3新藏公路冻土路基的病害分析与防治

新藏公路冻土路基的病害分析与防治

摘要：在多年冻土地区，路基经常发生翻浆、冒泥、沉陷等现象，对公路造成很大的破坏。本文结合新藏公路既有路基病害情况，论述了多年冻土区公路常见病害的产生原因，分析了影响路基冻害的特点及危害，提出了多年冻土地区路基冻害防治措施。

关键词：新藏公路；多年冻土；路基病害；治理

1.引言

国道219线新藏公路k540+000—k651+000沿线分布有连续片状多年冻土，该冻土层构成了区域性较稳定的隔水层，从而使其上部季节性融化层中赋存有冻结层上水（液态），其下的含水层中赋存了冻结层水（固态）。该区域地下水总体可分成冻结层上水和冻结层水，水文地质条件较复杂。由固态地下水构成的冻结层，起着隔水层的作用，随季节、温度等因素的变化，其上部随时还可以转化成液态水的含水层。由于水在固液相转化过程中体积收缩与膨胀差近10%。因此，冻结时体积增大，产生附加压力，引起冻胀；融化时体积收缩引起融陷，会直接破坏路基的稳定性。该段主要是冬季冻胀和春季融沉，冬季路基开始冻结，在负温区内土中的毛细水、自由水先结冻，然后出现水分迁移现象，使土基中水分再冻结发生体积膨胀，出现冻裂或冻胀隆起病害；春季气温回升，土基开始解冻，但由于水分不易向下及两侧排除，使土基过湿，出现凹陷或翻浆病害，并进一步导致路基变形和路基稳定性变化。多年冻土地区的公路路基容易产生冻胀和融沉，严重影响行车条件。因此，对其进行深入研究是非常必要的。

2.多年冻土公路病害影响因素

2.1水文地质条件

2.1.1冻结层上水

路段所在区域的冻结层上水依据含水介质的不同，可分为松散岩类冻结层上水和基岩类冻结层上水两类，与公路工程关系密切的是松散岩类冻结层上水。因多年冻土上限埋藏较浅，冻结层上水发育，寒冬季节该层地下水又全部转变为冻结层下水。冻结层上水包括：(1)基岩类冻结层上水，包括构造裂隙水和风化裂隙水，公路沿线基岩出露段的季节融化层中均有分布。(2)松散岩类冻结层上水，该类地下水接受湖盆周边山岭区大量冰雪融水和少量大气降水补给，赋存于近湖岸基岩层上的坡残积、冲洪积层和湖相沉积层中，由盆地四周向湖心低洼处汇集。公路路基长期处于毛细水上升带或地下水浸泡之下，冬季产生路基冻胀，破坏桥涵基础；夏季冻土融化，引起路基冻融沉陷和翻浆。

2.2.2冻结层孔隙水

在钻探深度范围内，多年冻土上限以下的孔隙水以固态冰存在，地下水冻结成冰加大了岩土体的强度，在保持冻结条件下岩土体物理学性质较好。据采取的

-Na 冰水样进行简分析：其总含盐量为4957.00mg/L，地下水水化学类型为Cl-SO

4型。

2.2气候条件

路段所在区域地处塔里木盆地以南，从纬度上看属于大陆性干旱气候，气候特点为：气温日差较大，季节变化大，降水量稀少，空气干燥，日照时间长。同时由于该段路线位于昆仑山高山区，气候垂直分带极为明显。

本区降水特点为山区多，河谷少；西南部多，东北部少。昆仑山区的最大降水带集中在海拔3500-4000米之间，据和田气象局的历年气象资料，本区年降水量最大达到200mm以上，最小仅60mm，一般为80～120mm左右。月最大降水量为20mm。并且由此标高带向上、向下降水量均呈递减趋势，递减梯度约18mm/100m，在高山地区（海拔4800m以上）降水以固态为主，在昆仑山上形成了大面积的终年积雪和冰川。测区年蒸发量2000mm-2500mm，约为年降水量的45倍，全段发育了大片多年冻土。

2.3土质条件

该段全线均为多年冻土路段，多年冻土类型与湖相沉积物的岩相分带和组分结构密切关系，控制了形成的冻土类型出现规律性变化。在平面上，湖盆边缘湖滨粗粒相沉积因其颗粒粗大，比表面积小，相应沉积物的孔隙度也较小，加之沉积物颗粒分选差，间隙中充填有较多的亚砂土和粉细砂，含水冻结后以多冰冻土为主，间夹富冰土层。在剖面上，一般由冻土上限向下，厚约1.5m段冻土的含冰量明显增大，其下又逐渐减少。如湖心粘土、泥灰质带，冻土上限之下由饱冰冻土变为含土冰层或纯冰层，其下又变为饱冰、富冰冻土；近湖心细粒带冻土上限以下由富冰冻土变为饱冰冻土，其下为富冰冻土、多冰冻土；湖滨粗粒带在冻土上限之下由多冰冻土变为富冰冻土。

引起冻土病害的主要因素有：路基土质、气候、水分、路基基床结构、荷载等。土质是内在因素，水分是必要条件，气候是媒介。土质、水、气候是形成路基病害的3个主要自然因素，只有三者同时起作用时才能形成路基冻土病害。

3.主要病害分析

多年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，改变了冻土内部组构，从而改变了冻土的工程性质，工程性质的改变和恶化使得路基呈现出不同的病害类型。

3.1 融沉

热融下沉：主要由于保护冻土的路堤高度不够，加上路基局部积水，导致路基下多年冻土发生热融，使路基产生不均匀沉降。此类病害是难以整治的病害类型。冻胀热融：尽管路堤高度大于临界高度，但在以粘性土为主的季节融化层内，由于冻结过程常在此处发生聚冰作用，产生较大的冻胀量，而在融化季节又产生较大的冻胀热融下沉，一般的路面与基层很难经受这样大的反复冻融变形。具体表现为路基下沉（见图1），路堤向阳侧路肩及开裂、下滑，路堑边坡滑塌等。

3.2冻胀

路基土中沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，使路面产生隆起。冻胀作用使道路产生的破坏状态在中央部分冻胀量最大，因而沿路面中心线的纵断方向上产生纵向裂缝。这种冻胀破坏与冬季期间道路除雪情况以及路面施工接缝情况有密切关系。施工时在路面中心如果有接缝，则接缝处水平方向的抗拉强度比路面其他部分要小。冻胀现象已经成为道路产生破坏的一种形式。在春融期，由于路基土中冰晶体的融解，又成为土基或垫层承载力降低的原因。对砂石路，春融期间在荷载的作用下产生的翻浆现象，将会使道路出现严重病害。

3.3冰害

冰害主要是指在路堤上方出露地表的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，在严寒的多年冻土地区则尤为严重。3.4冻融翻浆

在低温作用下,路基上部（包括路面基层）含水量激增，形成聚冰和冻胀；春融季节，路基上部强度显著降低，在行车作用下，出现发软、裂缝、冒泥浆，最后导致路面破坏。翻浆是冰冻地区（多年冻土区和季节性冻区）严重公路病害之一。

4.冻土路基的防治措施

4.1融沉的防治

对存在此类病害的路基，防止失稳的有效措施是改变路基型式,以维持冻土路基的热平衡,包括隔热保温路基、碎石路基、通风管路基和热棒路基。但受限于资金和养护技术，对该路段的处置多采用粗粒透水性好的材料，如砂砾、碎石渣等来填筑路基，以降低毛细水的影响。在石料较为丰富的段落，路基基底填筑50cm以上的块石，可以防止路基内的热量传入地基中去，加上空气的流动加强了地基的蒸发作用，使基底的表面处于降温状态，同时相对空隙较大的块石基底又能抵御地基的冻胀变形，使冻胀应力能够得到释放，在冻土层发生融化时，块石的强度又能给予路基强有力的支撑，从而减少路基变形，对治理融沉有一定的效果。

4.2冻胀的防治

路基冻胀的防治，应在路基填筑中，尽量使用冻胀性小的均质土，并分层压实；做好路基的地表排水；必要时于路堤两侧坡脚外增设保温护坡，切断地表水、地下水对路基的渗透，以免路堤本体遭受冻胀，保证路堤坡脚土体强度。是防止和减轻冻胀的主要措施（如图2）。对已成路面，应在养护中防止雨雪水下渗和

做好路基排水，尽量保持路基干燥。因冻胀而严重损坏必须大修的路面，则应采取切实的改善措施，预先杜绝冻胀隐患。

4.3冰害的防治

为了防止流冰对桥墩的冲击，一般是在桥墩上游设置破冰构造物。木桥主要是加破冰桩。此外，流冰季节，要加强观察和防护，对于大块流冰，有时采用冰面或冰下爆破，以破碎流冰。如桥下出现拥冰现象，则要及时疏导，防止结成冰坝。适当加大木桥桥桩入土深度，可有效地防止冻拔。对于小桥、涵管的冰塞现象，除修建时要适当考虑加大孔径(特别是涵管)和洞底纵坡外，在冬季养护中，要经常清除孔内结冰，或在上游临时修筑聚冰池、挡冰坝等。多年冻土地区存在冰椎、冰丘等冰害。为了防治冰害，在修建路基时要注意冻结层水的排除。此外，还可采取保护冻土或破坏冻土的方法，以避免冰害。

4.4冻融翻浆的防治

路基采用粗砾料填筑至临界高度以上，同时在路基基础设计时考虑防水措施，防止水浸路基减少重复冻融对路基的影响。也可采用XPS板保温隔热层或片（块）石通风路基隔断上层路面与路基之间的热传导，并以粗颗粒土垫高路基。同时在路基基础设计时考虑防水措施，减少重复冻融对路基土的影响。近地表冻融层路基土整治应与冻土层整治结合，采取隔温、隔水措施，可消除路基翻浆病害。