浅谈高原多年冻土病害及防治

摘要：冻土是指温度在O℃或O℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。多年冻土路基病害一直是冻土工程所关注的重点之一，为此，本论文从多年冻土的特性和公路病害特点入手，通过我省公路沿线多年冻土与公路病害关系和路基温度场变化分析揭示路基病害形成机理，提出路基设计原则、路基设计合理高度，为多年冻土地区公路建设提供参考依据。

关键词：冻土冻胀力融沉冻胀性

中图分类号：[P314.5] 文献标识码：A 文章编号：

我省属高寒大陆性气候，寒冷干燥，空气稀薄、太阳辐射异常强烈同时境内河流众多，高原地表水体下渗强烈。水有着较大的比热容，下渗水体所含有的热量造成地下多年冻土融化，因而高原连片多年冻土地区在河流、湖泊下形成大量融化区域，导致多年冻土性质复杂多变。特别是沥青路面，因为颜色深而吸热能力远大于天然地面，对其下的多年冻土影响极大，因此多年冻土区沥青公路的路基病害也常常最为严重。

1冻土的主要工程特性

在外部环境改变的情况下，冻土的物理状态和力学性能会随着土中水分的冻结和融化发生变化。冻结过程土中水分重分布，使得土的结构、密度发生改变形成冻胀，并伴随产生附加压力即冻胀力；当冻土融化时，在自重和外荷载作用下排水固结，土体产生明显压缩变形，形成融沉。在冻土地区，随着气候冷暖交替路基及地基土产生周期性冻融变化，因而冻胀和融沉是多年冻土乃至季节冻土地区导致产生工程问题或病害的主要原因。

1.1融沉特性

冻土中冰既是土颗粒的胶结物质使冻土具有较高的强度和承载力，也是土体的重要组成物质而占有一定的空间。当温度高于O℃后，冰发生物态变化由固体变成为液体，在封闭体系内液态的水还有相当的承载力，但在开放的体系中水将在重力和压力作用下向一定方向流动，这种孔隙水的消散与排泄就是土体的排水固结。随着融化，冻土在上覆荷载作用下不断排水固结，伴随着压密土体产生下沉，即冻土的融沉，这种热融压密沉降的性质称为冻土的融沉特性。

大量的现场与室内试验结果表明：不论何种土质，在自由排水的条件下，冻土融沉系数随土含冰(水)量的增加而增大，随土的干密度增大而减小；在相同的含水量状态下，粉质土类融沉性最强，粘土和细砂次之，砾类土最小。对于粗粒土来说，土中粉粘粒含量小于或等于12％时，融沉性一般变化不大，融沉系数小于3％～4％，当粉粘粒含量大于12％时，融沉性则随粉粘粒含量的增加而急剧增大。青藏公路路基填土绝大多数为砂砾类土，粉粘粒含量多数小于12％，似乎青藏公路路基融沉不应严重，但是引发路基融沉的位置并不在路基内，而是发生在路基下的多年冻土层中。

1.2冻胀性

随着土中未冻水分的冻结土体产生体积膨胀的性质，称为土的冻胀性。土的冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀指土中水分不发生迁移而冻结形成的体积增大，分凝冻胀是指开放体系中有外来水分补充而形成的冻胀。孔隙水原位冻结只能增加体积9％，而有外来水分补充的分凝冻胀则可使体积增大1．09倍，所以开放体系中分凝冻胀是构成土体冻胀的主要部分。

冻胀是路基路面纵向裂缝形成的主要动因。冻胀与土的粒度成分有关，土的分散性愈大，其冻胀性愈大，粒径小于0．074ram的粉粘粒具有最大的冻胀性。冻胀强度还与土体密度有关，当土的密度较小时，冻胀量随密度增加而增大，当土体密度超过1．68 g／cm3--一1．89／cm3时，冻胀性则随土的密度增加而减小。冻胀强度也与温度降低过程有关，降温过程缓慢有利于未冻水向冻结锋面迁移，使冻结锋面得到充分水源补充，因而冻胀强烈；反之，降温迅速则不利于未冻水的迁移，冻胀强度会较小。

2路基病害类型

我省公路路基病害基本类型有冻胀、沉陷和纵向裂缝三大类。

2.1冻胀

冻胀主要是冻结期水分受温度梯度作用向冷锋面迁移形成局部集中，并产生相交导致体积增大而产生，所以冻胀主要形成于冻结过程中即一般发生于冬节的早期和中期。冻胀的影响因素有气候条件、水分补给条件和土质类型，土质中以土颗粒吸水性和毛细性较好的粉粒类土冻胀最强。青藏公路沿线土质类型以沙砾类土为主，因为颗粒较粗对水分迁移不利，所以冻胀病害不是很严重，只是在涵洞和小桥地基与台背发生较为强烈。

2.2路基沉陷

路基沉陷病害是我省公路的主要病害类型之一，青藏公路多年冻土分布区内普遍存在严重的路基路面沉陷病害，最严重一处波浪(K3263+020)波峰波谷高差达1．29m，从分布来看在多年冻土范围内的道路普遍出现程度不同的沉陷变形。沉陷病害的表现形式是路面出现不均匀下沉，形成波浪、反拱等严重现象：其实质是沥青面层以及路基边坡过量吸收太阳辐射热能并向下传递，路基下伏多年冻土上限附近的冰层在传递的热能作用下逐渐融化并产生固结的过程，由于多年冻土上限附近冰层厚度的差异以及路表吸收和传递热量的不同，因而固结沉降量存在差异导致路面出现不均匀沉陷。

2.3纵向裂缝

纵向裂缝是我省公路的另一主要病害类型。其发生规模与分布密度在国内各条公路罕见，单缝开裂宽度可达数十厘米，两缝间沉陷路面宽度多在一米以上，单缝连续长度可达六、七十米，断续长度则可达上百米之巨。纵向裂缝已替代沉陷变形而成为我省公路的主要病害，严重威胁着我省公路的正常使用。由于纵向裂缝属于路基加高以后普遍出现的病害，目前对它的研究还较少，认识还不是很深入。

3冻土路基病害防治措施

改善冻土路基热状况，进而改变土体中水分迁移、相变情况是冻土路基病害防治的基本思路。为了改善冻土路基热状况设置保温隔热层、热棒、通风管、碎(块)石路基等工程措施和结构类型不断被使用于多年冻土地区道路工程中，这些工程措施和结构类型对冻土路基病害的防治起到了积极的作用并且使用越来越广泛。

3.1隔热板路基

隔热板路基是在冻土路基内部铺设一层隔热材料，利用隔热材料热传导系数较低这一特点阻止上部热量进入下部冻土层，从而达到保护冻土的目的。从70年代中期，我国开始进行铺设聚苯乙烯保温材料对路基稳定性影响的研究，在青藏高原风火山地区修筑了试验路基，并进行了一维路基模型试验研究和初步分析，1992年开始在青藏公路昆仑山越岭地段进行铺设保温材料。众多研究表明，隔热板路基可减少进入基底多年冻土的热量，延缓冻土上限下降的速率，在多年冻土的路基病害防治和降低路基高度等方面起到明显的作用。

3.2通风管路基

通风管路基的工作原理是，在寒冷季节，冷空气有较大的密度，在自重和风的压力作用下，将埋置于路基土体通风管中的热空气挤出，并不断将周围土体中的热量带走，降低其下路基及地基温度，以达到防治冻土路基病害的目的。

3.3块石通风路基

块石通风路基是在路基体内填筑一层由大粒径块石组成的材料层，由于块石材料空隙大，空气可在其中自由或受迫流动，从而改变路基的水热状况。冷季时冷空气沿孔隙下渗，对流换热向下，较多的“冷能"可以传入地基中；暖季热空气上升，块石中仍能维持较低温度，块石中的对流换热向上，因此传入地中的热量较少。虽然除了对流换热外块石还有热传导换热，但导热在整个热传输过程中所占比重较小，所以块石路堤的综合效果是“冷能"输入大于热量输入，总体上有利于保护多年冻土，因此块石路堤己被越来越多的应用于多年冻土地区。

多年冻土地区环境脆弱、条件复杂，在全球气候逐渐变暖的条件下将对公路建设、运营造成更大困难。因此，在重大环境条件改变下的路基稳定性仍是需要关注的问题。

参考文献：

[1] 邓午天.地质路基.西南交通大学出版社，2000