浅谈冻土对路基的危害及防治

摘要：随着社会的发展，路基工程越来越受到人们的关注，但是在路基工程的建设中也会受到很多外界因素的影响，本文主要是分析冻土对路基的危害及防治。

关键词：冻土；路基；危害；防治

中图分类号：TU445文献标识码： A

引言

冻土是因为土中水分在零摄氏度或以下温度冻结，与土体凝结成为整体而成。冻土在我国分布广泛，约占国土面积的75%，其中分布在青藏高原、东北大小兴安岭北部、天山等地区的多年冻土占22%左右。冻土由于其低温、易变、温度敏感性高等特殊的工程性质，在冻土地区修建公路、铁路时容易产生路基下沉、凹陷、翻浆、冻胀及路面开裂等病害，严重威胁行车安全。如何解决好冻土地区道路工程的冻害，保证工程的稳定性和安全运营已刻不容缓。

1、冻土的地质构造

多年冻土的表层,暖季融化,冷季冻结,称之为季节冻融层。在天然条件下形成的上限称为天然上限,经过人为活动形成的新上限称为人为上限。多年冻土按垂直构造情况可分为:多年冻土上限和季节冻融层衔接的多年冻土;多年冻土上限和季节冻融层不衔接的多年冻土。多年冻土按平面分布情况可分为连续多年冻土和岛状多年冻土。

通过多年的研究和实践逐渐摸索出,对于不同的地质构造分别采取保护多年冻土或破坏多年冻土的原则。应采取:在尽量保护多年冻土的前提下,对于多年冻土上限和季节冻融层不衔接的多年冻土,且季节冻融层较薄,多年冻土上限较深的可以破坏,其余则应予以保护不应破坏的设计理念。

2、冻土对路基的危害

2.1、地基土的冻害机理及影响因素

地面以下一定深度土壤的温度随大气温度变化而变化。当空气温度低于零摄氏度时，土体中的水分因冻结而形成冻土，伴随着土体体积膨胀，发生冻胀现象。在土体周围温度低于零摄氏度时，空气负温传入土体，未冻区土中的水分向已经冻结区域扩散、迁移，进而冻结形成冰晶，体积增大，表现为土体体积膨胀。当土层解冻时，土体中聚集的冰晶融化，体积变小，土体颗粒也随之下陷，表现为融陷现象。土的这种随着季节冻胀和融陷的特征，也叫做土的冻胀性。

地面以下一定深度土壤的温度随大气温度变化而变化。当空气温度低于零摄氏度时，土体中的水分因冻结而形成冻土，伴随着土体体积膨胀，发生冻胀现象。在土体周围温度低于零摄氏度时，空气负温传入土体，未冻区土中的水分向已经冻结区域扩散、迁移，进而冻结形成冰晶，体积增大，表现为土体体积膨胀。当土层解冻时，土体中聚集的冰晶融化，体积变小，土体颗粒也随之下陷，表现为融陷现象。土的这种随着季节冻胀和融陷的特征，也叫做土的冻胀性。

(1)土体中液态水可分为结合水和非结合水，非结合水又可分为毛细水和重力水，非结合水也是影响地基土冻胀性的直接因素。在温度低于水分熔点，且土的含水率超过一定界限时，土体发生冻胀现象，称此值为冻胀含水率。随着含水率的增大，土体冻胀率增大，冻胀性表现地也越强烈。

(2)地下水位与路基高度直接关系路基土体发生冻胀的程度。当地下水位低于某一深度时，只需考虑土体自身内部含水量对冻胀的影响;当地下水位高于某一深度时，由于毛细水的作用，地下水会不断向冻结区域迁移，大大增强土的冻胀性。此时既要考虑土体自身含水，也要注意地下水的补给影响。

(3)不同土体发生冻胀的敏感性不同，这与土颗粒粒径、矿物成分等因素有关。研究发现，在形成冻胀现象的颗粒尺寸范围内，土的冻胀性随着颗粒粒径减小、分散性增大而增强。同时，当土中亲水性的矿物成分含量较高时，土颗粒吸水多，造成土的冻胀性也会显著增强。

2.2、冻土路基的主要病害

冻土的工程性质取决于冻土体内的水、热、力的平衡关系，地温增加促使地下冰融化，改变了冻土内部结构，从而改变了冻土的工程性质，而工程性质的改变和恶化使得路基呈现出不同的病害类型，其中路基冻胀和翻浆是冻土地区所特有的、分布较广、危害较大的两种公路病害。

2.2.1、冻胀

地面下一定深度的土温随大气温度的改变而改变。当地层温度降至摄氏零度以下时，土体便会因土中水冻结而形成冻土。某些细粒土在冻结时，往往发生体积膨胀，即所谓冻胀现象。土体发生冻胀的机理，主要是由于土层在冻结时，周围未冻区土中的水分向冻结区迁移、积聚所致。当大气负温传入土中时，土中的自由水首先冻结成冰晶体，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大，于是冰晶体周围土粒的结合水膜变薄，土粒产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜变薄，使得水膜中的离子浓度增加，产生了渗附压力。在这两种引力的作用下，下卧未冻区水膜较厚处的弱结合水便被吸到水膜较薄的冻结区，并参与冻结，使冻结区的冰晶体增大，而不平衡引力却继续存在。如果下卧未冻区存在着水源（如地下水位距冻结深度很近）及适当的水源补给通道（即毛细通道），能继续不断地补充到冻结区来，那么，未冻结区的水分（包括弱结合水和自由水）就会继续向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆起，出现冻胀现象。

2.2.2、翻浆

“冻融翻浆”是寒冷地区路基基床在冻融循环作用下所产生的一种特有的翻浆现象；在冬季负气温的作用下，水分连续向上聚流、冻结成冰，导致春融期间，土基含水量过多、强度急剧降低，在行车的作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥现象，形成翻浆。

2.2.3、融沉

融沉是多年冻土地区主要病害之一，一般多发生在含冰量大的粘性土地带，当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰且埋藏较浅时，在施工及通车运营过程中各种人为因素的影响下，使多年冻土层局部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形。具体表现为路基下沉，路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡滑塌等。融沉的特点主要表现为突然的大量下沉和周期性的持续下降。

2.2.4、冰害

冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水或开挖路堑后地下水自边坡流出，在隆冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基顶面或边坡挂冰、堑内积冰等病害，是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，这在严寒的多年冻土地区尤为严重。

3、冻土地区路基的治理

冻土路基的破坏大都是由于技术问题造成的，只有大量采用“保护冻土”的设计原则，基于大量理论和技术原理，才有条件建设高质量的冻土道路。

(1)冻土路段增加路基高度，可明显降低因地下水位较高出现的水分迁移现象。一般当地下水位较高时，气温下降，地表形成冻土层，地下水会通过毛细作用迁移聚集到地表位置，形成更厚的冻土层，在气温回升时可能出现的病害会更多更大。特别对于沥青路面，增大路基高度可明显减小冻融深度，缓解路基冻害速率，延长路基使用寿命，增强道路行车安全。

（2）换土。换土的目的是把冻土中敏感性土换成不敏感的土或其他非冻土,即消除构成冻土必要条件中的冻胀敏感性土。

（3）排水及隔水。排水及隔水的目的在于排除地表水或降低地下水水位及与周围的水或地下的水隔离。具体措施包括:a.地表排水,一般通过修建侧沟、排水沟、排水槽、截水沟等来实现;b.基床排水,一般通过挖除道渣陷槽、路肩换渗水性土壤、架设横向盲沟、横向排水管等排水来实现;c.排除地下水,一般通过截水明沟,渗水暗沟等排水来实现;d.隔水,一般通过用塑料薄膜、聚苯乙烯板等来隔断毛细水的上升及冬季土冻结时所产生的水分向上迁移来实现。3)隔温。一般通过采用隔热材料EPS,PU板等来增加热阻,从而降低季节融化层的冻结深度或减少冻结时间来实现。

（4）抛石护坡、护道。抛石护坡和抛石护道主要是以碎石堆砌形成缝隙,缝隙中的空气形成对流,以保持路基下冻土的稳定,并阻止外界热量进入。抛石护道和抛石护坡建成后,石块之间缝隙的空气在冬天形成循环,使路基保持与外界同样的温度,在夏天则成为“天然隔热层”,有效阻止外来热量的进入,使路基下多年冻土层的坚固性不会因施工而受到影响。

（5）合理地选择施工季节。施工季节的合理选择对工程造价以及环境影响是很大的。另外,冻土区地基处理的发展应加大开展新型防冻胀、防融沉和防渗漏材料的研制,开展复合地基及新技术的推广和应用研究,为解决冻土区工程病害,保证寒区工程建筑物的安全运营开辟新的途径

结束语

冻土是一种特殊的具有负温度及冰,且胶结着固体松散颗粒的土，随着人类对寒区经济开发的广度和深度的增加,与工程有关的许多环境问题、生态破坏问题日益突出,国家和社会对环境问题也日益重视。为了减少冻土对地基的影响，更深入系统地开展冻土地区路基研究是非常有必要的，针对其危害，采取措施解决好冻土对路基危害的防治工作，对我国的发展是非常有帮助的。

参考文献

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[4]姬晨鸣.冻土对路基的危害及治理前景浅谈[J].山西建筑,2011,01:129-130.