多年冻土路基病害与整治

多年冻土路基病害与整治

1、研究背景及内容

全球多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布面积高达215万km2，约占世界多年冻土分布面积的10%，占我国国土面积的22.4%，是世界上第三大冻土大国，而我国的多年冻土主要分布在青藏高原、大小兴安岭、祁连山、天山和阿尔泰山等高山、高纬度地区。

多年冻土是一种特殊土类。其特殊性主要表现在它的性质与温度密切相关。常规土类性质主要受颗粒的矿物和机械成分、密度和含水量控制，多半表现为静态特性。多年冻土的性质除受上述因素控制以外，同时它的性质随温度和时间都在变化，表现为动态特性。所以，冻土是一处对温度十分敏感且性质不稳定的土体。

随着全球气候的逐渐变暖和人类活动加强，多年冻土上限呈现出下降的趋势，多年冻土也在不断退化，对路基路面的稳定也造成了极大威胁。关键的是冻土在冻结、融化时具有特殊的物理、力学性质变化。土壤冻结时最重要的物理过程是水分的迁移和重分布，而冻土融化时最重要的是物理力学变化是结构、强度的急剧衰减。从而在冻融循环中不断地改变着土层的形态结构和物理力学性质，导致工程建筑物基础的反复变化与破坏。在大多数情况下，病害的发生发展过程与变化结果具有单向、不可逆的规律。

冻土地区筑路工作中的问题除了一般寒区道路中常见的路基冻胀、翻浆路面冻融松散低温开裂外，还有冻土地区特有的道路病害——路基热融沉降、边坡热融滑塌。

2、多年冻土路基病害

2.1 热融沉降（陷）

因气候转暖，或森林砍伐与火灾，或修建工程构、建筑物，特别是采暖型的建筑，破坏了原来地面的植被和热力动态，使其冻结与融化深度加大。导致地下冰或富冰土层融化，于是在上覆土层自重及建筑物荷载作用下，地基土便出现沉降或深陷现象，从而使建筑物无法正常运行，甚至破坏。这是多年冻土区各种建筑物遭受冻害的主要原因。

2.2 融冻滑塌

在地下冰发育的斜坡上，由于路堑工程或挖方取土，或河流侵蚀坡脚，使地下冰层或富冰土层外露，而不断融化，造成上覆植被或土层失去支撑而不断下滑。

2.3 冰丘、冰椎、延溜冰

在季节融化层中含有丰富的地下水层时，冬季地表冻结过程中，随着地表冻土层增厚，由于下卧多年冻土层隔水，季节融化层中的地下水流受阻而承压。当该孔隙水的压力足够大时，在地表较薄弱处即被不断增加的受压孔隙水顶托而逐渐隆起，形成丘状体，称之为冰丘；当地表层不足以承受水压力时，空腔水与孔隙水便破土而出，在地表漫延，并冻结成冰椎。

延溜冰的产生主要由于公路上侧土壤中的过饱和水分、泉水、沟溪中的水，在移动过程中，水流被下降的气温自下而上逐层冻结，水源不断供给，形成较大面积的冰覆盖层。延溜冰沿公路长度分布少则几米，多达几百米，冰的厚度有几厘米到几米。它一般发生在冬季或初春，持续的时间较长。根据调查发现，延溜冰多发生于林区、山岭、坡地、沟谷，以及泉眼、河流附近，受气温、地形、冻深及水分条件影响。

2.4 季节融化层的冻胀

冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一重要病害现象，在多年冻土地区，处于不良地质、水文条件下的路段，路基土冻结过程中会发生水分迁移现象。水分不仅向冻结锋面迁移，而且在冻结中凝结成冰，由于冰的密度略小于水，故在冻结的过程中伴随着体积的膨胀，从而造成路基土的冻胀。冻胀的发生是需要两个必要条件的，一是有充足的水分补给源，二是有水分补给的通道。

冻胀本身不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。这种病害在冻土地区早期修建的桥梁、涵洞工程中尤为突出，由于当时的工程技术人员认识和掌握冻土的自然规律以及未能及时采取防护措施致使桥梁、涵洞发生破坏。主要表现为基础上抬、倾斜造成桥梁拱起，涵洞断裂，甚至失效等破坏。

3、多年冻土路基的病害成因分析

3.1 融化盘的形成

特别是高温冻土区融化盘的形成是导致路基病害的主要原因之一。由于黑色路面吸热，造成路基下冻土的正积温增加，路基下冻土上限因各种因素增深，致使路基以下冻土的上限在横断面上形成一种“盘状”的凹陷部分，即融化盘。

融化盘的出现和存在，不仅促进了路基下融化盘内水的自然汇集和蓄水，使融化盘上下的土体含水量或含冰量增大，而且使人为上限由初始的浅盘逐渐变成深盘状。水的存在，使每年积累的能量在融化盘内部夏季土体融化但冬季不能被冻结，这就出现了融化不冻核，也称为融化夹层、不衔接层。融化夹层是一层含水量大、土的固结程度小、模量低的软弱结构层，这对路基的稳定性影响很大。

3.2 偏移的融化盘导致路基不均匀沉降、纵向开裂

由于路基阴阳面使路基两侧路肩下的地温分布产生较大的差异，温度场的不对称又使得路基底部最大融深位置发生偏移，引起路基在横断面方向产生滑移、不均匀沉降和纵向开裂。

3.3 路基及路基下融化盘内含水量状态变化对路基稳定性的影响

在大多数路基两侧破坏较为严重的路段，路基、地基的含水量较高，融化盘内含水量发生变化，使路基产生较大的融沉变形，甚至在有些未整治路段能够形成反拱变形。在路基较高的路段，由于路侧地势低洼积水等，导致路基产生不均匀下沉或纵向开裂。

3.4 不规范施工导致路基产生纵向开裂

路基施工中，个别施工单位对路基特别是加宽部分不挖台阶，直接倾倒填料，直至与旧路面齐平时才开始碾压，压实厚度达到1米多甚至2米多。不规范的施工方法无法保证路基加宽部分的压实度，导

致新旧路基的填土结合较差，从而造成路基的纵向开裂。

3.5 路基或地基含水量过高

含水量过高是导致路基翻浆的主要原因。在多年冻土区，路基施工季节也多是高原的雨季，由于路基填料过湿，土质含泥量较大，施工路面时未做彻底处理，将含水量大的土质覆盖于路面基层之下，随行车荷载的作用，路基产生翻浆。另外，在季节冻土区和多年冻土区中的融区公路，由于路基偏低，地下水、地表水侵入路基，在重型车辆荷载、冻胀及融沉的反复作用下，路基便会产生翻浆。

4、路基病害处治措施技术研究

4.1 排水系统（排水物、截水沟、挡水埝）

它起引导和控制地表水径流的作用，以防止和排除路基(堤、堑)两侧积水、渗透，最大程度地减轻路基土体在冻融过程中的各种物理力学性质的变化。

然而，设置地表排水系统就要破坏自然地表，如果不准确掌握地质条件，就可能改变和破坏多年冻土的生存状态，反而引起新的病害。

4.2 保温护道

保温护道也是整治路基病害的一种常用措施。作用是加强对路基边坡、坡脚处冻土的保护厚度，减少气温对多年冻土的影响程度和范围；同时也起到防止路基坡脚积存水体和渗入的作用。

但是，对护道的填筑材料、断面结构形式和尺寸及防渗水能力要有周密的考虑和设计。然而，过去填筑的保温护道明显存在不足，多数已起不到保温作用而失效。过去也曾采用过片石护道，但实践证明，在多年冻土地区采用片石护道非但不能约束路基底的下沉侧挤，反而加速了基底的融化下沉。它只能在不破坏冻土原则的情况下采用。

对路堤和路堑边坡的坍塌和热融滑坍病害的工程措施，常用的有护道及具有支撑作用的护坡。护道主要适用于较高的路堤，可用成台阶式，主要针对由于季节性冻融界及过陡情况下的边坡坍塌变形。而对于边坡变形所采用的片石护坡则有过深刻的教训即不具支撑作用的、较薄的无结构片石扩坡不能抵御冻融变形的破坏，反而加剧边坡变形的程度。