冻土地区路基病害与防治

冻土地区路基病害与防治

冻土的成因

冻土的基本概念

凡含有水的松散岩石和土体，当温度降低到其冻结温度时，土中孔隙水便冻结变成冰，且伴随析冰(晶)体的产生，胶结了土的颗粒。各种土体中的冰析作用，将伴随着一系列非常复杂的物理、化学及力学性质的改变。水分迁移，孔隙溶液浓度的增大和土体不均匀变形，以及引起应力、应变的改变，都在改变着冻土的性质。孔隙水结晶，松散土颗粒被胶结和外来冰侵入体的“冰劈”作用是土体性质变化的一个重要条件。另外，由于固体土颗粒表面自由能量的作用，使冻土中的水分不能完全冻结成冰，而总是含有一定量的未冻水。随着冻土温度变化，未冻水一冰之比例也在改变，而温度指标是引起冻土性质变化的基本条件。因此，把具有负温度及冰，且胶结着松散岩石固体颗粒的土(岩)，称为冻土(岩)。冻土温度状态随地区及存在条件的差异而发生变化。它主要取决于大气温度、海拔高度、地形、地质和水文地质及植被等条件。此外，环境条件的改变和人类的工程建筑活动也可直接影响其所在地段(区)的冻土温度状态。

冻土按其冻结状态时间的长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三类。

冻结状态持续三年以上的冻土为多年冻土。每年冬季冻结，夏季全部融化，冻结状态持续时间大于一个月，每年周期性冻结的冻土为季节性冻土，这种冻土的冻结深度为数厘米至1-2m。瞬时冻土是指冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的冻土，其冻结深度为数厘米至数毫米。

多年冻土的成因

冻结状态持续三年以上的土层(土壤、土和岩石)称为多年冻土。地球表面发生着包括一切传热形式：辐射、对流和传导的复杂热交换过程。尽管地表发生的热交换过程十分复杂，但最后都可归结为使地表吸热或散热。冷半年的时候(寒季)，地表散发热量使土逐渐冷却。一般来说，当土的温度降至0℃以下时，土中水就会冻结，形成冻土。如果该处地表一年中的吸热量等于或大于散热量，而热半年时(暖季)，在冷半年形成的冻土就会全部融化，这类冻土就是季节性冻土。反之，如果该处地表一年中的吸热量小于散热量，则冷半年形成的冻

土在热半年就不会全部融化，而残留一部分。如果长时期的保持每年散热大于吸热这一条件，则年复一年，就能形成相当厚度的多年冻土。

冻土区不良地质现象及路基病害

冻土区不良工程地质现象

冻土是一种特殊的土体。其成分、组构、热物理及物理力学性质均有着不同于一般土的许多特点。冻土区的活动层中每年都发生着季节融化和冻结，并伴生有各种冻土现象，因此，在冻土地区筑路时产生了一系列特殊的工程地质问题和路基路面病害。在冻土区筑路必须考虑的工程地质问题有融沉、冻胀和不良冻土现象等。

(1)融沉

融沉，也称融化下层，指土中过剩冰融化所产生的水排出以及土体的融化固结引起的局部地面的向下运动，是自然(如气候转暖)或人为因素(如砍伐与焚烧树木、房屋采暖)改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所致。在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细粒土充填的粗粒土中往往存在厚层地下冰，由于其埋藏浅，所以很容易受各种人为活动的影响而融化。由厚层地下冰融化而产生的融沉是引起多年冻土区路基变形和破坏的主要原因。

路堤修筑后改变了表面的水热交换条件，并引起基底土层压缩等一系列变化。这些变化在一定条件下使上限(指多年冻土上限，为多年冻土层的顶面，也是地表以下位置最深的冻融土层的界面)下降。而路堤本身的存在则增加了热阻，是有利于上限上升的因素。当路堤很低时，热阻小，使上限上升的因素弱于使上限下降的因素，因而世根下降。随着路堤高度的增加，使上限上升因素的作用也随之增强。当这一因素的作用增加至等于或大于使上限下降因素的作用时，就会导致路堤下上限不变或上升。这样，在一定条件下就存在这样一个路堤高度，当实际路堤高度大于这一路基高度时，上限将上升；而小于这一高度时，上限将下降。这一高度叫使原上限不变的最小路堤高度。当采用保护冻土原则在冻土区筑路时，必须保证使实际路堤高度大于这一最小路堤高度。但路堤高度并非越高越有利于保护冻土。在高温冻土区，当夏季施工的路堤其高度超过一定值时，会在堤身内形成融土核(采暖建筑物下，多年冻结地基土的一部分发生融化，形如盆状，故称融化盘)，造成地下冰的融化，而使路堤下沉。

路堤建成后改变了地表和地下水的径流条件。当排水措施不当时会产生路堤过水和堤侧积水现象。其结果往往是地下冰融化，路基下沉甚至发生突陷。

多年冻土区的公路设计和施工通常采用保护冻土原则，尽量避免挖方和零断面。采用沥青路面时，由于黑面的吸热和封水作用，其下的人为上限值较大。因此，在冻土区修筑沥青路面时必须对采用保护冻土原则的可能性和经济合理性进行论证。

(2)冻胀

冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一个重要问题。一般情况下，在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较低，如存在粉质土和足够的水分则冻胀严重。

由于路基填筑材料的不均匀，或不同岩性和水文地质条件地段路基过渡处理不当，可能引起不均匀冻胀，使线路在乎纵断面上失去平顺性。用粉质土和黏性土填筑的路基，由于冻结时的水分迁移可能在上部聚冰而引起翻浆。

为了防止冻胀可用粗粒料作为路基填筑材料，但这在实际工程中很难全部做到。这时可以采用黏性土作为路基的填筑材料，但必须作好验算，并辅以相应的防止冻胀措施。

另外在冻土区设计刚性建筑结构物(如挡墙、涵洞)时，要充分考虑水平冻胀力的作用。在不可能绕避时则必须做好排水措施，防止线路附近冰锥和冻胀丘的发生。

(3)融冻泥流和滑塌

融冻泥流和滑塌多发生在有厚层地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施工、挖方取土等人为活动引起，也可以由自然因素(如河流侵蚀坡脚、气温升高)引起。由融冻泥流和滑塌形成的稀泥物质向下流动，可能掩埋道路，壅塞桥涵，加速路基的软化湿陷。当线路通过越岭地段时，要特别注意这些问题。

(4)冰锥、冻胀丘

冰锥俗称涎流冰，指水多次溢出地表冻结而所形成的地面冰体。分布于多年冻土和季节冻土区。其形成条件为：具有不冻的水源、水的通道、水的驱动力和严寒的气候条件。按其水源分为河冰锥、湖冰锥和采冰锥。绝大部分冰锥是季节性的。工程建筑时，若建筑物拦截了地下水的通道，又未处理好排泄通道时，也会在建筑物附近形成冰锥，从而危害建筑物。由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形，总称冻胀丘。冰锥和冻胀丘是多年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。在青藏公路沿线就分布有大小冰锥和冻胀丘100多处。值得注意的是由于筑路而产生的水文地质条件的变化(堤身和基底土的压密，上限上升，挖方拦截地下水通道等)往往在线路附近诱发新的冰锥和冻胀丘。冻胀丘形成钟产生巨大的隆胀力，