境影响等，需要进一步研究和解决。

4 公路工程施工冻土处理技术面临的挑战和发展趋势

冻土处理技术在公路工程中的应用面临着一些挑战和制约因素。

4.1 复杂多变的冻土性质

冻土性质受到土壤类型、含水量、温度等多种因素的影响。冻土的物理特性和工程行为在不同的地理环境下有所不同，这就需要针对特定的情况来进行处理和设计。因此，对冻土的物理特性的理解和模拟是至关重要的。未来的发展趋势是更深入地研究这些物理特性，以及它们如何影响冻土的工程行为。例如，科学家可能使用更高级的模拟技术来预测冻土在不同条件下的行为，或者开发出更有效的方法来处理特定类型的冻土。

4.2 经济性和环保性的平衡

在冻土处理技术的实际应用中，成本和环境影响是两个重要的考虑因素。有些新的冻土处理技术可能非常昂贵，或者可能对环境造成负面影响。例如，一些技术可能需要大量的能源来加热或冷冻冻土，这既昂贵又可能导致温室气体的排放。因此，寻找一种既经济又环保的冻土处理技术是一个重要的挑战。未来的发展趋势可能是通过技术创新来降低成本和减小环境影响。例如，科学家可能开发出新的低能耗技术，或者找到更环保的冻土处理方法。

4.3 气候变化的影响

全球气候变暖导致冻土地区的冻结和融化过程发生变化，这对冻土处理技术提出新的挑战。因为冻土的稳定性和工程行为是由其温度和含水量等因素决定的，因此气候变化可能影响冻土的性质，使得现有的冻土处理技术变得不适用。未来的发展趋势可能更深入地研究气候变化如何影响冻土的性质和行为，以及如何应对这些变化。例如，科学家可能开发出新的模型来预测气候变化对冻土的影响，或者找到更适应气候变化的冻土处理技术。

4.4 跨学科研究的重要性

冻土处理涉及地质学、土壤学、工程力学等多个学科领域。为了更深入地理解冻土的性质和行为，需要各个学科领域的专家进行合作。未来的发展趋势是需要加强这些学科间的合作，通过跨学科的研究来共同解决冻土处理的难题。

4.5 可持续发展的方向

在冻土处理技术的发展中，可持续性是一个重要的考虑因素。这包括考虑新技术的环境影响，以及它们是否可以持续地使用。例如，一种理想的冻土处理技术应该是低能耗的，不会对环境造成太大的影响，并且能够在长期内有效地处理冻土。未来的发展趋势可能是开发出更多的可持续冻土处理技术，例如使用可再生能源来加热或冷冻冻土，或者利用生物技术来稳定冻土。

5 结语

冻土处理技术在冻土地区的公路工程施工中占据至关重要的地位，当前的技术在一定程度上已经取得显著的成果。然而，鉴于冻土的复杂性和变异性，仍需不断地深化研究，对现有技术进行适应性的改进和优化。

随着科技进步和新技术的不断涌现，有理由相信未来的冻土处理技术将具有更高的效率、更经济、更符合环保要求。在这个过程中，必须认识到气候变化可能对冻土地区产生深远影响，给公路工程带来前所未有的挑战。因此，冻土处理技术的研究不应仅限于技术层面的进步，还需要着眼全球环境变化的大背景、大环境，需要对气候变化的影响有深入的理解，并将其考虑到研究和解决方案中。

以新的视角审视和理解冻土处理技术，为冻土施工提供新的思考方向和开辟新研究方法，或许能够取得不一样的研究成果。